2. Цифровое видео

Основные принципы

Изобретение радио продемонстрировало, что звуковые волны могут быть преобразованы в электромагнитные и переданы на боль­шие расстояния к радиоприемникам. Аналогично телекамера преоб­разует информацию цвета и яркости индивидуальных оптических изображений в электрические сигналы, которые могут быть переда­ны в эфир или записаны на видеопленку. Подобно кинофильму, те­левизионные сигналы преобразуются в кадры информации и про­ецируются с частотой, достаточно высокой, чтобы человеческий глаз воспринимал их смену как непрерывное движение.

Известны три формы кодирования сигнала телевидения:

• система PAL (использует большинство стран Европы);

• SECAM (используют Франция, Россия и некоторые восточно-европейские страны). SECAM отличается от системы PAL только в тонкостях, однако этого достаточно, чтобы они были несовместимыми;

• NTSC (США и Япония).

В системе PAL (Phase-Alternation-Line, чередование строк) каж­дый законченный кадр заполняется построчно, сверху донизу. В Ев­ропе используется переменный электрический ток с частотой 50 Гц, и это является причиной того, что в системе PAL выполняется 50 проходов экрана каждую секунду. Требуется два прохода, чтобы нарисовать полный кадр, так что частота кадров равна 25 кадров/с. Нечетные строки выводятся при первом проходе, четные на вто­ром. Этот метод известен как «чересстрочная развертка» (interlaced), в противоположность этому изображение на компьютерном мони­торе, создаваемое за один проход, называется «без чередования строк» (progressive).

Компьютеры, наоборот, имеют дело с информацией в цифровой форме. Чтобы хранить визуальную информацию в цифровой форме, аналоговый видеосигнал должен быть переведен в цифровой экви­валент. Процесс преобразования известен как осуществление оциф­ровки, или видеозахват. Так как компьютеры имеют дело с цифро­вой графической информацией, никакая другая специааьная обра­ботка данных не требуется, чтобы воспроизвести цифровое видео на компьютерном мониторе. Однако чтобы отобразить цифровое видео на обычном телевизоре, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП или digital-to-analogue converter  DAC) должен преобразовать двоичную информацию обратно в аналоговый сигнал. Кроме того, источ­ником видеоинформации в цифровой форме являются цифровые видеокамеры.

Цифровые видеокамеры

Даже в первой половине 1990-х гг. трудно было представить, что вскоре цифровые видеокамеры (digital camcorders) станут пери­ферийными устройствами ПЭВМ, а редактирование видео  од­ним из наиболее быстрорастущих применений ПЭВМ. Все это на­чинается с введения Sony в 1995 г. формата DV и последующего почти повсеместного принятия интерфейса IEEE 1394, что сделало цифровую видеокамеру почти столь же обычным для ПЭВМ атри­бутом, как мышь (рис. 6.3).

Запись и сохранение видео и аудио в цифровой форме устраняет возможности для целого диапазона ошибок и артефактов в изобра­жении и звуке почти тем же образом, как музыкальные ком­пакт-диски изменили к лучшему записи на виниловых дисках (LP). Кассеты цифрового видео не могут быть прочитаны на видеомагни­тофонах, однако любая цифровая видеокамера имеет обычные, ана­логовые AV-гнезда выхода, что позволяет записанный материал пе­редать либо на видеомагнитофон, либо на телевизор. Поскольку ин­терфейс IEEE 1394 стал вездесущим в области видеорынка, он позволяет передавать видеосигнал от одной цифровой камеры к другой, к цифровому видеомагнитофону или на ПЭВМ. В процессе своего развития цифровые видеокамеры все более часто снабжаются аналоговыми звуковыми и видеовходами, позволяя копирование старых записей в аналоговых форматах VHS или 8-мм в формате цифрового видео, таким образом обеспечивая как архивирование без потерь, так и доступ к мощным средствам редактирования цифрового видео.

Первоначально большинство видеокамер, продававшихся в Европе, имели отключенный цифровой видеовход, лишая пользователя возможности использовать видеокамеру, чтобы передать видеозапись, которая была отредактирована на ПЭВМ, обратно на пленку. Это было связано с особенностями европейского законодательства которое рассматривает устройство, способное к записи видеосигна­ла не только через свою собственную оптику, но также из внешнего источника, скорее, как видеомагнитофон, чем видеокамеру, что приводит к повышению таможенной пошлины. В итоге изготовите­ли вынуждены были отключать способность их видеокамер делать запись из внешних источников, чтобы держать цены конкурентов способными и сопоставимыми с Японией и США. Поскольку не является преступлением со стороны владельца камеры попытаться восстановить возможности DV-записи, ситуация неизбежно приве­ла к появлению мини-индустрии по «реанимации» камер.

Светочувствительная матрица (ПЗС) цифровой видеокамеры (обычно ¹/₄" в размере) собирает и обрабатывает свет, приходящий от объектива, и преобразует его в электрический сигнал. В то вре­мя как видеокамеры среднего качества оборудованы единственной ПЗС, модели более высокого уровня используют три. В этом слу­чае объектив содержит призму, которая расщепляет поступающий свет на три основных цвета, причем каждый поступает на отдель­ную матрицу. Результатом являются высококачественные цветопе­редача и качество изображения, заметно лучшие, чем для моделей с единственной ПЗС, хотя и по существенной дополнительной стоимости.

Большинство цифровых камер обеспечивают цифровую или оп­тическую стабилизацию изображения, чтобы уменьшить колебания, которые неизбежно сопровождает ручную съемку. Цифровая стаби­лизация изображения (digital image stabilisation  DIS) очень эффек­тивна, но имеет тенденцию уменьшать разрешение картины, по­скольку меньший процент датчиков изображения активно использу­ется для записи (остальные используются в стабилизационной обработке). Оптическая стабилизация изображения (optical image stabilisation  OIS) использует призму, которая компенсирует колебания регулировкой пути светового луча, проходящего через систе­му линз камеры. Оба метода достигают примерно одной и той же степени видимой стабильности, но OIS  лучше, так как не умень­шает разрешение.

Одна из самых последних особенностей цифровых видеока­мер  возможность подсоединения к Internet. Видеокамеры, обору­дованные интерфейсом Bluetooth, могут соединиться с Internet как через трубку мобильного телефона, так и по наземной линии связи, таким образом позволяя доступ к электронной почте и WWW.

С начала 2000-х гг. использовались следующие форматы цифро­вых видеокамер:

• мини-цифровое видео (Mini-DV): популярный формат, лента мини-цифрового видео имеет ширину 6,35 мм, около ¹/₁₂ от размера кассеты VHS и обеспечивает вместимость до 90 мин в режиме низкой скорости (long-play) при разрешении 500 строк. Видеокамеры этого формата являются часто достаточно маленькими, чтобы удобно размещаться в ладони;

• Digital8: введенный в начале 1999 г. формат видеокамеры Sony Digital8 может рассматриваться как шаг между 8 мм или Hi-8 и MiniDV. Запись здесь производится почти в том же самом качестве, как для MiniDV, но на ленты 8 мм и Hi-8, которые имеют размер ¹/₄ от размера VHS и вместимость до 1 ч. Фор­ мат  хороший выбор для тех, кто переходит к цифровой видеокамере, так как видеокамера Digital8 может также воспроизводить старые записи аналоговых видео на 8 мм и Hi-8;

• MICROMV: в 2001 г. Sony объявила линейку цифровых видео­ камер MICROMV, использующих формат сжатия MPEG-2 при записи сигналов качества DV на ленты, размер которых составляет 70% от кассет MiniDV. При скорости в 12 Мбит/с ультракомпактный формат MICROMV имеет битовую ско­рость, вполовину меньшую, чем для miniDV, что делает редактирование видео на ПЭВМ намного менее ресурсопоглощающей задачей;

• DVD: фирма Hitachi объявила первую цифровую видеокамеру, способную к записи на носитель DVD (в данном случае это был DVD-RAM) летом 2000 г., что было очередным шагом в движении видеоприложений к области ПЭВМ. Важное преимущество формата DVD  способность к прямой выборке видео и непосредственному переходу к определенным сценам видеозаписи, таким образом экономя время и ресурсы, затрачиваемые на запись/редактирование.

Видеозахват

До появления процессора Pentium в 1993 г. даже самые мощный ПЭВМ были ограничены захватом изображений размером не больше чем 160 × 120 пикселей. Для графических карт, имеющих разре­шение 640 × 480, изображение 160 × 120 заполняет только ¹/₁₆ экра­на. В результате эти дешевые карты видеозахвата вообще рассматри­вались как немного больше чем игрушки, неспособные к любому заслуживающему внимания реальному применению.

Поворотный момент для цифровых видеосистем наступил, когда процессоры превзошли частоту 200 МГц. На этой скорости ПЭВМ могли обрабатывать изображения размером до 320 × 240 6ез потребности в дорогих аппаратных средствах сжатия. Появление Pentium II и более мощных средств привело к исчезновению видео­карт захвата, которые не обеспечивали способность обработки пол­ного экрана.

Оцифровка аналогового сигнала телевидения выполняется видеокартой захвата, которая преобразует каждый кадр в ряд битовых образов, которые могут быть показаны и обработаны на ПК. Для системы PAL каждый кадр представлен в виде 576 строк по 768 цветных пикселей в каждой, при этом отношение «ширинавы­сота» экрана составляет 3 : 4.

Таким образом, после оцифровывания полный кадр составляет­ся из 768 × 576 пикселей, каждый из которых требует три байта, что­бы хранить красные, зеленые и синие компоненты его цвета (для цвета на 24 бита). Отсюда следует, что каждый кадр занимает 768 × 576 × 3 байт или 1,3 Мбайт, и каждая секунда видео требует объем 32,5 Мбайта (1,3 × 25 кадров/с). Добавление звукового канала на 16 бит с частотой выборки 44 кГц увеличивает это на 600 Кбайт в секунду. Практически, однако, некоторые карты переводят в циф­ровую форму менее 576 строк, что приводит к уменьшению количе­ства информации, а большинство карт использует схему YUV.

Ученые обнаружили, что глаз человека более восприимчив к яр­кости, чем к цветам. Это использовано в телевизионном методе YUV для кодирования изображений, при котором интенсивность об­рабатывается независимо от цвета. Сигнал Y предназначен для пе­редачи интенсивности и измеряется в максимальном разрешении, в то время как U и V  для цветовых сигналов различия.

При YUV-представлении видеосигнала цветоразностные компо­ненты U и V передаются с вдвое меньшим разрешением (частота дис­кретизации у сигнала яркости в 4 раза больше основной частоты в 3 МГц, а у цветоразностных  в 2 раза). Обычно при характеристике устройств ввода такую оцифровку называют половинным разрешением (или YUV 4:2:2). Запись 4:1:1 (разрешение одной четверти YUV 4:1:1) означает в 4 раза меньшую частоту выборки, что приводит к потере качества изображения. Запись 8:8:8 означает представление и оцифровку видеосигнала как RGB-составляющих с наилучшим ка­чеством. Необходимо учитывать и качество исходного аналогового видеосигнала: использование сигнала S-Video позволяет получить полноценную оцифровку 4:2:2, а при формировании композитно­го видеосигнала происходит ограничение по разрешению с потерей качества. Совместное использование RGB-входа и оцифровки 8:8:8 обеспечивает наилучшее качество захвата изображения.

Важной характеристикой устройств ввода видеосигнала является емкость буферной памяти, которая устанавливается на самом уст­ройстве. Для захвата в реальном времени полного телевизионного кадра TrueColor с разрешением 768 × 576 при его записи в формате RGB-компонент 8:8:8 требуется 1296 Кбайт памяти. При более экономичном формате 4:2:2 достаточно 864 Кбайт.

Перевод в цифровую форму сигнала YUV вместо RGB требует 16 битов (два байта) вместо 24 бит (три байта), чтобы представить точный цвет, так что одна секунда видеоформата PAL требует при­близительно 22 Мбайт.

Система NTSC, применяемая в Америке и Японии, использует 525 строк и имеет частоту 30 кадров/с (последствие того факта, что частота электрического тока здесь составляет 60, а не 50 Гц, как в Европе). Кадр формата NTSC обычно переводится в цифровую форму размером 640 × 480 пикселей, который точно соответствует разрешению VGA (это  не случайное совпадение, а результат того, что IBM-PC, впервые разработанные в США, как первоначально предполагалось, могли бы использовать телевизоры в качестве мо­ниторов).

Типичная система видеозахвата  совокупность аппаратных средств ЭВМ и программного обеспечения, которые вместе позволя­ют пользователю преобразовать видеосигнал в компьютерный фор­мат, переводя в цифровую форму видеопоследовательности как к не­сжатому, так и более обычно сжатому формату данных. Это возлага­ется на кодек (или «codec», сокращение compression-decompression  сжатие-декомпрессия), который сжимает видео в процессе захвата и восстанавливает сигнал снова для воспроизведения; это может быть сделано как в программном обеспечении, так и в аппаратных средст­вах ЭВМ. Однако даже в эпоху, когда центральные процессоры ЭВМ достигли скорости в гигагерцы, аппаратные кодеки необходимы, чтобы достигнуть качества телетрансляции.

Большинство видеоустройств захвата используют аппаратные средства кодека M-Jpeg, который использует сжатие JPEG на каждом кадре, чтобы достигнуть меньших размеров файла при сохранении способностей редактирования. Огромный успех видеокамер на основе цифрового видео (DV) в конце 1990-х гг. привел к появле­нию карт более высокого качества, использующих видеокодек DV.

После сжатия видеопоследовательность можно отредактировать на ПЭВМ с использованием соответствующего программного обеспечения видеоредактирования и получить результат качества S-VHS для передачи на видеомагнитофон, телевизор, видеокамеру или компьютерный монитор. Чем выше качество видеовхода и чем| выше скорость передачи данных ПЭВМ, тем лучше качество выход­ного видеоизображения.

Карты видеозахвата оборудованы множеством разъемов входа и выхода (рис. 6.4). Есть два главных формата видеоразъемов: компо­зитный, стандартный для большинства бытового видео, и S-видео, часто используемый более высококачественным оборудованием. Большинство карт захвата содержат по крайней мере один входной разъем, который может принять любой тип видеосигнала, осущест­вляя связь с любым видеоисточником (например, видеомагнито­фон, видеокамера, телевизор или лазерный диск), который выдает сигнал в любом из этих форматов. Дополнительные гнезда могут иметь смысл, если при редактировании требуется несколько источников видео. Некоторые карты спроектированы так, чтобы можно было подключить ТВ-тюнер, а некоторые фактически включают ТВ-тюнер.