13. Физическая природа звука. Представление звука в компьютере. Системы многоканального звука.

1. Моно. Одноканальный аналоговый формат, использовался при записи старых фильмов. При современной записи на пленку не переносится.

Система многоканального звука:

2. DOLBY A-type. Два канала, использование алгоритмов шумопонижения. Большинство фильмов на данный момент записано в этом формате. На 35мм кинопленке дорожка располагается между перфорацией и кадрами, в левой части.

3. DOLBY SR (Spectral Recording). Четыре канала: левый, правый, центральный и канал окружения. Все каналы при помощи алгоритмов кодирования объединяются в два аналоговых канала. В дальнейшем воспроизводятся либо в стерео варианте (совместимость с DOLBY A-type), либо при наличии декодера воспроизводятся четыре канала. Кроме того, возможно воспроизведение пятого — низкочастотного канала. Пятый канал образуется путем выделения низкочастотных составляющих из первых четырех, затем их суммированием и усилением на специальном оборудовании для низких частот. Дорожка этого формата на пленке заменяет дорожку формата DOLBY A-type. Аналоговая дорожка обязательно находится на всех современных фильмокопиях.

4. DOLBY SR-D (Spectral Recording — Digital) или более распространенное бытовое название — DOLBY DIGITAL. Шесть цифровых каналов звука: левый, правый, центральный, левый окружающий, правый окружающий и LFE (Low-Frequency Effects) — канал низкочастотных эффектов. При записи звуковой сигнал подвергается компрессии ~1/12. На кинопленке данный формат записывается между перфорациями. В случае, если происходит сбой при раскодировании этого формата, то автоматически происходит переключение на аналоговый формат DOLBY SR. После того, как декодирование цифрового сигнала восстанавливается, киноаппарат автоматически возвращается к воспроизведению формата DOLBY SR-D. Эффекты, возникающие при переключении режимов воспроизведения, может услышать только очень искушенный зритель или звукорежиссер-профессионал.

5. DOLBY SURROUND EX. Семь цифровых каналов. Это более совершенная версия предыдущего формата. Отличие заключается в том, что теперь эффект окружения создается с помощью трех каналов. На кинопленке формат записывается на месте DOLBY SR-D. При записи три канала окружения преобразуются в два с помощью алгоритмов матричного кодирования. Для того, чтобы воспроизвести на стандартном комплекте этот формат, необходимо использовать специальный процессор каналов сюрраунда. Без этого процессора звуковая картина будет такой же, как при воспроизведении шестиканального DOLBY SR-D. Эффект 3-го канала окружения вносит значительный вклад в картину общего звучания. Например, об этом свидетельствует тот факт, что в течение нескольких месяцев после выхода новой версии “Звездных войн” Джорджа Лукаса, компанией DOLBY LABORATORIES было продано около 6 тыс. процессоров каналов сюрраунда.

6. DTS (Dolby Theatre System). Так же, как и в DOLBY SR-D, этот формат представляет шесть цифровых каналов. Отличие состоит в более качественном звучании, которое достигается за счет того, что степень компрессии аудиоданных в этом формате ~1/3. Но весь этот сигнал не удается разместить на кинопленке. Поэтому записывается только дорожка с цифровым кодом синхронизации звука и видео. Воспроизведение звука осуществляется с отдельного DTS проигрывателя при помощи трех компакт-дисков.

7. SDDS (Sony Dynamic Digital Sound). В зависимости от того, как производились съемки, данный формат может иметь 6 или 8 каналов. Шестиканальная модификация аналогична DOLBY SR-D. При восьмиканальной модификации добавляются ещё фронтальный полулевый и фронтальный полуправый каналы. Восьмиканальный вариант обеспечивает большую детализацию сцены.

14. Цифровое видео. История обработки видео на компьютере. Программное обеспечение для работы с видео на компьютере. Основные функции этих программ, возможности и сферы применения. Характеристики цифрового видео: частота кадра, глубина цвета, экранное разрешение, качество изображения.

Идея обрабатывать видео на компьютере возникла с появлением первого мультимедийного персонального компьютера лет восемь назад. Но технические возможности компьютеров были настолько слабы, что полноценно обрабатывать  видео можно было только на профессиональных станциях, используя профессиональную видеоаппаратуру. Эра расцвета устройств для захвата видео началась в 1995 году. Компьютерные технологии подходят к созданию процессора Pentium и более быстрой шины PCI.. Именно в это время появляется большое количество плат, называемых "видеобластерами", которые позволяют захватывать и обрабатывать видео на компьютере (как правило, статичные кадры или небольшие видеопоследовательности). В то же время появляются первые платы видеомонтажа Fast F-60 и Miro DC1 от двух немецких производителей - Fast Multimedia и Miro Inc., использующие шину ISA и по ценовому диапазону (хотя, скорее всего, и по качеству оцифровки) ставшие доступными для домашней видеостудии. С тех пор компьютерные технологии ушли далеко вперед, но основные принципы обработки видео  на компьютере сохранились.

Редактирование видео раньше было уделом профессионалов, которые при помощи ПК монтировали большое количество отснятого материала, отбрасывая ненужное, с последующей записью результата обратно на аналоговую ленту. Но появление более производительны и менее дорогих аппаратных средств в сочетании с новой технологией расширило горизонты цифрового видео.

Когда цифровые программные кодеки сделали возможным воспроизведение и распространение видеопродукции в цифровой форме, к профессионалам присоединились разработчики продуктов мультимедиа, создатели игр и докладчики, готовящие деловые презентации.

Программы для работы с видео

После того, как открылись новые пути для эффективного распространения видеоматерилов, поставщики программного обеспечения среагировали на это выпуском новых более мощных инструментальных средств. Программы Lumiere Suite корпорации Corel, VideoWave корпорации MGI и Presto Video Works фирмы NewSoft предназначены для домашних пользователей и энтузиастов-любителей, имеют низкие цены и простые в эксплуатации инструментальные средства. В отличие от них пакеты Adobe Premiere, Kohesion и MediaStudio Pro относятся к более высокому классу, предоставляя эффективные средства для корпоративных и профессиональных пользователей.

Все эти пакеты для редактирования видеофильмов имеют одинаковые базовые функции: ввод и оцифровка (capturing) видеофрагмента, поступающего из аналогового источника и соответствующего стандарту NTSC; обрезка клипов до заданной длительности; монтаж видеофильмов и создание эффектов переходов между кадрами; вывод на кодеки, работающие в формате Video for Windows (.AVI) или на видеоленту.

Adobe Premiere. Она является наиболее популярной программой для создания мультимедийных продуктов и домашнего видео, при использовании которой пользователь одновременно получает цифровой «видеомагнитофон», (а точнее дисковый рекодер), видео-аудио микшер с 2D и 3D-эффектами и переходами и мощный видеоредактор с возможностью наложения практически неограниченного количества слоев видео, титров и компьютерной графики в любом сочетании. Правда, следует заметить, что платой за такую универсальность является необходимость рендеринга готового видеофильма, на что может уйти довольно много времени.

Рендеринг – это процесс визуализации, перенос трехмерной сцены, существующий до этого лишь в виде математической модели в памяти компьютера, в двухмерное изображение, отображаемое на экране.

КОДЕК (КОдер/ДЕКодер) - вид программного обеспечения, который позволяет вам закодировать какой-либо вид данных (аудио или видео) в определённый формат, а позже восстановить его в исходное состояние. В видеофайле кодек идентифицируется 4-х значным FOURCC кодом. Это позволяет корректно определять тип носителя и использовать именно тот кодек, который нужен. Популярные кодеки - Indeo, MPEG-4, Sorenson, DivX, XviD, и др. AVI, MOV, ASF и т.п. - это не кодеки, это форматы, которые, в свою очередь, могут содержать внутри себя данные закодированные различными кодеками

Еще одна программа – Adobe After Effects. Она обладает более сложным набором спецэффектов. В нем также можно монтировать, редактировать видео. Но это программа сложна в изучении.

Virtual Dub. Это очень простая и компактная программа, позволяющая производить различные манипуляции с видеофрагментом, делать необходимую нарезку и склейку файлов, имеет набор стандартных фильтров и модификаторов. В основном, в нем очень удобно производить завершающие коррекции фильма и его перевод в нужный формат как для записи и хранения его на CD, так и для подготовка вывода изображения на другие носители.

Характеристики цифрового видео

Существует множество способов захвата, хранения и воспроизведения видео на компьютере. Цифровое видео характеризуется четырьмя основными факторами: частота кадра, экранное разрешение, глубина цвета и качество изображения.

Частота кадра. Стандартная скорость воспроизведения видеосигнала – 30 кадров в сек (для кино этот показатель составляет 24 кадра/с). Каждый кадр состоит из определенного количества строк, которые прорисовываются не последовательно, а через одну, в результате чего получается два полукадра, или так называемые поля. Поэтому каждая секунда аналогового видеосигнала состоит из 60 полей (полукадров). Такой процесс называется interlaced видео. Между тем, монитор компьютера для прорисовки экрана использует метод прогрессивно сканирования, при котором строки кадра формируются последовательно, сверху вниз, а полный кадр прорисовывается 30 раз каждую секунду. Этот метод получил название non-interlaced видео. В этом и заключается основное отличие между компьютерным и телевизионным методом формирования видеосигнала.

Глубина цвета – максимальное количество цветов. Этот показатель является комплексным и определяет количество цветов, одновременно отображаемых на экране. Компьютеры обрабатывают цвет в RGB-формате (красный, зеленый, синий), в то время как видео использует и другие методы. Одна из наиболее распространенных моделей цветности для видеоформатов – YUV. Каждая из моделей RGB и YUV может быть представлена разными уровнями глубины цвета. Для цветовой модели RGB обычно характерны следующие режимы глубины цвета: 8 бит/пиксель (256 цветов), 16 бит/пиксель (65.535 цветов) и 25 бит/пиксель (16,7 млн. цветов). Для модели YUV применяются режимы: 7 бит/пиксель (примерно 2 млн. цветов) и 8 бит/пиксель (16 млн. цветов).

Экранное разрешение - еще одна характеристика. Это количество точек, из которых состоит изображение на экране. Так как мониторы компьютеров рассчитаны на базовое разрешение в 640 на 480 точек (пикселей), многие считают, что такой формат является стандартным. К сожалению, это не так. Прямой связи между разрешением аналогового видео и компьютерного дисплея нет. Стандартный аналоговый видеосигнал дает полноэкранное изображение без ограничений размера, так часто присущих компьютерному видео. Телевизионный стандарт NTSC, используемый в северной Америке и Японии, предусматривает разрешение 768 на 484. Стандарт PAL, распространенный в Европе, имеет несколько большее разрешение – 78 на 576 точек. Поскольку разрешение у аналогового и компьютерного видео различается, при преобразовании аналогового цифровой формат приходится иногда масштабировать и уменьшать изображение, что приводит в некоторой потере качества.

Качество изображения – последняя и наиболее важная характеристика. Требования к качеству зависят от конкретной задачи. Иногда достаточно, чтобы картинка была размером в четверть экрана с палитрой в 256 цветов при скорости воспроизведения 15 кадров в секунду, а иногда требуется полноэкранное видео (768 на 576) с палитрой в 16,7 млн. цветов и полной кадровой разверткой (24 или 30 кадров в секунду).

Существует образная классификация качеств видео. Весьма условно можно выделить 3 уровня: стандартное видео (VHS, C-VHS, Video8), супер-видео (SVHS, C-SVHS, Hi8) и цифровое видео (DV, mini DV, Digital8).

Существует несколько форматов компьютерного видео, из которых наиболее известны AVI (фирма Microsoft) и QuickTime (фирма Apple).

Большая часть систем захвата кадров и нелинейного монтажа имеют дело с форматом AVI (Audio Video Interleave – чередование аудио и видео). Этот формат позволяет одновременно хранить изображение и звук. Они записываются попеременно, так что после кадра идет запись звукового сопровождения к нему.

15. Цифровое видео. Проблема хранения цифрового видео. Сжатие видео. Сжатие видео в режиме реального времени. Симметричное и асимметричное сжатие видео. Сжатие видеопотока или покадровое сжатие. Коэффициент сжатия. Коэффициента асимметричного сжатия.

Хранить цифровое видео хорошего качества без компрессии невозможно. Для примера: самая обычная телевизионная программа, которую вы легко можете увидеть на мониторе своего компьютера с помощью TV Tunera, вещаемая стандарте PAL, передает видеоинформацию со скорость 26 Mб/с. Если отбросить избыточную и техническую информацию, присущую PAL стандарту, и перевести величину в мегабайты, то мы получим видео потоком 134 Мб/с. Это всего лишь около 1,5 Гигабайта/м или 93,5 Гигабайта/час. А если вы захотите сделать простой эффект вроде плавного перетекания одного сюжета в другой, то эти цифры можно смело удвоить. Если же вы захотите получить видео сверхвысокого качества (HDTV), то цифровой поток будет около 1 Гб/с.

Виды сжатия и его характеристики.

Очевидно, что сжатие видео нужно для уменьшения объема цифровых видеофайлов, предназначенных для хранения, при этом желательно максимально сохранить качество оригинала.

Виды сжатий:

Сжатие обычное (в режиме реального времени). Термин real-time (реальное время) имеет много толкований. Применительно к сжатию данных используется его прямое значение, т.е. работа в реальном времени. Многие системы оцифровывают видео и одновременно сжимают его, иногда параллельно совершая и обратный процесс декомпрессии и воспроизведения. Для качественных выполнений этих операций требуются очень мощные специальные процессоры, поэтому большинство плат ввода/вывода для PC бытового класса не способны оперировать с полнометражными видео и часто пропускают кадры.

Симметричное и ассиметричное сжатие. Этот показатель связан с соотношением способов сжатия и декомпрессии видео. Симметричное сжатие предполагает возможность проиграть видеофрагмент с разрешением 640х480 при скорости 30 кадров/с, если оцифровка и запись его выполнялась с теми же параметрами. Ассиметричное сжатие – это процесс обработки одной секунды видео за значительно большее время. Степень асимметричности сжатия обычно задается в виде отношения. Так, цифры 150:1 означают, что сжатие одной минуты видео занимает примерно 150 минут реального времени. Асимметричное сжатие обычно более удобно и эффективно для достижения качественного видео и оптимизации скорости его воспроизведения. К сожалению, при этом кодировании полнометражного ролика может занять слишком много времени – вот почему подобный процесс выполняют специализированные компании, куда отсылают исходный материал на кодирование (что увеличивает материальные и временные расходы на проект).

Сжатие с потерей и без потери качества. Как мы уже говорили, чем выше коэффициент сжатия, тем больше страдает качество видео. ВСЕ методы сжатия приводят к некоторой потере качества. Даже если это незаметно для глаз, всегда есть разница между исходным и сжатым материалом. Пока существует только один алгоритм (разновидность MotionJPEG для формата Kodak Photo CD), который выполняет сжатие без потерь, однако он оптимизирован только для фотоизображений и работает с коэффициентов 2:1.

Сжатие видеопотока или покадровое сжатие. Это, возможно, наиболее обсуждаемый сегодня вид сжатия. Покадровый метод подразумевает сжатие и хранение каждого видеокадра как отдельного изображения. Сжатие видеопотока основано на следующей идее: несмотря на то, что изображение все всем претерпевает изменение, задний план в большинстве видеосцен остается постоянным – отличный повод для соответствующей обработки и сжатия изображения. Создается исходный кадр, а каждый следующий сравнивается с предыдущим и последующим изображениями, и фиксируется лишь разница между ними. Этот метод позволяет существенно повысить коэффициент сжатия, практически сохранив при этом исходное качество. Однако, в этом случае могут возникнуть трудности с покадровым монтажом видеоматериала, кодированного подобным образом.

Коэффициент сжатия – это показатель особенно важен для профессионалов, работающих с цифровым видео на компьютерах. Его ни в коем случае нельзя путать с коэффициентом асимметричности сжатия. Коэффициент сжатия – это цифровое выражение соотношения между объемом сжатого и исходного видеоматериала. Для примера, коэффициент 200:1 означает, что если принять объем полученного после компрессии ролика за единицу, то исходный оригинал занимал объем в 200 раз больший.

Кроме того, качество видео зависит не только от алгоритма сжатия, но и от параметров цифровой видеоплаты, конфигурации компьютера и даже от программного обеспечения.