1.4. Видео информация.
Электронные издания могут содержать в себе не только текстовую информацию и графику, но и видео-компоненты.
Видеоинформация представляется в виде видеоклипов (видеороликов), т.е. наборов последовательно выводимых друг за другом взаимосвязанных изображений – кадров (видеокадров). Если скорость появления видеокадров превышает частоту слияния мельканий (порядка 25 кадров) то у пользователя создается впечатление непрерывного движения объектов (full-motion video - полнокадровое видео). Этот принцип был реализован в кино и в настоящее время остается основным при оцифровке видеоизображения. Видеоизображения могут воспроизводиться как в отдельном окне программы просмотра на части экрана, так и в размерах экрана (full-screen video – полноэкранное видео).
Объем одной секунды видеоролика с частотой 30 кадров в секунду при разрешении 640х480 точек, представленных 8-разрядным кодом (256 цветов), составляет 9 Мбайт. При использовании 24-разрядной цветовой палитры (16 млн. цветов) и разрешения 1280х1024 эта цифра увеличится до 114 Мбайт. В связи, с чем особую актуальность приобретают вопросы хранения и передачи информации.
Проблема хранения данных большого объема упростилась с появлением дисководов CD-ROM и жестких дисков большой емкости. Но их емкости и скорости передачи данных (1-3 Мбайт в секунду) все еще недостаточны для использования указанных накопителей для хранения и обработки видеоинформации обычными традиционными методами.
Необходимо сократить объем хранимых и передаваемых данных. Уменьшив разрешающую способность до 320х240 пикселов, количество воспроизводимых цветов до 256, частоту смены кадров до 15, можно понизить требуемую скорость передачи данных до 1 Мбайт/с. Но при этом происходит снижение качества изображения, хотя и не решается проблема хранения и обработки видеоинформации полностью.
Поэтому до сего времени ведутся интенсивные работы по разработки видеоформатов, хорошо сжимающих водеоизображения и позволяющих воспроизводить видеоинформацию в реальном времени без снижения качества изображений.
Методы, алгоритмы и устройства сжатия видеоданных объединяются под общим названием – CODEC (Cоmpressor-DECompressor). Задача видеокодека заключается в максимально возможном сжатии видеоизображения с возможностью его последующего восстановления (декомпрессии) с высокой скоростью и минимальными искажениями информации. Как правило, методы сжатия видео информации основаны на поиске лишней, избыточной информации и удаления ее с целью уменьшения объема. При этом могут использоваться различные алгоритмы сжатия. Некоторые основаны на внутрикадровом сжатии, т.е. сжимается информация по каждому отдельному кадру, другие базируются на межкадровом сжатии, при котором фиксируется динамика изменения информации по кадрам. В этом случае последующие кадры формируются на основе информации об изменении предыдущего кадра.
Чтобы видеоданные успевали выводиться на экран, необходимо также обеспечить их быстрое декодирование (восстановление). Многие известные фирмы разработали свои собственные видеостандарты и файловые форматы для них. Каждый стандарт обладает определенными быстродействием и качеством.
Например, фирмой Apple был предложен стандарт QuickTime, реализованный на компьютерах фирмы Apple. Существуют программы, которые позволяют использовать его на IBM-совместимых компьютерах (в среде Windows) .
Видеоинформация формата QuickTime хранится в файлах с расширением *. mov. Для начала необходимо установить программный пакет QuickTime, в состав которого входят специальные программы и драйверы для собственного проигрывателя QuickTime. Эти программные продукты позволяют проигрывателю в Windows (Media Player) тоже воспроизводить видеоинформацию этого стандарта. В формате QuickTime кроме видеоинформации может храниться аудиоинформация звукового сопровождения видеоданных. При частоте дискретизации 22,05 Кгц, разрядности 8 бит, в режиме "моно" одна секунда аудиоинформации занимает примерно 20-30 Кбайт. Одна секунда видеоизображения с таким же звуком занимает 150-200 Кбайт (236х168-320х240, 15 кадров в секунду).
В системах Windows 3.xx и выше распространен видеостандарт AVI (Audio Video Interleaved). Файлы этого стандарта имеют расширение *.avi. Доступ к ним осуществляется через программу Media Player. В AVI-файле применяется межкадровое сжатие. Оно содержит один ключевой кадр, относительно которого формируются остальные кадры видеоизображения.
Современные драйверы и программы позволяют воспроизводить оба формата и преобразовывать файлы одного формата в другой.
Утверждается, что AVI-файлы могут воспроизводиться с частотой 24 кадра в секунду. Но в большинстве случаев они записываются с частотой 15-18, а иногда и 10 кадров в секунду, чтобы уменьшить занимаемый объем. AVI-файл длительностью 1 секунда занимает от нескольких десятков до нескольких сотен килобайт (обычно 50-300 Кбайт). Достоинство AVI – это то, что для проигрывания файлов этого стандарта не требуется никакого дополнительного аппаратного обеспечения, кроме мощного высокопроизводительного компьютера. Поэтому, обычно для создания AVI-файлов, например, оцифровывая сигнал с видеомагнитофона, целесообразно использовать специальную микропроцессорную плату.
В 1992 г. группа экспертов по движущимся изображениям (Moving Pictures Experts Group) разработала новый стандарт видеокомпрессии — MPEG. Международная организация стандартизации (ISO) приняла его как стандарт компрессии MPEG-1 (ISO 11172). Немного позже компании Philips и Sony выпустили универсальный стандарт видео компакт-диска – Video-CD. Он совместим почти со всеми устройствами, которые способны читать CD и воспроизводить видео. К таким устройствам относятся IBM PC и Apple Mac.
Многие киностудии стали тиражировать фильмы в формате Video-CD (на дисках CD-I и Video-CD), который обеспечивает запись не только высококачественной видеоинформации, но и звука, что расширяет его возможности. Иногда на первой дорожке диска Video-CD помещаются специальные программы и драйверы, которые необходимы для его просмотра на проигрывателях CD-I. За счет высокой степени сжатия данных на одном диске формата Video-CD продолжительность полноэкранного фильма может достигать 72 минут.
Видеоизображение может уступать по качеству изображению на высококачественных видеомагнитофонах. Это объясняется тем, что скорость считывания данных на CD-I и Video-CD составляет 1,115 Мбит/с, что соответствует односкоростным дисководам CD-ROM.
Для передачи телепрограмм по каналам связи используется формат MPEG-1. Он обладает разрешением 352х288 точек для стандарта PAL; 352х240 точек для стандарта NTSC и кино. Частота кадров: 25 (PAL), 29,97 (NTSC), 23,976 (кино). Скорость передачи данных: 384 Кбит/с-5 Мбит/с.
Видеоинформацию в формате MPEG-1 можно просматривать без специальной платы – декодера, с помощью программных проигрывателей, на мощных компьютерах с процессорами Pentium (такими, как Pentium-133, Pentium-166 и выше) и высокопроизводительными видеоадаптерами.
Сравнительно недавно был создан новый, более совершенный стандарт для высококачественного видео – МРЕG-2. Данный стандарт предусматривает сжатие видеоданных при потоке цифровой информации от 3 до 10 Мбит/с и обеспечивает разрешение 704х576. MPEG-2 в основном используется для трансляции телепрограмм через спутники связи. На основе этого стандарта принят международный стандарт цифрового вещания (DVB).
Закончилась разработка нового стандарта хранения информации на компакт-дисках высокой плотности. В данной разработке участвуют многие фирмы, среди которых такие известные, как Toshiba, Philips и Sony. Диск назван DVD — Digital Video Disk. Стандарт DVD полностью совместим с предыдущими стандартами дисков CD (Audio CD, Video CD, Photo CD и т. д.). Устройства DVD в соответствии с принятым стандартом позволяют просматривать видеоинформацию синхронно с объемным пятиканальным звуком Surround Sound.
В связи с внедрением формата DVD был разработан новый коротковолновый лазер и решены проблемы фокусировки его луча на поверхности диска. Емкость нового диска увеличилась более чем в пять раз за счет высокой плотности дорожек и длинного сектора. Но разработчики DVD решили создать двухслойный диск. Использовались два лазера (один для полупрозрачного верхнего слоя, другой – для нижнего). За счет этого емкость удвоилась. Использовав еще и вторую сторону диска, разработчики добились общей емкости DVD-диска 19 Гбайт. Сейчас идет процесс расширения использования формата и дисков DVD. Производители периферийного оборудования предлагают все более разнообразные устройства для работы в формате DVD: дисководы DVD-RAM и DVD-R, платы для записи DVD-видео и DVD-звука, системы объемного звучания и т. п.
Обработка видеоинформации включает ряд этапов: оцифровку, создание видеороликов или видеоклипов, и их последующее воспроизведение.
Оцифровка видеоролика, в отличие от его воспроизведения, производиться не в реальном масштабе времени, но, тем не менее, и здесь многое зависит от используемых технологий и поддерживающих их программных средств.
В простейшем случае реализации процедуры оцифровки видеоинформации используется видеокамера, подключенная к компьютеру. Видеокамера включается в режим воспроизведения. Для проведения оцифровки используется одна из программ оцифровки видеоданных, например, Pro Multimedia. С ее помощью создается файл формата AVI на жестком диске. Под этот файл задается соответствующее имя и предполагаемый объем файла. Произведя запуск программы одновременно с запуском воспроизведения видеоизображений в видеокамере начинается процесс оцифровки видеоданных. Для уменьшения объема видеофайла этой же программой его можно перевести в формат MPEG, что сокращает его объем (например, с 4Гб до 300Мб). Последующее проигрывание видеоролика может осуществляться стандартным приложением Windows: Media Player.
В более сложных случаях используется монтаж видеоклипа в соответствии с разработанным сценарием. Он предусматривает работу с отдельными кадрами или их последовательностями. Сегодня может использоваться линейные и нелинейный монтаж.
При линейном монтаже видеоинформации исходный материал находится на видеокассете. Для того чтобы получать доступ к определенному месту ленты, необходимо все время перематывать пленку в поисках необходимого кадра. Для этих целей используется специальная "монтажная" аппаратура.
В настоящее время при создании электронных изданий широкое распространение получили технологии выполнения видеомонтажа и редактирования оцифрованного видеоматериала внутри компьютера. Такая технология получила название нелинейного монтажа, поскольку обеспечила операторам прямое обращение к необходимым кадрам или фрагментам видеоролика, записанным на жесткий диск компьютера. Тем самым открылась возможность избежать утомительного процесса постоянной (линейной) перемотки видеоленты вперед-назад при просмотре и поиске этих фрагментов.
В случае нелинейного монтажа весь материал предварительно оцифровывается и находится на дисковой памяти (винчестере), в результате чего обеспечивается произвольный мгновенный доступ к необходимому кадру.
Стандартная цифровая система, аналогичная аналоговому монтажному комплексу, построена по однопотоковой архитектуре. Это означает, что при расчетах используется только одна копия исходного видеоролика (AVI-файл).
В случае более сложных процедур работы с видеоматериалом возникает необходимость сформировать и задействовать вторую копию цифрового видео (или ее части). Таким образом, для создания любого микшерного перехода или эффекта между двумя клипами в оперативной памяти компьютера необходимо одновременно содержать кадры, как заканчивающегося видеоклипа, так и начинающегося клипа, последовательно загружая их с жесткого диска, декодируя (декомпрессируя) и производя расчет новых кадров результирующего клипа. Затем осуществляется обратная компрессия (сжатие) данных и запись на диск. Этот процесс называют рендеринг (rendering).
Системы нелинейного монтажа реального времени используют двухпотоковую плату компрессии/декомпрессии видео и дополнительную плату собственно цифровых эффектов. Набор микросхем для выполнения в реальном времени заданных эффектов микширования может быть установлен и прямо на плате компрессии (например, в Pinnacle Systems ReelTime - более 130 двумерных эффектов выполняется в реальном времени). Однако, и при этом, может быть использована дополнительная плата, расширяющая набор аппаратно выполняемых эффектов (например, Pinnacle Systems ReelTime NITRO - ReelTime + Genie).
Оперируя с двумя потоками, подобные цифровые системы могут выполнять и другие необходимые функции, присущие классическим монтажно-микшерским аналоговым комплексам, например, титрование (titling) или различные виды рuр-проекций (keying, ключевание, проекции с использованием эффектов прозрачности и т. д.).
Обработка видеоинформации требует высокого быстродействия используемых вычислительных структур. Практически подобные вычисления требуют выполнения миллиардов специализированных операций над пикселями изображений. Очевидно, что скорость их выполнения существенно зависит от быстродействия процессора.
Стандартные PC являются универсальными машинами, т.е. оказываются сравнительно медленными с точки зрения решения данной задачи. Например, Pentium 150Mhz может выполнять только около 50 миллионов операций в секунду, распределяя их между различными задачами. В результате при просчете даже сравнительно простых эффектов и переходов требуется в десятки и сотни раз больше времени, чем собственное время их проигрывания. Поэтому используются различные аппаратные и программные средства ускорения обработки видео изображений. Например, вводятся современные платы нелинейного монтажа (miroVideo DC30plus для PC или VlabMotion для Amiga) для операций компрессии и декомпрессии видеоинформации. Эти микросхемы ускоряют рендеринг, но не приводит к его выполнению в реальном времени.
Оцифрованные фрагменты видео перед записью на диск подвергаются компрессии и представляются в формате MPEG. Сохранение информации может производится с потерей информации.
Если после завершения монтажа необходимо записать на видеоленту готовый видео - фрагмент, то необходима упомянутая выше карта ввода-вывода видеоинформации. Сегодня существует большое многообразие таких карт.
К устройствам для работы с видеосигналами на компьютерах IBM PC можно отнести: устройства для ввода и захвата видеопоследовательностей (capture - play), фрейм-грабберы, ТV - тюнеры, преобразователи сигналов VGA-TV и MPEG-плейеры. Следует отметить, что их функциональные возможности выходят далеко за рамки сферы электронных изданий.
Видеоинформация может воспроизводиться программами типа Media Player одновременно со звуком. В этом случае для монтажа, как правило, используются программы, обеспечивающие комплексную обработку информации: видео и аудиоданных. К таким программным средствам относят Adobe Premiere, Ulead Media Studio Pro и другие.