Datové formáty videa a jejich využití Pavel Čejka, Michaela Koucká
Obsah > > > > > >
Úvod Základní vlastnosti Komprese Kontejnery Analogové video Kodeky
Úvod Video:
> technologie zaznamenávající a přehrávající sérii po sobě jdoucích snímků > 3 definovatelné vlastnosti- formát kontejneru, komprese videa a obrazu > uchovává se na paměťových médiích > generace
> digitální a analogové Snímek > obrazy (frames) se dělí na klíčové (keyframe) nebo neklíčové ( deltaframe)
Základní vlastnosti > > > > > >
snímková frekvence prokládání datový tok rozlišení poměr stran komprese
Základní vlastnosti > snímková frekvence > udává počet snímků za jednotku času, důležitá pro plynulost videa > dle normy používané v ČR 25 snímků za vteřinu > prokládání > způsob, kterým běžné televize vykreslují obraz (rozdělení na sudé a liché řádky) > problém s displeji, pouze CRT obrazovka správně zobrazuje – jinak bez prokládání
Základní vlastnosti Prokládání - interlacing
Základní vlastnosti Porovnání – interlaced x progressive scan
Základní vlastnosti >
>
datový tok >
počet dat, která se přenesou za jednotku času (kbps, Mbit/s)
>
určující prvek kvality ( ale záleží na kompresi, rozlišení a snímkové frekvenci)
>
konstantní vs variabilní
rozlišení >
>
závisí na druhu videa >
digitální – v pixelech na výšku a šířku
>
analogové- dle řádků ( 576)
poměr stran
>
poměr stran vodorovné a svislé čáry ( 4:3 a 16:9)
Rozlišení
Komprese > zmenšení velikosti pro ukládání díky snížení objemu dat nebo datového toku při co nejnižší viditelné degradaci obrazu dělení I. - intraframe a interframe > v rámci snímku- komprese provedena na aktuálním snímku, vlastně obrázková komprese (Prores 422, 4444), větší velikost > DCT= diskrétní kosínová transformace (JPEG)komprimovaní po blocích 8x8 pixelů, 6 bloků= makroblok)
Komprese > mezi snímky- zjišťování a ukládání rozdílů mezi snímky (MPEG-4, H.264) > GOP= group of pictures- začíná a končí itraframe snímky > P- snímky- předpověď pohybu objektů, B- snímky- rozdíl mezi intraframe a P-snímky > wavelet- komprimuje pomocí překrývání, menší degradace, náročnější
Komprese Klíčové a neklíčové snímky
Bezztrátová komprese > výsledekem je identický obraz ( omezené snížení dat, max. ¼ původní velikosti) > umožňuje zpětnou obnovu původních dat
> nejpoužívanější : HuffYUV, Lagarith, FFV1, CorePNG nebo MSU Lossless, také Snow a MPEG4 AVC
Ztrátová komprese zmenšování objemu dat, kdy se některé méně důležité informace ztrácejí a již nejdou obnovit (nedokonalost lidských smyslů) MJPEG – sekvence JPEG obrázků, každý samostatný záběr (zaručená kvalita a určená úroveň komprese- větší video ve výsledku), digitální a IP kamery, snadnost střihu H.263 – zmodernizovanější verze H.261, původně navrženo pro videokonference díky regulovatelnému toku dat v závislosti na síti, snížená kvalita u pohybujících se objektů THEORA- součást projektu Ogg, používaný příznivci opensource a Linuxu, problém uživatelům způsobuje shodnost videa se stejnou koncovkou hudby ve formátu Ogg Vorbis VC-1/ WMV3 – produkt společnosti Microsoft, možnost použití na BD a HDD DVD, ale není zdaleka tak rozšířený, i když pracuje na stejném principu jako MPEG-4 DV – na vývoji se podílelo 10 firem, postupně další , pracuje na velmi podobném principu jako MJPEG, u DV formátu nelze nastavit kompresní poměr, je konstantní přibližně 1:10, datový tok je 25 Mbps, základní formát pro střih videa, podporují jej všechny video editory
Ztrátová komprese MPEG-1 od 1993 na CD, kódování pohyblivého obrazu a přidruženého zvuku, zachovává rozumnou kvalitu videa
MPEG-2 od 1995 použití na DVD, vyšší přenosová rychlost od 1,5 Mbitu/s až do 15 Mbitů/s, používá se pro televizní vysílání ( 6Mbitů/s)
MPEG-3 – sloučen s MPEG 2, původně pro HDTV MPEG-4 od 1998, rozšíření původních MPEGů, kódování audiovizuálního obsahu s velmi nízkým bitratem, především na webu
MPEG-7 pro popis dat s multimediálním obsahem (neříká, jak data kódovat), možnost vyhledání multimediálních dat dle klíče
Kontejnery umožňují ukládat video a zvuk do jednoho souboru (jednotlivé druhy dat v souboru jsou streamy), synchronizace neříká nic o vnitřní kompresi uložených dat, ta je určena kodekem pro přehrání kontejneru používáme příslušný splitter liší se podle schopnosti pojmout různá multimediální data FourCC – kód 32 bitů - slouží k identifikaci audio a video stop - široce podporován
Kontejnery MKV soubor:
Kontejnery >
AVI- Audio Video Interleave > nejrozšířenější kontejner pro video, od Microsoftu z roku 1992 (poněkud zastaralý) > původně bez komprese v rozlišení 160× 120 bodů při 15 snímcích/ s, max. 2 GB velikosti výsledného souboru – padlo s FAT32 > postupné rozšiřování a modernizování (Xvid, Dix) > soubor se nedá přehrát pokud není úplný > není možné vkládat titulky ani kapitoly > kompatibilta přehrávání pod rúznými OS > přípony .avi
Kontejnery >
MPEG PS- Program Stream > využívá video komprese MPEG-1 a MPEG-2, široce podporován > neobsahuje indexovou tabulku ( na rozdíl od AVI), synchronizován časově > využíván jako hlavní formát pro DVD ( díky bezchybnosti dat) > přípony .mpg, .vob, .evob
> MPEG TS- Transport Stream > primárně určen pro digitální vysílání, ale i pro BD, využívá MPEG2 a MPEG-4 kompresi > nezaručena bezchybnost dat > Video lze přehrávat, aniž by byl stažen celý soubor > přípony .ts, .m2ts, .MTS
Kontejnery MP4 součástí MPEG-4 standardu, postaven na kontejneru MOV od Apple různé video komprese využívá se v mobilních telefonech, fotoaparátech i kamerách přípona .mp4
MKV- Matroška nejnovější druh platformě otevřeného kontejneru, hlavně pro HD video popis vnitřní struktury je založen na popularitě jazyka XML, dělení na segmenty a sekce ( každá nese jiný druh dat), propracovaný zatím chybí podpora SW pro editaci přípona .mkv
Kontejnery ASF- Advanced Systems Format produkt firmy Microsoft, hlavně pro internetové vysílání pracuje s daty jako s objekty nevýhodou je uzavřenost, systémové rozhraní DirectShow přípony .asf, .wmv
QuickTime konkurence od Apple z začátku 90. let pracuje s daty jako s atomy ( rozdělení na dále nedělitelné bloky dat) přípony .mov, .qt
RealMedia pracuje s objekty ( internetové vysílání) procuje s proměnným tokem a v případě poškození či nedodání některého z objektů jej přeskočí a přehrává dál přípona .rm
Analogové vysílání
PAL >PAL = Phase Alternating Line >Počet řádků v obraze 625, 30 frames/sec, obrazová frekvence 50 Hz >“střídání fáze” - přepínání fáze jedné ze dvou barvonosných informací ve dvou po sobě jdoucích řádcích >Úplný signál rozdělen na jasovou složku a dva rozdílové signály barvy a jasu, určující sytost a tón barvy
NTSC >NTSC = National Television System Committee >První americká soustava pro přenos barevného televizního signálu >455 řádků, 30 frames/sec, frek. 60 Hz >Funguje na podobném principu jako PAL >Barvonosná frekvence vzdálena od signálu jasu méně, zkreslení signálu během přenosu → zkreslení barevného tónu a sytosti barvy
SECAM > > > >
SECAM = Séquentiel couleur à mémoire 625 řádků, 25 frames/sec, frek. 50 Hz Informace o barvách se přenášejí postupně Úplný signál je rozdělen na jasovou složku, dvě barevné informace a jeden rozdílový barvonosný signál, který určuje sytost a tón barvy > Další podstatné rozdíly oproti ostatním TV normám jsou v potřebné šířce přenosového kanálu, nosných kmitočtech, způsobu modulace atd.
Kodeky >“kodér a dekodér” >Slouží ke kódování nebo dekódování datového proudu >Především za účelem zmenšení objemu dat >Lze nakonfigurovat datový tok, kvalitu, rychlost komprese >Dělíme na ztrátové a bezztrátové
Kodeky Bezztrátové – vhodné pro následné zpracování videa
Snížení velikosti nekomprimovaného videa bez znatelné degradace obrazu
>
>
nižší kompresní poměr (většinou 1:2)
Ztrátové – ideální pro finální kompresi >
Snaha o co největší kompresi
Lidské oko není dokonalé a zkreslení obrazu v určité míře nepostřehne
>
Bezztrátové kodeky HUFFYUV >GPL licence >ke kompresi videa využívá Huffmanova kódování >výhodou je rychlá komprese i dekomprese, menší paměťové nároky a volné používání >nevýhoda: nízký kompresní poměr >od roku 2002 nevyvíjen
>FFV1 – oproti HUFFYUV vyšší kompresní poměr
Bezztrátové kodeky LAGARITH >GPL licence, nástupce kodeku HUFFYUV >oproti HUFFYUV lepší komprese, ale nižší rychlost >podpora paralelního (multivláknového) zpracování >podpora mnoha barevných modelů (RGB24, RGB32, RGBA, YUY2 a YV12) >nepoužívá predikci mezi jednotlivými snímky – každý snímek je zakódován odděleně (tzv. klíčové snímky), což ulehčuje střih, spojování a posouvání ve videu
Bezztrátové kodeky LCL >Lossless codec library >dva freewarové kodeky - AVIzlib a AVImszh >pracují s barevnými modely RGB a YUV >AVIzlib umožňuje volbu kompresního algoritmu (komprese vs. rychlost) >AVImszh je určený ke kompresi digitální animace
Ztrátové kodeky DivX >používá standardní kompresi MPEG-4 ASP >kvalitní komprese filmů na výrazně menší velikost >velmi oblíben, díky čemuž je i podporován většinou DVD přehrávačů >aktuální verze dostupná zdarma obsahuje: DivX Player, DivX comunity codec, DivXweb player >placená navíc: DivX conventor a možnosti využití více vlastností ze základního balíku
Ztrátové kodeky Xvid > dříve XviD > používá standardní kompresi MPEG-4 ASP >navázal na OpenDivX >multiplatformní >široká konfigurovatelnost kodeku >soubory zakódované Xvid mohou být přehrány DivX >kodek podporuje libovolné rozlišení až do velikosti obrazu 1920×1088 bodů
Ztrátové kodeky FFmpeg MPEG-4 >zahrnuje libavcodec -nejdůležitější knihovna pro kompresi videa >vyvíjen pro Linux, ale může být zkompilován i do jiných OS >MPEG-4 ASP kodek FFmpegu plně podporuje dekódování videa kódovaného všemi běžnými MPEG-4 kodeky jako je DivX nebo Xvid
Ztrátové kodeky Windows Media Video >kodeky WMV vyvinula firma Microsoft jako odpověď na úspěch formátů QuickTime a RealVideo >při kompresi udržuje datový tok (některé snímky může zahazovat, a nebo tok vyplňovat nadbytečnými informacemi) >aktuální verze umí pracovat s videem standardu VC-1 (alternativa k MPEG-4)
Streaming >Stream >Základní část multimediálního souboru (video, zvuk, titulky,...) >V jednom souboru může být více streamů stejného typu (např. vícejazyčné titulky)
>Streaming >Technologie kontinuálního přenosu audiovizuálního materiálu mezi zdrojem a koncovým uživatelem
Streaming >Webcasting >Streamování prostřednictvím internetu >V reálném čase (internetové televize a rádia) >Video On Demand (YouTube) >Provozovatel musí mít k dispozici kromě obsahu také streamovací server, který zajišťuje komunikaci s cílovými počítači a plynulé vysílání dat
Převody mezi formáty videa > Časově a výpočetně náročný proces > Převádí se při potřebě snížení velikosti, nebo podpoře jiného formátu > Existuje řada programů > Format Factory
> Freeware > 3gp, mpg, mkv, flv, swf, mp4, > avi, wmv, rmvb,vob,mov > Velmi široké spektrum možností nastavení
Děkujeme Vám za pozornost.
