Digitalni video – zapisovanje in stiskanje

1. Digitalni video – zapisovanje in stiskanje Simon Konečnik Velenje, september 2005

2. Zakaj ima digitalna tehnologija prihodnost? • Digitalen zapis omogoča boljšo kvaliteto in ostrino slike ter boljšo barvno reprodukcijo. • Digitalen zapis omogoča presnemavanje in urejanje videa brez izgube kvalitete. • Digitalna video produkcija je dosegljiva širokemu krogu ustvarjalcev.

3. Kaj omogoča standard DV? • Digitalen zapis video vsebine. • Standard zapisovanja in zgoščevanjaavdio-vizualnih podatkov. • Celotna produkcija digitalno zapisane video vsebine: • nastajanje, • obdelavo, • hranjenje, • distribucijo in • prikazovanje.

4. Kako zgleda digitalen zapis podatkov? Slika prikazuje način zapisovanja informacij na videotrak.

5. Pot obdelave video posnetkov Pot obdelave obdelave video posnetkov lahko razdelimo na tri sklope: • zajem • obdelava posnetkov • shranjevanje na različne medije

6. Zajem posnetkov • Pri polni ločljivosti DV mora disk poskrbeti vsaj za 3,5 MB/s prenosa ( DVCPRO 50 MB/s prenosa). • Do izraza pride velikost trdih diskov in potreba po ločenem disku od sistema. • V poštev pridejo diski IDE, predvsem standard Ultra ATA66 in Ultra ATA100. • Zaželeni so tudi SCSI diski, ki so hitrejši in manj obremenjujejo procesor. Zaželena so tudi diskovna polja RAID.

7. Obdelava posnetkov • Obdelava posnetkov je povezana z različnimi programskimi orodji, ki imajo različne zmogljivosti, ceno, hitrost, različno obremenjujejo procesor … • Obdelavo lahko izvajamo na običajnih PC računalnikih, boljše rezultate prinašajo posebne grafične postaje (npr. Matrox ali Canopus Pinnacle). Te imajo lastno digitalno kartico, procesno enoto in seveda ustrezno programsko opremo. • Posebne kartice omogočajo hitrejše izračunavanje podanih učinkov in delajo v realnem času.

8. Shranjevanje posnetkov • Možen je zapis na trdi disk, CD, DVD … odvisno od potrebe. • Zelo pogosto po obdelavi podatkov le-te vrnemo nazaj na trak videokamere, saj veliko količino podatkov pri popolni kakovosti tako najlaže obvladujemo. • Za zapis na CD oz. DVD je potrebno podatke stisniti.

9. Cenejši in dražji sistemi za obdelavo videa • Glavna razlika je v kakovosti obdelanega materiala. • Dražji sistemi video praviloma obdelujejo v nestisnjeni obliki, kar zahteva hitre prenose in velike diske. • Posledično so tudi cene storitev na obeh sistemih sorazmerne s ceno strojne in programske opreme.

10. Digitalen zapis video vsebine • Digitalni video je sestavljen iz digitalno zapisanega zaporedja slik ali okvirjev (frames). Č A S

11. Problem količine podatkov • Koliko podatkov potrebujemo za zapis ene sekunde videa pri velikosti slik 720 × 576 (PAL resolucija)? 720 × 576 = 414720 p/f 414720 p/f * 3 B/p = 1244160 B/f (1,18 MB/f) 1244160 B/f * 25 f/s = 31104000 B/s 29.6 MB/s • Za zapis 90 min videa potrebujemo: 156 GB.

12. Stiskanje videa • Stiskanje izkorišča redundanco podatkov. • Stiskanje videa opravi kodek: • (compressor/decompressor), • je implementacija algoritma, ki opravi stiskanje/razširjanje avdio ali video podatkov, • večina algoritmov stiska z izgubami in • razmerje stiskanja je do 25:1. • S stiskanjem lahko nadzorujemo dolžino videa (ali podatkovni tok). • Vrste stiskanja: • zaznavno, • prostorsko in • časovno.

13. Zaznavno in prostorsko stiskanje • Poznano iz stiskanja samostojnih slik. • Zaznavno stiskanje: • človek je za nekatere zaznavne komponente manj občutljiv (primer: človek je bolj občutljiv na spremembe v svetlosti, kot barvi), • zmanjšamo količino podatkov, ki opisujejo te komponente (primer: podatek o svetlosti podamo za vsako točko, medtem ko podatek o barvi podamo za štiri sosedne točke skupaj). • Prostorsko stiskanje: • izkorišča podobnost znotraj posameznih slik.

14. Časovno stiskanje:učinkovit zapis zaporedja slik • Izkorišča podobnost med sosednjimi slikami. Slika 1 Slika 2 Slika 3 Sosednje slike med seboj navadno le malo razlikujejo. Razlika med sliko 1 in 2 Razlika med sliko 2 in 3

15. Zapis videa z razlikami • Zaporedje med seboj podobnih slik lahko učinkovito zapišemo z zaporedjem razlik med sosednjimi slikami. ključna slika (keyframe) delta slika (delta frame) delta slika (delta frame) ... K D D D D D D D D D K D D

16. Za odkodiranje delta slike moramo odkodirati vse zaporedne delta slike pred njo. Morebitne napake zaradi stiskanja se kopičijo. Značilnosti časovnega stiskanja Pri delta slikah namesto vseh podrobnosti zapišemo samo razlike do prejšnje slike. Zato občasno zapišemo ključno sliko z vsemi podrobnostmi. pogoste ključne slike redke ključne slike naključni dostop zaporedni dostop ni nakopičenih napak vpliv nakopičenih napak daljši zapis krajši zapis

17. Nekaj razširjenih kodekov (1) • Cinepak • blokovno orientirano, prostorsko in časovno stiskanje z izgubo • vsebuje omejevanje potrebne pasovne širine (data rate limiting) • asimetričen: stiskanje je veliko daljše od razširjanja • zelo dobro se obnese pri videu, ki vsebuje veliko gibanja • pretok 0.1-4 Mb/s, resolucija 160×120-640×480

18. Nekaj razširjenih kodekov (2) • Indeo 3.2 • blokovno orientirano, prostorsko in časovno stiskanje z izgubo • vsebuje omejevanje podatkovnega toka • asimetričen: stiskanje vendarle hitrejše kot pri Cinepak • boljši od Cinepak pri videu z malo gibanja • pretok 0.1-4 Mb/s, resolucija 160×120-320×240

19. Nekaj razširjenih kodekov (3) • M-JPEG • video priredba JPEG standarda • blokovno orientirano stiskanje z izgubo (uporablja DCT), stiskanje okoli 5:1 • ni časovnega stiskanja • primeren za urejanje videa • ni skupnega standarda (nezdružljive verzije) • odlična kvaliteta, vendar slabo stiskanje • pretok 1-10 Mb/s, resolucija 160×120-720×576

20. Nekaj razširjenih kodekov (4) • MPEG-1 • načrtovan za do 30 f/s pri 352×240 predvajanje kakovostnega videa iz pasovno omejenega vira • blokovno orientirano, prostorsko in časovno stiskanje z izgubo (uporablja DCT), stiskanje do 25:1 • Kot stranski produkt tega zapisa je nastal MP3 • uporablja dve vrsti delta slik • P slike (razlika od predhodne slike) • B slike (razlika od predhodne in do naslednje slike) • B slike dobimo z interpolacijo (izredno učinkovito) • pretok 1,5 Mb/s, resolucija 352×240 (sedaj več)

21. Nekaj razširjenih kodekov (5) • MPEG-2 • nadgradnja MPEG-1; stiska do 50:1 • načrtovan za do 60 f/s pri 720 x 576 (PAL)predvajanje kakovostnega videa iz pasovno širokega vira • blokovno orientirano, prostorsko in časovno stiskanje z izgubo (uporablja DCT) • odlična kvaliteta, vendar računsko zelo zahteven • pretok 1.5 – 100 Mb/s, resolucija do 720 x 576

22. MPEG 4 - ISO/IEC 14496 • Ponovna nadgradnja – stiska do 500:1 • Zahteva veliko procesorske moči za obdelavo v realnem času. • Naslednik je MPEG 7, ki predstavlja še dodatne nadaljnje korake.

23. Nekaj razširjenih kodekov (6) • Sorenson • RealVideo • MPEG-4 • H.261/H.263 • DivX

24. DivX • Splošna uporaba MPEG-4 se je začela pri francoskem video inženirju in filmskem zasvojencu Jeromu Rotu, znanim pod psevdonimom Gej, ter nemškim hekerjem s psevdonimom Max Morice. Skupaj sta sestavila zbirko kodirno dekodirnih protokolov in jo imenovala DivX. • Toda kodek, standardizirana programska datoteka s kodirnim in dekodirnim protokolom, ki omogoča zapisovanje in predvajanje videa je zrasel na tujem, Microsoftovem drevesu.

25. Jerome Rota pa je skupaj z nemškim prijateljem ukradeni kodek predelal tako, da ga lahko zdaj uporablja kdorkoli za prepisovanje filmov v digitalni zapis DivX. • zbirka protokolov omogoča trenutno le obdelavo video signala, medtem ko je zvok še vedno shranjen v zapisu MP3, kar vseeno zadošča za shranjevanje celotnega filma na enem samem CD-ROM-u.

26. Dejavnik velikosti slik • Primer: če razpolovimo število vrstic in stolpcev, se nam velikost videa zmanjša na četrtino.

27. Dejavnik števila slik na sekundo 24 f/s • tipične vrednosti so 30 (NTSC), 25 (PAL), 24 (film) • Pri občutno nižjih vrednostih se pojavi izguba občutka tekočega gibanja. • V nekaterih primerih (video preko interneta) se moramo zadovoljiti tudi z nižjimi vrednostmi. 12 f/s

28. Standard DV • digitalni naslednik analognih hišnih (VHS) in pol-profesionalnih (SVHS, HI-8) video sistemov. • v osnovi format avdio-vizualnih podatkov • kodiranje podatkov o svetlosti in barvi • format kodiranih podatkov • stiskanje podatkov • fizičen zapis na medij je odvisen od sistema (DV, DVCAM, DVPRO, Digital 8)

29. Prednosti standarda DV • resolucija (število vrstic): • VHS, 8mm: 250 • S-VHS, Hi-8: 400-420 • DV: > 480/576 (NTSC/PAL) - primerljivo z Betacam • boljša barvna reprodukcija • avdio • 1 × 16bit @ 48kHz stereo ali 2 × 12bit @ 32kHz stereo • razpoložljivost dodatnih podatkov • časovna koda, index, datum in ura • enostavna in kvalitetna digitalna povezljivost z računalnikom

30. DV: Od svetlobe do digitalnega zapisa svetloba CCD pretvorba v YCRCb vzorčenje4:1:1 (NTSC) 4:2:0 (PAL) stiskanje (5:1)v osnovi DCT prostorsko zapis na medij (trak)

31. DV sistemi

32. DV in IEEE 1394 • IEEE 1394 omogoča povezljivost DV opreme med seboj, z drugo multimedijsko opremo ali z računalnikom. • je komunikacijski protokol za hiter prenos podatkov na kratke razdalje (12,5/25/50 Mb/s) • znan je tudi kot FireWire (Apple) ali i.LINK (Sony) • računalnik potrebuje IEEE 1394 vmesnik • Vse DV kamere imajo IEEE 1394 izhod, nimajo pa vse IEEE 1394 vhoda (navadno tiste kupljene v EU).

33. Digitalna video produkcija • snemanje/izdelava video posnetkov • zajem posnetkov • urejanje videa • kodiranje/stiskanje končnega videa • distribucija

34. Tipični scenariji video produkcije IEEE 1394 DV kamera/rekorder IEEE 1394 DV DV kamera/rekorder MPEG1 S-Video analogna kamera/rekorder zajem trdi disk, CD, VCD composite kodiranje AVI USB PC kamera urejanje video strežnik Real DVD MPEG2 rač. animacija ...

35. Snemanje/izdelava in zajem video posnetkov • snemanje • digitalno (DV) • visoka kvaliteta • enostaven in kvaliteten zajem (digitalna kopija) • analogno (VHS, S-VHS) • slabša kvaliteta • kvaliteta zajema odvisna od vmesnika (capture card) • PC kamera • slabša kvaliteta • zajem je trivialen (preko USB) • Izdelava • računalniška animacija

36. Urejanje videa • DV z računalnikom omogoča • linearno urejanje (klasično, zaporedno) • nelinearno urejanje (urejanje z naključnim dostopom) • freeware programi za enostavno urejanje • VirtualDub • TMPGEnc • bolj napredni • Adobe Premiere

37. Kodiranje in distribucija videa • kodiranje • izbira in ustrezna parametrizacija kodeka • odvisno je od distribucije • disribucija • DV (analogna) kaseta • CD, VCD • DVD • spletni strežnik

38. DV je video za množice! • Pred DV-jem je bila video produkcija dosegljiva le redkim: • draga oprema • zahtevna oprema • nedostopna distribucija • DV omogoča celotno video produkcijo vsakomur.

39. Literatura • Marko Privošnik: Uvod v digitalni video, Fakulteta za računalništvo in informatiko Univerze v Ljubljani • www2.arnes.si/~jahtik/ fax/FAX/2/IT/IT-digitalni_video.doc