Методы и средства обработки видео

Битрейт или ширина видеопотока

Ширина (иначе говорят скорость) видеопотока или битрейт (англ. bit rate) — это количество обрабатываемых бит видеоинформации за секунду времени (измеряется «бит/с» — бит в секунду, или чаще «Мбит/с» — мегабит в секунду; в английском обозначении «bit/s» и «Mbit/s» соответственно). Чем выше ширина видеопотока, тем в общем лучше качество видео. Например, для формата VideoCD ширина видеопотока составляет всего примерно 1 Мбит/с, а для DVD составляет около 5 Мбит/с. Конечно, субъективно разницу в качестве нельзя оценить как пятикратную, но объективно это так. А формат цифрового телевидения HDTV использует ширину видеопотока около 10 Мбит/с. При помощи скорости видеопотока также очень удобно оценивать качество видео при его передаче через Интернет.

Различают два вида управления шириной потока в видеокодеке — постоянный битрейт (англ. constant bit rate, CBR) и переменный битрейт (англ. variable bit rate, VBR). Концепция VBR, ныне очень популярная, призвана максимально сохранить качество видео, уменьшая при этом суммарный объём передаваемого видеопотока. При этом на быстрых сценах движения, ширина видеопотока возрастает, а на медленных сценах, где картинка меняется медленно, ширина потока падает. Это очень удобно для буферизованных видеотрансляций и передачи сохранённого видеоматериала по компьютерным сетям. Но для безбуферных систем реального времени и для прямого эфира (например, для телеконференций) это не подходит — в этих случаях необходимо использовать постоянную скорость видеопотока.

Качество видео

Качество видео  измеряется с помощью формальных метрик, таких, как PSNR или SSIM, или с использованием субъективного сравнения с привлечением экспертов.

Субъективное  качество видео измеряется по следующей  методике:

• Выбираются видеопоследовательности для использования в тесте
• Выбираются параметры системы измерения
• Выбирается метод показа видео и подсчета результатов измерения
• Приглашается необходимое число экспертов (обычно не меньше 15)
• Проводится сам тест
• Подсчитывается средняя оценка на основе оценок экспертов.

Несколько методов  субъективной оценки описаны в рекомендациях ITU-T BT.500. Один из широко используемых методов оценки — это DSIS (англ. Double Stimulus Impairment Scale), при котором экспертам сначала показывают исходный видеоматериал, а затем обработанный. Затем эксперты оценивают качество обработки, варьируя свои оценки от «обработка незаметна» и «обработка улучшает видеоизображение» до «обработанный видеоматериал сильно раздражает».

 

1.2 Стереоскопическое видео

 

Стереоскопическое видео или просто стереовидео (англ. stereoscopic video или 3D video) было очень популярно в конце XX века, и сейчас регулярно возникают волны интереса к нему. По всему миру есть кинотеатры, которые при помощи той или иной технологии воспроизводят стереоскопическое видео. Для стереовидео нужно два видеоканала, часто называемых слоями: один для левого глаза, другой для правого. Также необходимо обеспечить, чтобы в «свой» глаз попадала своя картинка. Таким образом, у зрителя возникает чувство объёмности, трёхмерности видеоматериала, повышается реалистичность ощущения просмотра. Примерно такой же, но более слабый по качеству эффект даёт просмотр видео в пластиковых очках, где для одного глаза применяется красный светофильтр, а для другого - зелено-голубой. Это старый принцип анаглифической стерео-фотографии. Новые технологии, представленные в 2006 году, в частности HD DVD и диски Blu-Ray, позволяют переносить больше стереовидеоматериала и призваны сделать и домашнее стереоскопическое видео более доступным.

Виды трёхмерных мониторов:

• Стереоскопические 3D-дисплеи формируют отдельные изображения для каждого глаза. Такой принцип используется в стереоскопах, известных ещё с начала XIX века.
• Автостереоскопические 3D-дисплеи воспроизводят трёхмерное изображение без каких-либо дополнительных аксессуаров для глаз или головы (таких как стереоочки или шлемы виртуальной реальности).
• Голографические 3D-дисплеи имитируют пространственное размещение световых волн в таком виде, как они располагались бы при отражении света от реального трёхмерного объекта.
• Объёмные дисплеи используют различные физические механизмы для показа светящихся точек в пределах некоторого объёма. Такие дисплеи вместо пикселов оперируют вокселами. Объёмные дисплеи строятся на разных принципах.

1.3 Форматы, кодеки и контейнеры видео

 

Видео формат - определяет структуру видео файла, то как хранится файл на носителе информации (CD, DVD, жестком диске или канале связи). Обычно разные форматы имеют  различные расширения файла (*.avi, *. mpg, *.mov и др.).

Аналоговые  форматы видеозаписи[1]:

• VERA (BBC)
• U-matic (Sony)
• Betamax (Sony)
• Betacam SX
• 2" Quadruplex (Ampex)
• 1" Type C (Ampex и Sony)
• VCR, VCR-LP, SVR
• VHS (JVC)
• S-VHS (JVC)
• VHS-C (JVC)
• Video8
• Video 2000 (Philips)
• 8 mm
• Hi8

Цифровые форматы  видеозаписи

• D1 (Sony)
• D2 (Ampex)
• D3
• DCT (Ampex)
• D5 HD
• Digital Betacam (Sony)
• Digital-S
• MPEG IMX (Sony)
• HDV
• ProHD (JVC)
• D-VHS (JVC)
• DV
• miniDV
• MicroMV
• Digital8 (Sony)

Форматы цифрового  кодирования и сжатия

• CCIR 601 (ITU-T)
• M-JPEG (ISO)
• MPEG-1 (ISO)
• MPEG-2 (ISO)
• MPEG-4 (ISO)
• H.261 (ITU-T)
• H.263 (ITU-T)
• H.264 (ITU-T и ISO)
• DV
• Ogg-Theora
• DivX
• XviD
• RealMedia

Стандарт — это спецификация (описание) алгоритма кодирования (сжатия) данных. Популярные стандарты:

Стандарты MPEG (Moving Picture Exper Group) — отличаются высокой скоростью компрессии/декомпрессии видео и звука и высокой степенью сжатия без заметной потери качества изображения. Стандарт MPEG-1 обеспечивает «картинку» аналогичную VHS-видео. MPEG-2 (DVD-Video) по качеству соизмерим с телевизионным изображением. MPEG-3 разрабатывался для систем телевидения высокой четкости (HDTV) и сейчас является частью стандарта MPEG-2. MPEG-4используется в разработке интерактивного мультимедиа, графических приложений и цифрового телевидения.

H.264 (также известен как MPEG-4 AVC (Advanced Video Coding) — принят в качестве стандарта для сжатия видео высокой чёткости (HD, HDTV), распространяемого на оптических носителях нового поколения: Blu-ray и HD DVD. Сжатие H.264 обеспечивает отличное качество изображения и небольшой объём файла, но предъявляет более высокие требования к оборудованию для кодирования и воспроизведения видеофайлов.

WMV (Windows Media Video) — формат сжатия видео от Microsoft; для записи, как правило, используются контейнер Windows Media (*.wmv).

Real Media — формат позволяет менять качество видео-потока в зависимости от качества канала связи, используется для живой телевизионной трансляции в Интернете.

DV — формат записи, использующийся в цифровых видеокамерах.

Кодек — программная реализация алгоритма кодирования. Популярные кодеки:

• DivX — самый распространённый проприетарный кодек стандарта MPEG-4;
• Xvid — открытый кодек, основанный на одной из версий кодека DivX;
• x264 — кодек для сжатия в стандарте H.264.
• TrueMotion VP6 — прямой конкурент кодекам MPEG4-ASP (таким как DivX и Xvid), на малых битрейтах даёт заметно лучшую картинку, чем все кодеки семейства ASP, используется в качестве одного из основных вариантов кодирования в формате Flash Video.

Контейнер —  формат файла, в котором сохраняется  видеоряд, звуковая дорожа/дорожки, субтитры и служебная информация. Популярные контейнеры:

• Audio and Video Interleaved (AVI) — стандартный медиаконтейнер для Microsoft Windows; позволяет использовать различные кодеки, обычно DivX и XviD.
• MPEG-4 Part 14 (MP4) — медиаконтейнер, поддерживающий аудио и видео из группы MPEG-4; официальный стандарт контейнера для видео H.264; может содержать звук только в формате AAC.
• Matroska (MKV) — открытый и гибкий формат контейнера; расширения файлов: *.mkv — для видео с субтитрами и звуком, *.mka — для аудиофайлов, *.mks — для субтитров.
• Flash Video (FLV) — медиаконтейнер для передачи видео через Интернет; используется популярными сервисами видеохостинга YouTube, Google Video, RuTube и другими.
• Ogg — медиаконтейнер для аудиокодека Vorbis и видеокодека Theora.
• Windows Media — формат контейнера для видеозаписей, разработанный Microsoft; расширения: *.asf, *.wmv, *.wm.
• Другие виды контейнеров: Ogg Media (*.ogm), RealMedia (*.rm, *.rv, *.ram), QuickTime (*.mov, *.qt), Video Object (*.vob), DivX Media (*.divx), MPEG-2 program stream (MPG), 3GP.

Таблица 1.2 - Сравнение мультимедиа-контейнеров

Медиа-контейнер	Владелец стандарта	Аудио с переменным битрейтом	Видео с переменной кадровой частотой	Субтитры	Поддержка видео-форматов	Поддержка аудио-форматов
3GP	3GPP	Да	Да	3GPP Timed Text	MPEG-4, H.263 и H.264	AMR-NB/WB, AMR-WB+ и (HE)-AAC
Advanced Systems Format (.asf, .wma, .wmv)	Microsoft	Да	Да	Да	Почти все, использующие VFW или DMO, поддержка H.264/AVC затруднительна	Почти все, использующие ACM или DMO, поддержка Vorbis затруднительна
AVI	Microsoft	Да	Да	Да, через сторонние модификации	Почти все, использующие VFW, поддержка H.264/AVC затруднена из-за ограниченной поддержки b-frame	Почти все, использующие ACM, поддержка Vorbis затруднительна
Flash Video (.flv)	Adobe Systems	Неизвестно	Неизвестно	Нет	Sorenson, VP6, Screen Video, H.264	MP3, Nellymoser, ADPCM, Raw PCM, AAC

 

Продолжение таблицы 1.2 - Сравнение мультимедиа-контейнеров

Matroska (.mkv, .mka)	Public Domain	Да	Да	Да, Любые, включая внедрённые шрифты	Да, Любые	Да, Любые
QuickTime (.mov, .qt)	Apple	Да	Да	Да	Да Любые, через QuickTime	Да Любые через Sound Manager или CoreAudio
MP4	MPEG	Да	Да	ttxt, BIFS	MPEG-1, MPEG-2, H.263, MPEG-4 ASP, H.264/MPEG-4 AVC	MPEG-1 Layers I, II, III (MP3), MPEG-2/4 (HE)-AAC, Vorbis (with privat objectTypeIndication), Apple Lossless, AC-3 (только M4V)
VOB	MPEG	Да	Да	VobSub	MPEG-2 Part 2	AC-3, Linear PCM, DTS, MPEG-2 Part 3, MPEG-1 Layer II

 

 

 

2 ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА  РЕДАКТИРОВАНИЯ ВИДЕО

Видео-редактор — это программа, включающая в себя набор инструментов, которые позволяют редактировать видео-файлы на компьютере. Видео-редактор позволяет работать с видео-файлами в зависимости от набора инструментов и его возможностей.

2.1 Бесплатные программные средства

 

Free Studio — бесплатный набор мультимедиа программ разработанный DVDVideoSoft Ltd. Программа Free Studio 5.0 была названа в списке «PC Magazine/RE. Лучшее ПО 2010 г.». Планируется портирование под MAC OS X.

Free Studio содержит  в себе набор из 43 программ  группированных в секции: YouTube, MP3 и Аудио, CD-DVD-BD, DVD и Видео, Фото, Мобильные устройства, Устройства Apple, 3D.

Возможности:

• Секция YouTube включает в себя инструменты для загрузки видео с YouTube, извлечения из него аудио дорожки, конвертации для iPod или PSP, а также записи видео на DVD диск. Программа Free YouTube to MP3 Converter вошла в пятерку популярных программ Chip Magazine Top 100 Chart.
• Секция MP3 и Аудио включает в себя программы для конвертирования аудио файлов в другие форматы, извлечение аудио дорожки из видео файлов, редактирования и записи файлов на CD диски.
• Секция CD, DVD, BD содержит программы для записи файлов на оптический носитель.
• Секция DVD и Видео содержит программы для конвертирования и редактирования видео файлов.
• Секция Фотки включает в себя программы для изменения размеров изображений, извлечения JPEG кадров из видео, записи видео с экрана монитора, создания скриншотов.
• Секция Мобильные устройства включает в себя программы для конвертирования файлов, пригодных для открытия на мобильных устройствах (сотовые телефоны, смартфоны, игровые приставки).
• Секция Устройства Apple аналогична секции Мобильные устройства, только предназначена для устройств производимых компанией Apple.
• Секция 3D предназначена для преобразования видео или фото файлов в 3D.
• В версии 5.3.3 было добавлено 2 новые программы: Free Video to Sony PLAYSTATION Converter и Free Video to Nintendo Converter.