Практическое задание № 36

Тема: Форматы видеофайлов

Цель работы: ознакомиться с разновидностями видеоформатов.

Наш фильм создан. Но пока он существует в рамках проекта Sony Vegas Pro. По сути, это не фильм, а проект, в котором указаны позиции клипов в последовательности, места подрезки клипов, положение титров, эффектов и видеопереходов. Такой фильм мы можем посмотреть только на экране монитора просмотра программы Sony Vegas Pro. Удовольствие от такого просмотра сомнительное. К тому же, вы не сможете показать фильм друзьям: для этого на их компьютере придется установить программу Sony Vegas Pro, переписать все исходные файлы, словом, восстановить на другом компьютере ту же рабочую среду, которая была у вас на момент монтажа фильма. А о просмотре фильма на телевизоре даже речи не идет. Следовательно, фильм надо преобразовать в некий универсальный формат, который может быть воспроизведен на самых разных устройствах: компьютерах, проигрывателях DVD, портативных проигрывателях и т. д. Наиболее универсальным форматом хранения фильма является видеофайл. Видеофайл можно воспроизвести на любом компьютере, записать на компакт диск с целью последующего воспроизведения на проигрывателе, разместить в Интернете, загрузить в мобильный телефон и т. д.

Существует множество форматов видеофайлов. Они отличаются, в основном, методом кодирования видео.

По своей сути видеофайл — это набор статичных изображений, меняющих друг друга с определенной частотой. Каждое статичное изображение является отдельным кадром видео. Это действительно так, если мы говорим о несжатом видео. Однако, в таком формате никто не хранит фильмы. Дело в том, что несжатое видео занимает на диске очень много места. Давайте посчитаем. Кадр видео формата PALсостоит из 720 точек по горизонтали и 576 по вертикали. То есть, один кадр состоит из 414720 точек. Для хранения цвета каждой точки в памяти отводится 24 бита (по 8 бит для каждой из составляющих RGB). Следовательно, для хранения одного кадра понадобится 9953280 бит (или примерно 1,2 Мбайт). Чтобы узнать, какой объем будет занимать секунда такого видео, нужно умножить данный показатель на 25. То есть, секунда несжатого видео в формате PALбудет занимать почти 30 Мбайт. Вроде и немного, учитывая объемы современных носителей информации. Однако, заметьте, мы говорим всего о секунде видео. А теперь посчитайте, сколько будет занимать один час видео... Более 100 Гбайт. Каким же образом полнометражный фильм (а то и несколько) умещается на одном компакт диске или флэш-накопителе? Дело в том, что, в основном, видео хранят в видеофайлах, в которых применены различные алгоритмы сжатия информации. Благодаря этим технологиям видеофайл можно сжимать в десятки и сотни раз практически без потери качества картинки и звука.

Работая над фильмом, вы уже познакомились с одним из форматов сжатого видео. Это формат DV, который представляет собой потоковое видео, упакованное в, так называемый, контейнер, — файл формата AVI. Многие считают данный фор-мат форматом несжатого видео, поскольку видеофайлы DVзанимают на диске достаточно много места. Действительно, один час видео формата DVзанимает около 13 Гбайт дискового пространства. Однако это почти в 10 раз меньше, чем один час несжатого видео. Видео формата DVсодержит информацию обо всех кадрах, поэтому легко поддается редактированию. Но готовые видеофильмы хранить в таком формате неудобно. Во-первых, вы не уместите полнометражный фильм на оптический диск. Во-вторых, бытовые DVD-проигрыватели и, тем более, портативные устройства не поддерживают воспроизведение данного формата видео. Сохранять видео в DVформате целесообразно в том случае, если позже вы хотите редактировать данный фильм, например, разрезать его на сцены и переставить сцены местами.

Домашняя видеотека, как правило, хранится в видеофайлах сжатого формата. Существует большое количество форматов сжатого видео. Наибольшее распространение получили форматы MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, DivX, WindowsMediaVideoи некоторые другие. Рассмотрим вкратце эти форматы сжатия.

MPEG-1

MPEG-1 считается уже устаревшим форматом сжатия видео. Он был разработан с целью достижения приемлемого качества воспроизведения видео при потоке 1,5 Мегабита в секунду для разрешения 352x240 точек. Формат не поддерживает чересстрочную развертку, что считается его недостатком. Да и качество видеоизображения далеко от совершенства.

Формат MPEG-1 являлся основой видео формата VideoCD. Полнометражный фильм, как правило, размещался на двух-трех CDдисках, а качество изображения фильма было сравнимо с качеством VHS. Диски формата VideoCD, а также файлы формата MPEG-1 можно воспроизвести практически на любых компьютерах без установки дополнительных кодеков. Файлы формата MPEG-1 могут иметь расширение MPG, MPEGили DAT.

Компрессоры и декомпрессоры. Кодек (CoDec) — это сокращение слов «компрессор» и «декомпрессор» (Compressorи Decompressor). По сути, кодек — это набор файлов, драйверов и библиотек, необходимых для упаковки видео или звукового файла в сжатый формат и воспроизведения сжатого файла. Для каждого из сжатых форматов существуют отдельные кодеки. Кроме того, в Интернете можно найти пакеты кодеков. Это специальные программы, которые устанавливают в систему большое количество всевозможных кодеков на все случаи жизни.

Кодеки для некоторых форматов видео уже встроены в операционную систему Windows, некоторые же нужно установить самостоятельно. Кроме того, некоторые кодеки являются коммерческими продуктами и распространяются на платной основе. Однако в большинстве случаев модули для воспроизведения сжатых файлов можно установить бесплатно.

MPEG-2

С форматом MPEG-2 знакомы, пожалуй, все. Именно этот формат лежит в основе дисков формата DVD-Video. Формат MPEG-2 также лежит в основе стандартов цифрового телевидения.

Формат MPEG-2 обеспечивает высокое качество изображения при достаточно высокой степени сжатия видеофайла. Он обеспечивает изображение с четкостью 720 на 576 точек. Также формат MPEG-2 лежит в основе видео формата HDV.

Сжатие видеофайла производится, благодаря, так называемым, опорным кадрам. Опорными называются кадры, в которых хранится все содержимое кадра. В данном формате предусмотрено три вида кадров:

• I (Intra) — опорные кадры, сохраняющие весь объем информации о структуре изображения в кадре;

• Р (Predictive) — кадры, несущие информацию об изменениях в кадре по сравнению с предыдущим кадром (I или Р);

• В (Bidirectional) — кадры, сохраняющие существенную информацию об изменениях в предыдущем и следующем кадрах.

Кадры в формате MPEG-2 располагаются в определенных последовательностях. Через определенные промежутки времени следуют 1-кадры, восстанавливающие оригинальное изображение. Остальные кадры воссоздаются, благодаря информации, содержащейся в кадрах Р и В. Структуру расположения кадров формата MPEG-2 можно представить в виде последовательности IBBPBBIBBPBBIBB. Каждый В-кадр в данной последовательности воссоздается по окружающим Р- кадрам (в начале и конце группы — по 1-кадрам и Р-кадрам), а каждый Р-кадр воссоздается по предыдущему Р (или I) кадру.

I- и Р-кадры имеют наименьшую степень компрессии. В среднем объем, занимаемый кадром Р, на две трети меньше объема кадра I. Кадры В имеют высокую степень компрессии, их объем составляет около 1/8 от кадра I. То есть, так как большинство кадров в общей цепочке являются кадрами Р и В, общий размер видеофайла значительно уменьшается, так как кадры этих типов существенно сжаты по сравнению с опорными кадрами (которых меньшинство).

Формат MPEG-2 также подразумевает хранение звуковой составляющей. Звуковой сигнал так же подвергается высокой компрессии (звуковую составляющую можно сжать в 10 раз без ощутимой потери качества звука).

Размер файла формата MPEG-2, конечно, в первую очередь зависит от длительности видеофайла. Но немаловажную роль играет и установленная степень компрессии. При создании файлов MPEG-2 пользователь может задать нужный поток данных (битрейт) и от этого битрейта будет зависеть как объем файла, так и качество изображения. Чем выше битрейт, то есть, объем памяти, выделяемый для хранения одной секунды видео, тем выше объем видеофайла и качество изображения.

Видеофайлы формата MPEG-2 имеют разрешение MPGили MPEG. Если файл кодируется в отдельные потоки (аудио и видео), создается два файла с расширениями M2V(видео) и М2А (звук). В операционных системах Windows7 и WindowsVistaфайлы формата MPEG-2 можно воспроизводить без установки дополнительных кодеков. Необходимые кодеки уже встроены в систему. В более ранних версиях Windowsдля воспроизведения файлов формата MPEG-2, а также дисков формата DVD-Videoтребуется установка дополнительных декомпрессоров или специальных программ, например, CyberLinkPowerDVD, в которые уже встроены кодеки для распаковки файлов формата MPEG-2. Также формат MPEG-2 поддерживается большинством устройств для воспроизведения видео, например, бытовыми проигрывателями DVD.

Формат MPEG-2 удобен для хранения готового фильма, но нежелателен для использования при монтаже видео, так как в файлах данного формата содержится достоверная информация только об опорных кадрах. Вследствие этого точный монтаж, например нахождение конкретного кадра, практически невозможен. Некоторые программы для монтажа видео, например, PinnacleStudio, позволяют захватывать видеоматериал с кассеты, сразу кодируя его в формат MPEG-2. Это позволяет сэкономить место на диске, однако, для качественного монтажа лучше все же использовать формат DV. Вероятно, именно по этой причине возможность захвата видео в формат MPEG-2 отсутствует в программах для монтажа видео профессионального уровня, например, в SonyVegasPro. Однако, стоит отметить, что видео HDVпереносится на компьютер именно в формате MPEG-2 с битрейтом 25 Мбит в секунду, что обеспечивает высокое качество изображения.

MPEG-4

Формат MPEG-4 появился в 1998 году. Он был предназначен для сжатия цифрового видео и звука и в своей основе содержит принципы сжатия, используемые в форматах MPEG-1 и MPEG-2. Однако, как мы знаем, полнометражный фильм в формате MPEG-2 обычно умещается на одном DVDдиске, в то время как такой же фильм, сжатый алгоритмом MPEG-4 может свободно поместиться на одном CDдиске, емкость которого в 6 раз меньше. Как это возможно?

Формат MPEG-4 также предусматривает хранение опорных кадров, то есть, кадров, в которых картинка в кадре существенно меняется. Однако, данный формат не хранит в себе промежуточные кадры (Р и В в MPEG-2). Вместо этого в файле MPEG-4 хранится информация об изменениях (в том числе и прогнозируемых) в картинке между двумя опорными кадрами. Кроме того, полученная информация об изменениях сжимается так же, как сжимается файл с помощью программ для архивирования данных. Например, в нашем фильме есть клипы, в которых мы видим самолет на фоне неба. Фон существенно не меняется (если бы не было облаков, фон оставался бы вообще однородным). Меняется лишь положение самолета в кадре. При сжатии такого видео в формате MPEG-4 между двумя ключевыми кадрами в видеоизображении будет только изменено положение самолета, а значит, информация о фоне между двумя ключевыми кадрами сохраняться не будет (он остается неизменным). В файле лишь будет содержаться информация о форме меняющегося в кадре объекта (самолета) и его положении. Такая информация, тем более, в сжатом виде, будет занимать совсем немного места. Следовательно, чем меньше изменений в кадре, тем компактнее будет итоговый файл, поскольку понадобится меньше опорных кадров.

Формат MPEG-4 имеет один недостаток. Для распаковки содержащейся в ней информации и для просчета промежуточных кадров (все это должно происходить в режиме реального времени во время воспроизведения видео) требуются высокие вычислительные ресурсы. Впрочем, все современные компьютеры с этим справляются. Однако, на заре появления формата MPEG-4 еще многие использовали компьютеры на базе первых процессоров Pentiumи маломощных процессоров Celeron, AMDи VIA, которые не справлялись с распаковкой информации в файлах MPEG- 4 и просчетом промежуточных кадров. В результате этого фильмы воспроизводились медленнее, чем нужно, видео отставало от звука или имели место периодические остановки воспроизведения фильма. Кроме того, не многие мультимедийные устройства поддерживали воспроизведение видео в формате MPEG-4.

Формат MPEG-4 имеет множество разновидностей и используется в самых разных устройствах. Например, некоторые цифровые фотокамеры имеют функцию съемки видео с последующим сохранением его в одну из разновидностей формата MPEG-4.

На основе формата MPEG-4 создано немало других более популярных форматов, использующих тот же алгоритм сжатия данных.

DivX

Формат DivXпоявился в результате взлома алгоритма MPEG-4. Формат DivXсодержит те же принципы компрессии, что и кодек MPEG-4, однако он был существенно доработан и продолжает активно развиваться. Целью создания такого кодека была продажа фильмов на обычных компакт дисках, цена которых была невысока. Так как в те годы (кодек DivXверсии 3.11 был опубликован в Интернете в 1999 году) стоимость устройств, способных записывать DVDдиски, была достаточно высока, а привод, записывающий диски CDбыл уже почти обязательным компонентом компьютерной системы, формат DivXполучил огромную популярность. Появилась возможность переписывать друг у друга фильмы на обычные CDдиски, а обладатели записывающих DVDприводов могли уместить на одном DVDдиске сразу 6-8 фильмов. Конечно, появление данного формата не могло не способствовать пиратству, однако кодек DivXможно было использовать и в частных целях, например, упаковывать в формат DivXдомашние видеозаписи. Качество картинки видео, сжатого в формате DivX(в зависимости от установленных параметров сжатия) может не уступать качеству DVDдиска, но видеофайл по сравнению с форматом DVDимеет размеры в 6-8 раз меньше.

В 2002 году кодек DivXстал коммерческим, но это не говорит о том, что для воспроизведения фильмов в формате DivXнужно приобретать соответствующий декомпрессор. Базовая версия, являющаяся бесплатной, позволяет воспроизводить видео, соответствующее по качеству сертифицированной версии MPEG-4, в то время как коммерческая версия содержит в себе дополнительные возможности, при которых можно добиться высокого качества изображения при более низких битрейтах.

На основе ранних версий DivX, исходный код которых был открытым, был разработан кодек Xvid, который является прямым конкурентом DivXPro, хотя и использующий те же принципы компрессии видео и звука. В отличие от DivX, Xvidявляется некоммерческим продуктом, и файлы для установки данного кодека можно вполне легально скачать из Интернета.

Файлы форматов DivXи Xvidмогут иметь разное расширение, но чаще всего они упакованы в контейнеры AVI. Воспроизводить такие файлы можно на компьютерах, на которых установлены соответствующие декомпрессоры. Кроме того, поддержку воспроизведения файлов DivXи Xvidимеет большинство современных устройств, в том числе, портативные проигрыватели и некоторые мобильные телефоны.

WindowsMedia

Формат WindowsMediaразработан компанией Microsoftи предназначен для хранения сжатого видео и звука. Формат обеспечивает качественное видеоизображение и звук, не уступающее, а иногда и превосходящее качество DivXи MPEG-2, при менее сложном алгоритме сжатия. При этом размеры готового видеофайла сопоставимы с размерами файлов DivX, а размер звуковых файлов WindowsMediaсопоставим с размерами файлов популярного формата MP3.

В основе сжатия WindowsMediaлежит упрощенный алгоритм MPEG-2, однако данный формат требует вдвое меньшей скорости потока, что существенно уменьшает размер файла.

К преимуществам данного кодека можно отнести то, что все необходимые для компрессии и декомпрессии файлов компоненты уже содержатся в операционной системе Windows, что избавляет пользователя от установки дополнительных кодеков. Из этого следует, что видеофайлы формата WindowsMediaможно воспроизвести на любом компьютере. Файлы данного формата распространены в Интернете, а также поддерживаются многими устройствами (но все же в меньшей степени, чем файлы формата DivX).

Формат подразумевает два вида файлов с расширениями, соответственно WMV (WindowsMediaVideo) и WMA (WindowsMediaAudio). Файлы формата WMVпредназначены для хранения видео, в том числе и со звуковой составляющей. Формат WMAпредназначен только для хранения звука. Неоспоримым преимуществом формата WindowsMediaпо сравнению со многими другими форматами является способность хранить до шести звуковых каналов, что позволяет упаковывать в данный формат фильмы с объемным звуковым сопровождением (5.1).

Контейнеры

Многие пользователи путают такие понятия как «формат» и «контейнер» файла. Часто можно услышать фразу типа «файлы формата AVI». Это выражение лишьотчасти верное, поскольку, действительно, AVI является зарегистрированным форматом файла. Однако в файле с расширением AVI может храниться несжатое видео, видео в форматах DV, MPEG-4, DivX, Xvid и даже MPEG-1 и MPEG-2. Кроме того, файл формата AVI может, например, содержать в себе только звук. То есть, файлы формата AVI являются контейнером для хранения данных различного типа.

Контейнер — это файл с каким-либо расширением, служащий для хранения в цифровом виде преобразованной аналоговой информации. Некоторые контейнеры могут хранить служебную информацию. Так, например, в видеофайл могут быть включены титры, которые являются не частью видеоизображения, а обычным текстом. Ряд проигрывателей имеют возможность включать или отключать отображение титров в кадре. То есть, контейнер является файлом некоего стандарта, в котором одновременно может содержаться несколько различных типов информации. Отметим, что видео и звук, имеющие одинаковый формат, могут быть упакованы в разные типы контейнеров. И это иногда приводит к тому, что, один файл воспроизводится на бытовом DVD проигрывателе, а другой файл такого же формата, но упакованный в другой контейнер, отказывается воспроизводиться. Ниже приведен список наиболее распространенных контейнеров для хранения видео и звука:

• AVI. Данный вид файлов наиболее распространен, однако, он имеет ряд ограничений. Например, в нем может содержаться только одна стерео дорожка звука, что делает его непригодным для хранения фильмов с объемным звуковым сопровождением или фильмов со звуковым сопровождением на нескольких языках. Тем не менее, данный контейнер по-прежнему остается самым распространенным;

• OGG (OGM). Изначально контейнер разрабатывался для хранения звука, однако позже обнаружилось, что он может содержать видео и информацию о титрах. Контейнер, в основном, предназначался для потоковой передачи данных через Интернет, поэтому не очень хорошо подходит именно для хранения аудио и видео информации. В ряде случаев вы не сможете перемотать видео или звуковой трек на нужное место;

• MKV. Данный контейнер, появившийся сравнительно недавно, значительно превышает по своим возможностям файлы формата AVI. Помимо видео и звуковой информации контейнер M KV может хранить в себе информацию о титрах, а также навигационные меню (подобные меню DVD дисков) и ссылки на разделы (части) фильма. В контейнер M KV могут быть упакованы видео и аудио самых различных форматов, что, возможно, сделает данный вид контейнера распространенным. Однако в настоящее время воспроизведение файлов формата M KV поддерживает небольшое количество устройств, а для воспроизведения таких файлов на компьютере необходимо устанавливать специальные программные модули, способные разделить потоки информации различных типов;

• MP4. Этот контейнер разработан группой MPEG (Moving Picture Experts Group — группа экспертов по движущемуся изображению). Он предназначен для хранения видео, аудио информации, а также некоторых видов анимации. Контейнер поддерживает различные форматы звукового сжатия, в том числе и многоканальные. Зачастую контейнер MP4 используется в различных портативных устройствах;

• Quick Time. Данный контейнер, в первую очередь предназначен для использования на компьютерных платформах Apple. Файлы с расширением MOV содержат сжатое видео и звук, при этом качество и разрешение видео может быть очень высоким. Контейнеры Quick Time, конечно, можно использоватьна компьютерных платформах PC, для этого нужно установить соответствующее программное обеспечение. Однако многие программы не поддерживают работу с файлами данного формата или некорректно с ними работают.

Итак, для хранения видео и звуковых данных используются различные контейнеры, представляющие собой файл с определенным расширением и имеющий определенную структуру Разные контейнеры могут содержать данные, сжатые одним и тем же алгоритмом, однако в виду отличающейся структуры контейнеров, не все могут корректно работать в той или иной программе или воспроизводиться на каком-либо устройстве. Например, видео формата MPEG-4, упакованное в контейнер AVI, будет корректно воспроизводиться на большинстве бытовых DVD проигрывателей, в то время как-то же самое видео в контейнере MP4 может вовсе не воспроизводиться в виду отсутствия поддержки проигрывателем данного файлового формата или его внутренней структуры.

Мы лишь поверхностно описали принципы и устройства различных форматов и контейнеров. Это очень большая тема, которая не укладывается в рамки одной главы. На практике вам, скорее всего, придется иметь дело с двумя-тремя форматами сжатия видео и двумя-тремя разновидностями контейнеров. Однако, если вы всерьез займетесь видеомонтажом, рано или поздно вы можете столкнуться с очень необычными форматами сжатия. Например, производители цифровых камер, снимающих видео на флэш-накопитель или фотокамер с функцией съемки видео, не имеют какого-то общего соглашения по используемому формату сжатия. И вам могут попадаться носители с совершенно разными форматами файлов видео и звука. Если программа Sony Vegas Pro отказывается работать с некоторыми из таких файлов, придется воспользоваться специальными программами, перекодирующими различные форматы видео в формат AVI. Такие программы можно найти в Интернете. Некоторые из них распространяются бесплатно, некоторые являются коммерческими продуктами и доступны в Интернете в виде пробных версий.