FAQ по оцифровке видео

Автор: Алексей Лукьянов [leha2[@]mail.ru]
Источник: журнал GrimFiles #22

Предисловие автора:

Общие вопросы:

1. Зачем нужно видео на компьютере?
2. На каком принципе основана реализация видео на компьютере?
3. Как бороться с огромными размерами?
4. Какие основные виды сжатия существуют?
5. К каким проблемам приводит сжатие видео?
6. Как работают и на каких принципах основаны аналоговые видеостандарты?

Вопросы по захвату:

1. Что такое видеозахват?
2. Какие минимальные требования к системе для видеозахвата?
3. В какой формат файла производится видеозахват?
4. Как бороться с 2 Гбайтным лимитом AVI?
5. Что такое dropped frames (отброшенные кадры)?
6. К каким проблемам приводит уменьшение частоты кадров?
7. Какие виды сжатия, и для каких целей, надо применять при оцифровке?

Вопросы по кодированию:
(продолжение - faq-digital-video-2.shtml)

1. Что такое color format (метод кодирования цвета), luminance (яркость), chrominance (цветность)?
2. Какие виды кодирования цвета существуют?
3. Почему возникает десинхронизация звука и видео?
4. Какие методы борьбы с десинхронизацией звука существуют?
5. Что такое interlaced video (чересстрочное видео), field (полукадр), field order (порядок полукадров), scan line effect (эффект "расчески")?
6. Какие способы борьбы с эффектом "расчески" существуют?
7. Как влияет эффект "расчески" на сжатие видео?
8. В чем различие между захватом телеэфира (антенна), композитного сигнала (VHS) и сигнала S-Video (SVHS, большинство аналоговых и цифровых видеокамер)?
9. Есть ли "готовые" настройки для оцифровки видео, поступающего с различных источников?
10. Какой софт лучше всего использовать для оцифровки видео?

Вопросы по обработке захваченного видео:

1. Какие стадии присутствуют в компьютерной обработке видео?
2. Что такое нелинейный видеомонтаж?
3. Что такое "фильтры" видео, и когда нужно их применять?
4. Чем отличаются форматы MPEG, AVI и ASF?
5. Когда следует сжимать видео в MPEG?
6. Когда следует сжимать видео в ASF?
7. Какие кодеки нельзя использовать в "выходном продукте"?
8. Какой кодек (или формат файла) на сегодняшний день дает наилучшее качество видео при минимальном потоке?
9. Каким кодеком следует сжимать звуковую дорожку AVI-файла (проблемы с использованием кодека MP3 и одно из возможных решений)?
10. Как наиболее дешевым способом вывести обработанное видео обратно на телевизор/видеомагнитофон?
11. Каким следует делать разрешение выходного видео?
12. Как следует обрабатывать чересстрочное видео?

Предисловие автора:

Все написанное в этом FAQ нацелено на использование в малобюджетной видеообработке. Многие советы могут быть абсолютно неприменимы для случаев полупрофессиональной и профессиональной видеообработки. Поэтому автор заранее просит не посылать ему обличительные письма о том, что надо давно было купить miroVIDEO DC1000 и не заниматься ерундой. Увы, столь дорогая техника пока недоступна большинству пользователей ПК в России, а использовать современные компьютерные методы для улучшения домашнего видеоархива хочется каждому. Именно для этих целей автор приобрел себе дешевый TV Tuner и остался полностью доволен полученным результатом (в особенности соотношениями цена/качество и цена/возможности). В процессе изучения основ цифрового видео автору пришлось столкнуться с проблемой нехватки документации по вопросу малобюджетной видеообработки, и он решил собрать с трудом добытые из разных источников данные и полученный опыт в один документ. Автор искренне надеется, что этот FAQ окажется полезным для начинающих и спасет их от многих ошибок.

Общие вопросы
Зачем нужно видео на компьютере?

Действительно, а что нам дает хранение видеоинформации на компьютере, а не на обычной видеокассете? В основном, цифровое хранение и обработка видео привлекают по двум причинам: во-первых, цифровое видео не "заезжается" от многократных просмотров; во-вторых, элементарно получить копию видеоматериала, абсолютно идентичную оригиналу. Уже этих двух причин достаточно для того, чтобы сохранять свое домашнее видео в цифровом виде.

На каком принципе основана реализация видео на компьютере?

На том же, что и все остальное видео и кино. Кадры последовательно сменяют друг друга 25 раз в секунду (для Pal/Secam), что наш мозг воспринимает как непрерывное движение. Из такого принципа делаем вывод: длинные видеопоследовательности имеют огромные размеры. Так, пусть мы сохраняем видео с размером кадра 352х288, 24 бит на пиксель. Для сохранения хотя бы минуты видео потребуется примерно 435 Мбайт. В этом и есть основная проблема цифрового видео - неимоверная прожорливость по части размера файла.

Как бороться с огромными размерами?

Есть два основных способа борьбы: уменьшение основных параметров видеозахвата и сжатие. Основными параметрами видеозахвата являются: размер кадра, кодировка цвета и частота кадров.

Достаточно часто вводят термин "битрейт". Средний битрейт - это размер видеопоследовательности в битах, отнесенный к его длительности в секундах. Единицей измерения битрейта служит 1 бит/с - 1 бит в секунду (1bps - 1 bit(s)-per-second). Поскольку 1 бит/с - величина очень маленькая в приложении к цифровому видео, также вводятся Килобит/с (Кбит/с) и Мегабит/с (Мбит/с). Для видео из предыдущего вопроса битрейт составляет 58 Мбит/с. Битрейт сжатого видео на VideoCD, имеющего такой же размер кадра и частоту кадров, равен 1.1 Мбит/с.

Какие основные виды сжатия существуют?

Сжатия разделяют на два типа: без потери качества (часто кратко называются "без потерь") и с потерей качества ("с потерями"). Разница между этими типами понятна из их названия. Большинство методов сжатия без потери качества не учитывают визуальную похожесть соседних кадров видеопотока. Методы сжатия с потерей качества, наоборот, в большинстве случаев используют эту похожесть. Из-за этого максимальная степень сжатия среднестатистического видеофрагмента, достигаемая алгоритмами без потерь, не превышает 3 к 1, в то время как алгоритмы, работающие с потерей качества, могут сжимать вплоть до 100 к 1.

Довольно часто методы, учитывающие похожесть соседних кадров видеопотока, называют "рекурсивными". В них сохраняются полностью лишь отдельные кадры, называемые ключевыми (иногда, интра) кадрами. Все остальные кадры содержат лишь отличия от предыдущих (иногда они также содержат ссылки на информацию, содержащуюся в последующем кадре).

Методы, сжимающие каждый кадр отдельно от других, называют "раздельными". В видеопоследовательностях, сжатых такими методами, все кадры являются ключевыми.

При сжатии без потери качества чаще всего используются алгоритмы, аналогичные применяемым в файловых архиваторах (ZIP, RAR, LZH). Наиболее сильно сжимают алгоритмы, использующие дискретное преобразование Фурье с сохранением такого количества коэффициентов, которого достаточно для полного восстановления исходной информации.

В методах сжатия с потерей качества также чаще всего применяются алгоритмы, основанные на дискретном преобразовании Фурье, однако количество сохраняемых коэффициентов практически всегда значительно меньше алгоритмов, работающих без потери качества. При сжатии с потерями обычно жестко задают либо степень снижения качества для каждого кадра, либо средний или мгновенный битрейт выходного файла.

К каким проблемам приводит сжатие видео?

Оно приводит к т.н. артефактам. Артефакты - это видимые нарушения качества видеопоследовательности, возникающие в процессе сжатия с потерями. Наиболее часто встречающийся артефакт сжатия - разбиение картинки на квадратные блоки. У "рекурсивных" алгоритмов сжатия также часто наблюдаются "мусор" рядом с контрастными границами и движущимися объектами, а также "волнующиеся" и "расплывшиеся" цвета. Количество и интенсивность артефактов зависит от алгоритма сжатия, отношения выходного битрейта к исходному и характера сжимаемого изображения.

Существуют специальные алгоритмы фильтрации типичных артефактов сжатого видео. Обычно любой проигрыватель сжатого видео включает в себя постобработку декомпрессированного видео такими фильтрами.

Как работают и на каких принципах основаны аналоговые видеостандарты?

Этот вопрос требует фундаментальных знаний в области физики и радиотехники, и поэтому полное и развернутое объяснение в рамки этого FAQ не входит. В значительном упрощении схема работы аналогового кодирования видеосигнала такова: сигнал передается в виде синхронизационной и информационной компонент с применением частичного квантования. Сам сигнал является аналоговым, но его разделяют (квантуют) на линии и кадры. В стандарте PAL (и близком к нему SECAM) предполагается наличие 25 кадров в секунду, каждый из которых содержит 576 строк. Стандарт NTSC предполагает наличие 30 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), использующуюся 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.

Вопросы по захвату
Что такое видеозахват?

Видеозахватом называют процесс преобразования аналогового видео в цифровой вид с последующим его сохранением на цифровом носителе информации. Самый типичный пример видеозахвата - оцифровка телеэфира или VHS кассеты на специально оборудованном ПК.

Какие минимальные требования к системе для видеозахвата?

Во-первых, необходимо устройство видеозахвата , способное поставлять с достаточной скоростью кадры видеопоследовательности в одном из стандартных форматах кодировки цветности. Именно таким устройством является TV Tuner или видеокарта, снабженная видеовходом. Также существуют более дорогие и "продвинутые" устройства, способные сразу сжимать захватываемое видео, однако рассмотрение их выходит за рамки этого FAQ.

Во-вторых, потребуется достаточно быстрый жесткий диск большого объема , способный успевать записывать видео с большим битрейтом. Так, для захвата видео, которое впоследствии предполагается записать на VideoCD (352х288 YUV12), жесткий диск должен быть способен записывать 4 Мбайта/сек (не Мбита!). А для захвата видео с наилучшим качеством аналогового телевещания (например, с отдельного DVD проигрывателя по интерфейсу S-Video, или просто с телевизионного эфира) потребуется диск, со скоростью записи более 19 Мбайт/сек.

В-третьих, потребуется действительно быстрый ЦПУ . Особенно если для уменьшения битрейта сжатие видео будет производиться непосредственно во время захвата. Минимально необходимым ЦПУ принято считать Pentium-II 300, тем не менее, "комфортной" работы с захваченным видео сложно добиться на любом процессоре с частотой меньше 550 МГц. Если же для сжатия использовать MPEG4 алгоритмы, то наилучшим выбором станет Athlon 800-900 (и выше) или Pentium 4, показывающие прекрасную производительность в задачах такого рода.

В-четвертых, потребуется как минимум 128 Мбайт ОЗУ , иначе любые нестабильности в скорости сжатия будут весьма пагубно влиять на качество захваченного фрагмента.

В какой формат файла производится видеозахват?

Формат файла зависит от используемого софта. На сегодняшний день наиболее распространены три формата: AVI, MPEG и ASF.

Наиболее часто при захвате используется AVI (Audio-Video Interleaved - формат с перемежающимися блоками аудио- и видеоинформации). Он 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, 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 передачи видео в сетях - и ограничение в 2 Гбайта на размер файла. И если неприспособленность к стримингу не оказывает заметного влияния на видеозахват, то ограничение размера может стать серьезным препятствием при захвате без сжатия видео "на лету" или при захвате длительных видеофрагментов.

Формат MPEG (название образовано от Motion Picture Experts Group - группы специалистов по сжатию видеопоследовательностей), в отличие от AVI, подразумевает использование одного из двух стандартных алгоритмов сжатия: MPEG1 и MPEG2. MPEG1 используется для сжатия видео с небольшим размером кадра (менее 288 по вертикали) и битрейтом порядка 1-2 Мбит/с, а MPEG2 - для видео с большим размером кадра (более 288 по вертикали) и битрейтом порядка 5-10 Мбит/с. В качестве основного применения MPEG1 можно назвать формат VideoCD. MPEG2 применяется в цифровом телевещании и на DVD. Ввиду огромных требований к ЦПУ при сжатии в MPEG (особенно в MPEG2), видеозахват непосредственно в этот формат практически не производится.

Формат 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). Основное применение этого формата (на сегодняшний момент) - интернет-телевидение и телеконференции. Захват видео в этот формат производится утилитой Windows Media Encoder, доступной для скачивания на сайте Microsoft. Эта утилита также позволяет рекомпрессировать AVI в ASF и производить стриминг захватываемого видео в реальном времени.

Как бороться с 2 Гбайтным лимитом AVI?

Временным решением проблемы может стать уменьшение битрейта видео посредством его сжатия "на лету" во время захвата, или уменьшения основных параметров видеозахвата. Однако в некоторых ситуациях сжатие "на лету" невозможно, также как и ухудшение основных параметров. Поэтому в большинстве программ для захвата видео в AVI файл включается возможность "сегментированного захвата". При таком методе захвата видео записывается в один файл-сегмент до достижения им определенного размера, а после этого создается новый файл-сегмент и процесс повторяется. Стандарта на сегментированный захват не существует, и каждая программа захвата предоставляет собственную реализацию этого метода.

Что такое dropped frames (отброшенные кадры)?

Если в процессе захвата драйверы устройства не смогли по какой-то причине вовремя скопировать очередной кадр из буфера оцифровщика в оперативную память, этот кадр "отбрасывается", так как оцифровщик записывает поверх него в буфер очередной кадр. Это приводит к тому, что в оцифрованном видео появляется "пустой" кадр - кадр, идентичный предшествующему "отброшенному". Если в процессе захвата было много "отброшенных" кадров, то все движения в полученном видеофрагменте будут резкими, "дерганными". 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 битрейтом и плохое качество аналоговых сигналов источника видео. Определить, какая из перечисленных проблем вызвала возникновение "отброшенных" кадров можно таким образом:

1. Большинство программ видеозахвата выводят индикатор занятости ЦПУ (если не выводят, то придется запустить системный монитор). Если в процессе захвата ЦПУ постоянно занят на 100%, то переходим ко второму пункту. Иначе заключаем, что "отброшенные" кадры появились из-за плохого качества аналогового сигнала источника видео.
2. В некоторых программах захвата есть возможность "тестового" захвата - в таком режиме производится обычный захват и сжатие видео "на лету" выбранным кодеком, однако результат не записывается на диск. Если в этом режиме работы ЦПУ постоянно занят на 100%, то "отброшенные" кадры возникают из-за нехватки производительности ЦПУ для сжатия "на лету". В противном случае не хватает скорости дисковой подсистемы. В качестве эмуляции тестового режима можно использовать виртуальный диск в памяти, созданный драйвером RAMDRIVE.SYS. Если возможности использовать RAMDRIVE нет, придется измерить скорость работы жесткого диска (например, с помощью ZiffDavis WinBench 99), и примерно оценить битрейт захватываемого потока с учетом сжатия "на лету". Если скорости диска хватает для поддержания такого битрейта, то виновата нехватка производительности ЦПУ.

Причиной возникновения "отброшенных" кадров в многозадачных системах также могут стать запущенные параллельно видеозахвату программы. Поэтому видеозахват рекомендуют производить в эксклюзивном (однозадачном) режиме.

В режимах синхронизации потока видео по звуковому потоку также могут возникать "отброшенные" кадры, но их природа отлична от рассмотренных выше, и о них подробнее будет рассказано в вопросе о десинхронизации звука и видео.

К каким проблемам приводит уменьшение частоты кадров?

Во-первых, визуально движения становятся более резкими, "дерганными".

Во-вторых, может возникнуть эффект "дрожания". Как известно, кадр в буфере оцифровщика всегда обновляется с частотой 25 кадров в секунду (30 для NTSC). Уменьшением частоты кадров захваченного видео занимается драйвер устройства. Принцип его достаточно простой: с идентичной заданной нами частотой, устройство видеозахвата генерирует сигналы (аппаратные прерывания), по которым драйвер копирует кадр из буфера оцифровщика и передает его захватывающему софту. Если мы задали не кратную 25 кадрам в секунду частоту, то неизбежно возникнет аналог стробоскопического эффект в физике по оси времени захваченного видео. Проще говоря, захваченное видео будет выглядеть постоянно немного ускоряющимся и замедляющимся. Наиболее заметен этот эффект будет при оцифровке с частотой кадров около 18. Поэтому уменьшать частоту кадров при видеозахвате рекомендуется только в целое число раз. В пересчете на цифры получим соответственно 12,5 кадров в секунду для уменьшения частоты в два раза, и 8,3 для уменьшения в три раза. Уменьшать частоту в большее число раз не имеет смысла ввиду того, что это уже будет "слайд шоу", а не видео.

В-третьих, уменьшение частоты кадров плохо влияет на "рекурсивные" алгоритмы сжатия ввиду увеличения отличий между соседними кадрами. Достаточно часто на практике, при сжатии с применением алгоритмов MPEG4, уменьшение частоты кадров приводит к значительному снижению качества сжатого видео.

Учитывая вышеназванные причины, уменьшать частоту кадров при видеозахвате рекомендуется в последнюю очередь.

Какие виды сжатия и для каких целей надо применять при оцифровке?

При видеозахвате всегда следует учитывать, будут ли производиться последующая обработка захваченного материала фильтрами и нелинейный видеомонтаж. Если будут, то при захвате рекомендуется либо вообще не использовать сжатие "на лету", либо использовать не очень сильное сжатие, основанное на "раздельном" алгоритме. Наиболее популярным видом такого сжатия является Motion JPEG (MJPEG). При сжатии этим методом каждый кадр компрессируется известным алгоритмом JPEG, позволяющим достигнуть степеней сжатия 7:1 без заметных искажений картинки. Такие рекомендации вызваны тем, что сильное сжатие и "рекурсивные" алгоритмы вносят в видеофрагмент очень большое количество "скрытых" артефактов, которые сразу станут заметными 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, все равно лучше сначала производить захват в MJPEG, поскольку это даст возможность более гибко подобрать параметры финального сжатия и получить более качественный выходной продукт.

_________________
← На главную "Tech" | Окончание статьи →
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

TECH Материалы в этом разделе:

Восстановление данных с DVD и CD дисков и Восстановление данных - практическая работаb ( New! )

Blu-Ray технологии: Несколько слов о Победителе | Всё, что вы хотели знать о Blu-ray, но боялись спросить. | Blu-ray и HD DVD: знакомимся с преемниками DVD | CD-RX - диски со встроенной защитой от копирования | Быстростертый CDRW с данными - восстановление без специальных программ | Искажение TOC как средство борьбы с копированием диска. Часть 1 ( Часть 2 / Часть 3) | FAQ по оцифровке видео (Часть 2 - окончание статьи) | Озвучиваем видеофильм (Часть 2)

Сокращения в названиях видео-файлов

Полный архив рассылки CD и DVD технологии | Persona: страничка участников FAQ рассылки | Подписаться на рассылку

== Дата последней модификации этой страницы: Sunday, 17-Mar-2013 17:58:23 MSK==