можно выбрать оптимальный коэффициент сжатия. Надо отметить, что в
профессиональном видео действует простое правило - чем ниже коэффициент
сжатия, тем лучше.
Простейшие расчеты показывают, что 24-битное цветное видео, при
разрешении 640 на 470 и частоте 30 кадров/с потребует передачи 26 Мбайт
данных в секунду! Этот поток не только выходит за рамки пропускной
способности компьютерной шины, но и моментально "съест" любое дисковое
пространство. Для наглядности приводим здесь наши расчеты.
640 горизонтальное разрешение X 470 вертикальное разрешение
307,200 точек на кадр X 3 байтов на каждую точку/пиксель
921,600 всего байтов на кадр X 30 кадров в секунду
27,647,000 всего байтов в секунду / 1,047,576 конвертируем байты в
Мбайты
Итого: 27,647,000 байт/с, или 26,36 Мбайт/с
Иногда для уменьшения этого сумасшедшего объема данных до разумного
уровня достаточно оптимизировать один из вышеперечисленных параметров
видеосигнала. Современные приложения (игры, компьютерные тренажеры,
видеокиоски[2] и некоторые деловые пакеты) зачастую не требуют
полноэкранного видео. Такие программы обычно используют видео в окне, и для
них не требуется оцифровывать целый кадр. Так давайте изменим параметры
видеосигнала и сделаем новый расчет для разрешения 320 на 240.
320 горизонтальное разрешение X 240 вертикальное разрешение
76,700 точек на кадр X 3 байтов на каждую точку/пиксель
230,400 всего байтов на кадр X 15 кадров в секунду
3,456,000 всего байтов в секунду / 1,047,576 конвертируем байты в
Мбайты
Итого: 3,456,000 байт/с, или 3,3 Мбайт/с
Как видите, уменьшив размер изображения, мы добились весьма
существенного уменьшения объема данных, передаваемых в единицу времени.
Однако стандартная ISA-шина имеет пропускную способность всего около 600
Кбайт/с. Поэтому, даже существенно пожертвовав качеством видео, мы все еще
вынуждены оперировать данными, объем которых в 6 раз больше допустимого
уровня. К тому же, не забудьте, что 3,3 Мбайт занимает всего лишь одна
секунда видео. Для двухчасового фильма потребуется 23,73 Гбайт дискового
пространства! За счет дальнейшего уменьшения размера окна, понижения
качества изображения и перехода с RGB формата на YUV (4:1:1) можно добиться
еще некоторого снижения объема данных, примерно до 1,5 Мбайт/с. Но этого
все равно явно недостаточно.
4.1.Все о сжатии видеоданных:
Очевидно, что сжатие видео нужно для уменьшения объема цифровых видео
файлов, предназначенных для хранения, при этом желательно максимально
сохранить качество оригинала. Различают сжатие обычное в режиме реального
времени, симметричное или асимметричное, с потерей качества или без потери,
сжатие видеопотока или покадровое сжатие.
Сжатие обычное (в режиме реального времени). Термин real-time
(реальное время) имеет много толкований. Применительно к сжатию данных
используется его прямое значение, т. е. работа в реальном времени. Многие
системы оцифровывают видео и одновременно сжимают его, иногда параллельно
совершая и обратный процесс декомпрессии и воспроизведения. Для
качественного выполнения этих операций требуются очень мощные специальные
процессоры, поэтому большинство плат ввода/вывода видео для PC бытового
класса не способны оперировать с полнометражным видео и часто пропускают
кадры.
Недостаточная частота кадров является одной из основных проблем для
видео на PC. При производительности ниже 24 кадров/с видео перестает быть
плавным, что нарушает комфортность восприятия. К тому же, пропущенные кадры
могут содержать необходимые данные по синхронизации звука и изображения.
Симметричное или асимметричное сжатие. Этот показатель связан с
соотношением способов сжатия и декомпрессии видео. Симметричное сжатие
предполагает возможность проиграть видеофрагмент с разрешением 640 на 470
при скорости в 30 кадров/с, если оцифровка и запись его выполнялась с теми
же параметрами. Асимметричное сжатие - это процесс обработки одной секунды
видео за значительно большее время. Степень асимметричности сжатия обычно
задается в виде отношения. Так цифры 150:1 означают, что сжатие одной
минуты видео занимает примерно 150 минут реального времени.
Асимметричное сжатие обычно более удобно и эффективно для достижения
качественного видео и оптимизации скорости его воспроизведения. К
сожалению, при этом кодирование полнометражного ролика может занять слишком
много времени, вот почему подобный процесс выполняют специализированные
компании, куда отсылают исходный материал на кодирование (что увеличивает
материальные и временные расходы на проект).
Сжатие с потерей или без потери качества. Как мы уже говорили, чем
выше коэффициент сжатия, тем больше страдает качество видео. ВСЕ методы
сжатия приводят к некоторой потере качества. Даже если это не заметно на
глаз, всегда есть разница между исходным и сжатым материалом. Пока
существует всего один алгоритм (разновидность Motion-JPEG для формата Kodak
Photo CD), который выполняет сжатие без потерь, однако он оптимизирован
только для фотоизображений и работает с коэффициентом 2:1.
Сжатие видеопотока или покадровое сжатие. Это, возможно, наиболее
обсуждаемая проблема цифрового видео. Покадровый метод подразумевает сжатие
и хранение каждого видеокадра как отдельного изображения. Сжатие
видеопотока основано на следующей идее: не смотря на то, что изображение
все время претерпевает изменения, задний план в большинстве
видеосцен остается постоянным - отличный повод для соответствующей
обработки и сжатия изображения. Создается исходный кадр, а каждый следующий
сравнивается с предыдущим и последующим изображениями, а фиксируется лишь
разница между ними. Этот метод позволяет существенно повысить коэффициент
сжатия, практически сохранив при этом исходное качество. Однако в этом
случае могут возникнуть трудности с покадровым монтажом видеоматериала,
закодированного подобным образом.
Коэффициент сжатия. Этот показатель особенно важен для профессионалов,
работающих с цифровым видео на компьютерах. Его ни в коем случае нельзя
путать с коэффициентом асимметричности сжатия. Коэффициент сжатия - это
цифровое выражение соотношения между объемом сжатого и исходного
видеоматериала. Для примера, коэффициент 200:1 означает, что если принять
объем полученного после компрессии ролика за единицу, то исходный оригинал
занимал объем в 200 раз больший.
Обычно, чем выше коэффициент сжатия, тем хуже качество видео. Но
многое, конечно, зависит от используемого алгоритма. Для MPEG сейчас
стандартом считается соотношение 200:1, при этом сохраняется неплохое
качество видео. Различные варианты Motion- JPEG работают с коэффициентами
от 5:1 до 100:1, хотя даже при уровне в 20:1 уже трудно добиться
нормального качества изображения. Кроме того, качество видео зависит не
только от алгоритма сжатия (MPEG или Motion-JPEG), но и от параметров
цифровой видеоплаты, конфигурации компьютера и даже от программного
обеспечения (к этим вопросам мы вернемся чуть позже в сравнительном обзоре
видеоплат).
4.2.Методы сжатия видеоданных.
Как выбрать метод сжатия? Методы сжатия данных используют
математические алгоритмы для устранения, группировки и/или усреднения
схожих данных, присутствующих в видеосигнале. Выбор конкретного алгоритма
зависит от вашей конечной цели. Существует большое разнообразие алгоритмов
сжатия, включая PLV, Compact Video, Indeo, RTV и AVC, но только Motion JPEG
(Joint Photographic Experts Group), MPEG-1 и MPEG-2 признаны международными
стандартами для сжатия видео.
Практически все рассматриваемые ниже видеоплаты построены на основе
одного из двух методов компрессии: Motion-JPEG или MPEG. Нелегко судить о
преимуществе одного формата над другим, тем более что области применения
этих форматов несколько различаются, так как технология MPEG кодирования и
монтажа до последнего времени была более дорогостоящей и сложной. Большую
роль сыграло и анонсирование спецификаций формата MPEG-2, который ляжет в
основу новых видеотехнологий не только на компьютерах, но и применительно к
телевидению и кино. Судя по всему, этот формат в совокупности с новыми CD-
дисками высокой плотности (DVD) основательно изменит привычный видеорынок.
Без сжатия очень трудно обеспечить непрерывную передачу видео со скоростью
21 Мбайт/с (требования CCIR 601[3] - признанного в мире стандарта цифрового
телевидения), а объемы и стоимость хранения несжатых видеоданных на дисках
фактически делает невозможным применение PC для чернового монтажа. Качество
сжатия варьирует в довольно широких пределах; обычными для современных
видеосистем являются коэффициенты сжатия от 1:4 до 1:100. Для цифрового
оборудования, которое используется при нелинейном монтаже видео с
вещательным (1:4 и менее) качеством влияние сжатия может быть особенно
заметным. На сегодняшний день наибольшее распространение получили два
стандарта сжатия: Motion-JPEG и MPEG. Сейчас разрабатываются новые методы
сжатия изображения и видеопотока, но какие бы совершенные алгоритмы при
этом ни применялись, неизменным остается одно: чем выше
коэффициент сжатия - тем хуже качество. Методы сжатия сводятся к анализу
изображения, на основании которого делаются предположения обо всем
изображении в целом, что изначально допускает возможность погрешности.
Применение подобных интегральных оценок к разным картинкам при сжатии дает
разные результаты. И даже если сжатие позволяет достичь прекрасных
