Средства обработки видеоинформации

Министерство образования  и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

 

«Тульский государственный педагогический университет им Л.Н. Толстого»

(ФГБОУ ВПО «ТГПУ им. Л.Н. Толстого)

 

 

 

Кафедра информационных технологий

 

 

 

 

Доклад на тему:

 

«средства обработки видеоинформации»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

Студентка факультета МФиИ

группы 3Д

Матвеева А.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тула – 2011.

 

Содержание

 

Типы видеоинформации

В последнее время  компьютер все чаще используется для работы с видеоинформацией. Простейшей, с позволения сказать, работой является просмотр кинофильмов и видеоклипов, а также многочисленные видеоигры. Более правомерно данным термином называть создание и редактирование такой информации с помощью компьютера.

Мультимедиа — область компьютерной технологии, связанная с использованием информации, имеющей различное физическое представление (текст, графика, рисунок, звук, анимация, видео и т. п.) и/или существующей на различных носителях (магнитные и оптические диски, аудио- и видеоленты и т. д.).

Мультимедиа (multimedia — многосредовость) средства — это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию.

Мультимедиа предоставляет  пользователю потрясающие возможности  в создании фантастического мира (виртуальной реальности), интерактивного общения с этим миром, когда пользователь выступает не в роли стороннего пассивного созерцателя, а принимает активное участие в разворачивающихся там событиях; причем общение происходит на привычном для пользователя языке — в первую очередь, на языке звуковых и видеообразов.

Рассмотрим понятие виртуальная реальность немного подробнее, поскольку оно часто встречается в литературе, иногда не очень обоснованно. Термин этот предложил Jaron Lanier (Ланье), который определил его как «иммерсивную и интерактивную имитацию реалистических и вымышленных сред». Иммерсивность означает полное погружение человека в мир виртуальной реальности, где он должен чувствовать свою принадлежность к нему. Интерактивность означает возможность человека взаимодействовать с находящимися в мире виртуальной реальности объектами в реальном времени.

Иными словами, виртуальная реальность — это некий иллюзорный мир, в который погружается и с которым взаимодействует человек. Система виртуальной реальности — это совокупность имитационных программных и технических средств, обеспечивающих эти погружение и взаимодействие. Для полного погружения необходимо оградить человека от информации, поступающей из внешнего мира; необходимо ввести стимулы, побуждающие человека пребывать в виртуальном мире. Для обеспечения интерактивности необходимо, чтобы система виртуальной реальности воспринимала управляющие воздействия человека. Побуждающие стимулы и управляющие воздействия должны быть многомодальными, то есть зрительными, звуковыми, осязательными и одоральными (использующими запахи). Для реализации таких требований в современных системах используются разнообразные звуковые и видеотехнологии, в частности объемные звуковые и видеосистемы, а также головные дисплеи — шлемы и очки-дисплеи, «нюхающие» мыши, управляющие перчатки, кибернетические жилеты и другие экзотические устройства, уже существующие сегодня. И все это в совокупности с беспроводными интерфейсами.

Следует четко представлять, что обработка видеоинформации требует очень высокого быстродействия компьютерной системы, причем не только процессора, но и CD-ROM, с которого считываются данные, конечно, видеосистемы, а также всех информационных шин, по которым данные передаются от одного устройства к другому. В частности, в [1] приводится очень наглядный пример, когда при весьма скромном размере окна видеоизображения 360x240 и 16 битах цветовой информации на каждый пиксел скорость передачи данных превышает один мегабайт в секунду. "То есть за десять минут должно быть передано более 600 Мбайт данных, что эквивалентно немного немало целому диску CD-ROM!" Таким образом, если для прочих видов информации сжатие лишь повышает удобства работы, то для видеоинформации технологии сжатия имеют поистине жизненно важное значение.

Что представляет собой  фильм с точки зрения информатики? Прежде всего, это сочетание звуковой и графической информации. Кроме  того, для создания на экране эффекта  движения используется дискретная по своей сути технология быстрой смены  статических картинок. Исследования показали, что если за одну секунду сменяется более 10-12 кадров, то человеческий глаз воспринимает изменения на них как непрерывные. В любительской киносъемке использовалась частота 16 кадров/сек., в профессиональной – 24¹.

Традиционный кадр на кинопленке "докомпьютерной" эпохи выглядел так, как показано на рис.1. Основную его часть, разумеется, занимает видеоизображение, а справа сбоку отчетливо видны колебания на звуковой дорожке. Имеющаяся по обоим краям пленки периодическая система отверстий (перфорация) служит для механической протяжки ленты в киноаппарате с помощью специального механизма. Рис.1

Казалось бы, если проблемы кодирования  статической графики и звука решены, то сохранить видеоизображение уже не составит труда. Но это только на первый взгляд, поскольку, как показывает разобранный выше пример, при использовании традиционных методов сохранения информации электронная версия фильма получится слишком большой. Достаточно очевидное усовершенствование состоит в том, чтобы первый кадр запомнить целиком (в литературе его принято называть ключевым), а в следующих сохранять лишь отличия от начального кадра (разностные кадры).

Принцип формирования разностного кадра поясняется рис.2, где продемонстрировано небольшое горизонтальное смещение прямоугольного объекта. Отчетливо видно, что при этом на всей площади кадра изменились всего 2 небольшие зоны: первая сзади объекта возвратилась к цвету фона, а на второй – перед ним, фон перекрасился в цвет объекта. Для разноцветных предметов произвольной формы эффект сохранится, хотя изобразить его будет заметно труднее.

 
Рис.2

Конечно, в фильме существует много ситуаций, связанных со сменой действия, когда первый кадр новой сцены настолько отличается от предыдущего, что его проще сделать ключевым, чем разностным. Может показаться, что в компьютерном фильме будет столько ключевых кадров, сколько новых ракурсов камеры. Тем не менее, их гораздо больше. Регулярное расположение подобных кадров в потоке позволяет пользователю оперативно начинать просмотр с любого места фильма: "если пользователь решил начать просмотр фильма с середины, вряд ли он захочет ждать, пока программа распаковки вычислит все разности с самого начала" [1]. Кроме того, указанная профилактическая мера позволяет эффективно восстановить изображение при любых сбоях или при "потере темпа" и пропуске отдельных кадров на медленных компьютерных системах.

Заметим, что в современных методах  сохранения движущихся видеоизображений используются и другие типы кадров [1,2].

Существует множество различных  форматов представления видеоданных. В среде Windows, например, уже более 10 лет (начиная с версии 3.1) применяется  формат Video for Windows, базирующийся на универсальных  файлах с расширением AVI (Audio Video Interleave – чередование аудио и видео)². Суть AVI файлов состоит в хранении структур произвольных мультимедийных данных, каждая из которых имеет простой вид, изображенный на рис.3. Файл как таковой представляет собой единый блок, причем в него, как и в любой другой, могут быть вложены новые блоки. Заметим, что идентификатор блока определяет тип информации, которая хранится в блоке.

 
Рис.3

Внутри описанного выше своеобразного контейнера информации (блока) могут храниться абсолютно  произвольные данные, в том числе, например, блоки, сжатые разными методами. Таким образом, все AVI-файлы только внешне выглядят одинаково, а внутри могут различаться очень существенно.

Еще более универсальным является мультимедийный формат Quick Time, первоначально возникший на компьютерах Apple. По сравнению с описанным выше, он позволяет хранить независимые фрагменты данных, причем даже не имеющие общей временной синхронизации, как этого требует AVI. В результате в одном файле может, например, храниться песня, текст с ее словами, нотная запись в MIDI-формате, способная управлять синтезатором, и т.п. Мощной особенностью Quick Time является возможность формировать изображение на новой дорожке путем ссылок на кадры, имеющиеся на других дорожках. Полученная таким способом дорожка оказывается несоизмеримо меньше, чем если бы на нее были скопированы требуемые кадры. Благодаря описанной возможности файл подобного типа легко может содержать не только полную высококачественную версию видеофильма, но и специальным образом "упрощенную" копию для медленных компьютеров, а также рекламный ролик, представляющий собой "выжимку" из полной версии. И все это без особого увеличения объема по сравнению с полной копией.

Все большее распространение  в последнее время получают системы  сжатия видеоизображений, допускающие  некоторые незаметные для глаза  искажения изображения с целью повышения степени сжатия. Наиболее известным стандартом подобного класса служит MPEG (Motion Picture Expert Group), который разработан и постоянно развивается созданным в 1988 году Комитетом (группой экспертов) международной организации ISO/IEC (International Standards Organization/International Electrotechnical Commission) по стандартам высококачественного сжатия движущихся изображений. Методы, применяемые в MPEG, непросты для понимания и опираются на достаточно сложную математику. Укажем лишь наиболее общие приемы, за счет которых достигается сжатие. Прежде всего, обрабатываемый сигнал из RGB-представления с равноправными компонентами преобразуется в яркость и две "координаты" цветности. Как показывают эксперименты, цветовые компоненты менее важны для восприятия и их можно проредить вдвое. Кроме того, производится специальные математические преобразования (DCT – дискретно-косинусное преобразование), несколько загрубляющее изображение в мелких деталях. Опять таки из экспериментов следует, что на субъективном восприятии изображение это практически не сказывается. Наконец, специальными методами (в том числе и методом, изображенным на рис.2) ликвидируется сильная избыточность информации, связанная со слабыми отличиями между соседними кадрами³. Полученные в результате всех описанных процедур данные дополнительно сжимаются общепринятыми методами, подобно тому, как это делается при архивации файлов.

В последнее время  все большее распространение получает технология под названием DivX (происходит от сокращения слов Digital Video Express, обозначающих название видеосистемы, которая "прославилась" неудачной попыткой взимать небольшую оплату за каждый просмотр видеодиска; к собственно технологии DivX это никакого отношения не имело). Благодаря DivX удалось достигнуть степени сжатия, позволившей вмесить качественную запись полнометражного фильма на один компакт-диск – сжать 4,7 Гб DVD-фильма до 650 Мб. И хотя это достижение, к сожалению, чаще всего используется для пиратского копирования, сам по себе этот факт не умаляет достоинств новой технологии. Как и то, что самая первая версия сжатия DivX была сработана французскими хакерами из MPEG-4 – современные версии DivX уже не имеют к этому событию никакого отношения [3,4].

Видеооборудование и программы

Обычный компьютер не имеет в своем составе оборудования для ввода и обработки видео. Поэтому на него необходимо устанавливать  дополнительное оборудование. Это оборудование может быть самым различным в зависимости от того, какие задачи вы хотите решать. Кроме того, сам компьютер должен отвечать определенным требованиям.

Для захвата и обработки  видео особых требований к компьютеру не предъявляется, лишь бы он был оборудован звуковой платой и имел жесткий диск достаточного объема и скорости. Следует учитывать, что один час видео в хорошем качестве будет занимать на диске около 20 Гбайт информации. При этом результат работы программы обработки видео необходимо куда-то сохранять, поэтому необходимый объем должен быть больше в два раза. Что касается скорости работы диска, то лучше выбирать жесткие диски, имеющие скорость вращения 7200 оборотов в минуту и больше.

Windows Movie Maker

Одна из наиболее известных, и самых простых в обращении программ, для редактирования видео называется Windows Movie Maker.

Сделана она в комплекте  дополнений для операционной системы Windows, в большинстве случаев устанавливается  сразу с Windows Media Player и другими  мультимедиа программами операционной системы, и прекрасно с ними сочетается.

При установке и последующей  загрузке, в правой части окна имеем  черный фон, где совсем скоро будет  отображаться обрабатываемый файл. В  левой, по желанию, может быть представлен  основной список возможных операций, которые также можно комбинировать  в разной последовательности. Помимо простой возможности разрезать видео на несколько фрагментов, и заново соединить их, можно наложить до 28 всевозможных эффектов, некоторые из которых, такие как моделирование картинки «под старину» имеют до трех вариаций.

Имеется функция нескольких переходов: затухание изображения в черный или белый цвет, а также по воле пользователя можно наложить разнообразные титры, к которым также применимы видеоэффекты.

При создании видео из нескольких частей, выходной файл имеет  небольшие размеры, однако, его расширение Windows Movie Maker, к сожалению, является уникальным и кроме как в программе Windows Movie Maker нигде не воспроизводится. Это является огромным минусом для данной программы, и создает массу трудностей. Кроме этого, для обработки видео его приходиться не оригинально перетаскивать в рабочее меню, а нижняя шкала для работы с видео слишком грубая, не мешало бы сделать ее мельче и точнее.

В целом же, программа Windows Movie Marker 5.1 является вполне удовлетворительным стандартным видеоредактором, в котором можно обрабатывать как свое собственное видео, так и непосредственно клипы с компьютера, если не учитывать закрытый формат выходных файлов.