Pinnacle Studio Plus. Основы видеомонтажа на примерах. Глава 1. Теория работы с видеоизображениями на ПК (В. П. Молочков, 2007)

В связи с этим дальнейшее развитие технологий передачи и обработки видеоизображения пошло по пути использования цифрового видеоизображения. Для цифровых видеокамер был разработан специальный цифровой формат записи на магнитную ленту – DV (Digital Video). Это компонентный формат представления сигнала, который обеспечивает разрешение по горизонтали 500 линий. Оцифровка осуществляется с разрешением 720x576, т. е. каждый кадр содержит 720x576 значений яркости (Y) и по 360x288 значений цветоразностных сигналов (U и V). Благодаря раздельной записи видео и звука формат DV позволяет добавлять звуковое сопровождение после завершения записи или редактирования видео.

Цифровое видео характеризуется четырьмя основными параметрами:

• разрешением (Spatial Resolution);

• частотой кадров (Frame Rate);

• качеством цветопередачи (Color Resolution);

• качеством изображения (Image Quality).

Разрешение

Разрешающую способность видеокамеры принято измерять в TBJ1 (телевизионных линиях). Для понимания того, что есть TBJ1, посмотрите на телевизионную испытательную таблицу – рис. 1.1. Электронный вариант такой таблицы можно скачать по адресу: http://www.bealecorner.com/trv900/respat/EIA1956-v3.zip. Цифры, стоящие рядом с линиями, как раз характеризуют разрешающую способность видеокамеры. Так, если на изображении испытательной таблицы, снятой видеокамерой, можно различить линии рядом с цифрой 500, то разрешение такой видеокамеры не хуже 500 TBJ1.

Рис. 1.1. Телевизионная испытательная таблица EIA Resolution Chart

Примечание

Телевизионные испытательные таблицы бывают разные, и они позволяют определять не только разрешение, но и размеры изображения, геометрические искажения, сведение лучей, оценивать яркость, контрастность, баланс белого, правильность передачи цвета изображения и ряд других параметров.

Совет

Как пользоваться такой таблицей в домашних условиях? Наведите видеокамеру на таблицу и произведите ее видеозапись. Для корректности результатов необходим штатив и правильное освещение таблицы дневным светом. Снятое изображение нужно качественно распечатать, например, из программы Acrobat 7 на фотопринтере НР7760 в максимальном разрешении, используя матовую фотобумагу формата А4. Там, где сужающиеся горизонтальные и вертикальные линии на распечатке перестают быть различимыми, находится предел разрешения вашей видеокамеры (смотрите в этих местах маркировку испытательной таблицы в ТВЛ).

Цветопередача

Качество цветопередачи (Color Resolution), называемое также «глубина цвета», устанавливает максимально возможное количество цветов, одновременно отображаемых на экране камерой. Цветопередача есть у всех устройств, передающих цвет, – принтера, сканера, монитора. Для того чтобы увидеть эту характеристику, например, для монитора, необходимо щелкнуть на рабочем столе правой кнопкой мыши и выполнить команду: Свойства | Параметры (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Пример настройки монитора ПК на глубину цвета 32 бита

Требования к качеству изображения (Image Quality) зависят от ваших целей и задач. Вряд ли на сайте в Сети целесообразно размещать полноэкранное видео с разрешением 768 на 576 и палитрой в 16,7 млн цветов (24 бит), а также полной кадровой разверткой (25 или 30 кадров/с). Очевидно, что чем выше частота кадров, глубина цвета и разрешение, тем качество цифрового изображения лучше, но тем больше размер видеофайла.

В настоящее время существуют три системы цветного телевещания – NTSC, PAL и SECAM. Основные различия между этими стандартами телевидения заключаются в методах кодирования телевизионного сигнала.

Новый термин

Видеостандартом называется описание формы кодирования видеоизображения определенным видеосигналом. Такое описание является неизменным и поддерживается различными производителями видеооборудования.

NTSC

NTSC (National Television Systems Committee) – стандарт телевидения, установленный в 1950 году в США и Японии. Стандарт имеет частоту 30 кадров в секунду (60 Гц) в чересстрочном режиме (нечетные строки отображаются за первый проход, четные – за следующий). Вертикальное разрешение NTSC составляет 525 сканирующих строк. Обеспечивается поддержка 16 миллионов разных цветов.

PAL

Стандарт PAL (Phase Alternation Line) разработан в 1961 году и популярен в большинстве стран Европы и в России. Стандарт имеет частоту 25 кадров в секунду (50 Гц). По сравнению с NTSC система PAL использует большую полосу пропускания и, как следствие, обеспечивает лучшее качество изображения и звука. Максимальное количество вертикальных линий, которое можно отобразить на телевизоре, – 768. Количество строк в кадре 625. Следовательно, полный телевизионный кадр получится 768x625. После отбрасывания служебных строк и обратного хода кадровой развертки (и с учетом того, что соотношение сторон TV кадра равно 4:3) остается реальное разрешение 720x576. Такое разрешение указывается для полноэкранного видео на компьютере во всех программах редактирования видео по видеостандарту PAL.

SECAM

Во Франции телевидение использует стандарт SECAM (SEquential Couleur Avec Memoire). Частота кадров в SECAM соответствует частоте кадров в стандарте PAL, т. е. 25 чересстрочных кадров в секунду (50 Гц). Количество строк в кадре 625.

Ниже мы рассмотрим видеоформаты по трем категориям: аналоговое, цифровое и сжатое.

Аналоговый формат VHS

Возможности формата VHS (Video Home System – Домашняя Видео Система) ограничены разрешением 240 телевизионных линий или 320x240 точек на экране ПК.

Для съемки используется VHS-кассета с шириной ленты – 12,65 мм и скоростью – 23,39 мм/с, которая имеет время записи 240 минут при стандартной скорости ленты SP (Standard Play) и самую низкую стоимость съемки (рис. 1.3). Режим записи-воспроизведения также может быть на скорости LP (Long Play) – 11,695 мм/с. Главный недостаток формата VHS: невысокая четкость изображения (240 линий по горизонтали) и резкая потеря качества при каждой перезаписи.

Рис. 1.3. Видеокассета VHS

Аналоговый формат VHS-C

VHS-Compact – модификация формата VHS с теми же характеристиками изображения и звуком моно, только использует компактную кассету VHS-С с такой же лентой (ширина – 12,65 мм, скорость – 23,39 мм/с), которая легко воспроизводится на любом VHS-видеомагнитофоне с помощью специального кассетного адаптера, обычно поставляемого в комплекте с камерой (рис. 1.4). Главный недостаток тот же: невысокая четкость изображения – 240 линий по горизонтали – и резкая потеря качества при перезаписи. В жертву компактности значительно снизилась продолжительность записи на кассете – до 90 минут на скорости SP (Standard Play). Зато уменьшение веса, габаритов и энергопотребления повысили популярность формата и снизили его цену.

Рис. 1.4. Видеокассета VHS-C

Аналоговый формат Hi8 и Hi 8XR

«Hi» является сокращением от английского «High» и подразумевает высокое качество изображения, а вторая цифра «8» говорит о ширине ленты в кассете, т. е. ширина пленки – 8 мм, скорость – 28,695 мм/с (рис. 1.5). Видеоразрешение составляет 400 телевизионных линий (TBJ1). Аналоговый звуковой поток может записываться на кассету в двух режимах – моно и стерео. Максимальное время записи составляет 180 минут в режиме SP (Standard Play) и 360 минут в режиме LP (Long Play). Камеры снабжены S-Video разъемом для качественного вывода изображения.

Рис. 1.5. Видеокассета VHS-C

Hi8 XR (Hi 8 extended Resolution) – это тот же Hi8, но с увеличенным разрешением, т. е. усовершенствованная модификация формата Hi8. Разрешение изображения достигает 440 линий по горизонтали при меньшем уровне помех цветности и яркости за счет расширения полосы записи яркостного сигнала в область звукового сигнала.

Цифровой формат Video8

Формат использует пленку 8 мм и маленькую кассету, что сделало его популярным для портативных видеокамер (8 мм = 1/4" или 0,25 дюйма). Лента формата Video8 покрыта специальным «металлическим» покрытием, позволяющим записывать сигналы высокого уровня. В процессе эксплуатации пленка огибает магнитную головку примерно на 30 градусов больше, чем в вариантах до появления данного формата. Это решение, как и металлопокрытие, также обеспечивает качество видеосигнала.

Цифровой формат Digital8 (D8)

Формат создан фирмой Sony. Видеоизображение записывается на кассете в формате несжатого видео с разрешением 720x576 точек. Основным отличием видеокамер, работающих с таким видеоформатом, от аналоговых является наличие цифрового порта IEEE-1394. С его помощью можно переписывать видеофильмы на компьютер в цифровом виде без потери качества. D8 имеет высокое разрешение изображения – до 500 линий по горизонтали и стереозвук качества CD (16 бит, 48 кГц). Камеры D8 используют кассеты Hi8 или кассеты Video8 (рис. 1.6). Продолжительность записи – 2/3 от номинала кассеты, т. е. если на кассете Hi8 указана длительность 120 минут SP, значит, что в режиме Digital 8 на нее можно записать 80 минут SP.

Рис. 1.6. Видеокассета VHS-C

Формат DV (Digital video)

В 1993 году компании Sony, Matsushita (Panasonic), JVS, Hitachi, Mitsubishi, Toshiba, Sanyo, Sharp, Philips и другие создали консорциум Digital Video Cassette (Цифровая видеокассета) или DVC. Позже аббревиатура названия сократилась до DV. Совместными усилиями эти фирмы разработали бытовой цифровой стандарт видеозаписи на ленту шириной 6,35 мм (четверть дюйма). Этот формат обеспечивает разрешение 500 строк. Оцифровка при записи осуществляется с разрешением 720x576. Видеоизображение и звук в формате DV пишутся раздельно. Это дает возможность добавлять звуковое сопровождение после завершения записи или редактирования видео, а также перезаписывать звук. Формат DV обеспечивает высочайшее качество фото– и видеосъемок и позволяет сохранять все данные в цифровом виде на кассете, карте памяти или на жестком диске компьютера.

Цифровой формат Mini DV

Mini DV (Mini Digital Video) – цифровой полупрофессиональный формат, созданный за счет упрощения и удешевления профессионального формата DV. Использует специальные кассеты Mini DV (ширина ленты – 6,35 мм, скорость – 18,831 мм/с), которые воспроизводятся либо с камеры, либо на специальном цифровом видеомагнитофоне (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Лента формата Mini DV

Продолжительность записи на одну кассету – 60 минут SP или 90 минут LP. Mini DV имеет разрешение изображения до 540 линий по горизонтали (720x576 точек), поддерживается стереозвук качества CD (PCM stereo – 48 кГц/ 16 бит/2 канала или 32 кГц /12 бит/ 4 канала).

Сегодня Mini DV это самый удобный и практичный формат видеозаписи, подходящий для многих целей. Видеоданные и аудиопоток записываются на кассету в цифровом виде без сжатия, благодаря чему удается избежать потерь качества, связанных с аналоговыми помехами.

Основное отличие Mini DV от Digital8 состоит в габаритах изделий и максимальном времени записи. Так, кассета Mini DV по длине и ширине меньше кассеты Digital8 примерно на треть. Однако при этом на нее можно записать до 80 минут в режиме SP и до 120 минут в режиме LP.

Типовые параметры кассеты Mini DV 60: длина 70 м, толщина 7 мкм, ширина 6,35, время записи в режиме SP 60 мин (14 Гбайт информации), а в режиме LP – 90 мин (20 Гбайт информации).

В заключение этой темы все форматы сведены в табл. 1.1.

AVI

Формат AVI – технология фирмы Microsoft, это самый распространенный и наименее сжатый из видеоформатов. Файлы, созданные с использованием этого метода, имеют расширение avi. Видео– и аудиоданные записываются в один файл на диске следующим образом: все информационные потоки разбиваются на множество равных частей (chunks) и затем записываются в один файл друг за другом по очереди. Сначала записывается заголовок, а затем 1-я часть видео и 1-я часть звука; затем 2-я часть видео и 2-я часть звука и т. д. Иначе говоря, используется технология чередования видеокадров и звука, которой, собственно, и определяется аббревиатура AVI (Audio Video Interleaved). В среднем одна секунда AVI-изображения занимает примерно 2 Мбайт на жестком диске.

QuickTime

Под «QuickTime» одновременно понимают и мультимедийный плеер производства компании Apple, и технологию сжатого видео, предоставляющую возможность захватывать, сжимать и проигрывать широкий спектр цифрового видео– и аудиоконтента. QuickTime включает три основополагающих элемента – QuickTime видеоформат (Movie file format), слой абстрактного носителя (Media Abstraction Layer) и набор встроенных медиаслужб. Слой абстрактного носителя определяет набор сервисных функций для создания, редактирования и воспроизведения цифрового материала. Среди них:

• синхронизация по времени;

• компрессия и декомпрессия аудио– и видеоданных;

• преобразование форматов, масштабирование, смешивание и транскодирование;

• аудио– и видеоэффекты и переходы;

• синхронизация чтения и записи;

• захват данных;

• импорт и экспорт данных.

QuickTime видеоформат хорош тем, что он платформенно независим, открыт для расширения. В связи с этим он поддерживается многими производителями. Интерфейс стандартного проигрывателя QuickTime изображен на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Интерфейс программы

Примечание

Программа и кодеки QuickTime служат для воспроизведения видео как собственного формата (QT и MOV), так и других наиболее распространенных медиаформатов цифрового видео, звука, текста, анимации, а также потокового видео из Интернета. Поддерживаются, в том числе, MP3, AVI, MPEG (включая MPEG-4), AAC Audio, Flash 5. Последняя версия – QuickTime 7.0.

Слово «MPEG» является сокращением от Moving Picture Expert Group – названия экспертной группы ISO, действующей в направлении разработки стандартов кодирования и сжатия видео– и аудиоданных. Часто аббревиатуру MPEG используют для ссылки на стандарты, разработанные этой группой. Технология MPEG использует поточное сжатие видео, при котором обрабатывается не каждый кадр по отдельности (как это происходит при сжатии видео с помощью алгоритмов Motion-JPEG), а анализируется динамика изменений видеофрагментов и устраняются избыточные данные.

MPEG-1

Формат (телестандарт) для хранения и воспроизведения видео– и аудиоданных на мультимедианосителях данных. Качество сопоставимо с видеозаписью VHS (разрешение 352x228 (PAL) или 320x240 (NTSC) при частоте 25 или 30 кадров в секунду соответственно). Формат используется для записи Video CD. Для кодирования видео в формат MPEG-1 используют специальные программы (кодеки).

MPEG-2 и MPEG-3

Стандарт MPEG-2 разработан как дополнение к стандарту MPEG-1 и поддерживает передачу высококачественного видео по высокоскоростным цифровым каналам. Интенсивность потока медиаданных до 50 Мбайт/с. В результате для фильмов, созданных в стандартах PAL и SECAM, поддерживается разрешение 720x576 при 25 кадрах в секунду при качестве, практически не уступающем вещательному. Формат подходит для всех стандартов телевидения, широко используется при записи DVD-дисков. MPEG-1 и MPEG-2 признаны международными стандартами для сжатия видео. В MPEG-2, по сравнению с MPEG-1, добавлена поддержка многоканального звука (Dolby Digital 5.1, DTS и т. п.).

Вопреки ожиданиям и прогнозам разработка стандарта MPEG-3 явилась всего лишь улучшенной версией MPEG-2. Формат MPEG-3 (не путайте с форматом сжатия аудиоданных MP3) сегодня стал частью стандарта MPEG-2 и отдельно теперь не упоминается.

MPEG-4

Формат MPEG-4 задает принципы работы с цифровым представлением медиаданных для трех областей: интерактивного мультимедиа (включая продукты, распространяемые на оптических дисках и через Интернет), графических приложений и цифрового телевидения (DTV). Он имеет дело не просто с потоками и массивами медиаданных, а с медиаобъектами, которые являются ключевым понятием этого стандарта. При транспортировке видеокартинка разделяется на составные элементы – медиаобьекты, описывается структура этих объектов и их взаимосвязи, чтобы можно было собрать их в единую видеозвуковую сцену. Результирующая сцена составляется из медиа-объектов, объединенных в иерархическую структуру. В отличие от прежних MP EG-стандартов, которые делили кадр на квадратные блоки вне зависимости от содержимого, кодер по стандарту MPEG-4 оперирует целыми объектами произвольной формы. Ключевые кадры не расставляются с заданной регулярностью, а выделяются кодером только в те моменты, в которые происходит смена сюжета. Такие разветвленные алгоритмы поиска и обработки объектов сложной формы, углубленного анализа последовательностей кадров требуют существенно больших вычислительных ресурсов для качественного восстановления (декомпрессии) изображения этого формата, нежели в случае MPEG-1 или 2.

Эффективность компрессии видео в MPEG-4 позволяет размещать полнометражный фильм длительностью полтора-два часа с хорошим качеством всего на одном стандартом компакт-диске в 700 Мбайт. Однако фильмы в MPEG-4 все-таки не дотягивают до качества DVD-видео в стандарте MPEG-2.

Преимущества стандарта MPEG-4 (DivX, Xvid):

• высокая степень сжатия информации;

• требует сравнительно небольших скоростей каналов связи для передачи информации;

• большие возможности управления контентом (содержимым) со стороны пользователя;

• перспективность применяющейся модели кодирования в будущем для различных областей применения аудио– и видеоинформации;

• возможность построения различных специализированных кодеков разной степени сложности для различных устройств.

Недостатки стандарта MPEG-4 (DivX, Xvid):

• требуются существенные вычислительные мощности ПК для кодирования и декодирования потока информации;

• качество изображения несколько хуже, чем у MPEG-2 (зависит от конкретного кодека и требуемой степени сжатия);

• наличие нескольких конкурирующих реализаций данного формата.

Звук в MPEG

В составе стандарта MPEG создано семейство из трех звуковых кодеров, названных «слоями»: Layer I, Layer II, Layer III. Все они построены на несовершенстве слухового аппарата человека, т. е. на устранении из несжатого звука избыточной информации, той, что человеческое ухо все равно не воспринимает.

Первый слой (Layer I) был рассчитан на аудиопоток со скоростью 192 Кбит/с на канал. Layer II предназначен для звуковых потоков до 128 Кбит/с. Для нас наибольший интерес представляет Layer III, первоначально рассчитанный на низкоскоростные сети с аудиопотоком до 64 Кбит/с на канал. Это и есть знаменитый формат сжатия аудиоинформации MP3 (полное его название – MPEG Audio Layer III). Любой пользователь Интернета знает о распространении сжатого звука через Сеть в формате MP3. Ближайшими конкурентами этого формата являются WMA от Microsoft и ААС (продвинутая разновидность формата Dolby Digital АС-3).

CODEC = COder+DECoder (кодек = кодер + декодер) – программные или аппаратные средства, преобразующие видеоинформацию в поток уплотненных данных и наоборот. Для воспроизведения цифрового видео система должна иметь тот же самый тип кодека, который используется для кодирования видео. В этом примере мы рассмотрим популярную программу – быстрый и качественный транскодер видео, работающий с форматами MPEG-1 и 2, QuickTime, VideoCD, DVD, QuickTime и др. Логотип программы приведен на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Canopus ProCoder – логотип программы

После запуска программа предлагает указать файл, подлежащий кодированию. Эта операция выполняется нажатием на кнопку Source (Источник) и кнопку Add (Добавить) – рис. 1.11.

Рис. 1.11. Файла для кодирования выбран (шаг 1: Video File | Preview)

Следующий шаг – помещаем выбранный видеофайл в корзину нажатием на соответствующую кнопку Target (Корзина), а затем снова нажимаем на кнопку Add (Добавить). В нашем примере мы будем исходный AVI-файл превращать в файл Windows Media (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Выбор выходного формата для кодирования файла (шаг 2)

После нажатия в данном окне кнопки ОК можно перейти на следующий шаг, т. е. нажать на кнопку Convert (Конвертация). При установке флажка Preview (Предпросмотр) вы сможете наблюдать процесс кодирования в специальном окне программы – рис. 1.13. На этом этапе не забудьте указать место для хранения выходного файла. Операция кодирования завершается выводом на экран ПК сообщения Conversion Finished (Кодирование завершено).

Рис. 1.13. Идет процесс кодирования

Для воспроизведения (декодирования) полученного WMV-фильма можете воспользоваться этой же программой (кнопка Play File).