Модели CMY и CMYK

    Цифровое  видео

    Заслуга цифрового видео - спасение изображения от беспощадного времени: количество снятых копий никак не отразится на качестве копий или оригинала. В цифровом видео, как и в аналоговом, кадры последовательно сменяют друг друга. Каждый кадр можно записать отдельно в виде картинки. Чем больше размер картинки, количество оттенков цветов на ней и число кадров, которые нужно передавать за секунду, тем больше места требуется для хранения нормального видео.

    Обработка видео

    Можно условно выделить три этапа обработки  видео.

1. Этап захвата. Цель - оцифровать все фрагменты, необходимые для получения конечного продукта с максимально возможным высоким качеством.
2. Этап монтажа. Производится обработка видео различными фильтрами, а также проверяется и восстанавливается синхронность аудио- и видеопотоков. Производится нелинейный видеомонтаж оцифрованного материала, при котором из нескольких видеоклипов формируется финальный продукт. При этом в любой момент времени возможно использование любой части исходного видеоматериала.
3. Этап сжатия. Чем больше коэффициент сжатия, тем больше потерь в качестве изображения. Остается только заключить компромисс между степенью сжатия и профпригодностью видео к последующему просмотру.

    На  первом этапе обработки видео  источником аналогового сигнала  может служить как телевизионная сеть, подключенная к TV-плате, так и видеомагнитофон. Свои услуги любезно предложат тебе многочисленные специальные платы (любительские и профессионального уровня), предназначенные для захвата видео. Ограничить этот выбор сможет только твой кошелек.

    Форматы файлов

    AVI (Audio-Video Interleaved) - формат с перемежающимися блоками аудио- и видеоинформации, наиболее популярен среди себе подобных. AVI был разработан Microsoft для хранения и воспроизведения видео в рамках API Video for Windows. По своему устройству этот формат относится к "чанковым": как и в WAV или MIDI, вся информация упаковывается в заголовки - так называемые chunks (чанки). Это позволяет записывать в AVI-файл как несжатый, так и подвергнутый любому виду сжатия видеопоток. Основными недостатками AVI являются его неприспособленность к стримингу (streaming), широковещательной передаче видео в сетях, и ограничение в 2 Гб на размер файла. Неприспособленность к стримингу не оказывает заметного влияния на видеозахват, но ограничение размера может стать серьезным препятствием при захвате без сжатия видео "на лету" или при захвате длительных видеофрагментов.

    MPEG (формат назван в честь группы специалистов по сжатию видеопоследовательностей - Motion Picture Experts Group), в отличие от AVI, подразумевает использование одного из двух стандартных алгоритмов сжатия: MPEG-1 или MPEG-2. MPEG-1 используется для сжатия видео с небольшим размером кадра (менее 288 по вертикали) и битрейтом порядка 1-2 Мбит/с, а MPEG-2 - для видео с большим размером кадра (более 288 по вертикали) и битрейтом порядка 5-10 Мбит/с. Основная сфера применения MPEG-1 - формат VideoCD.

    ASF (Advanced Streaming Format - улучшенный формат для стриминга) был разработан Microsoft, как улучшенная версия AVI, предназначенная для стриминга в сетях c малой пропускной способностью (wide-area networks with small bandwidth). В основном этот формат применяется сейчас на интернет-телевидении и в телеконференциях. Захват видео в этом формате проводит утилита Windows Media Encoder (можно скачать на сайте Microsoft), она же позволяет рекомпрессировать AVI в ASF и производить стриминг захватываемого видео в реальном времени.

    Видеозахват

    При захвате видео каждый кадр попадает сначала в буфер оцифровщика, после этого - в оперативную память компьютера. Если в процессе захвата драйверы устройства не смогли по какой-то причине вовремя скопировать этот кадр, то он "отбрасывается", так как оцифровщик записывает поверх него в буфер очередной кадр. Это приводит к появлению в оцифрованном видео "пустого" кадры, идентичного предшествующему "отброшенному". Если в процессе захвата было много "отброшенных" кадров, то все движения в полученном видеофрагменте будут резкими, "дергаными". Поэтому при видеозахвате стараются добиться отсутствия "отброшенных" кадров. Основными причинами возникновения "отброшенных" кадров являются нехватка производительности ЦПУ для сжатия "на лету", нехватка производительности дисковой подсистемы для записи видео с таким же битрейтом и плохое качество аналоговых сигналов источника видео.

    Для оцифровки видеосигнала важен выбор  метода кодирования цвета - стандарт представления цветовой информации об одном пикселе изображения  в цифровом виде. Наиболее известны стандарты:

• палитровый метод (указывается индекс цвета в массиве стандартной палитры);
• RGB-представление (указывается интенсивность аддитивных компонент цвета);
• CMYK (указывается интенсивность субтрактивных компонент цвета);
• HUE (указываются тон, насыщенность и чистота цвета, которые лучше всего воспринимаются человеком).

    Достаточно часто также используют метод, при котором информация о пикселе делится на две части - яркость (luminance, Y) и цветность (chrominance, U/V). Во-первых, такой метод кодирования цвета позволяет получить черно-белую картинку простым отбрасыванием цветности. Во-вторых, известно, что человеческий глаз воспринимает изменение цвета хуже, чем изменение яркости. Поэтому цветность можно сохранять с худшим разрешением, чем яркость, а изменение качества сохраненной картинки при этом не будет заметно невооруженному глазу. Такой прием (в иностранной литературе его называют Chroma Subsampling) используется в аналоговом телевещании и композитном видеосигнале, а также в большинстве методов сжатия, например, в MJPEG, MPEG, Intel Indeo. Предостерегу тебя от одной дезинформации. Цветность часто называют цветоразностью, что немного неправильно, так как цветоразностями называют компоненты цветности (всего их две - U и V). Если компоненты цветности равны нолю, пиксел будет бесцветным – серым, поэтому происходит такая путаница с названиями.

    При видеозахвате всегда нужно учитывать, будут ли проводиться обработка  этого материала фильтрами и  нелинейный видеомонтаж. Если да, то при  захвате лучше вообще не использовать сжатие "на лету" или использовать не очень сильное сжатие, основанное на "раздельном" алгоритме. Наиболее популярным видом такого сжатия является Motion JPEG (MJPEG), при котором каждый кадр компрессируется известным алгоритмом JPEG, выдающим степень сжатия 7:1 без заметных искажений картинки. Все это я долго излагаю из-за того, что сильное сжатие и "рекурсивные" алгоритмы вносят в видеофрагмент очень большое количество "скрытых" артефактов, которые станут заметными только при проведении фильтрации или рекомпрессии, производимой после нелинейного видеомонтажа.

    Если  захватываемый видеофрагмент не предполагается обрабатывать фильтрами или производить нелинейный видеомонтаж, то допускается сильное сжатие "на лету" "рекурсивными" алгоритмами. Тем не менее, лучше сначала производить захват в MJPEG - это позволит более гибко подобрать параметры финального сжатия и получить более качественный выходной результат.

    Сжатие

    Сжатие  видео - дело тонкое, поэтому внимательно  читай этот раздел. Пороговая частота  дискретного восприятия сменяющихся  графических образов – 25 кадров в секунду, поэтому наличие в выходном потоке большего числа кадров неоправданно.

    Существует  множество алгоритмов сжатия видео, но все они основаны на базовых  алгоритмах в различных сочетаниях и последовательностях. Видео –  это поток картинок, поэтому возникают  и дополнительные методы компрессии. Например, можно сохранять следующий по отношению к какому-нибудь другому кадр не целиком, а только его отличия от предыдущего, а на неизмененные пикселы накладывать прозрачные. Похожие приемы применяются в GIF и несколько усложненные - в FLI-форматах. Рассмотрим несколько базовых методов сжатия изображений.

    Квантование

    Алгоритм, который дает приличную степень  сжатия картинок с большим количеством  цветов и неприличную потерю кода. Соответственно, при восстановлении несколько ухудшается качество изображения. Степень потери качества зависит от степени квантования.

    Принцип сжатия при квантовании следующий: берется некоторое количество встречающихся  чаще всего цветов, при этом учитывается  чувствительность глаза человека к  определенным цветам. Далее для каждой точки изображения назначается ближайший цвет из выбранных как среднеквадратичная разность RGB-составляющих. После такого преобразования появляются большие области одного цвета, которые можно "скормить" любому из предыдущих алгоритмов. Большой плюс метода – сжатие "сложных" картинок, а минус – некоторая потеря качества. Соответственно, чем больше цветов "загрубляется", тем больше потеря качества.

    RGB –> YUV

    Преобразование  изображения из режима RGB в режим YUV. Изображение в режиме YUV содержит три составляющие: яркостную (Y) и две цветовые (U и V).

    Y=0.299*Red+0.587*Green+0.114*Blue

    U=-0.147*Red-0.289*Green+0.436*Blue

    V=0.615*Red-0.515*Green-0.100*Blue

    Обратное  преобразование осуществляется так:

    Red=Y+0.000*U+1.140*V

    Green=Y-0.396*U-0.581*V

    Blue=Y+2.029*U+0.000*V

    Почему  именно такое преобразование было выбрано? Чувствительность глаза человека к  яркостной составляющей выше, чем  к цветовой, поэтому цветовые составляющие кодируются с большими потерями. И  еще один важный момент: цветовые составляющие медленно изменяются в динамическом изображении, поэтому можно закодировать каждое второе их значение, а пропуски восстановить интерполяцией, в результате будет получено дополнительное сжатие благодаря удалению большой выборки данных.

    Предсказание

    Логично вытекает из предыдущего алгоритма, основанного на попытке предсказать  следующий цвет. Алгоритмы варьируются  от сложных вероятностных до простого предсказания через один пиксел по значению предыдущего. Помнишь опцию "Мультимедийное сжатие" старых версий WinRAR? Это реализация именно такого алгоритма. Улучшенные современные алгоритмы в предсказании цвета основываются еще и на динамике изменения предыдущих значений: анализируется некий ряд значений и на этой основе делается прогноз.

    Цифровое  косинус-преобразование (DCT – Digital Cosines Transform)

    Раскладывает  изображение на частотные составляющие. Глаз человека воспринимает искажение  в высокочастотной составляющей гораздо меньше, чем в низкочастотной - такую особенность зрения и эксплуатирует  DCT, кодирующий высокочастотные искажения ("цветовой шум") со значительными потерями. Не буду погружать тебя в формулы и объясню все просто: в JPEG используется именно этот метод с небольшим развитием алгоритма для предопределения качества сжатия. После такого преобразования получается матрица с большим количеством нулей, которые преобразуются RLE-алгоритмом в еще более сжатый код. Этот код можно дополнительно обработать арифметическим кодированием или алгоритмом Хаффмана. В итоге получается очень эффективное сжатие изображения.

    Фрактальное сжатие

    Этот  метод "вредит" похожим фрагментам изображений, которые в реальном видео содержатся почти всегда. Один из описанных методов для сжатия уменьшает количество цветов картинки. В этом же методе для более легкого  обнаружения похожих фрагментов осуществляется поиск перебором и запоминаются соответствующие области. Фрагменты могут иметь разный размер, яркость, угол поворота, поэтому цвета восстанавливаются, а распознанные области уменьшаются и индексируются. Алгоритм достаточно сложный, содержит много математических преобразований, но при умелом подходе – очень эффективный. Его недостаток – медлительность. Достоинство – может быть достигнута очень высокая степень сжатия.

    Суть  ЭЛТ - управление движением потока электронов в вакуумной трубке путем изменения магнитного поля. Электронный луч попадает на поверхность экрана, покрытую изнутри специальным веществом. При попадании электронов на эту поверхность начинается свечение в участке попадания. Так как луч представляется узким направленным пучком, то в месте его попадания образуется точка. Изменение магнитного поля приводит к искривлению движения луча. Соответственно, изображение передается как изменение яркости электронного луча и управляется ходом луча горизонтально справа налево построчно.

    Стандарты

    Есть  несколько стандартов передачи аналогового  видеосигнала: PAL, SECAM и NTSC. Сам принцип  аналогового кодирования сигналов состоит в том, что сигнал передается в виде синхронизационной и информационной компонент и при этом применяется частичное квантование. Другими словами, сам сигнал является аналоговым, но его квантуют или разделяют на линии и кадры. В стандарте PAL (и в близком к нему SECAM) предполагается наличие 25-ти кадров в секунду, каждый из которых содержит 576 строк. В стандарте NTSC - наличие 30-ти кадров в секунду, каждый из которых содержит 480 строк. Информацию о начале/окончании строк и кадров несет в себе компонента синхронизации. Информационная компонента несет яркостную составляющую (Y), используемую в черно-белом телевещании, и две цветовых компоненты (U/V). Во всех системах используется амплитудная модуляция яркостных и цветовых компонент, причем у PAL/SECAM частоты несущих цветовых компонент ниже в два раза, чем у яркостной, а у NTSC - в четыре раза ниже.