Сжатие (компрессия) телесигнала. Его необходимость

Компрессия – позволяет цифровым файлам приобрести объем, совместимый с теми условиями, в которых данная информация будет использоваться. Эти условия прямо влияют на норму компрессии. Очевидно, что степень компрессии непосредственно связана с максимальной скоростью передачи и приема цифровых данных. Эти показатели достаточно высоки в компьютерах с высокоскоростными проигрывателями CD-ROM, ниже, как правило, в цифровых оптоволоконных сетях. Но во всех случаях современная бытовая техника обладает достаточно скромными способностями, которым далеко до показателя 100 Мбит/с. А именно такой объем информации необходимо передавать при использовании мультимедийного документа с элементами видео.

В компрессии/декомпрессии звука используются различные технологии в зависимости от качественных параметров исходного сигнала и от того, в какой области будет использован звук.

В среднем, размер сжатия звука составляет 10: 1. Но данные технологии в различной степени позволяют уменьшить расхождение «исходный сигнал – возобновленный сигнал». Чем большая скорость передачи информации, тем выше качество воспроизводимого сигнала. Однако чем выше качество воспроизводимого сигнала – тем больший объем информационного файла.

Технологии сжатия двигающихся изображений должны решать целый комплекс проблем. Первая состоит в том, что размер видеофайла, как правило, несовместим с возможностями оборудования абсолютной массы использователей. Например, существующая техника (скорость считывания CD-ROM и/или подсоединение к сети) дает возможность получить видеофайлы, но не файлы качества TV в реальном масштабе времени. Другая проблема, которую необходимо решить, – сохранять возможность обработки видеофайлов, т. е. вести их монтаж, редактирование и т. д. Третья сложность состоит с том, что видеоизображение, как правило, должно быть синхронизовано с иными составляющими видеодокумента – например со звуком. Сегодняшний уровень развития технологий не позволяет одновременно решить эти сложности. Но развиваются технологии, способные преодолевать их в соответствующих, отдельно взятых областях.

В мире за последние годы появилось несколько технологий компрессии видеоизображений. Некоторые из них касаются только подвижных картинок, они позволяют передавать упрощенное видео в реальном масштабе времени, так как используется высокая степень компрессии изображения. Другие больше предназначены для работы с уже полученным изображением и обеспечивают более высокое качество воспроизведения при значительно меньшей степени компрессии.

Известна рекомендация UNIT (Международный союз телекоммуникаций) под шифром Н.320. Под ней объединялась группа норм, описывающих шифровку аудио- и видеосигналов, способы подключения терминалов и др.

Данная рекомендация предназначена для передачи данных при видеофонии. Однако норма разрабатывалась под использование ее в RNIS (цифровые сети с совмещенными функциями) во Франции. При использовании ее в обычных телефонных сетях либо сетях сотовой связи возникают некоторые сложности.

Наиболее известная и многообещающая группа норм компрессии/де-компрессии видео находится в ведении MPEG (Moving Pictures Expert Group). Эта группа экспертов ISO/IEС работает более 10 лет. На сегодняшний день известны четыре рекомендации: MPEG1, MPEG2, MPEG3, MPEG4. Все они касаются компрессии / декомпрессии различных видов видеоизображений.

Эти нормы работают по одним и тем же алгоритмам, равно используя формат JPEG для получения начального изображения. Обрабатывается не каждый кадр по отдельности, а анализируется динамика изменений видеофрагментов и устраняются избыточные данные. Поскольку в большинстве фрагментов фон изображения остается достаточно стабильным, а действие происходит на переднем плане, алгоритм MPEG начинает сжатие с создания ключевого кадра. Они размещаются последовательно через каждые 10–15 кадров. Только некоторые фрагменты изображений, которые находятся между ними, претерпевают изменения, и именно эта разница сохраняется при сжатии. Качественные параметры видеоданных, обработанных MPEG1, во многом аналогичны обычному VHS-видео, поэтому этот формат применяется там, где неудобно использовать стандартные аналоговые носители (видеокиоски, Video on demand, видео по телефону, презентации и т. д.). Спецификации MPEG2 подразумевают использование высоких разрешений для достижения максимального качества изображения, поэтому этот формат применяется в первую очередь профессионалами (цифровое кабельное телевидение, направленное спутниковое вещание, телевидение высокой четкости и др.). MPEG3 предполагался для телевидения высокой четкости с разрешением в 1920 строк при частоте 30 Гц. Оказалось, что при определенной доработке метод кодирования MPEG2 может вполне решать задачи ТВЧ. В результате сегодня разработка MPEG3 прекращена.

Зато начались работы над MPEG4. Новый стандарт будет рассчитан на очень низкие потоки данных для применения в видеотелефонах, мультимедийной электронной почте, электронных информационных изданиях и др. Утверждение этого стандарта ожидалось не ранее конца 1998 г. Сегодня данный стандарт считается нормой, признаваемой в большинстве стран мира.
11. Форматы видеозаписей. Устройство видеорекордеров.

11. Форматы видеозаписи

• VHS
• S-VHS
• Video8
• Hi8
• DV
• Digital8

Каждый производитель техники для видеозаписи стремится увеличить качество записанной информации. Несмотря на большое разнообразие устройств, форматов видеозаписи, используемых в бытовой видеотехнике, всего несколько. К основным стандартам записи относятся: VHS, S-VHS, Video8, Hi8, DV, Digital8 и их разновидности. Некоторые из них развиваются, некоторые уже уходят в прошлое.

VHS

Самым распространенным на сегодняшний день форматом записи видеоинформации на магнитную ленту является формат VHS (Video Home System). Это был самый первый формат записи, разработка которого была начата фирмой " JVC" еще в 1971 году.

Для записи одного кадра видеоинформации используются две наклонных дорожки. Одна дорожка хранит информацию обо всех четных, другая обо всех нечетных телевизионных линиях. Поэтому количество магнитных головок на барабане обычно кратно 2. Набор только четных или только нечетных линий называется полем. На экран телевизора выводится сначала одно поле, затем другое (чересстрочная развертка). Этот процесс повторяется примерно 25 раз в секунду.

Видеосигнал, записанный на магнитную ленту в формате VHS (VHS-C для компактных устройств), является композитным, т.е. в нем содержится смешанная информация о цветности и яркости изображения. Качество изображения при таком способе записи относительно хорошее и составляет в среднем 240 телевизионных линий.

Аудиоинформация в монофонических видеомагнитофонах записывается обычными стационарными магнитными головками на продольную аудиодорожку. Скорость движения ленты при этом способе недостаточно высока, поэтому получается звук низкого качества. Диапазон записываемого звука 100-10000 Гц.

Существуют видеомагнитофоны формата VHS класса Hi-Fi, в которых вместе с обычным методом записи звука используется метод записи стереозвука вращающимися аудиоголовками. Так как частота звука значительно ниже в сравнении с частотой видеосигнала, это позволяет записывать и аудио и видеосигнал на одну дорожку.

Амплитудно-модулированный аудиосигнал записывается специальной магнитной головкой в более глубокий слой магнитной ленты. Затем в поверхностный слой записывается видеосигнал. Аудио и видеоголовки расположены на одном барабане, и вращаются вместе.

Запись в формате VHS производится на ленту шириной 12, 7 мм.

S-VHS

Стандарт Super-VHS (S-VHS-C для компактных устройств) разработан фирмой " JVC" и является усовершенствованным форматом VHS. Запись на ленту осуществляется вращающимися магнитными головками. Количество оборотов барабана, как и в VHS около 1500 об/мин. Для записи одного кадра видеоинформации используются две наклонных дорожки. Информация на ленте хранится в аналоговом виде. Использование более качественных видеоголовок, применение новых материалов в производстве магнитной ленты (металлические порошки вместо оксидов железа, хром и т.п.), а так же раздельная обработка сигналов цветности и яркости изображения позволяет достичь очень высокого качества изображения - до 400 телевизионных линий.

Практически все устройства стандарта S-VHS имеют аудиотракт класса Hi-Fi, а также могут записывать и воспроизводить в формате VHS.

Запись в формате S-VHS производится на ленту шириной 12, 7 мм.

Video8

Формат Video8 был разработан фирмой " Sony". Запись на магнитную ленту, как и в VHS, осуществляется при помощи наклонных вращающихся головок.

Основные отличия от VHS:
• размер ленты, на которую производится запись - 8 мм;
• частотно-модулированный аудиосигнал.

Для записи одного кадра видеоинформации используются две наклонных дорожки. Информация на ленте хранится в аналоговом виде.

Монофонический аудиосигнал записывается специальными вращающимися магнитными головками, что позволяет расширить диапазон записываемого звука от 20 до 20000 Гц. А так как сигнал не амплитудно, а частотно-модулированный, то это значительно снижает уровень помех и искажений сигнала. Отношение " сигнал/шум" в этом формате записи около 50 дБ (в формате VHS - 38 дБ). Все эти усовершенствования дают возможность увеличить качество записываемого звука.

Устройства формата Video8 имеют усовершенствованные тракты обработки видеоизображения, что позволяет немного повысить качество изображения - до 250 телевизионных линий.

Hi8

Стандарт Hi8 - это аналог S-VHS для ленты шириной 8 мм.

Использование раздельной обработки сигналов цветности и яркости изображения позволило увеличить качество изображения до 400 телевизионных линий. Диапазон записываемого стереозвука - от 20 до 20000 Гц. Запись осуществляется блоком вращающихся головок.
Информация на ленте хранится в аналоговом виде. На один кадр используется 2 видеодорожки.

В устройствах стандарта Hi8 могут быть использованы кассеты стандарта Video8 и наоборот.

DV

Формат записи DV (mini-DV для бытовых видеокамер) сильно отличается от всех предыдущих стандартов, так как является полностью цифровым. Видео и аудиоинформация хранятся на ленте в цифровом виде, что позволяет добиться значительного улучшения качества изображения и звука. Более того, появилась возможность делать неограниченное количество копий цифрового видеоматериала без потери качества.

В устройствах стандарта DV происходит раздельное преобразование сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов в цифровую форму.

Звук в таких устройствах может храниться в двух видах:

• цифровой двухканальный звук с глубиной 16 бит и частотой выборки 48 кГц

• цифровой четырехканальный звук с глубиной 12 бит и частотой выборки 32 кГц

Информация о звуке и изображении после преобразования в цифровую форму подвергается компрессии. При воспроизведении весь процесс происходит в обратном порядке.
В результате применения схем сжатия количество информации, записываемой на ленту, уменьшается примерно в 5 раз. Тем не менее, объем информации, который необходимо записать на пленку остается очень большим. Для записи одного кадра требуется уже 12 дорожек, а не 2 как в предыдущих стандартах.

Видео, записанное в стандарте DV, по своему качеству достигает профессионального уровня (до 500 телевизионных линий).

Использование новых материалов для производства магнитной ленты, более высокая скорость вращения барабана с магнитными головками (9000 об/мин), узкие видеодорожки шириной 10 мкм (в системах Video8 - 34 мкм) - все это позволило создать очень компактный носитель данных.

Запись в формате DV производится на ленту шириной 6, 35 мм.