Kitobni o'qish: «Видео на вашем компьютере: ТВ тюнеры, захват кадра, видеомонтаж, DVD»

Введение

Устройства ввода в компьютер невербальной (не буквенно-цифровой) информации еще совсем недавно казались экзотикой, затем – весьма дорогостоящими излишествами, и только в последние годы стали будничной реальностью. Все последствия появления у ПК «глаз» и «ушей», наверное, невозможно вообразить. Вероятно, кто-то из вас, дорогие читатели, хотя бы раз испытал радость встречи на видеоконференции с друзьями и коллегами, которые уже давно там, куда доехать все никак не хватает времени или (и) денег. Другие, возможно, совсем недавно делали ко дню рождения шефа коллаж, «усаживая» его в роллс-ройс, найденный на одном из «митинских» компакт-дисков. Фрагменты «живого» видео в компьютерных играх уже никого не удивляют. С другой стороны, ввод видеоинформации является естественной частью многих проектов, которые сейчас кажутся почти фантастическими, но наверняка будут реализованы быстрее, чем мы это предполагаем. Это, например, «интеллектуальный дом», послушный почти что мановению руки своего хозяина, или недремлющий электронный сторож, умеющий отличать зашедшего в гости соседа от подозрительного незнакомца.

Конечно, данная книга ориентирована не на разработчиков новейших технологий. Она предназначена тем пользователям, для которых компьютер не просто удобная пишущая машинка. Случилось так, что их отношение к системам ввода звука и изображения принципиально различны: почти у каждого установлена звуковая карта, но записью звука занимаются в основном профессионалы. Устройства ввода изображения менее распространены, однако работа с изображениями является для компьютерного мира чем-то аналогичным политике и медицине в мире бытовом: каждый считает себя специалистом в этих областях. Конечно, ввод видеосигналов в компьютер или, другими словами, видеоввод – не единственный и на сегодняшний день даже не основной способ получения оцифрованных изображений. По распространенности этот метод безусловно уступает сканированию. Однако по вопросам сканирования и последующей обработки изображений в последнее время нетрудно найти весьма неплохую и одновременно понятную для начинающего литературу. Что же касается изданий, рассматривающих проблемы, возникающие при видеовводе, их практически нет. Легко найти информацию, относящуюся к видеомонтажу, но это лишь одно из многочисленных приложений видеоввода. В результате компьютерное видео стало одной из самых «мифологизированных» областей компьютерных технологий. Менеджерам фирм, поставляющим платы видеоввода, порой по несколько раз на дню на вопросы возможных покупателей приходится отвечать «к сожалению, это невозможно» или «такого устройства не существует». Несколько лет назад автору довелось участвовать в весьма запоминающемся «приключении», суть которого заключалась в подготовке фона для плаката формата А1 на основе кадров, полученных путем видеоввода. В конце концов, цель была достигнута, но затраченные силы, безусловно, заслуживали более достойного применения. Особую пикантность ситуации придавало то, что никаких препятствий (кроме крайнего авантюризма всех участников) для того, чтобы заснять необходимый материал на слайд, не было. Я думаю, что на подобные грабли (по просьбе клиента или по собственному… м-м… недомыслию) наступала не одна команда дизайнеров.

Одна из целей этой книги – дать ясное представление о том, что может и чего не может видеоввод, чтобы помочь избежать неоправданных затрат сил и времени.

Другая и, возможно, главная цель – помочь тем, у кого нет диплома инженера, но есть желание работать не вслепую, разобраться с процессами, происходящими при видеовводе. Естественным образом отсюда вытекает и следующая задача: показать причины возникающих проблем и способы их устранения или, по меньшей мере, как ликвидировать нежелательные последствия.

Наконец, еще одна важная цель: достаточно подробно рассказать о имеющихся на рынке устройствах для видеоввода, чтобы каждый мог выбрать то, что наиболее соответствует его задачам.

Сразу следует оговориться, что в этой книге рассматривались только устройства потребительского класса стоимостью до 1000 долларов. Профессиональная аппаратура иногда упоминается, но задача ее детального обзора не ставилась. Кроме того, «за бортом» осталось откровенно устаревшее оборудование, например платы на шине ISA. Не имелось в виду и составление полного каталога, поэтому некоторые однотипные, или, на взгляд автора, малоинтересные изделия не вошли в обзор. В отношении устройств, протестированных автором, приведены не только технические характеристики, но и даны впечатления пользователя. При описании части оборудования пришлось ограничиться информацией от производителей.

Автор заранее приносит извинения за ограниченность обзора, поскольку за время подготовки книги, скорее всего, появились новые интересные изделия и, возможно, программы.

Первая глава данной книги содержит общую характеристику систем видеоввода.

Вторая посвящена телевидению и аналоговому видео.

Третья – цифровому видео, то есть принципам оцифровки и хранения данных и наиболее распространенным форматам.

В четвертой главе приводятся описания компьютерных видеосистем основных типов: внутренних и внешних ТВ тюнеров и плат захвата кадра, устройств линейного и нелинейного монтажа, декодеров MPEG и видеомультиплексоров.

Пятая глава посвящена программному обеспечению для ввода кадров и их последовательностей, а также программным DVD– и MPEG-проигрывателям. Приемы работы по нелинейному монтажу не рассматривались, поскольку представляют собой весьма специфическую тему, достойную отдельной книги. Кроме того, этот материал рассмотрен в книге, посвященной Adobe Premiere, недавно вышедшей в издательстве «ДМК».

В шестой глава рассказывается об использовании компьютерного видео в системах безопасности и контроля

В седьмой главе представлены фирмы, производящие и поставляющие компьютерные видеосистемы и системы безопасности.

Наконец, в восьмой главе содержатся рекомендации по обработке и ретушированию изображений, полученных путем захвата кадров.

Автор приносит глубокую благодарность независимому специалисту Александру Федосееву за участие в тестировании, ведущему конструктору фирмы «Нейроинформатика» Дмитрию Суверину за ценные критические замечания по тексту книги, а также сотрудникам фирм Respect, «Мультимедиа клуб», IP Labs за предоставление оборудования для тестирования.

Глава I
Для чего необходим компьютерный видеоввод

• Каким бывает компьютерное видео

• Устройства внешние и внутренние – что выбрать

• Внутренние устройства

Компьютерный видеоввод – это модно. Однако перед тем как приступить к освоению компьютерного видео, стоит выяснить, решает ли оно именно ваши задачи. Для этого необходимо иметь представление о том, какие бывают устройства видеоввода и каковы их возможности.

Не вдаваясь в технические детали (им будут посвящены следующие две главы), мы кратко охарактеризуем основные типы систем компьютерного видео и их характеристики без упоминания торговых марок и особенностей конкретного оборудования, поэтому подготовленный читатель может эту главу пропустить.

Каким бывает компьютерное видео

Современные компьютерные видеоустройства могут использоваться для решения трех достаточно несхожих задач:

• захвата отдельного кадра. Для этого применяются платы захвата кадра (фрейм-грабберы) и цифровые фотоаппараты;

• вывода на экран телевизионных изображений. Эту задачу решают ТВ тюнеры различного исполнения;

• видеомонтажа. Этот процесс выполняется с помощью специальных плат или внешних устройств, а также цифровых видеокамер.

Какой набор оборудования следует предпочесть для решения тех или иных задач, мы разберем в этой главе чуть ниже.

Оцифровку и запись в том или ином формате отдельного изображения из видеоряда могут выполнять не только специально предназначенные для этого системы, но практически все устройства видеоввода, например платы линейного и нелинейного монтажа и ТВ тюнеры. Однако обратное утверждение неверно: не все платы захвата кадра являются одновременно ТВ тюнерами, и уж тем более нельзя при помощи простых устройств захвата кадров или ТВ тюнеров осуществлять качественный видеомонтаж. Иногда, впрочем, производители устройства утверждают, что это возможно, но в реальных условиях на обработку видеоролика продолжительностью меньше минуты порой может потребоваться три недели непрерывной работы.

Устройства захвата кадра и ТВ тюнеры на сегодняшний день достаточно дешевы. Наименьшую цену имеют платы, осуществляющие только захват кадра. Отпускная цена этих устройств у некоторых тайваньских фирм – менее 20 долларов. Качество их работы вполне удовлетворительное, поскольку во всех этих устройствах используется та же микросхема, что и в более дорогих платах. Если вас, дорогие читатели, интересуют именно такие устройства, поищите информацию о них в Internet, и наверняка не пройдет и получаса, как вы найдете что-нибудь интересное. Естественно, приведенная выше цена соответствует мелкому опту. Большинству российских фирм не очень выгодно торговать столь дешевым «железом», поэтому эти платы можно найти в основном в составе наборов оборудования (комплектов для Internet-конференций) вместе с малогабаритной ТВ камерой и микрофоном, причем в очень красивой, большой и дорогой коробке и по цене в 3–5 раз дороже. Но в любом случае устройство может обойтись вам в сумму менее 80 долларов.

ТВ тюнер будет стоить несколько дороже, но все равно его цена вряд ли перевалит за 100 долларов.

Цена устройств нелинейного монтажа может колебаться от (примерно) восьмисот до нескольких десятков тысяч долларов.

Захват кадра

Для захвата кадра используются как внутренние устройства – платы, называемые фрейм-грабберами, – так и цифровые фотоаппараты. Почти все существующие на сегодняшний день платы сходны по качеству получаемого изображения, поскольку используют одну и ту же микросхему производства компании Brooktree. Подробный обзор плат и их характеристик вы найдете в главе 4. Цифровые фотоаппараты, напротив, весьма значительно различаются и по качеству, и по цене.

В данной главе мы лишь кратко остановимся на общих особенностях работы систем захвата кадров.

Чтобы получить отдельное оцифрованное изображение, совсем не обязательно иметь дело с видео, ведь изображение может быть получено и более привычным способом (съемка на слайд или фотобумагу и последующее сканирование). Что же предпочесть? Ответ на этот вопрос во многом зависит от того, какой объект вы хотите «увековечить», а также от требуемого размера кадра.

Даже на самых «продвинутых» устройствах видеоввода (цифровых фотоаппаратах профессионального качества) на сегодняшний день невозможно получить кадр размером более 2–3 тысяч пикселов по горизонтали. То есть при типографской печати с разрешением 300 dpi (точек на дюйм) линейный размер картинки (3000/300) равняется 10 дюймам, или примерно 25 см. И это для самых дорогих аппаратов ценой в несколько тысяч долларов. Для наиболее распространенных на сегодняшний день и доступных по цене устройств размер картинки составляет 768x512 пикселов. Широко распространенное значение в 768 пикселов обусловлено существующими стандартами в обычном вещательном телевидении, которые подробно рассматриваются в следующей главе. Изображение, полученное подобным образом, имеет разрешение 72 dpi; следовательно, размер по горизонтали равняется 10,6 дюйма (768/72), а по вертикали – около 7 дюймов. Но для печати нужно более высокое разрешение. При печати с разрешением 300 dpi ширина кадра с таким числом точек окажется равной примерно 2,5 дюймам, или 6,4 см. Конечно, в любой растровой графической программе можно увеличить число точек картинки, однако при этом качество изображения непременно ухудшится, примерно так, как это происходит при сильном увеличении фотоснимка.

Недорогие современные сканеры обеспечивают возможность ввода листа размером А4 с разрешением 1200 dpi. Понятно, что итоговый размер картинки получается несопоставимо большим, чем при использовании любых устройств видеоввода. Эти принципиальные отличия связаны с тем, что сканер может вводить изображение сколь угодно долго. Чем медленнее изображение обрабатывается, тем больше мелких деталей можно получить. Отсюда вывод – хороший сканер всегда работает медленно. Время же для ввода кадра ограничено (1/30 или 1/25 секунды в обычном видео и до 1–2 секунд в системах видеоконтроля). Дело в том, что увеличение продолжительности съемки (как и увеличение выдержки у фотоаппарата) требует неподвижности объекта съемки или предполагает потерю части информации. Возможность получить изображение быстро движущегося объекта и является основным преимуществом систем видеоввода.

Существует еще одна возможность: захват кадра из изображения, принимаемого ТВ тюнером. Понятно, что в этом случае альтернативного способа получения цифровой копии не существует (если не рассматривать всерьез идею сделать фотоснимок с телеэкрана).

Нецелесообразно применение захвата кадра и в таких ситуациях, когда картинку предстоит значительно увеличить, например, до размеров настенного календаря или крупноформатного плаката. В таком случае разумнее сделать хороший (желательно широкоформатный) слайд и отсканировать его с высоким разрешением на барабанном сканере или современном планшетном лазерном аппарате профессионального класса. Конечно, если вы хотите в качестве центрального персонажа вашего изображения использовать, например, балерину во время танца или летящую пчелу, возможно, видеоввод окажется предпочтительнее (хотя существуют моторизованные фотокамеры со «скорострельностью» 6 кадров в секунду). Тогда желательно так составить композицию, чтобы она включала не одно большое изображение, а несколько фрагментов меньшего размера. Это позволит увеличивать каждый из них не более чем на 40–50 %.

И уж совсем не обойтись без захвата кадра в ситуациях, когда объект движется, и нам необходимо зафиксировать, обработать и продемонстрировать зрителю определенные фазы его перемещения (например, при медицинской видеосъемке пациентов с неврологическими заболеваниями или проблемами опорно-двигательного аппарата, в системах видеоконтроля, использующихся в охране, промышленном телевидении, различных испытательных лабораториях и центрах и т. п.)

Решив использовать устройства захвата кадра, не стоит упускать из виду еще одну сторону проблемы: эти устройства не устраняют недостатки используемой видеокамеры, более того, некоторые алгоритмы оцифровки могут их даже усиливать. Разумеется, последующая обработка картинок в программах типа PhotoShop поможет ликвидировать некоторые из этих дефектов, но, к сожалению, часть информации в этом случае будет безвозвратно утеряна.

Следует также иметь в виду, что даже идеально оцифрованное изображение придется обрабатывать (и отсканированное, и полученное из видео), если вы планируете использовать его для полиграфии. Так что работы хватит и без ретуши откровенно некачественных кадров.

Конечно, дефекты может иметь и слайд, предназначенный для сканирования. Но найти квалифицированного фотографа с хорошей техникой все же значительно дешевле, чем обзаводиться видеокамерой профессионального класса. Если вы все же решились на видеосъемку, постарайтесь, даже при наличии более-менее дешевого устройства ввода, найти хорошую камеру и правильно установить свет (для правильной настройки камеры желательно попросить сделать первые кадры специалиста), иначе все ваши усилия могут оказаться напрасными.

Несмотря на все вышесказанное, автор отнюдь не призывает отказаться от работы с компьютерным видео, а всего лишь указывает на те сложности, которые ждут вас в начале работы. Так, вряд ли стоит использовать компьютерное видео для получения цифровых изображений предметов сервировки праздничного стола, хотя автор в начале своей карьеры дизайнера поступила именно так.

Там же, где захват кадра целесообразен и необходим, стоит заранее продумать все стороны процесса, чтобы потом не гадать, откуда же взялись дефекты и кто в них повинен – плата ввода, оператор или устаревшая камера.

ТВ тюнеры

Данная категория устройств ориентирована в основном на домашнее использование – что может быть приятнее, чем смотреть любимый сериал, не отрываясь от игры в Doom 2! Многие пользователи начали свое знакомство с видеовводом как раз с этого типа устройств. Чтобы начало знакомства не стало одновременно и его завершением, стоит обратить внимание на следующее обстоятельство: практически все устройства этого типа относятся к категории дешевой аппаратуры. Поэтому не стоит ожидать, что с помощью одного и того же блока вам удастся и посмотреть любимый телесериал, и увековечить его на своем жестком диске, чтобы, немного «поколдовав» над ним, заменить финал на более оптимистический (или наоборот – по В.В. Путину – всех «замочить в сортире»). Для решения подобной задачи вам придется установить дополнительно плату видеомонтажа, в несколько раз превосходящую по стоимости ваш ТВ тюнер (а возможно, и весь компьютер), обзавестись максимально быстрым жестким диском большой емкости и освоить какую-либо из программ видеомонтажа. Если вы решились на это, тогда следующий раздел написан именно для вас.

Устройства линейного и нелинейного видеомонтажа

Прежде всего давайте разберемся с тем, что же такое видеомонтаж. Само слово «монтаж» говорит о том, что происходит соединение, склеивание чего-то в единое целое. Это «что-то» – кадры и последовательности кадров, а склеиваются они в новый видеофильм. Чтобы заняться монтажом, надо иметь: а) исходную видеозапись (записи), б) видеомагнитофон, где она (они) будет воспроизводиться, в) дополнительный видеомагнитофон, на который будем записывать наш новый «шедевр» и г) некоторый аналог ножниц и клея – монтажную линейку, на которой мы разложим последовательность на кадры, отметим нужные и создадим переходы между ними. Это последовательный, или линейный монтаж. При таком способе оцифровки видеоклипа не происходит. При помощи компьютера создается только монтажный лист, кроме того, могут регистрироваться отдельные кадры и создаваться предназначенная для предварительного просмотра копия клипа с уменьшенным размером и пониженным качеством кадров. Линейный видеомонтаж осуществляется обычно при помощи внешних устройств (контроллеров), присоединяемых на последовательный и/или параллельный порт компьютера. К достоинствам этого метода можно отнести невысокую стоимость, отсутствие жестких требований к ресурсам компьютера, в частности, к скорости и емкости жесткого диска, и отсутствие проблем, связанных с несовершенством алгоритмов оцифровки. Однако недостатков у этого способа тоже хватает. Главный из них обусловлен последовательным способом записи мастер-ленты: в уже записанном материале практически ничего нельзя изменить. Кроме того, при многократной перезаписи с одного магнитофона на другой неизбежно ухудшение качества, к тому же для создания спецэффектов требуется отдельная, дорогостоящая аппаратура; нет возможности сохранять видео в цифровых форматах и записывать его на лазерные диски (CD или DVD), которые гораздо долговечнее магнитной ленты.

Тем не менее устройства линейного монтажа находят себе применение при производстве недорогих роликов, не включающих спецэффекты, например при подготовке фильмов, содержащих учебную, научную или технологическую информацию. Строго говоря, линейный монтаж не является видеовводом как таковым.

При нелинейном монтаже оцифровка исходной последовательности (последовательностей), которая хранится теперь на жестком диске, происходит сразу. Любой участок видеофильма доступен для работы практически мгновенно. Одно и то же устройство осуществляет запись последовательности кадров на жесткий диск, участвует в ее воспроизведении на экране компьютерного монитора и передает сигнал обратно на видеомагнитофон или видеомонитор (осуществляет видеовывод) в любом порядке. Монтаж осуществляется в программах типа Adobe Premiere или Ulead Media Studio.

Достоинства и недостатки нелинейного монтажа очевидны. К числу первых относится возможность хранить информацию практически вечно, не опасаясь при этом ее повреждения. (Возможность потери цифрового видеофильма в результате сбоев на жестком диске мы рассматривать не будем. Тем, кому данная тема кажется актуальной, можно посоветовать обратиться к публикациям, посвященным сохранению и защите цифровой информации. Статьи по этому поводу регулярно появляются в компьютерной печати.) Другим немаловажным достоинством является возможность оперативно и быстро, что называется «на ходу», видоизменять фильм. Например, можно прямо в выставочном павильоне, ориентируясь на реакцию потенциальных клиентов, вставлять и убирать сцены, менять текст, эффекты и т. д. Настолько же ценна возможность ретуши и просто изменения отдельных кадров, а также внедрения фрагментов компьютерной анимации.

Теперь добавим в бочку меда ложку дегтя. Все сказанное верно при одном не всегда выполнимом условии: качество оцифровки должно быть хорошим. Кое-как оцифрованное изображение – та самая осетрина второй свежести. В чем же здесь дело? Поскольку видеофильм – это не что иное, как последовательность отдельных кадров, трудности при его создании могут быть связаны с одной из двух проблем: а) с качеством кадра, б) с пропусками в последовательности кадров (что при просмотре приведет к скачкам изображения). Первая проблема характерна для любых устройств видеоввода, поскольку алгоритмы оцифровки и микросхемы, а следовательно, и качество исходного (несжатого – см. ниже) кадра практически одинаковы для плат захвата кадра, тюнеров и плат монтажа. Мы подробно рассмотрим эту проблему в разделе, посвященном алгоритмам оцифровки.

Теперь о второй – основной для плат нелинейного монтажа проблеме. Для получения мало-мальски реалистичного движения требуется минимум 18–20 кадров/с, для видео принята скорость 25 или 30 кадров/с (различия связаны со стандартами – см. ниже). При размере кадра 576x768 пикселов, глубине цвета в 24 бита/пиксел (подробнее о представлении цвета мы поговорим далее) величина цифрового потока оказывается более 32,4 Мбайт/с. Такую постоянную скорость записи при непрерывной работе пока не может обеспечить даже самый быстрый жесткий диск. Для уменьшения скорости потока данных можно: а) уменьшить размер кадра, б) уменьшить глубину цвета, в) допустить потерю некоторых кадров, г) ввести компрессию изображения. Есть еще один вариант: запись можно вести на нескольких, особым образом синхронизированных жестких дисках. Первый вариант (а) пригоден лишь в ограниченных случаях, например, если видео будет передаваться по телефонным линиям или всегда будет воспроизводиться в окне небольшого размера. Так устроены, в частности, некоторые обучающие системы, игры, мультимедиа-альбомы. В остальных случаях идет битва за увеличение размера кадра, и намеренное его уменьшение ничего, кроме недоумения, вызвать не может.

Ничем не лучше и второй вариант (б). Казалось бы, 16 миллионов оттенков, которые дает 24-битная палитра (2²⁴), – это очень много. Однако до сих пор нет однозначного мнения, какое максимальное число оттенков может различать человеческий глаз. Если принять на веру утверждение одного из корифеев компьютерной обработки изображений Дэна Маргулиса, нижний предел ухудшения изображения оценивается примерно в 100 градаций на каждый цвет. Дальше начинается заметное огрубление. То есть цвет, кодируемый 24 битами на пиксел (256, или 2⁸ на канал), имеет не такой уж большой избыток информации. Существенное уменьшение числа оттенков заметно ухудшит изображение. На самом деле изображение часто передается не в RGB, а по стандарту YUV (подробнее о нем см. ниже), где передаются сигналы яркости и так называемые цветоразностные сигналы. За счет того, что для человеческого глаза яркость оказывается несравнимо более важным параметром, объем информации о цвете без потери качества по сравнению с яркостной составляющей можно снизить в 2 раза. При таком способе представления достаточно 16 бит на пиксел. Но скорость потока данных в «живом» видео все равно будет слишком велика: 21,6 Мбайт/с. Есть (и широко используются – об этом будет рассказано в следующих главах) способы сократить объем информации о цвете, правда, с некоторым ухудшением качества изображения.

Малоэффективен и третий путь (в) решения проблемы. Если скорость записи будет ниже 24 кадров/с, персонажи будут «дергаться», как в чаплинских короткометражках. Поэтому остается единственный выход – найти способ динамического сжатия (компрессии) изображения, не влияющий заметно на его качество. Конечно, часть информации при этом будет утрачена (как, например, при сохранении неподвижной картинки в формате JPEG (Joint Photographic Experts Group – объединенная группа экспертов по фотографии), но при правильно подобранных параметрах зритель этого не заметит. Для компьютерного видео существуют два основных формата компрессии: Motion JPEG (стандарт JPEG для движения) и MPEG (Moving Picture Expert Group – экспертная группа по движущимся изображениям).

В настоящее время создано немало устройств, осуществляющих аппаратную компрессию, то есть сжимающих кадр «собственными силами» спецпроцессора платы, не затрагивая при этом ресурсы центрального процессора и оперативную память компьютера. Эти платы создают кадр сразу в одном из форматов, использующих сжатие. На сегодняшний день данный способ наиболее популярен. Однако не расслабляйтесь: если вы решите извлечь из такого фильма отдельный кадр и использовать его для полиграфии (естественно, слегка увеличив) вас ждет неприятный сюрприз – его качество окажется неудовлетворительным. То, что прекрасно смотрится при быстрой смене кадров на экране, оказывается некачественным при представлении на бумаге. Отсюда вывод: прежде чем приобретать устройство, решите, потребуются ли вам отдельные кадры. Если нет – можно смело отдавать предпочтение устройствам с аппаратной компрессией. В противном случае – или смириться с невысокой скоростью записи, или периодически использовать плату нелинейного монтажа, отключая компрессию (если это возможно и речь действительно идет о некомпрессированном кадре, а не о последовательной компрессии-декомпрессии). Если такой возможности не предусмотрено, придется в дополнение к плате нелинейного монтажа обзавестись еще и устройством захвата кадра без компрессии.

Нерассмотренным остался четвертый путь – использование распараллеливания на несколько накопителей. Для жестких дисков с интерфейсом типа SCSI (Small Computer Systems Interface – интерфейс малых компьютерных систем, произносится «скази») такая возможность давно существует. Это создание так называемых RAID-массивов (Redundant Arrays of Inexpensive Disks – избыточные массивы недорогих дисков), состоящих из нескольких одновременно доступных жестких дисков, на логическом уровне воспринимаемых как один. Эти диски дороги и используются скорее корпоративными, чем частными пользователями. В последнее время появились RAID-массивы на основе дисков с интерфейсом типа IDE (Integrated Drive Electronics – встроенный интерфейс накопителей), однако они еще не нашли широкого распространения. Мы расскажем об этих моделях в одной из следующих глав.

Следует упомянуть, что некоторые профессиональные видеомонтажные системы обеспечивают возможность так называемого гибридного монтажа, при котором оцифрованные видеофрагменты, компьютерная анимация, титры, видеоэффекты и высококачественные (некомпрессированные) видеофрагменты, подаваемые (по запросу) с видеомагнитофонов, мирно «сосуществуют» в монтажном листе. Мастер-ленты, записанные на таких системах, имеют наилучшее качество изображения.

Устройства внешние и внутренние – что выбрать

Как уже отмечалось, в настоящее время практически все типы устройств видеоввода могут быть выполнены или в виде компьютерных плат, или как внешние устройства. И тот, и другой вариант исполнения имеют свои плюсы и минусы. Что же предпочесть?

Внешние устройства

Обычно внешние устройства (модемы, различные накопители и т. д.) значительно, порой в несколько раз, дороже своих внутренних аналогов. При этом далеко не всегда увеличение цены связано с таким же повышением качества. Конечно, внешние устройства лучше изолированы от помех, возникающих внутри компьютера. Например, корпус модуля линейного монтажа Miro Studio 400 имеет внутри специальный экранирующий слой из достаточно толстой металлической фольги, значительно уменьшающий электромагнитные помехи.

Кроме того, внешние устройства менее привередливы по отношению к параметрам самого компьютера (точнее, его материнской платы и процессора). Например, серьезные (иногда непреодолимые) проблемы с внутренними устройствами возникают у обладателей материнских плат на основе процессоров Intel 80486. При работе с такими устройствами для захвата картинки обычно можно использовать обычный TWAIN-драйвер, так же, как при сканировании.

С другой стороны, внешние устройства имеют слабое место – интерфейс передачи данных.

Устройства, подключаемые к порту LPT

Основные трудности для устройств, работающих на параллельном порту, связаны со скоростью передачи данных. Для некоторых внешних устройств, передающих небольшие потоки информации, например таких, как модемы, достаточно последовательного порта с его 115 Кбайт/с. Некоторые ТВ тюнеры, так же, как принтеры и сканеры, «живут» на параллельном порте. Но его скорость все равно недостаточна, по крайней мере, для «живого» полноэкранного видео. Кроме того, такой порт в компьютере обычно один (редко два или три). Можно установить разветвитель, но и эта мера не спасает ситуацию, поскольку таким способом вы не заставите одновременно работать два устройства, и уж тем более этот прием не увеличивает скорость передачи данных. Модели, работающие через параллельный порт, обычно передают либо отдельный кадр нормального размера (и тогда делают это достаточно эффективно), либо последовательность кадров уменьшенного размера или уже сжатых (и тогда качество этих кадров, сами понимаете, оставляет желать лучшего). К первому случаю можно отнести систему линейного монтажа Miro Studio 400 (ту самую, которая имеет внутри металлический экран) – устройство полупрофессионального класса, ко второму – различные ТВ тюнеры, вроде Life Video.

Установку устройства на параллельный порт можно порекомендовать в тех случаях, когда не остается иного выбора. Это бывает, если у вас:

• устаревшая материнская плата, на которой не удается смонтировать внутренние устройства;

• компьютер типа «<ноутбук» и одновременное стремление сэкономить средства (сочетание почти фантастическое);

• патологическое нежелание открывать системный блок, осложненное уже упоминавшейся жаждой экономии, или отсутствие на материнской плате интерфейса типа USB (об этом далее, а также в главе 3).

USB-устройства

В последние годы получила распространение шина USB – Universal Serial Bus (универсальная последовательная шина), которая, по замыслу разработчиков, должна была снять проблемы, связанные с подключением к системному блоку большого числа устройств с различной скоростью передачи данных (этой шине посвящен особый раздел в третьей главе). В первое время USB-устройства представлялись почти неработоспособными, затем полоса неудач была достаточно успешно преодолена, однако для полноценной передачи видеоданных средней скорости шины USB все же недостаточно. Поэтому внешние USB-тюнеры и устройства ввода при записи видеопоследовательности передают не полный кадр, а только его часть, например фрагмент размером 320x240 пикселов. Такие изображения можно использовать только для экранного просмотра. Даже если не касаться качества картинки, ее размер на печати, например, при 300 dpi будет меньше квадратного дюйма (320 / 300 = 1,06; при 240 / 300 = = 0,8 дюйма). В основном такие изображения используют в Internet, при видеопрезентациях или в домашних архивах. Для профессиональной и даже полупрофессиональной работы они совершенно непригодны.

USB-устройства ненамного превосходят по качеству устройства, использующие LPT-порт, хотя и значительно отличаются ценами.

Если вы собираетесь работать под Windows NT, учтите: в версии 4.0 младшие Service Pack (до четвертого включительно) поддержки USB не обеспечивают.

Интерфейс FireWire

В последнее время начинает активно использоваться интерфейс IEEE 1394, коммерческое название – FireWire (что можно примерно перевести как «огонь, бегущий по проводам»), существенно превосходящий по скорости передачи данных интерфейс USB. В частности, он используется для передачи информации от цифровых (некомпьютерных) устройств, например DV-магнитофонов (Digital Video – цифровое видео) и DV-камер на компьютер. Интерфейс FireWire мы подробно рассмотрим в третьей главе.

PCMCIA – устройства

Счастливым обладателям ноутбуков доступен еще один вариант внешних устройств: PC-card – оборудование формата PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association – международная ассоциация производителей плат памяти для персональных компьютеров, предложившая этот стандарт). Они довольно дороги, ассортимент их невелик. Здесь нет таких жестких ограничений по скорости, однако те устройства, с которыми довелось работать автору, не обеспечивали высокого качества изображения. Возможно, с увеличением количества моделей подобных устройств и, следовательно, с повышением конкуренции среди них и появится что-нибудь приличное.

Можно выделить несколько типов внешних устройств.

К первому относятся модули линейного монтажа с возможностью захвата отдельных кадров высокого качества. Их можно рекомендовать в тех случаях, когда нет необходимости в нелинейном монтаже профессионального класса, но требуется видеозапись с возможностью дальнейшей ее обработки и оцифровки отдельных кадров с высоким качеством. Подобная ситуация нередко возникает в научной и медицинской практике.

Второй тип – тюнеры и модули захвата кадров непрофессионального класса. Их приобретение можно рекомендовать владельцам ноутбуков и устаревших материнских плат, где внутренние устройства установить невозможно.

Еще раз напоминаю, речь идет об устройствах стоимостью до тысячи долларов. Среди профессиональных комплексов возможны иные варианты внешних модулей, но в данной книге они не рассматриваются.

В последнее время появился еще один вариант внешних устройств, которые с большой натяжкой можно отнести к модулям видеоввода. Это ТВ тюнеры, подключаемые между монитором и системным блоком. Они обеспечивают вывод на экран телевизионного изображения, используя монитор, как в обычном телевизоре. Это только тюнеры, без функции захвата кадра, то есть запись принимаемого ТВ изображения на жесткий диск с их помощью невозможна. Их единственная функция – дать возможность пользователю просматривать телепередачи, не отрываясь от экрана компьютера. Если подобное ограничение вас устраивает, можете обратить внимание на эти устройства. К сожалению, пока они не обеспечивают приемлемого качества изображения.

Внутренние устройства

Наибольшее число моделей устройств видеоввода реализовано в виде плат. Наверняка даже самым «неискушенным» читателям встречались названия такого рода: «плата в стандарте PCI» (Peripheral Component Interconnect – соединение периферийных компонентов). Сейчас самое время выяснить, что же это такое. Те из читателей, кто более-менее знаком с устройством компьютеров, могут пропустить этот раздел.

Если открыть системный блок и внимательно посмотреть на материнскую плату (рис. 1.1), мы увидим несколько типов слотов – разъемов, куда вставляются различные платы. Несколько разъемов (один – три) более длинные, с широкими контактами (на старых материнских платах – 486-й и ниже – может быть короткий вариант слота со столь же широкими контактами). Это разъем наиболее «древней» шины ISA (Industry Standard Architecture – архитектура промышленного стандарта). Короткие, чуть дальше отстоящие от края материнской платы три, четыре или пять слотов с более узкими контактами – разъем шины PCI. Отдельный, ни на что не похожий слот с очень узкими контактами – разъем шины AGP (Accelerated Graphics Port – порт ускоренной графики). Наиболее существенные различия шин между собой заключаются в их разрядности и скорости передачи данных. Шина ISA позволяет организовать одновременную передачу 8 (короткий слот) или 16 (длинный слот) битов данных со скоростью до 5 Мбайт/с. Стандартная шина PCI является 32-разрядной – по ней можно передавать одновременно 32 бита данных со скоростью 132 Мбайт/с. AGP – изначально 64-разрядная шина, предназначенная только для установки видеоадаптеров (ускорителей 3D-графики), – обеспечивает скорость до 500 Мбайт/с.

Рис. 1.1. Материнская плата

Для описания изображения можно использовать разное число бит. В принципе любую картинку можно описать в однобитной палитре, то есть в виде определенного сочетания черных (окрашенных) и белых (неокрашенных) точек (рис. 1.2). Регулярный или случайный узор из точек, формирующих изображение, называется растром. В более окрашенных областях точек будет больше (или они будут крупнее), а в светлых местах меньше (или они мельче). Именно по такому принципу действует драйвер принтера при печати любой картинки. Чтобы подобное изображение казалось реалистичным, точки, формирующие его, должны быть очень мелкими. Мы не можем получить на экране столь мелкую точку, как при печати (исходя из конструкции кинескопа и свойств люминофора в обычных мониторах и из размеров элементов в жидкокристаллических и плазменных панелях).

Рис. 1.2. Изображение, составленное из случайно распределенных мелких черных точек

Если представить изображение в виде сплошных черных и белых областей, оно начинает напоминать картинку, нарисованную тушью (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Изображение при однобитном представлении без растрирования

Для создания более реалистичного изображения необходимо увеличить число бит, описывающих каждую точку. Так, если использовать 4 бита, получится 2⁴ = 16 вариантов (рис. 1.4). Для 8 бит получается 2⁸ = 256 вариантов. Это уже хорошее черно-белое изображение (рис. 1.5). При такой разрядности становится возможным создание более или менее «приличных» цветных изображений. Такую палитру вы можете видеть, если установите в Windows режим дисплея стандартный VGA. Рекомендуем проверить и убедиться, что до настоящего фотореализма здесь далеко. Как уже упоминалось выше, для нормальной передачи цвет кодируется 24 битами по 8 бит на каждый из основных цветов: красный, зеленый и синий. Итого: 2²⁴ ≈ 16,8 миллионов цветов.

Рис. 1.4. Изображение при четырех битах на пиксел

Рис. 1.5. То же изображение при восьмибитном представлении

Наиболее «древние» устройства захвата кадра давали восьмибитное черно-белое изображение (256 градаций серого), они существовали еще во времена господства шины ISA. Конечно, не следует думать, что ISA-устройство не может передавать данные большей разрядности, чем 16. Но для передачи такие данные придется вначале кодировать (так, чтобы снизить разрядность до 16), а затем декодировать. Естественно, на это требуется время, которое как при видеовводе, так и при видеовыводе (например, на экран), очень дорого. Потраченное впустую время – это потерянные кадры, и, как следствие, скачки или подергивание изображения, замедление вывода на экран и прочие неприятности. Поэтому эра фотореализма и высококачественного компьютерного видео началась только с активным распространением шины PCI. В настоящее время в этом стандарте, кроме плат видеоввода, выпускается подавляющее большинство различных контроллеров, многие звуковые платы и даже некоторые модемы. Уже появились материнские платы вообще без ISA-слотов (стандарт РС99), хотя пока еще выпускаются и ISA-устройства – это в основном модемы и специальные платы промышленного назначения.

Немаловажно, что PCI-устройство имеет возможность работать в режиме Bus Master, то есть управлять шиной без участия центрального процессора. К сожалению, отчасти по этой причине PCI-устройства оказываются порой довольно капризны. Так, не стоит устанавливать современную плату видеоввода на 486-ю материнскую плату. Хотя PCI-слот там есть и видеоплата прекрасно работает на нем, устройство видеозахвата, возможно, установить на эту модель так и не удастся, поскольку первые версии стандарта PCI не поддерживают необходимый режим работы. Проблемы почти наверняка возникнут с материнскими платами на чипсете (наборе микросхем), произведенным не фирмой Intel.

Не стоит устанавливать внутренние устройства видеоввода на откровенно устаревшую материнскую плату.

Обязательно договоритесь с продавцом о возможности возврата, если устройство не будет работать в вашей конфигурации.

Если при установке устройства видеоввода возникли проблемы, не спешите менять плату. Вначале попробуйте установить ее на другом компьютере (естественно, отличающемся по конфигурации от вашего). В хороших фирмах-продавцах компьютерного видеооборудования при сомнительных ситуациях можно договориться о возможности обратной проверки, то есть протестировать вашу материнскую плату и процессор с заведомо работающей платой видеоввода выбранной вами марки.

Глава II
Аналоговое представление изображений

• Основы телевидения

• Аналоговые видеоформаты

Большинство компьютерных технологий длинных «родословных» не имеют. Стандарты на них и связанные с ними проблемы рождались буквально на наших глазах. Только компьютерное видео относится к числу немногих исключений. Оно явилось наследником видео цифрового, а то, в свою очередь, преемником аналогового телевидения и видео. Многие, казалось бы, непонятно каким образом возникшие проблемы на самом деле являются следствием компромисса между необходимостью соответствовать утвердившимся еще в эпоху становления цветного телевидения стандартам и современным требованиям к качеству компьютерных изображений.

Чтобы понять причины появления некоторых параметров компьютерного видео, необходимо кратко познакомиться с тем, что происходило когда-то с телевизионным изображением, давшим начало всей эволюционной линии электронных изображений.

Основы телевидения

Этот раздел, увы, будет несколько скучным. Здесь нет ни практических рекомендаций, ни занимательных случаев из жизни. Однако, как надеется автор, его прочтение будет небесполезным. Как уже сказано, современное компьютерное видео по-прежнему основано на телевизионных стандартах.

Краткое знакомство со структурой телевизионного сигнала поможет вам избежать ошибок при сравнении возможностей разных устройств для оцифровки и захвата изображения. Во всяком случае, встретив в описании ТВ тюнера (который вы уже собрались купить) надпись PAL/NTSC, вы сможете уверенно спросить продавца: «А как же SECAM?», что в его глазах сразу переведет вас из разряда «чайников» в разряд специалистов. И соответственно, доля истины в сообщаемой вам информации резко увеличится.

Палитры телевизионные и не только

Если провести среди компьютерщиков один из популярных психологических тестов и предложить быстро назвать первую ассоциацию, приходящую на ум при произнесении определенного слова, вероятно, почти все на слово «палитра» ответят «RGB». Эта система представления цвета используется не только в компьютерных мониторах, но и в любых других электронных системах отображения информации. В какой-то мере она соответствует восприятию цвета человеческим глазом. Подобный принцип получения любого цвета из трех основных называется аддитивным: то есть изображение окрашивается за счет одновременного восприятия трех основных (базисных) цветов – красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Белый цвет образуется из всех трех цветов со 100 % насыщенностью, черный – при отсутствии всех трех цветов. Эта палитра используется тогда, когда для формирования цвета используются излучающие свет приборы или материалы. (Совсем иная ситуация складывается, например, при печати – там используется субтрактивная (разностная) модель получения полного цвета. Теория этого вопроса достаточно сложна и выходит за рамки данной книги. Минимально необходимые сведения по этому поводу будут приведены в последней главе).

Итак, видеокамеры и другие подобные устройства передают цвет любого объекта при помощи трех сигналов, соответствующих основным цветам. Монитор имеет три типа элементов, излучающих соответственно красный, зеленый и синий цвета. Однако, говоря о соответствии этой модели восприятию человеческого глаза, я не зря оговорилась – «в определенной степени». Дело в том, что человеческий глаз, кроме светочувствительных элементов, активных при высокой освещенности и воспринимающих базисные (опорные) цвета, имеет элементы, активные даже почти в полной темноте и фиксирующие только освещенность объекта. В итоге яркость объекта оказывается гораздо важнее для восприятия, чем его цветовые характеристики.

Восприятие человеческого глаза моделирует популярная ныне цветовая модель Lab, с которой мы познакомимся подробнее в главе о ретушировании изображений. Хотя она не имеет ни малейшего отношения к телевидению, на ее основе удобно проследить некоторые общие принципы описания цвета. В этой модели цвет описывается координатой в трехмерном пространстве, вертикальная ось которого L (Light – яркость) определяет яркость (от 0 до 100), а угловые координаты на цветовом круге задают две цветовые характеристики: a – диапазон от красного до зеленого и b – диапазон от желтого до синего.

Цветовой круг

Говоря о яркости и цветовом круге, нельзя не упомянуть еще две величины, которые в телевизионных сигналах не используются, но в каждом цветном телевизоре есть ручки (кнопки или меню) для их регулировки. Эти параметры изображения очень существенны, и их названия не раз встретятся в книге. Они называются насыщенностью и цветовым тоном. Те из вас, кто хорошо знаком с компьютерной графикой, сразу вспомнят палитру HSB (Hue, Saturation, Brightness – Цветовой тон, Насыщенность, Яркость). Цветовой тон – это характеристика, которую в быту обычно называют «оттенок»; на цветовом круге изменение цветового тона означает перемещение по дуге окружности, центр которой совпадает с центром цветового круга, а радиус меньше или равен радиусу цветового круга. Насыщенность – степень выраженности цвета. Изменение насыщенности – движение по радиусу цветового круга. При приближении насыщенности к нулю любой цвет превращается в один из оттенков серого. Степень близости этого серого к белому или черному зависит от уровня яркости. На цветовом круге яркость не отображается, ось яркости перпендикулярна плоскости цветового круга. Цветная вкладка, где показаны варианты одной и той же картинки при изменениях яркости, насыщенности и цветового фона, поможет лучше понять, как эти характеристики влияют на изображение.

Иллюстрирация влияния яркости, насыщенности и цветового тона на внешний вид изображения:

исходная картинка

увеличение яркости

увеличение насыщенности

изменение цветового тона

С яркостью, насыщенностью и цветовым фоном мы еще не раз встретимся, когда займемся вопросами обработки полученных изображений. Кроме того, рассматривая различные стандарты телевизионных сигналов, мы также будем обращать внимание и на возможные искажения этих величин при телевизионном приеме.

В телевидении выделение яркостной составляющей необходимо для обеспечения совместимости цветных и черно-белых телеприемников. Другими словами, сигнал яркости в цветном телевидении должен полностью совпадать с сигналом, воспринимаемым черно-белыми ТВ приемниками.

Кроме того, имеет значение объем передаваемой информации: чем меньше объем, тем дешевле и проще передающие системы. Сократить объем информации можно, если уменьшить количество данных о цвете. Вот почему, выражаясь языком компьютерной графики, передается и принимается не RGB-сигнал, а яркость и два цветоразностных сигнала, или YUV, где Y – яркость изображения, U и V – цветоразностные сигналы, причем U= R – Y, а V = B – Y.

Для человеческого глаза разные цвета имеют неодинаковую яркость. Если расположить опорные цвета в порядке убывания яркости, выстроится следующий ряд: «Зеленый-Красный-Синий», то есть при одинаковой насыщенности свечения наиболее ярким будет восприниматься зеленый объект, а наиболее темным покажется синий. В соответствии с этим наибольшую долю сигнала яркости составляет зеленый, наименьшую – синий. Один из стандартов, соответствующий так называемому «белому С» или цвету облачного неба (цветовая температура 6500 °C), определяется следующими соотношениями:

Y=0,299R+0,587G+0,114B

В таком случае нет необходимости кодировать все три цвета. Достаточно задать два из них, а третий легко вычисляется путем несложных арифметических операций. Как указано выше, U и V могут иметь в два раза более низкое разрешение, чем Y.

Следует отметить, что в приведенной выше формуле, описывающей работу устройства матрицирования, составляющие R, G и B не являются оригинальными сигналами, а представляют собой продукты специальных преобразований, называемых гамма-коррекцией, призванной компенсировать нелинейную зависимость яркости свечения экрана кинескопа от амплитуды модулирующего сигнала.

Изображение на телеэкране создается при движении электронного луча по экрану, покрытому люминофором – материалом, излучающим свет определенной длины волны, то есть определенного цвета. Этот процесс называется сканирование, и происходит по строкам (горизонтальное) и кадрам (вертикальное). Луч проходит строку слева направо, затем перемещается на расположенную ниже строку (перемещение происходит в том же порядке, как мы читаем – слева направо, сверху вниз). Для того чтобы глаз видел не отдельные вспышки, а равномерно светящийся экран, его сканирование должно происходить не реже, чем 25 раз в секунду, то есть с частотой 25 Гц. На самом деле обновляется не сразу весь кадр, а полукадр (поле). То есть сначала сканируются четные, затем – нечетные строки. При обновлении поля с частотой 50 Гц кадр обновляется с частотой 25 раз, и этого вполне достаточно для нормального восприятия изображения. Чтобы создать на экране картинку, состоящую из черной и белой горизонтальных полос, на вход телевизора надо подать сигнал частотой 50 Гц. Чем мельче детали изображения (чаще происходит чередование светлых и темных участков), тем выше должна быть частота видеосигнала, передающего это изображение. Максимальное число элементов, из которых может состоять картинка на экране, равно числу строк, умноженному на количество элементов в строке. Для принятой у нас разновидности французского стандарта SECAM (Sequentiel Couleur A Memoire – последовательная передача цветов с запоминанием), который будет подробно рассмотрен в следующем разделе этой главы, число строк равно 625. Однако не все строки являются видимыми, поскольку часть из них используется только для обеспечения нормальной работы телевизора. Число видимых строк – 576. В общепринятых форматах соотношение сторон кадра равно четыре к трем (на четыре горизонтальных элемента ТВ изображения приходится три вертикальных), то есть число видимых элементов в строке равно 576 X 4/3 = 768 (если горизонтальные и вертикальные размеры элемента одинаковы). Видимая часть строки обычного ТВ сигнала составляет 52 микросекунды, соответственно для получения на экране сетки из 768 чередующихся черных и белых полос надо подать на вход телевизора сигнал частотой около 7,38 МГц. В компьютерных мониторах длительность строк еще меньше, а разрешение больше, поэтому компьютерные мониторы часто работают с частотами до 200 МГц.

В вещательном же телевидении частота видеосигналов не превышает 6,5 МГц для российской системы (SECAM D/K), 5,5 МГц для европейской (PAL B/G) и 4,5 МГц для американской и японской (NTSC). Соответственно, максимальная (теоретически) разрешающая способность составит около 600 линий. Но это верно только для черно-белых телевизоров. В самых лучших цветных телевизорах разрешающая способность составляет не более 400 линий по горизонтали.

Как это ни удивительно, но при такой малой, с точки зрения компьютерной графики, разрешающей способности качество изображения в обычном цветном телевизоре, по крайней мере, не хуже, а естественней и «живее», чем в компьютерном мониторе. Это объясняется разными принципами обработки и передачи изображений, и анализ этих проблем выходит далеко за рамки данной книги.

В телевидении есть такое понятие, как ПТС – полный телевизионный сигнал. ПТС – это сигнал черно-белого изображения, совмещенный вместе с сигналами синхронизации, которые предназначены для получения устойчивого изображения на экране. В цветном телевидении есть также понятие полного цветного телевизионного сигнала (ПЦТС, в латинском написании – CVBS). ПЦТС – это ПТС, к которому добавлены сигнал цветности и сигналы цветовой синхронизации, называемые вспышками (burst). Сигнал цветности формируется из цветоразностных сигналов путем амплитудной, фазовой или частотной модуляции гармонического сигнала определенной частоты (цветовой поднесущей). Именно введение сигналов цветности в ПТС привело к тому, что разрешение цветных телевизоров ниже, чем у черно-белых.

В литературе встречается также термин композитный видеосигнал, аналогичный по смыслу термину ПЦТС. Упрощенный вид одной строки композитного сигнала изображен на рис 2.1.

Теперь к полученному видеосигналу необходимо добавить звук. Этот процесс мы рассматривать не будем, поскольку он не имеет отношения к нашей теме. Принципы организации звукового сопровождения в обычном телевидении одни и те же, но параметры для разных ТВ стандартов различны (см. следующий раздел).

Обычный видеосигнал можно передавать только по кабелям. Для передачи же на большие расстояния через эфир используются радиоволны. В этом случае присутствует так называемая несущая частота, которая модулируется сигналами ПЦТС и звукового сопровождения.

В вещательном телевидении используются следующие частотные диапазоны:

• первый диапазон, 48–66 МГц (каналы 1, 2);

• второй, 76-100 МГЦ (каналы 3–5);

• третий, 174–230 МГц (каналы 6-12);

• четвертый, 470–790 МГц (каналы 21–60).

Рис. 2.1. Сигнал, соответствующий одной строке изображения

В процессе приема композитный сигнал подвергается обратному преобразованию. Восстановление RGB-сигнала из YUV называется декодированием, а устройство, его осуществляющее, – декодером или блоком цветности. Увы, реальный процесс восстановления не так прост, как его формула, которую читатель, если очень захочет, сможет вывести самостоятельно из приведенных выше соотношений. К сожалению, практически невозможно восстановить исходные компоненты в первоначальном виде, так как на качество передачи влияют и среда, и качество телевизора. При этом возможны помехи изображения и звука, причем искажения цветового тона и насыщенности наиболее вероятны и заметны. В телевизионных стандартах по-разному решена задача составления композитного сигнала, чтобы обеспечить его наиболее точное декодирование.

Телевизионные стандарты

В настоящее время используются три основных стандарта цветного телевидения: американский NTSC (National Television Standard Committee – Комитет национальных телевизионных стандартов), немецкий PAL (Phase Alternation Line – строки с переменной фазой) и французский SECAM. На территории России принят стандарт SECAM, но большинство моделей бытовых видеокамер и видеомагнитофонов работают в стандарте PAL. Стандарт NTSC действует в Америке и Японии, и российский пользователь сталкивается с ним довольно редко. Тем не менее на нем придется остановиться отдельно, поскольку NTSC – первый из внедренных в широкое вещание стандартов цветного телевидения.

Для кодирования сигналов цветности используется сочетание амплитудной и фазовой модуляций, называемое квадратурной балансной модуляцией с подавленной несущей, частота и фаза которой восстанавливается на стороне приема из сигналов цветовой синхронизации (впышек). Используется одна поднесущая частота, равная 3,5579545 МГц (есть поднесущая 4,433619 МГц, которая используется американскими войсками в Германии – так называемый NTSC 4,43). Оба цветоразностных сигнала сдвинуты по фазе один относительно другого на 90° (то есть находятся в квадратуре). При этом фаза определяет цветовой тон, а амплитуда – насыщенность. К сожалению, этот стандарт наименее защищен от помех, в частности, от искажений цветового тона, называемых дифференциальными фазовыми искажениями. Именно поэтому в телевизорах NTSC необходима независимая регулировка цветового тона (Hue control – контроль оттенка), которая выводится на переднюю панель вместе с яркостью и контрастом. Дешевые телевизоры NTSC имеют достаточно слабое подавление сигналов яркости в канале цветности, поэтому на очень светлых участках изображения возможен сдвиг цветового тона в сторону зеленого, а в темных областях появляются красноватые оттенки.

Стандарт PAL, предложенный фирмой Telefunken, явился усовершенствованием NTSC. Принцип формирования сигнала цветности тот же, но через строку производится изменение фазы цветоразностного сигнала R – Y. При декодировании цветоразностные сигналы выделяются путем сложения/вычитания сигналов цветности соседних строк. Сложение поступившего сигнала с задержанным дает удвоенное значение цветоразностного сигнала B – Y, вычитание – сигнала R – Y. В результате цветоразностные сигналы меньше подвержены фазовым искажениям канала передачи, легче отделяются от шумов и помех, а также от остатков сигнала яркости. Фаза сигнала по-прежнему задает цветовой тон, а амплитуда – насыщенность, но к дифференциальным фазовым искажениям система нечувствительна, поэтому основную проблему составляют как раз остатки сигнала яркости, приводящие к некоторым искажениям насыщенности цвета. К сожалению, при таком способе в два раза снижается цветовая четкость по вертикали (по сравнению с NTSC). Но при этом число строк в кадре не 525, а 625, из которых видимых 576 (против 480 для NTSC).

Стандарт SECAM, наиболее актуальный для нас, также имеет 576 видимых строк в кадре, частота кадровой развертки (то есть обновления изображения) равна 25 Гц. Для передачи цветоразностных сигналов используются частотная модуляция и две разных поднесущих частоты – для сигналов R – Y используется частота 4,416 МГц, и увеличение до 4,68 МГц, для сигналов R – Y – частота 4,25 МГц, и уменьшение до 3,95 МГц. При этом если сигнал яркости в канале цветности подавлен согласно стандарту, насыщенность и цветовой тон изображения не искажаются при любых величинах яркости, хотя при резких перепадах возможно появление артефактов: синяя окантовка очень светлых областей изображения; желтая – вокруг очень темных. Цветоразностные сигналы передаются поочередно (Sequentiel – последовательный, поочередный) через строку (то есть, например, в первой строке – красный, во второй – синий и т. д.) и восстанавливаются для каждой строки с помощью блока памяти (Memoire), в которой запоминается предыдущая строка. Естественно, такой способ в два раза снижает цветовую четкость изображения по вертикали.

Конкретные реализации стандартов в разных странах могут значительно отличаться способом модуляции звукового сигнала, шириной спектра видеосигнала и некоторыми другими характеристиками. Всего существует 13 вариантов, от A до N (табл. 2.1). Однако стандарты А (Англия), С (Бельгия и Люксембург), F и Е (Франция) устарели и в настоящее время не используются.

В России принят SECAM D/K (первая буква – стандарт для передачи в метровых волнах, вторая – в дециметровых).

Таблица 2.1. Телевизионные стандарты

В связи со все более широким выходом на рынок телевизоров с большими и сверхбольшими экранами появилась потребность в разработке новых телевизионных стандартов с большим размером кадра и более высоким разрешением. Если в традиционном телевидении принято соотношение сторон кадра 4:3, то для широкоформатного телевидения используется соотношение 16:9. Кроме того, практически отпала необходимость сохранять совместимость со стандартами черно-белого телевизионного вещания, а следовательно, можно отказаться от совместной передачи яркостной и цветоразностной информации. Это позволяетсущественно повысить качество изображения, поскольку полностью снимаются проблемы, связанные с неполным разделением цветовой и яркостной информации. Подобный подход реализован, в частности, в формате D2 MAC, применяющемся в кабельном и спутниковом телевидении. В этом стандарте информация о яркости и цветоразностных сигналах передается (раздельно во времени) во время прямого хода луча по строке, во время обратного хода в цифровом виде передаются звук и телетекст.

В ряде стран существуют проекты перехода на широкоэкранное цифровое телевещание (наибольшую активность в этом отношении проявляют США). Консорциум компаний (U.S. Grand Alliance) разрабатывает новый стандарт HDTV (High Definition TV – телевидение высокого разрешения). В нем используется сжатие сигнала MPEG 2 с разрешением 1440x960 для 50 Гц и 1280x720 для 60 Гц.

Аналоговые видеоформаты

Кроме теоретического интереса, вопрос о видеоформатах имеет для занимающихся компьютерным видео очень важное практическое значение, поскольку видеоустройства разных форматов требуют подключения к различным разъемам, далеко не все из которых могут присутствовать на вашей плате видеоввода.

Как ни странно, видеомагнитофоны – практически ровесники цветного телевидения: формат NTSC был принят в 1953 г., а первый видеомагнитофон появился в 1956 г. Первые видеомагнитофоны весили около тонны и работали на ленте шириной в 2 дюйма. Хотя специалисты и считают, что кое-где такие аппараты еще продолжают использоваться, в рассмотрение включены только современные форматы.

Основные видеоформаты связаны с наиболее известными фирмами-производителями видеотехники. Таких фирм на сегодняшний день три. Это JVC, где разработаны форматы VHS (Video Home System – домашняя видеосистема) и Super VHS (или S-VHS); Sony – профессиональные форматы Betacam, форматы Video-8 и Hi-8, цифровые форматы D1, D2, DVCAM; и Panasonic – формат MII, цифровые форматы D3, D5, DVCPRO.

В среднем качество изображения бытовых видеозаписей уступает качеству телевещания. Например, разрешение по горизонтали в форматах, использующихся в недорогой технике, составляет всего 240 линий, а в полупрофессиональной – 400 линий.

Качество изображения в зависимости от используемых форматов может отличаться весьма значительно, поэтому, если вы собираетесь использовать в качестве источника сигнала бытовой видеомагнитофон или видеокамеру, необходимо заранее решить, устраивает ли вас среднее качество изображения. Устройства видеозаписи могут работать с сигналами трех типов: обычный композитный видеосигнал (ПЦТС), S-video (Separate video – раздельные видеосигналы, другое обозначение Y/C) и компонентный (подробности ниже, при рассмотрении соответствующих форматов). Для работы с каждым из этих сигналов необходим свой разъем. Поэтому, приобретая устройство компьютерного видеоввода, вы должны точно знать, с какого типа видеомагнитофона или камеры будете использовать сигнал.

Самый простой формат: VHS

Видеозаписывающая аппаратура, как и телевидение, использует палитру YUV. В предыдущем разделе описано формирование низкочастотного видеосигнала, включающего яркостную составляющую Y, два цветоразностных сигнала (U и V) и импульсы синхронизации. Он используется в наиболее дешевой и доступной потребителю аппаратуре. Кроме того, принцип магнитной записи изображения сам по себе создает и более серьезную проблему – ухудшение качества изображения при многократной перезаписи. Наверное, каждому из нас не раз и не два приходилось испытывать сомнительное удовольствие от просмотра так называемых вторых и третьих копий (размножаемых любителями) с недоступных по тем или иным причинам видеокассет. Тем не менее низкая цена оказывается решающим фактором, и устройства, работающие с композитным видеосигналом, до сих пор наиболее распространены на российском рынке.

Этот тип используется в наиболее распространенной бытовой видеоаппаратуре класса VHS. Само название – домашняя видеосистема – дает понять, что устройства этого класса не предназначены для профессиональной работы. На такой аппаратуре невозможно достичь разрешения более 240 линий. Для сравнения вспомним, что телевизионные стандарты SECAM и PAL обеспечивают разрешение не менее 350 линий. То есть качество изображения, достигаемое на аппаратуре класса VHS, существенно уступает вещательному телевидению. Однако компактность и низкая цена привлекают покупателей к технике формата VHS. Как ни странно, большинство непрофессиональных пользователей удовлетворены качеством изображения видеомагнитофонов и видеокамер формата VHS. Поэтому эту технику можно использовать в качестве источника изображения при подготовке видеороликов, если в дальнейшем вы не предполагаете демонстрировать их на большом экране и вообще как-либо увеличивать изображение. Но, если вы планируете работать с отдельными захваченными кадрами, в особенности, если они будут использоваться для полиграфии, стоит поискать оборудование более высокого качества или ограничиться съемкой только крупных планов. Ведь то, что не заметно при быстрой смене мелких деталей на экране, наверняка бросится в глаза на отдельной картинке.

Полупрофессиональный формат S-VHS

Этот формат явился дальнейшим развитием VHS. Здесь используется сигнал, называемый S-Video. Палитра остается прежней (YUV), но сигналы яркости (Y) и цветности (C) подаются раздельно. Это позволяет более четко выделить информацию о цвете и, следовательно, уменьшить искажения цветового тона и насыщенности под влиянием яркостной составляющей. Разрешающая способность почти в два раза выше, чем у VHS (за счет увеличения полосы частот канала яркости), и равна 400 линиям. Существенно выше контрастность и отношение сигнал/шум в канале изображения. Эта аппаратура позиционируется как полупрофессиональная, хотя нередко используется и в быту, особенно в сочетании со стереозвуком и системами домашнего театра. S-VHS – нижний предел качества для репортажной, медицинской и научной видеосъемок. Почти все современные устройства компьютерного видеоввода имеют разъем для приема сигнала S-Video.

Форматы Video-8 и Hi-8

Video-8 – формат сверхминиатюрной техники бытового класса. Хотя здесь используется принцип S-Video, из-за узкой полосы частот разрешение составляет всего 250 линий. Качество изображения выше, чем в формате VHS (из-за применения металлопорошковой магнитной ленты с повышенной отдачей), но из-за низкого разрешения не дотягивает до полупрофессионального уровня. Аппаратура сверхлегкая (за счет миниатюрных кассет и пленки шириной 8 мм) и недорогая.

Hi-8 – формат полупрофессионального класса, являющийся усовершенствованным вариантом формата Video-8. Используется тот же принцип записи, кассета тех же размеров, но металлопорошковая лента более высокого качества. Разрешение – до 400 линий. Плотность записи очень высокая, поэтому вероятны выпадения строк в записи.

В нашей стране оба формата не получили широкого распространения.

Профессиональные форматы Betacam

Betacam – первый из профессиональных форматов записи на полдюймовую оксидную ленту, использующий компонентный сигнал, то есть принимающий каждую из трех составляющих RGB или YUV по отдельному каналу. Запись яркостного и цветоразностных сигналов ведется раздельно и без переноса спектра (гетеродинирования) сигналов цветности, что исключает искажение цвета за счет перекрестных помех. Несмотря на высокое качество цветопередачи, стандарт уже устарел и не обеспечивает необходимую для современной видеозаписи профессионального класса полосу частот из-за применения феррооксидной ленты и дискретно-аналоговых устройств для временной компрессии сигналов. Разрешение – меньше 500 линий.

Этот и ряд других недостатков исправлен в формате Betacam SP. Тип сигнала не изменился. Полоса частот яркостного сигнала расширена до 6,7 МГц, улучшены соотношение сигнал/шум и качество звукозаписи за счет использования высококачественной металлопорошковой ленты, аналоговых и цифровых микросхем высокой степени интеграции.

Betacam SP является неформальным стандартом техники студийного класса и до сих пор не уступает по качеству записи известным цифровым форматам. Этот формат имеет самое высокое разрешение – до 650 линий, 4 звуковых канала (два продольных и два высококачественных ЧМ канала), выдающуюся точность монтажа (возможна покадровая запись). Техника Betacam SP весьма дорога и довольно громоздка. Существуют упрощенные и более дешевые версии Betacam SP: 2000 PRO (могут воспроизводить кассеты Betacam) и Betacam SP1000 PRO, где отсутствует высококачественная звукозапись и применены компромиссные технические решения. Эти версии можно с успехом использовать при создании компьютерного видео.

Существуют также цифровые версии формата Betacam (студийный Digital Betacam и репортажный Betacam SX), также использующие полдюймовую металлопорошковую ленту, но разные принципы компрессии видеосигнала.

На компонентном сигнале основан и предложенный фирмой Panasonic стандарт MII, отличающийся повышенной плотностью записи. В России аппаратура этого стандарта практически не встречается.

Если вы планируете работать с аппаратурой, использующей компонентные сигналы, ваше устройство видеоввода должно иметь специальный разъем для подключения этой аппаратуры. На дешевых платах захвата кадра и ТВ тюнерах этого разъема наверняка не будет и, скорее всего, на недорогих платах нелинейного монтажа тоже. Основные параметры распространенных видеоформатов приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Форматы аналоговой записи

Глава III
Цифровое видео

• Принципы цифрового описания

• Цифровые видеоформаты

• Наконец о компьютерном видео

• Компьютерный видеомонтаж

Цифровое видео – это не обязательно и далеко не всегда компьютер. Первый цифровой видеомагнитофон появился в 1986 г., когда до начала эры компьютерного мультимедиа было еще далеко. К настоящему времени число цифровых форматов перевалило за десяток.

Стало общим местом утверждение, что цифровая запись всегда превосходит по качеству аналоговую. Цифровое описание считают одним из величайших достижений цивилизации. Как ни забавно, но принципы цифрового кодирования не чужды и природе. Везде, где речь идет о стабильных структурах, начиная от атомов и кончая клетками живых существ, обнаруживается дискретность. Это и понятно: дискретные системы гораздо более помехоустойчивы. Искажения непрерывного сигнала уловить сложно. Малые отклонения вообще незаметны. Однако через несколько актов передачи эти исходно незначительные ошибки могут заметно исказить первоначальную информацию. В своей деятельности человек, как это часто бывает, лишь по-своему реализовал присущие природе принципы.

При этом, однако, следует учитывать, что данные, которые мы оцифровываем, носят аналоговый характер. Поэтому возникает задача не потерять, не исказить информацию при преобразовании непрерывного сигнала в цифровые форматы. Не вдаваясь в технические детали, постараемся выяснить, как это делается.

Принципы цифрового описания

Этот раздел посвящен описанию процессов, происходящих при преобразовании непрерывного сигнала в цифровую форму. Автор постаралась избежать сложных формул и подробностей, касающихся аппаратной реализации преобразований. Заинтересованный читатель без труда найдет эти сведения в специальной литературе, где рассматриваются вопросы теории дискретизации и аналого-цифровые/ цифроаналоговые преобразователи (АЦП/ЦАП).

Принципы и проблемы цифрового описания мало зависят от носителя информации, поэтому изложенные здесь сведения с небольшими оговорками применимы и для компьютерных цифровых изображений.