Цифровое видео и его характеристики, стандарты сжатия и форматы видеофайлов

В этом материале вы познакомитесь с основными характеристиками цифрового видео, наиболее популярными стандартами сжатия и форматами видеофайлов. Так же мы поговорим о кодеках, медиаконтейнерах и необходимых программах для работы с видео.

Оглавление

• Вступление
• Основные характеристики цифрового видео
• Стандарты сжатия
• Кодеки
• Медиаконтейнеры и их форматы
• Заключение

Вступление

Еще недавно мало кто мог себе представить, что с помощью обычного домашнего компьютера можно будет не только просматривать любимые фильмы, но и создавать собственную видеотеку, оцифровывать содержимое старых видеокассет, редактировать семейные видеозаписи и даже создавать самостоятельно собственные киношедевры.

Все началось в далеком 1992 году, когда фирмы IBM и Intel разработали программную технологию Indeo (сокращенно от Intel Video). С помощью нее у пользователей появилась возможность оцифровывать видео и создавать видеофайлы на ПК, с последующим их воспроизведением на экране монитора.

Изначально цифровое видео представляло собой преобразованный в цифровой формат аналоговый сигнал. При этом сама процедура преобразования неминуемо приводила к некоторой потере качества. На сегодняшний день видеомагнитофоны и старенькие VHS-камеры ушли в прошлое, а балом правят современные цифровые видеокамеры, DVD и Blu-Ray плееры, которые позволяют получать сигнал сразу в цифровом виде. Да и аналоговое телевидение постепенно уступает место более прогрессивному цифровому.

Основные характеристики цифрового видео

Цифровое видео имеет пять основных характеристик: экранное разрешение,  частота кадров, глубина цвета, битрейт (ширина видеопотока) и качество изображения.

Экранное разрешение (Resolution) – обозначает количество точек (пикселей) по горизонтали и вертикали, из которых состоит изображение (видеокадр) на экране. При записи разрешения сначала указывается значение количества точек в строке (горизонтальное разрешение), а затем число строк, участвующих в построении изображения (вертикальное разрешение). Например, для европейского видеостандарта PAL размер кадра составляет 720x576 пикселей, для североамериканского стандарта NTSC – 720x480, для видео высокой четкости (HD 720p) – 1280х720, а для новомодного стандарта HDTV (Full HD) – 1920x1080 точек. Как вы, наверное, понимаете, чем выше экранное разрешение, тем качество видео лучше.

Частота кадров – величина указывающая, на то, какое количество кадров сменяется за секунду. Стандартной скоростью воспроизведения видеосигнала считается величина равная 30 кадрам/c. Для кино этот показатель несколько меньше и составляет 24 кадра/с. 

Глубина цвета (цветовое разрешение) – характеристика, указывающая количество цветов, которые могут участвовать в формировании видеоизображения. Количество цветов в цифровом видео измеряется в битах. Так 1 бит может принимать два разных значения (0 или 1) и позволяет соответственно закодировать только два цвета (обычно черный и белый). С помощью двух бит можно закодировать уже 4 цвета (2² = 4), с помощью трех бит – 8 цветов (2³), четырёх – 16 (2⁴) и так далее.

Как правило, цветовое разрешение описывается с помощью специальных цветовых моделей. В компьютерной технике применяется модель RGB (красный-зеленый-синий), которая может быть представлена следующими наиболее распространенными режимами глубины цвета: 8 бит (256 цветов), 16 бит (65 536 цветов) и 24 бита (16 777 216 цветов). К слову, человеческий глаз, по разным мнениям, может воспринять от 5 до 10 миллионов цветовых оттенков.

Битрейт (ширина видеопотока) – показывает количество обрабатываемых бит видеоинформации за одну секунду времени. Иначе говоря – это скорость видеопотока, которая измеряется в мегабитах в секунду (Мбит/с). Чем она выше, тем лучше качество. Например, для стандарта DVD-видео ширина потока составляет около 5 Мбит/c, а для формата телевидения высокой четкости HDTV – уже 10 Мбит/с. Кстати, наиболее часто значение битрейта используется для оценки качества передаваемого видео через Интернет.

Качество изображения – характеристика призванная оценить качество обработанного видео в сравнении с оригиналом и определяющаяся совокупностью значений разрешения, глубины цвета и скорости видеопотока.

Стандарты сжатия

Одна минута чистого несжатого оцифрованного звука занимает на жестком диске компьютера около 10 Мбайт, вследствие чего, в подавляющем большинстве, музыкальные файлы хранятся в сжатом виде ради экономии места. А сколько же занимает одна минута несжатого видео? Например, для размещения 60-секундного ролика с частотой 30 кадров в  секунду, разрешением 720x576 пикселей и 16-битной глубиной цвета потребуется около полутора гигабайт свободного дискового пространства! И это без учета звуковой дорожки. После этих цифр, наверное, уже не нужно объяснять, почему цифровое видео хранится в наших компьютерах исключительно в сжатом виде.

Существует несколько десятков популярных форматов сжатия, которые используют разные алгоритмы компрессии, которые соответственно дают разные результаты.

DV (Digital Video) – один из самых первых алгоритмов сжатия для видеопотока, разработка которого началась в 1993 году совместно сразу несколькими компаниями, являющимися крупнейшими производителями видеооборудования (Sony, JVC, Panasonic, Philips и Hitachi). Формат DV обеспечивает невысокую степень сжатия данных (5:1) и характеризуется высоким битрейтом, за счет чего выходящий видеофайл получается довольно большого размера. Так одна минута DV-видео занимает около 200 Мб (1 час – 12 Гб) на цифровых носителях информации.

Наиболее часто этот формат используется для сжатия при видеосъемке с помощью бытовых цифровых камер и профессиональных камкордеров. При этом из-за небольшого коэффициента сжатия отснятые материалы получаются очень высокого качества, а сама процедура компрессии, которая происходит в реальном времени, не требует мощных технических компонентов.

Правда, хранить видео на домашнем компьютере и тем более оптических дисках в DV-формате все-таки неудобно, уж слишком много оно занимает места. Так что специалистам пришлось задуматься о дополнительных алгоритмах сжатия, с помощью которых удалось бы сократить размер цифрового фильма еще в несколько раз.

MPEG (Moving Picture Experts Group) – целое семейство стандартов сжатия цифровой информации, разработанное и стандартизированное одноименной экспертной группой специалистов, сформированной организацией ISO в далеком 1988 году.

Первым плодом их творения стал исходный стандарт видео и аудио компрессии MPEG-1, а в 1993 году при участии компаний JVC и Philips, была разработана его спецификация Video CD (VCD), которая и известна многим пользователям. Из названия видно, что VCD является форматом для хранения сжатого видео со звуком на обычных компакт дисках.

Использование для кодирования алгоритмов MPEG-1 позволяет получать видеопоток шириной до 1,5 Мбит в секунду с разрешением кадра 352x288 точек для PAL или 352x240 для NTSC, после чего на обычном CD может уместиться 74 минуты видео со звуком качества VHS (как у обычного видеомагнитофона).

В 1995 году увидел свет популярнейший стандарт MPEG-2, который впоследствии получил широкое распространение в цифровых видеодисках DVD, а так же при передаче сигнала кабельного и спутникового телевидения. Качество картинки здесь значительно выше, чем у предшественника: при 25 кадрах в секунду, разрешение составляет 720x576 точек для системы PAL, а для системы NTSC – 720х480 при 30 кадрах/с. При этом, средняя максимальная ширина потока равна 9,8 Мбит/с, что практически в 7 раз выше, чем у Video CD. Еще одним неоспоримым преимуществом MPEG-2 является возможность сохранения пятиканальной аудиодорожки (Dolby Digital 5.1 и DTS) .

Максимальная емкость двухслойного DVD диска (DVD-9) составляет 8,5 Гбайт, на который можно записать до трех часов видео с полным качеством.  Если же вам предлагают DVD сразу с несколькими фильмами, то знайте, что, скорее всего вас ожидает низкосортная картинка уровня Video CD с очень низким разрешением и битрейтом.

Вместе с MPEG-2, приблизительно в тоже время, начал разрабатываться новый стандарт MPEG-3, предназначенный для кодирования аудио и видеопотоков в телевидении высокой чёткости со скоростью передачи данных от 20 до 40 Мбит/с.  Но довольно скоро выяснилось, что для этих задач можно использовать несколько модифицированную версию стандарта MPEG-2, после чего все дальнейшие разработки MPEG-3 были прекращены и на сегодняшний день этот стандарт не используется.

Стоит отметить, что довольно часто термин «MPEG-3» многие пользователи ассоциируют с популярной технологией сжатия звука MP3. Но это в корне не верно, так как ее правильное название - MPEG-1 Audio Layer 3.

Наконец, в 1998 году появилось новое семейство форматов сжатия видео – MPEG-4. Разрабатывалось оно с целью улучшения качества картинки при низкой скорости потока. Прежний стандарт MPEG-2, рассчитанный на высокий битрейт, с этой задачей справиться не мог, так что алгоритмы сжатия пришлось серьезно модифицировать. Так же MPEG-2 не походит и для хранения видео высокой четкости (HD) с разрешениями от 1280x720 (720p) до 1920x1080 пикселей (1080i или 1080p), которое все больше и больше набирает популярность.

На сегодняшний день MPEG-4 является основным стандартом сжатия мультимедиа контента, и хотя DVD списывать со счетов еще рано, практически все современные фото и видеокамеры снимают в HD-качестве. Так что для сохранения видео с таких устройств на компьютер, в любом случае придется ориентироваться на кодеки семейства MPEG-4.

Кодеки

Как мы выяснили в предыдущей главе, для сжатия видео могут использоваться различные стандарты. Но при этом, выбрав определенный алгоритм преобразования данных, можно сжать видео совершенно разными инструментами или программными средствами, что дает на выходе абсолютно различные результаты. Посмотрите, насколько разительно может отличаться качество и характеристики видео записанного на мобильный телефон, скачанного из сети видеоролика в HD-формате или фильма с Blu-Ray диска. У одного может картинка оставлять желать лучшего, у другого хромать звук, а третий, наоборот – эталон качества. А ведь все они закодированы с использованием одного стандарта - MPEG-4.

Во многом, все эти отличия как раз и определяются кодеком – специальной программой, осуществляющей сжатие (кодирование) исходных материалов. При этом каждый из них использует свой собственный алгоритм, который влияет как на качество, так и на скорость кодирования.

Само слово «кодек» является сокращением от двух слов «кодер-декодер». Это значит, что кодек должен включать в себя не только модуль сжатия (кодер), но и просмотра (декодер). Последние обычно бесплатны и входят в популярные наборы кодеков, таких как K-Lite Codec Pack или Windows 7 Codecs Pack. А вот самые лучшие и быстрые кодеки-кодировщики обычно платные, хотя есть и несколько исключений.

Перечислять все виды кодеков, в рамках этого материала, мы не будем, а рассмотрим лишь несколько самых распространенных.

MPEG-4 Part 2 ASP - один из первых алгоритмов, появившихся в 1999 году. Кодеки, построенные на его основе, обеспечивают довольно низкое качество выходящих материалов, что и не мудрено. Ведь в то время никаким видео высокой четкости еще и не пахло. Зато высокая скорость работы и нетребовательность к аппаратным ресурсам отчасти компенсирует этот недостаток. Именно поэтому и сегодня этот алгоритм широко востребован при кодировании видео для различных мобильных устройств и компактных медиаплееров, а так же роликов, размещаемых в сети.

Одними из самых ярких представителей кодеков, базирующихся на основе этих алгоритмов, являются знакомые многим пользователям, коммерческий DivX и его бесплатная альтернатива XviD.

MPEG-4 AVC или H.264 – один из самых последних и популярных алгоритмов, использующихся с успехом как для сжатия видео с низким разрешением, так и HD контента. Кстати, большинство высококачественных фильмов на дисках Blu-Ray кодируется именно этим кодеком. Так же он часто используется и в бытовых HD-видеокамерах (AVCHD).

Как и в предыдущем случае, у этого семейства кодеков существуют как бесплатные модификации, например, x.264, так и коммерческие варианты, входящие в состав популярных видеоредакторов (Adobe Premiere, Pinnacle Studio и другие).

VC-1 – кодек, разработанный вездесущей компанией Microsoft и стандартизированный в 2006 году. В его основу положен собственный формат видеосжатия WMV (Windows Media Video) и система кодирования WMV 9. Изначально задачей VC-1 являлось кодирование игрового видео для приставок X-Box. Однако на сегодняшний день этот кодек уже вышел на видеорынок, и активно конкурируя с H.264, является поддерживаемым стандартом для формата Blu-Ray.

Медиаконтейнеры и их форматы

Как и любая другая цифровая информация, видео хранится на диске в виде файлов, или как их еще называют, медиаконтейнеров, содержащих видео-, аудио и другие потоки, а так же метаданные. В любой момент из контейнера можно вынуть, например, видео или аудиодорожки, перекодировать их, и поместить их в другой контейнер, то есть изменить формат видеофайла. Мультимедийные контейнеры могут быть разных типов (форматов), а на то, к какому виду они относится, указывает расширение файла.

Не смотря на то, что большинство контейнеров привязаны к определенному формату, в некоторых из них может храниться видео в совершенно разных стандартах. Например, файл с расширением AVI способен содержать ролики как в формате MPEG-1, так и в MPEG-2 или в MPEG-4. На что же тогда влияет тип контейнера?

Конечно, в большей мере качество фильма определяется кодеком и теми параметрами, которые были установлены при сжатии. Но и от контейнера зависит немало. Различные виды видеофайлов имеют определенные требования и ограничения по количеству звуковых дорожек, каналов субтитров, типов используемых кодеков, а так же совместимости с бытовыми проигрывателями и плеерами.

Теперь, давайте познакомимся с самыми популярными форматами видеофайлов и коротко разберем их преимущества и недостатки.

AVI (Audio Video Interleave) – самый древний и традиционный из всех видов медиаконтейнеров, который был впервые использован Microsoft в 1992 году. Может содержать в себе видео и аудио информацию, сжатую различными сочетаниями кодеков. Таким образом, AVI-файлы при внешнем сходстве могут очень сильно отличаться внутренней «начинкой», а что бы точно определить их содержимое, придется воспользоваться специальными программами (например, VideoToolBox).

Строго говоря, этот контейнер уже давно устарел и имеет ряд серьезных недостатков: невозможность содержания смешанного видео (например, NTSC и PAL) и альтернативных аудиодорожек, отсутствие меток времени и индексов кадра, отсутствие нормальной работы с субтитрами, плохая поддержка современных кодеков и прочее.

Тем не менее, этот старичок никак не хочет уходить на пенсию, ведь до сих пор огромное количество медиаконтента в сети распространяется именно с помощью этого формата. Секретом такого долголетия, скорее всего, является универсальность AVI, хотя с другой стороны это и его минус. Иногда приходится сильно попотеть, что бы открыть какой-нибудь AVI-файл, созданный с использованием экзотических кодеков.

MKV (Matroska или Матрёшка) – популярнейший формат мультимедийного контейнера, отвечающий всем современным требованиям.  В большей мере ориентирован на кодеки семейства H.264. К его основным возможностям можно отнести:

• создание экранного меню;
• разбиение содержимого на главы;
• быстрая перемотка по файлу;
• переключение «на лету» между звуковыми и видеодорожками, а так же субтитрами.

Таким образом, это упаковка, которая может содержать множество потоков видео, аудио и субтитров, позволяя тем самым хранить фильм со всеми дополнительными материалами всего в одном файле, при этом обеспечивая высокий уровень навигации по медиаконтенту. Так же стоит отметить, что MKV имеет высокую устойчивость к ошибкам, модульную расширяемость и поддерживает трансляцию материалов через Интернет.

Широкой популяризации данного формата способствует тот факт, что это открытый проект. То есть для персонального использования он полностью бесплатен. На сегодняшний день, наиболее часто в файлах с расширением «.mkv» хранится видео высокой четкости, как правило, с несколькими аудиодорожками и каналами субтитров.

MP4 (MPEG-4 Part 14) – еще один современный формат файлов для хранения цифровых видео и аудиопотоков, являющийся частью стандарта MPEG-4. Обладает практически всеми теми же возможностями, что и MKV. Но у MP4 есть одно преимущество – файлы в этом формате можно проиграть практически на любых устройствах, начиная со смартфонов и заканчивая игровыми приставками. MKV же, кроме персональных компьютеров, поддерживают только самые современные медиацентры.

Не стоит забывать и тот факт, что MP4 является «родным» форматом для всех продуктов компании Apple, от iPhone до Mac. Так что если вы поклонник «яблочного» железа, то домашнюю видеоколлекцию лучше собирать и хранить в MP4.

Стоит отметить, что контейнер MP4, в отличие от MKV, имеет ряд ограничений и не может содержать видео стандартов MPEG-1, MPEG-2 и WMV, а так же звук в форматах AC-3 (Dolby Digital) и WMA.

VOB (Versioned Object Base) – основной контейнер, используемый для хранения мультимедиа контента на DVD-дисках. Может содержать несколько потоков видео MPEG-2, до девяти аудиодорожек, до 32-х каналов с субтитрами и экранное меню.

FLV (Flash Video) – медиаконтейнер, использующийся для размещения и передачи видеороликов в глобальной сети Интернет.  Используется многими крупными сервисами видеохостинга, такими как RuTube, YouTube, Vimeo, Flickr и другими. Видеопоток в FLV-файле как правило закодирован с помощью кодеков H.263 или H.264, а звук в MP3 или AAC.

MOV– формат файла, разработанный компанией Apple для хранения видео, графики, анимации и 3D. Своим появлением обязан технологии воспроизведения медиаконтента QuickTime.

TS и M2TS– специализированные контейнеры для хранения HD-видео. TSиспользуется в потоковом вещании цифрового телевидения IPTV и DVB. Правда, данный контейнер вообще не может содержать субтитры. M2TS является стандартным контейнером для Blu-Ray видео, в который могут быть включены видео и аудиопотоки, предусмотренные стандартом BD-ROM, а так же субтитры в графическом формате PGS.

Заключение

В заключении давайте посмотрим, какое программное обеспечение вам понадобится на компьютере для работы с цифровым видео.

Медиаплееры – программы для декодирования и воспроизведения видеоконтента. Наиболее популярными из нихявляются Windows Media Player, KMPlayer, Winamp, QuickTime, GOM Player, PowerDVD, Media Player Classic, VLC Media Player, BSPlayer, RealPlayer и другие.

Как правило, после установки проигрывателя, вместе с ним в систему устанавливается определенный набор кодеков, от которого будет зависеть, какие медиаконтейнеры вы сможете открывать. Например, некоторые из них не умеют по умолчанию воспроизводить DVD, а другие контейнеры MKV. Поэтому, чтобы не плодить кучу ненужных приложений на собственном ПК и иметь возможность просматривать все виды видеофайлов с помощью одного любимого медиаплеера, достаточно установить в систему набор отдельных кодеков, например K-Lite Codec Pack.

Конверторы – программы, позволяющие преобразовывать видеофайлы из одного формата в другой. Одни из них являются мультиформатными, то есть способны работать сразу со многими видами медиаконтейнеров. Другие, узкоспециализированные, рассчитаны на конвертацию одного определенного формата. К наиболее популярным конверторам можно отнести: Total Video Converter, Format Factory, Any Video Converter, Xilisoft Video Converter, MediaCoder, Dr.DivX, ImTOO 3GP Video Converter, ConvertXToDVD и прочие.

Рипперы и грабберы – программные инструменты, позволяющие копировать фильмы с DVD и Blu-Ray дисков, с последующей конвертацией в разнообразные форматы. Среди них: Xilisoft DVD и Blu-ray Ripper, ImTOO DVD и Blu-ray Ripper, Aleesoft DVD и Blu-ray Ripper, Kingdia DVD Ripper, Best HD Blu-ray Ripper и другие.

Видеоредакторы – приложения, имеющие набор инструментов для редактирования (монтажа) видеофайлов на компьютере. Стоит отметить, что с помощью программ подобного типа выполняется еще одна очень важная функция – захват и оцифровка видео. Таким образом, с помощью видеоредакторов осуществляется преобразование видеосигнала с внешних источников (видеокамер, видеомагнитофонов, плееров оптических дисков и т.д.) в цифровой видеопоток, его сжатие и сохранение в выбранном медиаконтейнере, с целью последующей обработки, хранения или воспроизведения.

Наиболее яркими и профессиональными представителями этой группы программ являются: Adobe Premiere, Pinnacle Studio, VirtualDub, Corel VideoStudio, Sony Vegas Pro, NeroVision, Ulead VideoStudio Plus и другие.

Читайте также:

Виды компьютерной графики и форматы изображений

Цифровые аудиоформаты или как хранится звук на компьютере