24. Способы сжатия видеоинформации. Форматы семейства MPEG. Особенности редактирования.

Цель моей работы – изучить, что из себя представляет видеоинформация, ее основные способы сжатия и редактирования, а также рассмотреть все форматы MPEG.

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.
Методы сжатия видеоинформации
С точки зрения времени компрессии/декомпрессии различают симметричные и асимметричные методы. В симметричных методах время компрессии (по числу операций) примерно совпадает с временем декомпрессии. В асимметричных методах компрессия требует значительно больше операций (в десятки и сотни раз), чем декомпрессия. Асимметричные методы часто дают большую степень сжатия, чем симметричные при одинаковом качестве результата. Под качеством здесь обычно понимают степень сохранения информации, существенной для её восприятия.
С точки зрения сохранения информации различают методы кодирования без потери информации (Алгоритм Хаффмана основан на статистике повторяемости, Алгоритм Лемпеля-Зива-Уэлча (LZW) отличается от алгоритма Хаффмана кодированием не отдельных элементов, а последовательностей, RLE- алгоритм (Run Length Encoding) кодирует последовательности одинаковых элементов, указывая элемент и длину последовательности) и с потерей информации. (Алгоритм JPEG, Метод WIC (Wavelet Image Compression, Фрактальное сжатие. Термин "фрактальный" ввел Б. Мандельброт. Практическое применение для сжатия изображений нашли фракталы на основе систем итеративных функций (IFS - Iterated Function System). IFS строится для каждого изображения (автоматически) с таким расчётом, чтобы при их повторяющемся выполнении изображение постепенно уточнялось. Чем больше выполняется итераций, тем лучше его качество. Коэффициент сжатия достигает 10000:1, но процесс сжатия (т.е. построение IFS) длится долго).
В первых уменьшается информационная избыточность, а во вторых стараются потерять прежде всего только ту информацию, к которой приёмник (например, человек) не чувствителен или мало чувствителен.
Кодирование с потерей информации применяется тогда, когда полное сохранение информации не даёт нужной степени компрессии.
Для уменьшения объема цифровых видеофайлов используют методы сжатия данных, которые базируются на математических алгоритмах устранения, группировки и усреднения схожих данных, присутствующих в видеосигнале. Существует большое количество разнообразных алгоритмов сжатия, включая Compact Video, Indeo, Motion- JPEG, MPEG, Cinepak, Sorenson Video. Все они могут быть разделены на следующие категории.
Обычное сжатие (в режиме реального времени). Система оцифровки видеосигнала с одновременным сжатием. Для качественного выполнения этих операций требуются высокопроизводительные специальные процессоры. Большинство плат ввода/вывода видео на PC пропускают кадры, что нарушает плавность изображения и его синхронизацию со звуком.
Симметричное сжатие. Оцифровка и запись производится при параметрах последующего воспроизведения (например, разрешение 640 х 480 при скорости 30 кадров в секунду).
Асимметричное сжатие. Обработка выполняется при существенных затратах времени. Так, отношение асимметричности 150:1 указывает, что 1 минута сжатого видео соответствует затратам на сжатие в 150 минут реального времени.
Сжатие с потерей или без потери качества. Все методы сжатия приводят к некоторой потере качества.
Существует только один алгоритм (разновидность Motion-JPEG для
потере качества. Существует только 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.
Коэффициент сжатия — это цифровое выражение соотношения между объемом исходного и сжатого материала. Качество видео зависит от используемого алгоритма сжатия, параметров видеоплаты оцифровщика, конфигурации компьютера и даже от программного обеспечения. Для MPEG сейчас стандартом считается соотношение 200:1. Различные варианты Motion-JPEG работают с коэффициентами от 5:1 до 100:1, хотя уже при уровне 20:1 трудно добиться нормального качества изображения. Существует большое разнообразие алгоритмов сжатия, включая PLV, Compact Video, Indeo, RTV и AVC, но только Motion JPEG (Joint Photographic Experts Group), MPEG-1 и MPEG-2 признаны международными стандартами для сжати видео.обеспечить непрерывную передачу видео со скоростью 21 Мбайт/с (требования CCIR 601- признанного в мире стандарта цифрового телевидения.

Постепенно все оборудование для производства видео и телевизионных программ в мире становится цифровым. Почему это происходит? Вовсе не из-за того, что цифровые методы всех восхищают и что качество изображения радикально улучшается, причины такого перехода - прежде всего экономические, так как в настоящее время и цена, и стоимость эксплуатации цифрового комплекса меньше, чем традиционного аналогового с теми же функциями. Сейчас, когда цифровая техника достигла определенной зрелости, аналоговое оборудование неожиданно оказалось менее эффективным, менее надежным и куда менее рентабельным.
В течение последних лет в сетевом видеонаблюдении и других приложениях цифрового ТВ резко возросли требования к эффективности использования существующей полосы пропускания транспортной среды. Для этого есть несколько причин: возрастает число интегрированных решений, когда в одном канале с видеоинформацией передаются разнообразные данные; повышаются требования к качеству изображения.
Это привело к внедрению различных способов оптического мультиплексирования и цифрового сжатия видеопотока.
Выше рассматривались особенности форматов MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7 и MPEG-21 и реализация на их основе сжатия видеоинформации. Из этого следует вывод, что по мере развития информационных технологий, требования становятся более высокими. И в настоящее время предпочтение можно отдать таким стандартам, как MPEG-4.