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家庭数字视频档案
快乐的摄像机拥有者迟早会面临保存他拍摄的胶片的问题。 其显而易见的解决方案——将电影存储在录像带上——是最简单的，但并不总是最有效的。 首先，胶片的磁性层会随着时间的推移而崩溃，因此，您亲爱的关于孩子第一步的电影可能无法保存到孩子的婚礼上。 其次，磁带的成本，尤其是迷你DV格式，对于俄罗斯人的钱包来说非常敏感，我想将其数量限制在原始拍摄本身的需要（三到五张）。 第三，它们并不小，你仍然需要一个特定的地方来存放大量的磁带。 最后，最后一个论点与计算机编辑有关。 事实上，很少有人对捕获的“原始”视频素材感到满意 - 它通常需要后期处理：“修剪”不必要的片段，重新排列并平滑地将成功的场景粘合在一起，并在它们之间建立有效的过渡，覆盖标题，打开屏幕保护程序等等。所有这些操作对于现代家用计算机来说都是相当有能力的。 只需在其中安装适当的板和数字视频编辑程序即可，例如，从 miroVideo Studio 10plus 和 AverMedia MV-300 套件中安装。 由于处理过程之前是将源视频转换为数字信号并将其记录在计算机硬盘驱动器上，并且由于您的视频已获得计算机数字形式，因此以相同的形式存储它是合理的，特别是如果在未来，在创作新的电影时，你不会打算使用被移除的材料一次。 简而言之，在紧凑、耐用且廉价的介质上以数字形式存档视频面临着挑战。 当然，我希望视频质量尽可能高，但这个愿望与最小化成本的要求相冲突。 此外，质量的概念本身及其评估都是非常主观的。 为了寻求合理的折衷方案，我们将依靠各种磁带记录格式的消费类摄像机提供的视频质量分类。 非常粗略地，这里可以区分三个级别：标准视频（VHS、C-VHS、Video8）、超级视频（SVHS、C-SVHS、Hi8）和数字视频（DV、mini-DV、Digital8）。 为了简单起见，我们将它们进一步表示为Video、S-Video和DV。 从数量上讲，它们通常以水平分辨率（一行中区分的元素数量 - 电视行）为特征。 据信，Video 提供高达 280 线的分辨率，S-Video - 高达 400 线，DV - 至少 500 线。 需要注意的是，一个电视帧（以下简称 PAL 标准）包含 576 条活动线路（总共 625 条，但其中一些是服务线路），并且根据国际专业电视的 ITU-R BT.601 推荐ITU-国际电信联盟）每行包含720个独立样本。 因此，电视帧是 720 x 576 矩阵，可实现的最大分辨率限于 700 线。
众所周知，电视信号是亮度信号 - Y 和两个色差信号 - U 和 V 的组合。它们的值的变化允许 256 个灰度级（Y 从 0 到 255，Y 从 -128 到 127）。 U/V），在微积分中以二进制形式对应于 8 位或 1 个字节。 理论上，每个帧元素都有自己的YUV值，即需要3个字节。 这种表示形式（其中亮度信号和色度信号都具有相同数量的独立值）通常称为 4:4:4。 然而，已经发现人类视觉系统对颜色空间变化的敏感度不如对亮度变化的敏感度。 并且在没有任何明显的质量损失的情况下，每行中的颜色计数可以减半。 专业电视采用的正是这种称为 4:2:2 的表示法。 在这种情况下，U和V矩阵减少到360 x 576，并且为了传输每个帧样本中电视信号的完整值，2个字节就足够了（通过样本交替独立的U和V值）。 但出于消费者视频的目的，将垂直颜色分辨率降低一半被认为是可以接受的，即转到 4:2:0 视图。 这将颜色矩阵减少到 360 x 288，并将每个样本的字节数减少到 1,5。 这正是融入数码相机 DV 格式的想法。 因此，考虑到电视帧速率为25 Hz，我们得出的结论是，一秒4:2:2表示的数字视频需要20字节（736 x 000 xx 25 x 2），即一个数据流为720 MB/s（MBps - 兆字节每秒），但 576:21:4 表示将流量减少 2% - 至 0 MB/s。 记录此类流在技术上是可行的，但其复杂、昂贵且后期处理效率低。 在实践中，需要显着减少流量，即我们被迫使用各种类型的压缩。 有许多已知的算法可以在不丢失信息的情况下执行压缩，但即使是其中最有效的算法也不能对典型图像提供超过两倍的压缩。 在有损算法中，最著名的一种是M-JPEG（Motion-JPEG）。 它来自数字摄影，以 JPEG 的名称开发，用于有效压缩单个帧（JPEG 是批准它的国际协会联合摄影专家组名称的缩写）。 运动只是反映了它对帧序列的应用，尽管每个帧都是完全独立处理的。 在此算法中，帧被分为大小为 16 x 16 的块，每个块都通过离散余弦变换 (DCT) 转换到频域。 结果，亮度和色度信号的分布（采用4:2:2表示）变成相应的频率系数，然后对其进行量化（按指定间隔对值进行舍入）。 DCT本身不会导致数据丢失，但系数的量化会导致图像粗糙化。 量化操作以可变间隔执行 - 低频信息传输最准确，因为相应的图像失真在视觉上最明显。 同时，许多负责图像“精细”细节的高频系数在其后面取零值。 因此，JPEG 压缩会导致有效分辨率降低，并可能出现微小的错误细节（特别是在块边界处），但会显着压缩数据流。 权衡是显而易见的：压缩越多，质量越低。 已确定视频级别对应于约 2 MB/s 的 M-JPEG 流、S-Video - 4 MB/s 和 DV - 3,1 MB/s。 乍一看，这里存在一个悖论：分辨率低于 DV 的 S-Video 信号，却需要更大的码流。 解释很简单：事实上，DV 编码与 M-JPEG 略有不同。 因此，DV 使用 4:2:0 表示，比 4:2:2 节省 25%。 嗯，最重要的是，DV 转换算法使用基于量化表自适应选择的更灵活的压缩方案。 图像中不同块的压缩比有所不同：对于无信息的块（例如，在图像的边缘），压缩比会增加，而对于具有大量小细节的块，相对于图像的平均水平，压缩比会减小。 因此，在相同质量的情况下，数据量减少约15%。 DV 信号的一个特征是恒定的、标准指定的 25 Mbit/s（Mbps - 兆比特每秒）视频数据流，即大约 5:1 的固定压缩比。 通过切换到 MPEG 压缩算法（MPEG - 运动图像专家组）可以进一步减少数据量。 它从根本上专注于处理帧序列，并使用由小时间间隔分隔的图像中的高冗余信息。 事实上，相邻图像之间通常只有一小部分场景发生变化，例如，一个小物体在固定背景上平滑移动。 在这种情况下，只需选择性地保存有关场景的完整信息 - 用于参考图像； 对于其余的，仅传输差异信息就足够了：关于对象的位置、位移的方向和大小、新的背景元素（当对象移动时在对象后面打开）。 此外，这些差异不仅可以在与先前图像的比较的基础上形成，还可以在与后续图像的比较的基础上形成（因为在这些图像中，当物体移动时，先前隐藏在物体后面的部分背景会显露出来） 。 因此，在 MPEG 编码中，从根本上形成了三种类型的帧： I（帧内）- 充当参考帧并保留有关图像结构的全部信息； P（预测）——携带与前一帧相比图像结构变化的信息（类型I或P）； B（双向）-仅保存有关与先前和后续图像的差异的最本质部分的信息（仅I或P）。 I 帧以及差异 P 帧和 B 帧的后续压缩概念与 M-JPEG 类似，但与 DV 一样，具有量化表的自适应调整。 特别是，这使我们能够将 DV 信号描述为具有给定固定流（压缩比）的 I 帧 MPEG 序列的特例。 I、P、B 帧序列被组合成长度和结构固定的帧组 - GOP（图片组）。 每个 GOP 必须以 I 开始，并以一定的间隔包含 P 帧。 其结构描述为M/N，其中M是组中帧的总数，N是P帧之间的间隔。 因此，Video-CD 和 DVD IPB 的典型组 15/3 的形式为 IBBPBBPBBPBBPBB。 这里，每个 B 帧是从周围的 P 帧（在组的开头和结尾 - 从 I 和 P）重建的，反过来，每个 P 帧是从前一个 P-（或 I-）重建的框架。 但 I 帧是自给自足的，可以独立于其他帧进行恢复；它们是该组中所有 P 帧，尤其是 B 帧的参考。 因此，I 的压缩程度最低，B 的压缩程度最高。 已经确定典型的P帧的大小是I的1/3，B是1/8。 因此，与仅 I 帧序列相比，MPEG IPPP 序列 (GOP 4/1) 所需的数据流（具有相同质量）减少了一倍，并且使用 GOP 15/3 可以实现四个倍压缩。 综上所述，我们得出评价表（见表1）。 作为参考，它包括表征 Video-CD 和 DVD-Video 光盘上录制的电影质量的视频数据流值。 对这些记录格式的讨论超出了本材料的范围；我们计划在下一期期刊中考虑它们。 总结 MPEG 的故事，有必要强调的是，该算法允许许多其他编码参数的变化，特别是空间分辨率。 从这一点来看，MPEG-1 和 MPEG-352 之间存在区别，前者将帧大小限制为 288 x 2，后者允许各种分辨率级别（包括 352 x 288），但以 720 x 576 为主要分辨率。一、严格来说，MPEG-1是MPEG-2的有限版本。 然而，指定的视频分辨率为 280 线意味着使用此限制。 还需要强调的是，随着我们转向更深的压缩方案：从 M-JPEG 和 MPEG 422 I-only 到 MPEG 420 IPB，编辑结果序列的过程变得更加复杂。 目前，人们认为，在没有额外质量损失的情况下，具有帧精度的成熟编辑只能达到 MPEG IPPP 422 级别，并且只允许最简单的操作（修剪/拼接，甚至是组精度）。 从上面可以看出，对于视频存档，建议采用数字数据的 MPEG 压缩 (420 IBP 15/3)，对于 VHS/Video8 级别的电影录制，建议采用 1-2 Mbit 流的 MPEG-3 /s 就足够了，对于 SVHS/Hi8 和 DV 要求 MPEG-2 的流至少为 5 Mbit/s。 从实用的角度来看，MPEG 压缩的软件和硬件实现都是可能的。 最著名的共享软件程序是 XingMPEG Encoder (xingtech.com)。 它允许您从 AVI 文件获取 MPEG-1 序列（例如，由非线性编辑板之一捕获的 M-JPEG 流）。 但由于压缩算法的复杂性，这个过程需要大量的计算资源。 因此，在 Pentium II 350 MHz 上，以 3 Mbit/s 的给定流对每分钟视频进行转码需要大约 15 分钟的计算。 必须承认，这确保了生成的视频的高质量。 硬件编码器提供实时 MPEG 电影：将模拟视频信号提供给其输入，并将完成的 MPEG 文件写入硬盘驱动器。 如今，有大量不同的设备可提供 MPEG-1 压缩。 它们可以作为外部单元通过 LPT 端口（AverMedia MPEGWizard、Pinnacle Systems STUDIO MP10、Videonics Python）或内部板（VITEC Multimedia RT6、Darim MPEGator、Data Translation Broadway）连接到计算机。 至于MPEG-2压缩设备，他们的选择还是很有限的。 在真正实惠的产品中，值得注意的是 miroVideo DC1000。 虽然在初始数字化阶段仅限于 422 IP 压缩类型，就压缩程度而言并不是最有效的（但提供具有帧精度的复杂视频编辑），但它允许将结果序列进行软件和硬件转换为MPEG-2 420 IPB 15/3。 尤其是后者，是准备 DVD 视频的基础，例如使用 Minerva DVD Authoring 软件（对 miroVideo DVD1000 套件的 DC1000 的补充）。 表中图 2 提供了其中一些设备的简要特性以供参考。 是时候弄清楚将数字视频存档放置在什么紧凑媒体上了。 由表可知如下。 1、一小时的视频，即使采用最有效的压缩方法和视频质量，也相当于 1 GB 的数据量，S-Video 质量为 2 GB，DV 约为 3 GB。 有了这样的值，严格来说，选择并不大——这是可刻录 CD 的选项之一。 更准确地说，它可以是 650 MB CD-R、2,6 GB DVD-RAM、3,0 GB DVD-RW 或 3,9 GB DVD-R。 此外，4,7 GB DVD-R 预计很快就会出现，使您能够刻录与 DVD 视频 XNUMX% 兼容的光盘。 不幸的是，相应记录设备的成本增长速度明显快于可用容量的增长速度（几乎呈指数级增长）。 如果今天一张CD-R只需250-300美元就能买到，而一张空白光盘的成本还不到2美元，那么最有前途的DVD-R的价格超过6美元，这显然不适合家庭使用使用。 公平地说，值得强调的是，由于计算机技术发展的总体趋势，我们可以预期在未来一两年内价格将出现革命性的下降。 毕竟，第一批 CD-R 设备的价格最初也以数千为单位。 我们必须警告您不同 DVD 格式的不兼容性。 但幸运的是，它们都支持读取级别的 CD-R、DVD-ROM 和 DVD-Video 光盘。 因此，在当前条件下，归档问题最合理的解决方案可以基于使用：
作者：Andrey Ryakhin，基于 digitalvideo.ru
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