Назад | Содержание | Вперед

1. Способы кодирования и компрессии видеосигнала

В настоящее время в мире существуют три стандарта представления цветного телевизионного видеосигнала: PAL, SECAM и NTSC. Все они преобразуют исходный аналоговый видеосигнал в форму, удобную для передачи по линии связи. Несмотря на различие в методе кодирования видеоинформации, все три системы телевидения представляют исходный телевизионный сигнал в виде сигнала яркости (Y) и двух цветоразностных (R-Y) и (B-Y) сигнала, а затем каждая по-своему кодирует его. В телевизоре принятый сигнал декодируется, и с помощью специальной матрицы из сигналов Y, R-Y и B-Y восстанавливаются исходные составляющие цвета: R (red) - красный, G (green) - зеленый и В (blue) - синий, которые затем подаются на соответствующие электронные пушки кинескопа. Видеосигнал, содержащий смесь яркостного и цветоразностных сигналов называют композитным.

Современные видеомагнитофоны и телевизоры оборудованы композитными и S-Video внешними разъемами, для подключения аппаратуры VHS и S-VHS-качества. Разница между ними в том, что для подключения аппаратуры качества VHS используется композитный видео вход/выход, где смесь яркостного и цветоразностных сигналов передается по одному проводу. При подключении аппаратуры S-VHS-качества используются S-Video-входы/выходы, где композитный видеосигнал передается по двум проводам. По одному передается информация о яркости, а по другому - смесь цветоразностных сигналов. Это позволяет видеоаппаратуре не использовать для разделения яркостного и цветоразностного сигналов специальные фильтры и при этом терять в качестве и разрешении. В остальном сигналы на S-Video и композитном выходах одинаковые, что позволяет объединить соответствующие контакты S-Video-разъема и подать сигнал на композитный вход видеоаппаратуры. Этот сигнал обычно и используют для записи на видеомагнитофон или для ввода в компьютер. Для того, чтобы записать видеосигнал на диск персонального компьютера, необходимо его перевести в цифровую форму, поэтому все устройства, предназначенные для видеозахвата, содержат в себе аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), который может быть в зависимости от его типа 10-ти или 8-ми разрядным. Для восстановления видеосигнала из цифровой формы в аналоговую используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Один кадр телевизионного изображения представляется в цифровом виде, как поле 768x576 точек, или как еще говорят, пикселов - от английской аббревиатуры pixel (picture element) в системе PAL/SECAM и 640x480 в NTSC. Такое представление одного кадра считается полным, при этом используется так называемый квадратный (square) пиксель. Без заметного ухудшения качества изображения часто используется разрешение 704x576 пикселов для PAL/SECAM и 704x480 для NTSC, при этом пиксель считается прямоугольным, соответствующим рекомендациям CCIR 601 (Comite* Consultatif International des Radio Communications) - Интернационального комитета по радиочастотам. При этом, так как человеческий глаз более чувствителен к перепадам яркости, чем к цвету, то более важна точная передача сигнала яркости. Поэтому при оцифровке видеосигнала соотношение числа отсчетов сигнала яркости и цветоразностных сигналов принято в соотношении 4:2:2, т.е. частота измерения сигнала Y в два раза выше, чем частота измерения сигналов R-Y и B-Y. То есть, одна строка оцифрованного телевизионного видеосигнала содержит 768 измерений яркости и по 384 измерения каждого из цветоразностных сигналов. Соотношение частот оцифровки яркости и цвета также определяет качество изображения, которое впоследствии может быть восстановлено. Это отношение может выражаться соотношениями от 4:1:1 для формата DV до 4:4:4 для Digital формата.
Оцифровка по стандарту 4:4:4 предполагает использование одной и той же частоты дискретизации для яркостного и цветоразностных сигналов. Выбор такого способа оцифровки очень хорошо стыкуется с системами PAL/SECAM и NTSC, разница заключена в количестве строк и кадров в секунду (576/25 для PAL/SECAM и 486/30 для NTSC).

Нетрудно подсчитать, что при использовании 10-битного АЦП одна секунда оцифрованной видеозаписи будет занимать на диске файл размером 27684000 байт, а для хранения всего 49 секунд видеоинформации со звуком вам потребуется более 1 Гб свободного дискового пространства. Чтобы уменьшить размеры файла с видеоинформацией, применяют различные компрессоры или кодеки - сокращение от слов кодер-декодер. Но наиболее распространенными являются два метода сжатия: M-JPEG (Motion-JPEG Joint Photographic Experts Group - стандарт компрессии изображения) и MPEG (Motion Pictures Experts Group - экспертная группа по движущимся изображениям). Оба метода основаны на так называемом дискретно-косинусном преобразовании изображения, разработанным для формата JPEG. Отличие состоит в том, что при сжатии по методу M-JPEG устраняется внутрикадровая избыточность, т. е. это фактически JPEG, но примененный к каждому кадру изображения и поддерживающий чересстрочную развертку. Такое сжатие устраняет избыточность каждого кадра в отдельности, т.е. удаляет избыточную информацию, которая незаметна для восприятия, и при этом не анализирует изменения между соседними кадрами видеосигнала. Сжатие по методу MPEG кроме устранения внутри-кадровой избыточности, устраняет и межкадровую, т.е. сначала из ключевого кадра удаляется избыточность информации о изображении, а затем удаляется избыточность информации об изображении только изменений, которые произошли в изображении при смене ключевого кадра следующим за ним кадром.
Метод MPEG, имеет две разновидности: MPEG1 и MPEG2. Метод MPEG1 не поддерживает чересстрочной развертки и работает только с половинным разрешением (не более 352x288 точек). Для сохранения оцифрованного видеосигнала с полным разрешением нужно использовать формат MPEG2. Следует отметить, что MPEG-сжатие существенно сложнее M-JPEG и требует специального оборудования и программного обеспечения. Существующие же упрощенные MPEG-кодаки по качеству сжатия видеоизображения мало отличаются от устройств, поддерживающих M-JPEG-компрессию, т.к. плохо устраняют межкадровую избыточность. Главной целью применения различных методов сжатия является ограничение потока видеоданных на ваш жесткий диск. Отношение исходного объема данных о видеосигнале к объему данных, полученному в результате сжатия называют коэффициентом компрессии. На практике применяют коэффициенты сжатия от 1:1 (без сжатия) до 30:1 (уменьшение количества данных о кадре в 30 раз). Чем выше применяется коэффициент компрессии, тем хуже качество оцифрованного видео. Условно зависимость качества видеосигнала от коэффициента компрессии можно представить в виде таблицы.

Теперь, после знакомства с принципами кодирования и сжатия видеосигнала, перейдем к рассмотрению устройств, предназначенных для видеозахвата, определим минимальные требования к компьютеру и более подробно карту miroVIDEO DC30 plus.