Занятие 1 по внеурочной кружковой деятельности "24 кадра"

Министерство образовании Рязанской области Областное государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Касимовский нефтегазовый колледж» Видеокружок «24 кадра» Тема 1. «Структура видеоинформации» Разработал: преподаватель  ОГБПОУ «КНГК» Антонова А.П. Касимов, 2018 Теория и терминология Видео — это обычный ряд записанных друг за другом изображений.   Как   известно,   видео   начали   записывать   за долго до появления первого компьютера, т.е. в аналоговом виде.   Это   накладывало   большие   ограничения   по   его последующей обработке и редактировании. Вплоть до начала 1990­х годов преобладал   именно   этот   тип   записи   видео.   Позже   были   разработаны цифровые технологии записи и хранения видео. Это дало большой толчок в развитии   не   только   кинематографа,   но   и   домашнего   видео.   Т.е.   запись видеороликов и домашних фильмов стала очень популярным занятием. Все это,   на   фоне   развития   компьютерной   техники,   вынуждало   разработчиков совершенствовать   технологии     хранения   и   обработки видеоинформации.   Вот   как   раз   для   хранения   такой   информации   и   были разработаны   различные   видеоформаты   (на   данный   момент   их   огромное множество   и   ориентироваться   в   них   очень   сложно),   которые   и   являются основной темой данной статьи. записи, Видео формат определяет структуру видео файла, т.е. то как хранится файл на носителе информации (CD, DVD или жестком диске). Из­за   большого   количество   форматов   видео,   многие   стали   путать совершенно   различные   понятия –   «стандарт   видео»,   «видео   кодек»   и «медиаконтейнер». Давайте разберемся, что же это за понятия. Кодек (CODEC   =   COder+DECoder   /кодек   =   кодер   +   декодер/   )   — программные или аппаратные средства, преобразующие видеоинформацию в поток уплотненных данных и наоборот. Медиаконтейнер —   формат   файла,   который   хранит   в   себе информацию   о   своей   внутренней   структуре.   Медиаконтейнер   фактически является метаформатом, так как он хранит данные и информацию о том, как данные будут сохраняться непосредственно внутри файла. Можно   провести   некую   аналогию   между   медиаконтейнером   и zip­ архивом. Т.е. медиаконтейнер   содержат видео и аудио файлы внутри себя, как   и zip­архив,   содержащий JPEG­картинку,   которая   будет   сжата   с помощью определенного алгоритма. За сжатие информации в архивах обычно отвечает   специальный   модуль,   а   в   медиаконтейнрах   роль   этого   модуля выполняет кодек. Любой   видео   файл   имеет   как   минимум   две   характеристики определяющие   работу   с   ним.   Это   тип   медиаконтейнера   и   кодек   (кодеки), которыми закодировано его содержимое. Тип медиаконтейнера  определяет   формат   записи   различных   данных (видео  данные,  аудио  данные, субтитры,  служебная информация и т.  д.) в файл.   Зная тип   контейнерапрограмма   (например,   видео   плеер)   может корректно   извлекать   из   него   данные,   синхронизировать аудио и видео данные и т.д.   Знание из закодированного   потока   данных   получить   аудио   и   видео информацию содержащуюся в медиаконтейнере. кодека позволяет программе     Популярные кодеки — DivX, Xvid, H.264, Theora, Indeo, x264 и другие. Популярные   медиаконтейнеры   — AVI, QuickTime, MPEG­4, 3GP и другие. Ниже рассматриваются видео форматы по трем категориям: аналоговое, цифровое и сжатое видео. Аналоговые форматы уже устарели, поэтому их рассмотрение было поверхностным. Исключить их из обзора я не мог, ведь нужно   же   иметь   представление   общей   картины.   Можете   «проскочить»   их рассмотрение и перейти сразу к форматам цифрового сжатого видео. Аналоговые видео форматы VHS (Video Home System   —   Домашняя   Видео   Система)   — возможности   этого   формата   были   ограничены   разрешением   240 телевизионных линий или 320 ? 240 точек на экране ПК. Для съемки использовалась VHS­кассета с шириной ленты — 12,65 мм и   скоростью   —   23,39   мм/с,   которая   имела   время   записи   240   минут   при стандартной   скорости   ленты SP (Standard  Play)   и   самую   низкую   стоимость съемки.   Режим   записи­воспроизведения   также   мог   осуществляться   на скорости LP (Long Play) — 11,695 мм/с. Главный   недостаток   формата VHS:   невысокая   четкость   изображения (240 линий по горизонтали) и резкая потеря качества при каждой перезаписи. Чуть позже, этот видео формат несколько раз повергался модернизации. В частности,   были   разработаны   форматы VHS­Compact (VHS­C)   и  Super VHS (S­VHS).   На   данный   момент   считается   устаревшим,   в   2008   году прекратилось производство видеокассет VHS. т.е. «Hi Hi8 — «Hi» является   сокращением   от   английского gh» и подразумевает высокое качество изображения, а вторая цифра «8» говорит о ширине ленты в кассете, ширина   пленки   —   8   мм,   скорость   —   28,695   мм/с. Видеоразрешение   составляет   400   телевизионных линий (ТВЛ). Аналоговый звуковой поток мог записываться на кассету в двух режимах — моно и стерео. Максимальное время записи составляет 180 минут в режиме SP (Standard Play) и 360 минут в режиме LP (Long Play). Камеры снабжались S­Video разъемом для качественного вывода изображения. Hi8 XR (Hi 8 extended Resolution) — это тот же Hi8, но с увеличенным разрешением, т.е. усовершенствованная модификация формата Hi8. Разреше­ ние изображения достигало 440 линий по горизонтали при меньшем   уровне   помех   цветности   и   яркости   за   счет расширения   полосы   записи   яркостного   сигнала   в   область звукового сигнала. устарели и были заменены цифровыми форматами видео. Оба выше перечисленных формата (как и VHS) давно Цифровые видео форматы DV (Digital   —   video)       в 1993 году компании Sony, Matsushita(Panasonic), JVS, Hitachi, Mitsubishi, Toshiba, Sa nyo, Sharp, Philips и   другие   создали   консорциум Digital   Video   Cas­ sette(Цифровая   видеокассета)   или DVC.   Позже   аббревиатура   названия   со­ кратилась до DV. Совместными усилиями эти фирмы разработали бытовой цифровой стандарт видеозаписи на ленту шириной 6,35 мм (четверть дюйма). Этот   формат   обеспечивает   разрешение   500   строк.   Оцифровка   при   записи осуществляется с разрешением 720 ? 576. Видеоизображение и звук в фор­ мате DV пишутся   раздельно.   Это   дает   возможность   добавлять   звуковое сопровождение после завершения записи или редактирования видео, а также перезаписывать звук. Формат DV обеспечивает высочайшее качество фото­ и видеосъемок и позволяет сохранять все данные в цифровом виде на кассете, карте памяти или на жестком диске компьютера.   Mini   DV (Mini   Digital   Video)   —   цифровой   полупрофессиональный формат,   созданный   за   счет   упрощения   и   удешевления   профессионального формата DV.   Использует   специальные   кассеты Mini   DV (ширина   ленты   — 6,35 мм, скорость — 18,831 мм/с), которые воспроизводятся либо с камеры, либо видеомагнитофоне. Продолжительность   записи   на   одну   кассету   —   60   минут SP или   90 минут LP. Mini   DVимеет   разрешение   изображения   до   540   линий   по горизонтали     поддерживается   стереозвук качества CD (PCM stereo — 48 кГц/ 16 бит/2 канала или 32 кГц /12 бит/ 4 канала). (720   ?   576   точек), специальном цифровом на       Форматы сжатого цифрового видео AVI (Audio   Video   Interleaved)   —   технология   фирмы Microsoft,   это самый   распространенный   и   наименее   сжатый   из   видеоформатов.   Файлы, созданные с использованием этого метода, имеют расширение .avi. Видео­ и аудиоданные записываются в один файл на диске следующим образом: все информационные потоки разбиваются на множество равных частей (chunks) и затем   записываются   в   один   файл   друг   за   другом   по   очереди.   Сначала записывается заголовок, а затем 1­я часть видео и 1­я часть звука; затем 2­я часть видео и 2­я часть звука и т. д. Иначе говоря, используется технология чередования   видеокадров   и   звука,   которой, собственно, и определяется аббревиатура AVI (Audio Video   Interleaved).   В   среднем   одна   секунда AVI­ изображения занимает примерно 2 Мбайт на жестком диске. Характеристики:   Тип — медиаконтейнер Совместимые кодеки — DivX, Xvid, Indeo и другие (для видео) и MP3, WMA и другие (для аудио) Расширение файлов — .avi  QuickTime —   под   «QuickTime»   одновременно   понимают   и мультимедийный плеер производства компании Apple, и технологию сжатого видео, предоставляющую возможность захватывать, сжимать и проигрывать широкий спектр цифрового видео­ и аудиоконтента. QuickTime включает три основополагающих элемента — QuickTime видеоформат (Movie file format), слой абстрактного носителя (Media Abstraction Layer) и набор встроенных медиаслужб.   Слой   абстрактного   носителя   определяет   набор   сервисных функций   для   создания,   редактирования   и   воспроизведения   цифрового материала. Среди них:    синхронизация по времени; компрессия и декомпрессия аудио­ и видеоданных; преобразование   форматов,   масштабирование,   смешивание   и транскодирование; аудио­ и видеоэффекты и переходы; синхронизация чтения и записи; захват данных; импорт и экспорт данных.     Программа и кодеки QuickTime служат для воспроизведения видео как собственного формата (QT и MOV), так и других наиболее распространенных медиаформатов   цифрового   видео,   звука,   текста,   анимации,   а   также потокового   видео   из   Поддерживаются,   в   том числе, МРЗ, AVI, MPEG (включая MPEG­4), AAC Audio, Flash.   Интернета. Характеристики:   Тип — медиаконтейнер Совместимые кодеки — Apple Video, H.264 и множество других (для видео) и Apple Lossless, AAC, MP3, WAV и другие (для аудио)  Расширения файлов — .mov, .qt Семейство форматов сжатия видео MPEG Слово   «MPEG»   является   сокращением   от Moving   Picture   Expert Group — названия экспертной группы ISO (Международной организации по стандартизации),   действующей   в   направлении   разработки   стандартов кодирования   и   сжатия   видео­   и   аудиоданных.   Часто   аббревиату­ ру MPEG используют для ссылки на стандарты, разработанные этой группой. Технология MPEG использует   поточное   сжатие   видео,   при   котором обрабатывается   не   каждый   кадр   по   отдельности   (как   это   происходит   при сжатии видео с помощью алгоритмов Motion­JPEG), а анализируется дина­ мика изменений видеофрагментов и устраняются избыточные данные. MPEG­1 —   формат   (телестандарт)   для   хранения   и   воспроизведения видео­   и   аудиоданных   на   мультимедианосителях   данных.   Качество сопоставимо с видеозаписью VHS(разрешение 352 ? 228 (стандарт PAL) или 320 ?   240   (стандарт NTSC)   при   частоте   25   или   30   кадров   в   секунду соответственно).   Формат   используется   для   записи Video   CD.   Для кодирования   видео   в   формат MPEG­1 используют   специальные   программы (кодеки).   В   результате   для   фильмов, MPEG­2 и MPEG­3 — стандарт MPEG­2 разработан как дополнение к стандарту MPEG­1и поддерживает передачу высококачественного видео по высокоскоростным цифровым каналам. Интенсивность потока медиаданных до   50   Мбайт/с.   созданных   в стандартах PAL и SECAM,   поддерживается   разрешение   720 ?   576   при   25 кадрах в секунду при качестве, практически не уступающем вещательному. Формат подходит для всех стандартов телевидения, широко используется при записи DVD­дисков. MPEG­1 и MPEG­2 признаны международными стандартами   для   сжатия   видео.   В MPEG­2,   по   сравнению   с MPEG­1, добавлена поддержка многоканального звука (Dolby Digital 5.1, DTS и т. п.).   Вопреки   ожиданиям   и   прогнозам   разработка   стандарта MPEG­ 3 явилась   всего   лишь   улучшенной   версией MPEG­2. Формат MPEG­3 (не путайте   с   форматом   сжатия   аудиоданных МРЗ)   сегодня   стал   частью стандарта MPEG­2 и отдельно теперь не упоминается. MPEG­4 —   формат MPEG­4 задает   принципы   работы   с   цифровым представлением   медиаданных   для   трех   областей:   интерактивного мультимедиа (включая продукты, распространяемые на оптических дисках и через Интернет), графических приложений и цифрового телевидения (DTV). Он   имеет   дело   не   просто   с   потоками   и   массивами   медиаданных,   а   с медиаобъектами, которые являются ключевым понятием этого стандарта. При   транспортировке   видеокартинка   разделяется   на   составные элементы   —   медиаобьекты,   описывается   структура   этих   объектов   и   их взаимосвязи, чтобы можно было собрать их в единую видеозвуковую сцену. Результирующая   сцена   составляется   из   медиаобъектов,   объединенных   в иерархическую структуру. В отличие от прежних MPEG­стандартов, которые делили   кадр   на   квадратные   блоки   вне   зависимости   от содержимого,   кодер   по   стандарту MPEG­4 оперирует целыми объектами произвольной формы. Ключевые кадры не расставляются с заданной регулярностью, а выделяются кодером только в те моменты, в которые происходит смена сюжета.   Такие   разветвленные   алгоритмы   поиска   и   углубленного   анализа обработки   объектов   сложной   формы, последовательностей кадров требуют существенно больших вычислительных ресурсов   для   качественного   восстановления   (декомпрессии)   изображения этого формата, нежели в случае MPEG­1 или 2. Эффективность   компрессии   видео   в MPEG­4 позволяет   размещать полнометражный   фильм   длительностью   полтора­два   часа   с   хорошим качеством всего на одном стандартом компакт­диске в 700 Мбайт. Однако фильмы   в MPEG­4 все­таки   не   дотягивают   до   качества DVD­видео   в стандарте MPEG­2. MPEG 7 и MPEG 21 — в отличие от предыдущих форматов сжатия семейства MPEG, MPEG 7 описывает информацию, представленную в любой форме и не зависит от среды передачи данных. Формат   сжатия MPEG   7 использует   многоуровневую   структуру описания   аудио   и   видео   информации.   На   высшем   уровне   прописываются свойства файла, такие как название, имя создателя, дата создания и т.д. На следующем уровне описания формат сжатия MPEG 7 указывает особенности сжимаемой аудио или видео информации – цвет, текстура, тон или скорость. Одной из отличительных особенностей MPEG 7 является его способность к определению типа сжимаемой информации. Если это аудио или видео файл, то он сначала сжимается с помощью алгоритмов MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, а затем описывается при помощи MPEG 7. Такая гибкость в выборе методов сжатия значительно снижает объем информации и ускоряет процесс сжатия. Основное   преимущество   формата   сжатия MPEG   7 над   его предшественниками состоит в применении уникальных дескрипторов и схем описания,   делают   возможным автоматическое   выделение   информации   как   по   общим,   так   и   по семантическим признакам, связанным с восприятием информации человеком. Процедура   занесения   в   каталог   и   поиска   данных   находятся   вне   сферы рассмотрения этого формата сжатия.   помимо   всего   прочего,   которые, Разработка формата сжатия MPEG 21 — это долговременный проект, который   называется   «Система   мультимедийных   средств»   (Multimedia Framework).   Над   разработкой   этого   формата   сжатия   эксперты   начали работать   в   июне   2000   г.   На   первых   этапах   планировалось   провести расширение,   унификацию   и   объединение   форматов MPEG   4 и MPEG   7 в единую   обобщающую   структуру.   Подразумевалось,   что   она   будет обеспечивать   глубокую   поддержку   управления   правами   и   платежными системами, а также качеством предоставляемых услуг. Характеристики  и кодеки)  Тип — семейство стандартов видео (включает медиаконтейнеры Совместимые   кодеки   — H.264 и   другие   (для   видео) и AAC, MP3, WAV и другие (для аудио)  Расширения файлов — .mpeg, .mpg, .mpe, .m1v; .dat и .m2v (форматы   видео   VideoCD   (VSD)   и Super   VideoCD(SVCD)   дисков   –   стандарт   сжатия MPEG­1/2); .vob(формат видео DVD диска, содержит видео в MPEG2)     гибкого,   открытого,   Matroska   (Matr??ka) —   проект,   нацеленный   на создание   кроссплатформенного   формата мультимедийного контейнера и набора инструментов и библиотек для работы с данными в этом формате. Это открытый формат, который разрабатывался   другим   контейнерам AVI, QuickTime и MPEG. как   Отличительной   особенностью   этого   формата   является   возможность использования в одном файле нескольких аудиопотоков. альтернатива Характеристики:   Тип — медиаконтейнер Совместимые   кодеки   — H.264 и   другие   (для   видео) и AAC, Vorbis, DTS, MP3 и другие (для аудио)  Расширения   файлов   — .mkv (видео   с   субтитрами   и звуком), .mka (аудиофайлы) и .mks (субтитры) Flash   Video —   формат   видео,   используемый   для передачи данных через Интернет. Используется в Youtube, Google Video, RuTube и др. Популярность этого формата во   многом   связана   с   тем,   что   он   поддерживается Adobe Flash   Player `ом,   который   распространяется   и   как кросплатформенное   самостоятельное   приложения   и   как браузерный плагин. Характеристики:  Тип — медиаконтейнер Совместимые   кодеки   — H.263 (FLV1), VP6 (FL4), H.264 (FLV5)   (для видео) и AAC, MP3(для аудио) Расширения файлов — .flv (как правило) Выводы Как   оказалось   «разобраться   в   этом   вопросе»   (в   многообразии   видео форматов) очень и очень сложно. Во­первых, существуют десятки различных стандартов   видео,   которые   порой   сильно   отличаются   друг   от   друга.   Во­ вторых,   из­за   «войн   форматов»   появляются   все   новые   и   новые   форматы похожие друг на друга, но все же имеющие свои особенности. В­третьих, не все   из   форматов  получили   широкое   распространение   из­за   патентов   на   их использование и т.п. Все это приводит к тому что сейчас довольно сложно ориентироваться в этом многообразии технологий. Хотя некоторые подвижки в лучшую сторону все же есть (в частности с разработкой стандартов MPEG) и, будем надеяться, что они сохранятся. Замечу, что я не рассмотрел в этом обзоре   несколько   менее   популярных   (на   мой   взгляд)   форматов   — медиаконтейнер 3GP (используется в мобильных телефонах), ASF (Advanced Systems   Format)   —   формат   потокового   видео,   разработанный Microsoft, RealMedia —   формат   потокового   видео   фирмы   «RealNetworks Products and Services». Также хочется сказать пару слов о просмотре видео. Часто возникают проблемы при воспроизведении того или иного ролика, если в системе нет соответствующего   кодека   для   декодировки   видеопотока.   Это   может возникнуть   из­за   того,   что   используется   плеер,   который   поставляется   с кодеками только одной фирмы, которая не может использовать чужие кодеки из­за   патентных   запретов.   Этого   можно   избежать   устанавливая   так называемые кодек­паки. Но я предпочитаю универсальные плееры, в которые включены   почти   все   известные   видеокодеки.   Примером   такого   плеера является The KMPlayer. Благодаря ему, я не задумываюсь о том какие именно кодеки установлены у меня в системе. Советую! Разбираться в такой сложной области знаний очень трудно, поэтому, если   Вы   обнаружите   какую­то   неточность,   то   напишите   об   этом   в комментариях к этой записи.