Характеристики качества видео-АЦП

Аналоговое видео имеет множество проблем, связанных с носителем аналоговой информации и технологией ее обработки - искажение сигнала при прохождении, потери при перезаписи и влияние носителя как такового. Цифровое видео (digital video) устраняет эти проблемы, объединяя и перенося движущееся изображение и звук в компьютерный мир.

Для создания цифрового представления видеоизображения применяется следующая процедура. Аналоговые сигналы от видеоисточников, например, с камеры, преобразуются перед оцифровкой в цветовую систему YUV или в аналогичное цветовое представление. Затем полученный видеосигнал преобразуется в цифровую форму при помощи специального устройства, называемого "аналого-цифровой преобразователь" (АЦП, ADC - Analog-to-Digital Converter). Результат этого преобразования представляет собой последовательность байтов, кодирующих цвет каждого пикселя в кадре изображения. Объединение информации о каждом кадре формирует поток данных, полностью описывающих видеофрагмент. Видео- изображение в таком представлении можно в дальнейшем обрабатывать, хранить или передавать практически неограниченное число раз.

Для того чтобы просмотреть цифровое видеоизображение, необходимо преобразовать цифровую информацию обратно в аналоговую форму. Данную процедуру осуществляет цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, DAC - Digital-to-Analog Converter). ЦАП формирует необходимый аналоговый видеосигнал, который воспринимается видеомонитором или телевизором, что позволяет осуществить просмотр видеофрагмента.

Цифровое видео характеризуется четырьмя основными параметрами: частота кадра (Frame Rate), экранное разрешение (Spatial Resolution), глубина цвета (Color Resolution) и качество изображения (Image Quality).

Частота кадра (Frame Rate). Стандартная скорость воспроизведения видеосигнала — 30 кадров/с (для кино этот показатель составляет 24 кадра/с). Каждый кадр состоит из определенного количества строк, которые прорисовываются не последовательно, а через одну, в результате чего получается два полукадра, или так называемых «поля». Поэтому каждая секунда аналогового видеосигнала состоит из 60 полей (полукадров). Такой процесс называется interlaced — чересстрочное видео.

Между тем монитор компьютера для прорисовки экрана использует метод «прогрессивного сканирования» (progressive scan), при котором строки кадра формируются последовательно, сверху вниз, а полный кадр прорисовывается 30 раз каждую секунду. Разумеется, подобный метод получил название noninterlaced видео. В этом заключается основное отличие между компьютерным и телевизионным методами формирования видеосигнала.

Глубина цвета (Color Resolution). Этот показатель является комплексным и определяет количество цветов, одновременно отображаемых на экране. Компьютеры обрабатывают цвет в RGB-формате (красный-зеленый-синий), в то время как видео использует и другие методы. Одна из наиболее распространенных моделей цветности для видеоформатов — YUV. Каждая из моделей RGB и YUV может быть представлена разными уровнями глубины цвета (максимального количества цветов).

Для цветовой модели RGB обычно характерны следующие режимы глубины цвета: 8 бит/точка (256 цветов), 16 бит/точка (65,535 цветов) и 24 бит/точка (16,7 млн. цветов). Для модели YUV применяются режимы 7 бит/точка (4:1:1 или 4:2:2, примерно 2 млн. цветов) и 8 бит/точка (4:4:4, примерно 16 млн. цветов).

Экранное разрешение (Spatial Resolution). Еще одна характеристика — экранное разрешение, или, другими словами, количество точек, из которых состоит изображение на экране. Так как мониторы PC и Macintosh обычно рассчитаны на базовое разрешение в 640х480 точек (пикселей), многие считают, что такой формат является стандартным. К сожалению, это не так. Прямой связи между разрешением аналогового видео и компьютерного дисплея нет.

Стандартный аналоговый видеосигнал дает полноэкранное изображение без ограничений размера, так часто присущих компьютерному видео. Телевизионный стандарт NTSC (National Television Standards Committee) разработан Национальным комитетом по телевизионным стандартам США. Используемый в Северной Америке и Японии, он предусматривает разрешение 768х484. Стандарт PAL (Phase Alternative), распространенный в Европе, имеет несколько большее разрешение - 768х576 точек.

Поскольку разрешение аналогового и компьютерного видео различается, при преобразовании аналогового видео в цифровой формат приходится иногда масштабировать и уменьшать изображение, что приводит к некоторой потере качества.

Качество изображения (Image Quality).Последняя, и наиболее важная характеристика — это качество видеоизображения. Требования к качеству зависят от конкретной задачи. Иногда достаточно, чтобы картинка была размером 9 четверть экрана палитрой из 256-ти цветов (8 бит), при скорости воспроизведения 15 кадров/с. В других случаях требуется полноэкранное видео (768х576) с палитрой в 16,7 млн. цветов (24 бит) и полной кадровой разверткой (24 или 30 кадров/с).

Критерии качества видео-АЦП — это в первую очередь, как и в сканерах, способность различать градации яркости и цвета, а также максимальное разрешение. Далее, очень важно, позволяет ли АЦП обрабатывать видеоданные в реальном масштабе времени и какие имеет возможности подключения.

Все видео-АЦП позволяют правильно передавать градации яркости. Здесь справедливы те же рассуждения, что и для сканеров: 64 градации яркости (разрешение 6 бит) - хорошо, но 256 градаций (разрешение 8 бит) — лучше. Для цветных устройств приемлемым является число цветов 32768 (разрешение по 5 бит на одну цветовую составляющую), но желательно иметь 16,8 миллиона цветов (разрешение по 8 бит на составляющую). При максимальном размере видеоизображения около 760 х 574 элементов и 24-битовом квантовании цветовых сигналов требуемая емкость памяти составляет 1,3 Мбайт.

Если сравнивать отдельные модели видео-АЦП, то, в частности, их разрешение по элементам изображения оказывается весьма различным. Верхний предел здесь определяется размером телевизионного изображения, который в соответствии со стандартом PAL/MKKP составляет 800 х 575 элементов. Видео-АЦП с более высоким разрешением использовать нецелесообразно, и автору подобные устройства даже неизвестны. Однако имеются видео-АЦП с меньшим разрешением — 512 х 512 или 640 х 480 элементов. Дешевые устройства могут иметь даже разрешение, сравнимое с VGA — 320 х 200 элементов. Для любителей вначале могут подойти любые из них. Для более профессиональных применений требуется разрешение не менее 512 х 512 или 640 х 480 элементов.

В зависимости от применения решающим фактором может оказаться возможность оцифровки изображений в реальном масштабе времени. Видео-АЦП, работающие в реальном масштабе времени, могут обрабатывать поле (полностью или частично) за 1/50 секунды. С помощью такого устройства можно оцифровывать изображения непосредственно из передаваемых кинофильмов. Если решается именно эта задача, то работа в реальном масштабе времени является обязательным условием. Если же необходимо с помощью камеры вводить только неподвижные изображения, то можно использовать видео-АЦП с меньшим быстродействием.

За исключением отдельных профессиональных устройств, которые рассчитаны на обработку только RGB-сигналов, все видео-АЦП имеют вход для монохромного или цветового композитного видеосигнала. Видео-АЦП, не предназначенные для обработки цвета, допускают подачу композитного видеосигнала, фиксируют только содержащуюся в нем яркостную информацию. Хорошие видео-АЦП имеют дополнительно входы для компонентного (Super-VHS) видеосигнала и RGB-входы. Видео-АЦП более высокого класса имеют также выход видеосигнала. Это позволяет снова записывать на видеомагнитофон обработанные неподвижные изображения или последовательности кадров. Уже имеются устройства, которые позволяют производить оцифровку длинных последовательностей кадров в реальном масштабе времени с последующим воспроизведением. Это открывает новые, более широкие перспективы для применения видеотехники.

Лишь немногие устройства, предназначенные исключительно для профессионального применения, предусматривают внешнюю синхронизацию.

При синхронизации на устройство оцифровки по специальному кабелю подается сигнал, указывающий начало или конец передачи сигнала изображения. Это принудительная синхронизация, при которой одно устройство передает сигнал, а другое его принимает. Применение видео-АЦП с внешней синхронизацией целесообразно, естественно, только в том случае, если имеющаяся камера или видеомагнитофон такой сигнал формирует.

В чем заключается смысл внешней синхронизации? Видео-АЦП необходимо указывать момент начала оцифровку видеосигнала. Обычно эту информацию видео-АЦП извлекает из нескольких стандартизованных сигналов синхронизации, которые имеются в составе телевизионного сигнала и передаются до или после каждого поля (внутренняя синхронизация). Но эти сигналы не всегда правильно опознаются. Это приводит к тому, что начало обработки сигнала изображения не соответствует началу кадра. В результате возникают серьезные сбои изображения.

Сжатие видео

Следует исходить из разумной достаточности при определении необходимой степени сжатия. При этом необходимо учитывать, как четыре характеристики (частота кадра, экранное разрешение, глубина цвета и качество изображения) влияют на объем и качество видео. Вы должны ясно себе представлять, какую «цену» придется заплатить за качественное изображение. Чем больше глубина цвета, выше разрешение и лучше качество, тем большая производительность компьютера вам потребуется, не говоря уж о громадных объемах дискового пространства, необходимого под цифровое видео. Учитывая эти характеристики, можно выбрать оптимальный коэффициент сжатия. Надо отметить, что в профессиональном видео действует простое правило: чем ниже коэффициент сжатия, тем лучше.

Компьютеры, как известно, переводят всю поступающую информацию в последовательность чисел, прежде чем начать ее обработку. И фильмы в этом смысле не являются исключением. Напротив, со своим количеством цветов и движущимся изображением при записи в файл фильмы могут превратиться в непристойно большое количество чисел. Например, десятисекундный ролик с котом, обнюхивающим тарелку с “Вискас”, легко может заполнить 300 Мбайт жесткого диска. Даже мысль об этом страшна для каждого, кроме продавцов компьютерного оборудования.

Когда "гуру" видеозахвата говорят о полноэкранном режиме, они имеют в виду разрешение 640х480 точек. Для того чтобы изображение походило на телевизионное, кроме полноэкранного режима, необходимо еще и 16 млн. цветов.

Простейшие расчеты показывают, что 24-битное цветное видео, при разрешении 640х480 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.

Иногда для уменьшения этого сумасшедшего объема данных до разумного уровня достаточно оптимизировать один из вышеперечисленных параметров видеосигнала. Современные приложения (игры, компьютерные тренажеры, видеокиоски и некоторые деловые пакеты) зачастую не требуют полноэкранного видео. Такие программы обычно используют видео в окне, и для них не требуется оцифровывать целый кадр. Изменим параметры видеосигнала и сделаем новый расчет для разрешения 320х240.

Как видите, уменьшив размер изображения, мы добились весьма существенного уменьшения объема данных, передаваемых в единицу времени. Однако 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.

Поэтому при записи фильмов компьютеры сжимают все эти числа в файл минимальных размеров, зачастую в сотни раз меньший первоначального.

Очевидно, что сжатие видео нужно для уменьшения объема цифровых видеофайлов, 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 640х480 при скорости в 30 кадров/с, если оцифровка и запись его выполнялись 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 незаметно 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 обсуждаемый сегодня вид сжатия. Покадровый метод подразумевает сжатие и хранение каждого видеокадра как отдельного изображения. Сжатие видеопотока основано на следующей идее: несмотря 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, и 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.

Например, предположим, что сюжет видеоролика заключается том, что волейбольный мячик в высоком полете плывет по безоблачному небу. При записи видеоинформации в файл компьютеру нет особой необходимости сохранять все подробности верхней половины изображения. Можно просто отметить, что небо голубого цвета. При воспроизведении этого ролика компьютер просто окрасит в голубой цвет верхнюю половину изображения. Таким образом, можно наполовину сократить размер файла. Можно также использовать тот факт, что в большинстве случаев Изображение меняется незначительно от кадра к кадру. Например, во время полета мячика фон в основном остается прежним. Поэтому компьютер сохраняет один полный кадр со всей подробной информацией о цветах мячика и неба. Для следующих нескольких кадров просто отмечается новое положение мячика и в файле сохраняются только различия между кадрами, а не вся полная информация.

Этот способ сохранения только различий между кадрами, вместо полной информации, называется межкадровым кодированием (interframe соding). И это всего лишь один из признаков, по которым различаются кодеки.

Коэффициент сжатия. Этот показатель особенно важен для профессионалов, работающих с цифровым видео на компьютерах. Его ни в коем случае нельзя путать с кэффициентом асимметричности сжатия. Коэффициент сжатия — это цифровое выражение соотношения между объемами 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).

Контроль параметров цифрового видео. Возможность контроля параметров цифрового видео особенно важна, если производительность вашей системы и пропускная способность шины ограничены (как это обычно и бывает). Хорошая система оцифровки и сжатия видео должна позволять задавать наиболее важные параметры для аппаратной и программной части видеосистемы. В некоторых применениях решающее значение имеет скорость воспроизведения видео (частота кадров/с), но при этом приходится отказаться от полноэкранного изображения. В других случаях вполне достаточно уровня в 15 кадров/с, но качество этих кадров должно быть идеальным.

Оборудование и программное обеспечение для оцифровки и сжатия видео должны иметь возможности управления этими операциями, чтобы удовлетворить вашим требованиям. Внимательно отнеситесь к этой рекомендации, так как не все системы имеют достаточные средства по контролю параметров видео.

Поэтому при записи фильмов в файл компьютеры выполняют компрессию видеоданных. При воспроизведении же фильма необходимо выполнить обратную операцию — декомпрессию. Поэтому кто-то придумал простое, удобное слово для обозначения этих двух операций — кодек (от Компрессия и ДЕКомпрессия).

Поскольку различные компании считают, что они достигли наилучших успехов в области компрессии видеоданных, все они имеют собственные кодеки (произносится кодЭк,). Например, пакет Video for Windows поставляется в комплекте с несколькими кодеками, включая разработанный фирмой Microsoft. Одни кодеки реализованы программно, другие — аппаратно, на основе специальных микросхем, встроенных в плату захвата; есть также и смешанные программно-аппаратные варианты (табл.9.2).

Таблица 9.2