Современные видеоформаты

Количество  кадров в секунду

Количество  кадров в секунду, или просто частота, - это  число неподвижных изображений, сменяющих друг друга при показе 1 секунды видеоматериала и создающих  эффект движения объектов на экране. Чем  больше частота кадров в секунду, тем более плавным и естественным будет казаться движение. Минимальный  показатель, при котором движение будет восприниматься однородным - примерно 10 кадров в секунду (это  значение индивидуально для каждого  человека). Компьютерные оцифрованные видеоматериалы хорошего качества, как правило, используют частоту 30 кадров в секунду. Верхняя пороговая частота мелькания, воспринимаемая человеческим мозгом, в среднем составляет 39 - 42 Герца и индивидуальна для каждого человека. Специальные камеры для сверхбыстрой съёмки способны снимать с частотой около 1000 кадров в секунду, что необходимо, например, для детального изучения траектории полёта пули или структуры взрыва.

Развертка.

Развёртка видеоматериала может быть:

• Чересстрочной (интерлейс (англ. interlace) или интерлейсинг): показываются попеременно чётные и нечётные строки (называемые также полями кадра)

• прогрессивной: все горизонтальные линии (строки) изображения  отображаются одновременно.

Чересстрочная развёртка  — метод отображения, передачи или  хранения изображений (как правило, движущихся), при котором каждый кадр разбивается на два полукадра (или поля), составленные из строк, выбранных  через одну. Альтернативный вариант развёртки — прогрессивная (построчная) развёртка. Чересстрочная развёртка применяется в тех или иных случаях для ускорения вывода изображений при ограниченной полосе пропускания (в аналоговой) или ширине канала (в цифровой технике). В видеосигнале, при сохранении количества строк изображения, применение чересстрочной развёртки в 2 раза повышает кадровую частоту по сравнению с прогрессивной.

Разрешение

Любой видеосигнал, как и мониторы, также имеет разрешение (англ. resolution). Существует горизонтальное и вертикальное разрешение, измеряется в пикселях.  В выражении 640×480 первым числом обозначается количество точек в горизонтальной линии (горизонтальное разрешение), а вторым числом количество самих линий (вертикальное разрешение).Обычное аналоговое телевизионное разрешение составляет 720×576 пикселей для стандартов PAL и SECAM, при частоте кадров 50 Герц (одно поле, 2×25) и 640×480 пикселей для NTSC, при частоте 60 Герц (одно поле, 2×29,97).  Высоко-чёткое (англ. high-definition) цифровое телевидение HDTV предполагает разрешения до 1920×1080 при частоте мелькания 60 Герц с прогрессивной развёрткой. То есть 1920 пикселей на линию, 1080 линий. Разрешение в случае трёхмерного видео измеряется в вокселях - элементах изображения, представляющих точки (кубики) в трёхмерном пространстве. Например, для простого трёхмерного видео сейчас используется в основном разрешение 512×512×512.

Соотношение сторон экрана

Соотношение сторон экрана или соотношение ширины и высоты кадра (англ. aspectratio) — важнейшее понятие в фотографии, кинематографе и в видеотехнологиях в целом.

Ещё с 1910 года кинофильмы имели соотношение сторон экрана 4:3 (4 единицы в ширину к 3 единицам в высоту; иногда ещё записывается как 1,33:1 или просто 1,33). Считалось, что  зрителю удобнее смотреть фильм  на экране такой формы. Когда появилось  телевидение, то оно переняло это  соотношение и почти все аналоговые телесистемы (и, следовательно, телевизоры) имели соотношение сторон экрана 4:3. Компьютерные мониторы также унаследовали телевизионный стандарт сторон. Хотя ещё в 1950-х годах это представление  о 4:3 в корне изменилось. Дело в  том, что поле зрения человека имеет  соотношение отнюдь не 4:3. Ведь у  человека 2 глаза, расположенных на одной горизонтальной линии - следовательно, поле зрения человека приближается к  соотношению 2:1. Чтобы приблизить форму  кадра к естественному полю зрения человека (и, следовательно, усилить  восприятие фильма), был введён стандарт 16:9 (1,78), почти соответствующий так  называемому «Золотому сечению». Цифровое телевидение в основном тоже ориентируется на соотношение 16:9. К концу XX века, после ряда дополнительных исследований в этой области, стали  появляться даже и более радикальные  соотношения сторон кадра: 1,85, 2,20 и  вплоть до 2,35 (почти 21:9). Всё это, безусловно, призвано глубже погрузить зрителя  в атмосферу просматриваемого видеоматериала.

Количество  цветов и цветовое разрешение

Количество цветов и цветовое разрешение видеосигнала описывается цветовыми моделями. Для стандарта PAL применяется цветовая модель YUV, для SÉCAM модель YDbDr, для NTSC модель YIQ, в компьютерной технике применяется  в основном RGB (и αRGB), реже HSV, а  в печатной технике CMYK. Количество цветов, которое может отобразить монитор  или проектор зависит от качества монитора или проектора. Человеческий глаз может воспринять, по разным подсчётам, от 5 до 10 миллионов оттенков цветов. Количество цветов в видеоматериале определяется числом бит, отведённым для  кодирования цвета каждого пикселя (англ. bitsperpixel, bpp). Один бит позволяет закодировать 2 цвета (обычно чёрный и белый), 2 бита — 4 цвета, 3 бита — 8 цветов, 8 бит — 256 цветов (28 = 256), 16 бит — 65 536 цветов (216), 24 бита — 16 777 216 цветов (224). В компьютерной технике имеется стандарт и 32 бита на пиксель (αRGB), но этот дополнительный α-байт (8 бит) используется для кодирования коэффициента прозрачности пикселя (α), а не для передачи цвета (RGB). При обработке пикселя видеоадаптером, RGB-значение будет изменено в зависимости от значения α-байта и цвета подлежащего пикселя (который станет «виден» через «прозрачный» пиксель), а затем α-байт будет отброшен, и на монитор пойдёт только цветовой сигнал RGB.

Битрейт или ширина видеопотока 

Битрейт (англ. bitrate) — буквально, скорость прохождения  битов информации. Битрейт принято  использовать при измерении эффективной  скорости передачи информации по каналу, то есть скорости передачи «полезной  информации» (помимо таковой, по каналу может передаваться служебная информация — например, стартовые и стоповые биты при асинхронной передаче по RS-232 или контрольные символы при  избыточном кодировании). Скорость передачи информации, учитывающую полную пропускную способность канала, измеряют в бодах.

Чем выше ширина видеопотока, тем в общем лучше качество видео. Например, для формата VideoCD ширина видеопотока составляет всего примерно 1 Мбит/с, а для DVD составляет около 5 Мбит/с. Конечно, субъективно разницу  в качестве нельзя оценить как  пятикратную, но объективно это так. Формат же цифрового телевидения HDTV использует ширину видеопотока около 10 Мбит/с.  При помощи скорости видеопотока  также очень удобно оценивать  качество видео при его передаче через Интернет.

Различают два вида управления шириной потока в видеокодеке  — постоянный битрейт (англ. constantbitrate, CBR) и переменный битрейт (англ. variablebitrate, VBR). Концепция VBR призвана максимально сохранить качество видео, уменьшая при этом суммарный объём передаваемого видеопотока. При этом на быстрых сценах движения, ширина видеопотока возрастает, а на медленных сценах, где картинка меняется медленно, ширина потока падает. Это очень удобно для буферизованных видеотрансляций и передачи сохранённого видеоматериала по компьютерным сетям. Но для безбуферных систем реального времени и для прямого эфира (например, для телеконференций) это не подходит — в этих случаях необходимо использовать постоянную скорость видеопотока.

Стереоскопическое видео

Стереоскопическое видео или просто стереовидео (англ. stereoscopicvideo или 3D video) было очень популярно  в конце XX века. По всему миру есть кинотеатры, которые при помощи той или иной технологии воспроизводят стереоскопическое видео. Для стереовидео нужно два видеоканала, часто называемых слоями: один для левого глаза, другой для правого. Также необходимо обеспечить, чтобы в "свой" глаз попадала своя картинка. Таким образом у зрителя возникает чувство объёмности, трёхмерности видеоматериала, повышается реалистичность ощущения просмотра. Примерно такой же, но более слабый по качеству эффект даёт просмотр видео в пластиковых очках, где одна линза красная, а другая голубая или зелёная. Технологии, представленные в 2006 году, в частности HD DVD и диски Blu-Ray, позволили переносить больше стереовидеоматериала и сделал домашнее стереоскопическое видео более доступным.

2.Аналоговый и Цифровой сигналы. 

1. Аналоговый  сигнал.

Аналоговый сигнал — сигнал, область определения  которого есть непрерывное пространство, то есть пространство, не являющееся дискретным.

Различают два  пространства сигналов - пространство L (непрерывные сигналы), и пространство l (L малое) - пространство последовательностей. Пространство l (L малое) есть пространство коэффициентов Фурье (счетного набора чисел, определяющих непрерывную функцию  на конечном интервале области определения), пространство L - есть пространство непрерывных  по области определения (аналоговых) сигналов. При некоторых условиях, пространство L однозначно отображается в пространство l.

Аналоговые сигналы  описываются непрерывными функциями  времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом. Аналоговым сигналам противопоставляются  дискретные (квантованные, цифровые).

Свойства аналоговых сигналов в значительной мере являются противоположностью свойств квантованных или цифровых сигналов.

Отсутствие чётко  отличимых друг от друга дискретных уровней сигнала приводит к невозможности  применить для его описания понятие  информации в том виде, как она  понимается в цифровых технологиях. Содержащееся в одном отсчёте  «количество информации» будет  ограничено лишь динамическим диапазоном средства измерения.

Отсутствие избыточности. Из непрерывности пространства значений следует, что любая помеха, внесенная  в сигнал, неотличима от самого сигнала  и, следовательно, исходная амплитуда  не может быть восстановлена. В действительности фильтрация возможна, например, частотными методами, если известна какая-либо дополнительная информация о свойствах этого  сигнала (в частности, полоса частот).

Аналоговые сигналы  часто используют для представления  непрерывно изменяющихся физических величин. Например, аналоговый электрический  сигнал, снимаемый с термопары, несет  информацию об изменении температуры, сигнал с микрофона — о быстрых  изменениях давления в звуковой волне, и т. п. 

2. Цифровой  сигнал.

Под цифровым сигналом понимается дискретный сигнал, квантованный по амплитуде. Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного сигнала. Цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания – это разница между максимальной и минимальной частотой, которая может быть передана по кабелю. Каждое устройство в таких сетях посылает данные в обоих направлениях, а некоторые могут одновременно принимать и передавать. Узкополосные системы (baseband) передают данные в виде цифрового сигнала одной частоты. Дискретный цифровой сигнал сложнее передавать на большие расстояния, чем аналоговый сигнал, поэтому его предварительно модулируют на стороне передатчика, и демодулируют на стороне приёмника информации. Использование в цифровых системах алгоритмов проверки и восстановления цифровой информации позволяет существенно увеличить надёжность передачи информации.

Реальный цифровой сигнал по своей физической природе является аналоговым. Из-за шумов и изменения параметров линий передачи он имеет флуктуации по амплитуде, фазе/частоте, поляризации. Но этот аналоговый сигнал (импульсный и дискретный) наделяется свойствами числа. В результате для его обработки становится возможным использование численных методов (компьютерная обработка). 

3. Стандарты воспроизведения  видео

Аналоговые:

1. NTSC (от англ. NationalTelevisionStandardsCommittee — Национальный комитет по телевизионным стандартам) — система аналогового цветного телевидения, разработанная в США. 18 декабря 1953 года впервые в мире было начато цветное телевизионное вещание с применением именно этой системы.

NTSC — англ. NeverTwicetheSameColor (никогда дважды не повторяющийся  цвет) — намёк на искажения  цветопередачи вследствие особенностей  кодирования цветовой составляющей  сигнала.

Передача цветоразностных  сигналов в системе NTSC осуществляется в спектре яркостного сигнала  на одной поднесущей. Два цветоразностных  сигнала ER-Y и EB-Y передаются с помощью  квадратурной модуляции.

Цветоразностные сигналы  подаются на балансный модулятор, на котором они модулируются по амплитуде  с подавлением поднесущей. Модулированные цветоразностные сигналы красного ER-Y и синего EB-Y свдинуты относительно друг друга по фазе на 90°. При суммировании они образуют новый сигнал — сигнал цветности. Таким образом, изменение  фазы свидетельствует об изменении  тона, а модуль вектора определяет насыщенность. При этом, на неокрашенных или слабо окрашенных участках изображения  помехи нет, так как поднесущая подавлена.

Применение амплитудной  модуляции с подавленной поднесущей порождает трудности при приёме. При детектировании важно чтобы  совпадали фазы и частоты гетеродина и поднесущей. Для этого после  каждого синхроимпульса строки следует  особый импульс-вспышка — он содержит 8-10 периодов колебаний опорного генератора. Частота поднесущей выбрана таким образом, чтобы как можно меньше влиять на приёмники чёрно-белого телевидения. При этом, в интервале строки размещается нечётное число полупериодов поднесущей (точно — 455), поэтому рисунок от помехи имеет вид шахматного поля. Такая структура менее заметная, чем вертикальные полосы. Полярность поднесущей в смежных кадрах изменяется на противоположную, таким образом, тёмные участки чередуются со светлыми. За счёт временно́й взаимной компенсации, помеха становится ещё менее заметной.