#11/2005 • ПОЛЕЗНО ЗНАТЬ

www: kramer.ru

ФОРМАТЫ, СТАНДАРТЫ И СТИХИЙНЫЙ КАПИТАЛИЗМ

СЛОВО «ТЕЛЕВИДЕНИЕ» ВВЕЛ В ОБОРОТ НА НАУЧНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ В ПАРИЖЕ ПЕТЕРБУРГСКИЙ РАДИОИНЖЕНЕР КОНСТАНТИН ДМИТРИЕВИЧ ПЕРСКИЙ В 1900 ГОДУ. ПЕРВОЕ В МИРЕ РЕГУЛЯРНОЕ ТЕЛЕВЕЩАНИЕ НА СТАНДАРТАХ, БЛИЗКИХ К СЕГОДНЯШНИМ, НАЧАЛОСЬ 2 НОЯБРЯ 1936 ГОДА В ВЕЛИКОБРИТАНИИ, А В СССР - 10 МАРТА 1939 ГОДА. С ТЕХ ПОР ПРОШЛО ПОЧТИ 70 ЛЕТ, И ТЕЛЕВИЗОР ПРОЧНО ВОШЕЛ В КАЖДЫЙ ДОМ, СТАВ ТАКИМ ЖЕ ПРИВЫЧНЫМ И ДОСТУПНЫМ, КАК КОГДА-ТО ПАТЕФОН ИЛИ РАДИОПРИЕМНИК. ДО НЕДАВНИХ ПОР ОБЫЧНОГО ЗРИТЕЛЯ СОВЕРШЕННО НЕ ИНТЕРЕСОВАЛО, КАК РАБОТАЕТ ЕГО ТЕЛЕВИЗОР, ПО КАКОМУ СТАНДАРТУ - PAL, SECAM ИЛИ NTSC - ВЕДЕТСЯ ТРАНСЛЯЦИЯ.

СИТУАЦИЯ ИЗМЕНИЛАСЬ, когда на рынке почти одновременно с цветными телевизорами появились первые видеомагнитофоны и видеокамеры. Были они очень громоздкими, стоили по тем временам чрезвычайно дорого, но зато давали потребителю совершенно новую возможность - записывать и воспроизводить движущееся изображение. Это явилось настоящим прорывом, но решение одной задачи, как всегда, поставило перед учеными и инженерами следующие: видеокамеры и видеомагнитофоны нужно было как-то сопрягать друг с другом и с парком телевизоров...

Вещательные телестандарты для видеомагнитофонов и видеокамер, естественно, не годились, поэтому были созданы новые форматы. На сегодняшний день самым распространенным, дешевым и относительно простым является VHS (Video Home System - домашняя видеосистема). Именно этот стандарт и используется в бытовых видеомагнитофонах. Как обычно, за простоту и дешевизну технического решения пришлось заплатить. В данном случае - качеством изображения. Полноценный телевизионный сигнал на магнитную пленку просто не умещался, поэтому разрешение по горизонтали сделали невысоким - всего 240 линий. На современных телевизорах с большим экраном это довольно заметно: воспроизводимое изображение получается как бы «картонным», лишенным мелких деталей и с грубоватыми цветами.

Вскоре фирмой Sony был предложен другой видеостандарт - Video-8. От VHS он отличается в основном более узкой магнитной лентой шириной 8 мм. В нашей стране видеомагнитофонов, выполненных по этому стандарту, пожалуй, не найти.

Развитием VHS стал S-VHS, который используется в полупрофессиональной аппаратуре. Главное отличие S-VHS от VHS состоит в том, что в нем сигнал яркости отделен от цветоразностных сигналов (т.н. Separate Video). Такое техническое решение позволило снизить искажения цвета, а разрешающую способность довели до 400 линий. Большая часть современных бытовых видеомагнитофонов поддерживает S-VHS.

Своеобразным конкурентом S-VHS является формат Hi-8, модернизация упомянутого выше Video-8. Это тоже полупрофессиональный стандарт видеозаписи, однако профессионалы его не любят: из-за чрезвычайно плотной записи на 8-миллиметровой пленке из изображения нередко выпадают строки...

Но выбор профессионалов - это Betacam. Точнее, целое семейство стандартов, в котором разрешение достигает 650 линий при очень низком уровне помех. На сегодняшний день чаще всего используют Betacam SP, но, к сожалению, аппаратура Betacam стоит очень и очень дорого.

Параллельно видеотелевизионной технике развивались и компьютеры, и было ясно, что в один прекрасный день их пути-дорожки пересекутся.

Надо сказать, что с мультимедийностью в ранних персоналках дело обстояло неважно. В Microsoft считали, что офисным машинам она не нужна вовсе, поэтому операционные системы класса NT4 по части воспроизведения звука и изображения были самыми настоящими спартанцами. IBM, продвигавшая свою операционную систему OS/2, которую у нас называли «Полуось» или даже «Полумух», наворотила с воспроизведением звука и видео такого, что системные администраторы до сих пор вспоминают ее с ужасом. О линуксятниках и говорить нечего - там без шаманских плясок с бубном вокруг компьютера вообще ничего не настроить, причем для каждого дистрибутива Linux требуется особый бубен со строго определенным количеством колокольчиков.

Когда же софтверные гиганты осознали, что персональный компьютер становится не только инструментом для работы, но и средством развлечения, в их деятельности ярко проявились недостатки капитализма, пусть даже и сильно развитого. Их погубило отсутствие плановости. Каждая фирма начала создавать собственный видеостандарт, совершенно несовместимый с разработками конкурентов. Дровишек в костер подложили и производители «железа», выбрасывающие на рынок все новые и новые устройства для записи и воспроизведения изображения.

Попробуем разобраться в этой путанице стандартов.

Рассмотрим какое-нибудь неподвижное изображение, например фотографию. Для того чтобы представить изображение в цифровой форме, его разбивают на мельчайшие элементы, которые называют пикселями. Пиксели образуют т.н. растр. Чем меньше будут размеры пикселя, тем выше получится качество изображения. При оцифровке изображений количество пикселей, укладывающихся в один дюйм, называют разрешением (dot per inch, или dpi). Минимальное разрешение, например для «бумажной» полиграфии, составляет 300 dpi, однако для видеокартинки желательно существенно большее - 600 dpi. Таким образом, описать неподвижную картинку фактически означает описать каждый ее пиксель. Сколько же может занимать такое описание?

Нетрудно подсчитать, что для изображения 600 на 800 пикселей при глубине цвета 24 бита она займет 600 х 800 х 24 = 11520000 бит, т.е. почти 1,4 Мб. Но видеоизображение - это набор чередующихся кадров. Чтобы создавалось впечатление плавного движения, необходима частота хотя бы 30 кадров в секунду. Как мы подсчитали, один кадр 24-битового видео в несжатом виде занимает около 1,4 Мб дискового пространства. Значит, видеофрагмент продолжительностью в одну секунду займет примерно 42 Мб. Даже для современных компьютеров с их жесткими дисками огромной емкости это все равно очень много. Следовательно, необходимо каким-то образом уменьшать этот огромный поток данных.

Можно, конечно, сокращать количества цветов, размер изображения и кадровую частоту, но такую убогую картинку никто смотреть не захочет. Стало быть, нужны новые идеи.

Первое, что приходит в голову, - это использовать обычные архиваторы вроде WinRAR или WinZIP, но при ближайшем рассмотрении идея оказывается неудачной: время на распаковку 1 Гб архива даже на самой мощной персоналке составит около 5 минут. Смотреть фильм, состоящий из дергающихся кусков, конечно, будет невозможно. Значит, требуются другие алгоритмы компрессии, так называемые алгоритмы с потерей качества. Смысл их состоит в том, что при сжатии изображения учитывается психофизиологическая модель зрительных ощущений человека. Оказалось, например, что наш глаз гораздо лучше чувствует изменения яркости, чем цвета. Это позволило значительно «загрубить» информацию о цвете без заметного снижения качества изображения. Но большинство алгоритмов сжатия идут гораздо дальше.

Как правило, при переходе от кадра к кадру меняется только передний план, а фон сцены остается неизменным, следовательно, его не нужно передавать каждый раз! Еще дальше пошли создатели стандарта MPEG, в котором синтез изображения осуществляется на основе т.н. ключевых кадров. Идея в том, что в группе кадров полностью передается только ключевой кадр, а все остальные содержат изменения этого кадра. Чем динамичнее сюжет видеоролика, чем чаще меняются планы изображения, тем больше в нем будет ключевых кадров и тем меньше степень сжатия.

Рассмотрим наиболее популярные алгоритмы компрессии, которые еще часто называют кодеками.

Кодек - это программное и/или аппаратное устройство компрессии/декомпрессии видеоданных и звука, использующее различные алгоритмы.

Одним из первых и наиболее популярных кодеков был QuickTime, созданный программистами Apple. QuickTime может содержать любые комбинации видео, звука, анимации, MIDI, текста и даже интерактивные команды. Файлы этого формата обычно имеют расширение mov. QuickTime поддерживает несколько алгоритмов компрессии/декомпрессии, включая Photo (JPEG), Animation и Graphics, Apple Video, Cinepak, Indeo 5.1, MPEG, YUV, Kodak Photo CD и так далее. Естественно, что QuickTime был рассчитан исключительно на персоналки Macintosh, однако узок был круг пользователей этих хороших, но очень дорогих машин, страшно далеки они были от народа, поэтому QuickTime, что называется, не пошел. Проблема состояла в том, что файловая система MAC OS совершенно не такая, как в привычных нам Windows-совместимых ПК. Файл QuickTime фактически представляет собой взаимосвязанную пару двух файлов - файла ресурсов и файла данных, поэтому для того, чтобы заставить QuickTime работать на платформе IBM PC, их нужно определенным образом соединить. Этот процесс называют выравниваем. При выравнивании таких файлов видео и звук сливаются в единый файл. И хотя в настоящее время программа Adobe Premiere для Windows позволяет работать с QuickTime, его время, похоже, ушло навсегда.

Естественно, Microsoft не могла остаться в стороне от решения такой важной проблемы. В начале 90-х годов ее инженеры разработали формат данных AVI (Audio and Video Interlaced - чередующиеся аудио и видео). В этом формате видеоданные чередуются со звуковыми данными в одном и том же файле, так что участок звуковой дорожки синхронизируется с видеофрагментом. В AVI изначально использовались алгоритмы компрессии/декомпрессии Intel Indeo и Cinepack. Это устаревшие алгоритмы с довольно слабым сжатием, но зато хорошо работающие на старых компьютерах.

Файлы AVI обычно воспроизводятся с частотой 15 кадров в секунду в небольшом окне размером 320 х 240 пикселей. С программными или аппаратными ускорителями скорость можно довести до 30 кадров в секунду и развернуть изображение на полный экран. В процессе воспроизведения AVI-файлов данные читаются с диска, при этом не требуется большого объема оперативной памяти.

Формат AVI - абсолютный лидер на платформе Windows, но в настоящее время он считается устаревшим, так как размер AVI-файла не может превышать 4 Гб. На смену AVI идет WMV, разработанный Microsoft в самом конце 90-х для улучшения мультимедийных возможностей современных Windows-совместимых компьютеров). Название этого формата расшифровывается как «Windows Media - Video». WMV стремительно набирает популярность.

Еще одна важнейшая группа стандартов, о которой нельзя не упомянуть - это MPEG.

Первый формат из этой группы был создан в начале 90-х организацией под названием Motion Picture Encoding Group (группа кодирования движущегося изображения). В основе MPEG лежит значительно усовершенствованный формат AVI. Группой MPEG было разработано четыре алгоритма для сжатия видеоданных.

Самым первым в семействе был MPEG-1, появившийся еще в начале 90-х годов. Его использовали для создания VideoCD. Качество изображения получалось довольно средним, а степень сжатия - не очень высокой.

Во второй половине 90-х был разработан следующий алгоритм, который получил название MPEG-2. Он предназначался для записи фильмов на DVD и SuperVideoCD. MPEG-2 обеспечивает более высокое качество изображения и степень сжатия, чем MPEG-1.

Для трансляции программ телевидения высокой четкости (High Definition Television, HDTV) был создан формат MPEG-3, обеспечивающий скорость потока данных 20 - 40 Мбит/с, но позже он был включен в стандарт MPEG-2.

Самую широкую и несколько скандальную известность приобрел MPEG-4. Изначально он предназначался для распространения фильмов через Интернет, однако наибольшую популярность приобрел именно в качестве компрессора видео. Именно благодаря MPEG-4 стало возможным записывать на обычные компакт-диски целые художественные фильмы с весьма приемлемым качеством. Беспокойство за падение прибылей продавцов видеокассет и DVD оказалось настолько сильным, что формат пытались запретить через суд. К счастью для пользователей и к несчастью для производителей видеопродукции, эта попытка провалилась. На сегодняшний день MPEG-4 является самым перспективным алгоритмом сжатия видеоинформации. По сути дела, это комплексная среда взаимодействия с различными мультимедийными объектами: аудио, видео, текст, синтезированные объекты.

Получилось так, что исходный код MPEG-4 стал общедоступным, в результате чего множество энтузиастов взялось за его усовершенствование. Наилучших результатов в этом деле добилась фирма DivXNetworks Inc., которая стала выпускать свои кодеки под названием DivX. На сегодняшней день самой свежей версией DivX является релиз 6.02. Разработчики из DivXNetworks выкинули из своего кодека большинство мультимедийных возможностей, но зато в области кодирования видео он значительно превосходит MPEG-4.

Результатом всей этой сложной и запутанной истории кодирования видео явилось то, что нередко у обычного пользователя возникают проблемы с просмотром фильма, т.к. оказывается, что он сжат каким-то причудливым кодеком, которого на компьютере просто нет... Но мир не без добрых людей! В Интернете свободно распространяются наборы кодеков, которые охватывают практически все существующие алгоритмы компрессии/декомпрессии. Одним из лучших наборов является K-Lite Mega Codec Pack, самая свежая версия на момент написания этой статьи - 2.54.

Может возникнуть вопрос: а к чему, собственно, все эти сложности? Зачем компьютеру видео? Ответ заключается в том, что современные фильмы без использования компьютеров не снять. Подавляющее большинство кинематографических спецэффектов делается именно на компьютерах, так что процесс взаимопроникновения видео- и компьютерной техники идет полным ходом. l