Форматы видеосжатия
Видеоизображение – одно из самых эффективных и самых требовательных средств представления информации.
По сути, видео представляет из себя последовательность картинок, которые меняются с частотой 25 кадров/сек. В Америке и Японии это 30 кадров/сек. Качество видеоряда с технической точки зрения определяется цветовым разрешением кадров, их пространственным разрешением и частотой смены. Таким образом, видеоданные, сохраненные с высоким качеством, требуют много места для хранения и больших вычислительных ресурсов для обработки.
Оценим примерный объем видеоинформации. В нашей стране стандартный кадр видео это 720 на 576 точек. Всего 414 720 точек. Или, по другому, пикселов.
Каждая точка должна иметь свою яркость и цвет. По этому на каждую точку изображения будем тратить 3 байта информации. Получим очень грубо 1.2 Мб/кадр. Кадров в секунду 25 штук. Умножаем и получаем 30 Мб/сек. То есть 1 секунда видео занимает 30 Мб. Емкость компакт диска около 700 Мб. Получается, что на компакт диск можно записать только 23 секунды видео! Но мы знаем, что можно записать гораздо больше, вплоть до полуторачасового фильма. Как этого достичь? Конечно сжатием видеоданных.
Во первых можно сжимать каждый кадр как отдельную картинку. В качестве примеров алгоритмов сжатия графических данных без потерь можно привести алгоритм RLE. При применении этого алгоритма вместо последовательности одинаковых по цвету пикселей в строке изображения записывается цвет и количество его повторений. Такой подход используется при хранении изображений в формате BMP.
Размер кадра стандартного разрешения.
Для сложных изображений такой метод малоэффективен, поэтому в промышленных форматах применяют другие методы. Например, один из универсальных алгоритмов LZW (назван по фамилиям авторов Якоб Лемпель, Абрахам Зив и Терри Велч). Этот алгоритм подразумевает создание во время обработки специального словаря уже встречавшихся фрагментов. При кодировании последовательности байтов заменяются на их номера по словарю, причем номера часто встречающихся последовательностей имеют меньшее количество битов, чем редко встречающихся. Этот способ активно применяется при сжатии самых разных данных, в том числе и графических. Такой способ сжатия применяется в графическом формате TIFF, в популярном формате GIF. Аналогичные методы применяются и в современном формате PNG (Portable Network Graphic), разработанном специально для применения в сетевых приложениях.
Используя такие алгоритмы можно в несколько десятков раз уменьшить объем данных, занимаемых каждым кадром. Можно получить уже до 10 минут видео на компакт диск. Но пока что этого мало.
Человек от природы более восприимчив к яркости, чем к цвету. По этому в сумерках плохо видно цвет, но очертания предметов различимы. Учитывая эту особенность в любительской аппаратуре вводится некоторое ограничение. Четыре рядом расположенных пиксела окрашиваются в один цвет, но яркость сохраняют каждый свою. Таким образом, по цвету получается экономия информации в 4 раза и в 4 раза меньше цветовое разрешение картинки. В профессиональной видеоаппаратуре данное ограничение отсутствует.
Цветовое разрешение
Остается еще одна главная хитрость. Данный прием пришел из мультипликации. Он связан с технологией создания мультфильмов.
|
|
|
|
|
Кадры мультфильма
Кадры мультфильма отличаются друг от друга только положением колобка. В анимации художник рисует фон: солнышко, домик, дерево. Художник аниматор рисует на прозрачной пленке только персонажа, который будет двигаться. Пленка накладывается на фон и фотографируется. Затем убирается пленка и накладывается на тот же фон другая пленка с чуть сместившимся колобком. И так далее. Фон каждый раз не перерисовывается. Рисуются только изменения. В нашем случае колобок. Именно этот способ пригодился в цифровую эпоху. Программы видеосжатия научились определять неизменяемую в течении некоторого времени область кадра и изменяемую. Фактически едет разложение на фон и подвижных персонажей.
Принцип видеосжатия.
На рисунке показаны неизменяемые части изображения и части, необходимые для получения следующих кадров.
Чтобы получить 3 кадр в верхнем ряду, необходима только область изображения, закрываемая вначале машиной. Таким, образом в видео последовательности сохраняется первый кадр с максимальным качеством, а потом ряд кадров сохраняются не полностью, а лишь та часть, чем они отличаются от предыдущего. Через некоторое время нужен вновь ключевой кадр.
Для данного алгоритма будет очень сложно быстро изменяющееся видео. Например съемка из движущейся машины. Здесь необходимо сохранять полностью каждый кадр. Напротив, съемку неподвижной камерой в помещении можно очень сильно сжать. То есть, количество ключевых кадров определяется видеоматериалом. Именно благодаря такому способу удается записать на компакт диск полнометражный художественный фильм.
