Componenta multimedia: Video

Componenta multimedia: Video

Video-ul reprezinta elementul cel mai spectaculos al multimediei, dar care impune calitati si performante deosebite ale masinii.

Imaginile video digitale sau analoge, asa cum sunt ele intalnite astazi in televiziune, sunt reglementate prin standarde internationale pentru difuzare si afisare. Tehnologia digitala si analoga a imaginii in miscare urmeaza a se imbina in televiziunea digitala de inalta definitie HDTV (High Definition Television).

Legatura dintre calculator si secventele video are loc atat pentru controlul imaginilor video analogice, stocate pe benzi si care apoi sunt afisate pe ecranul televizorului, cat si pentru unificarea celor doua elemente printr-o numerizare de calitate. Componenta de digitizare hardware sau software specializata, impreuna cu o componenta de compresie/decompresie permit ca imaginile video de televiziune sa fie preluate, transformate in informatii digitizate si apoi mixate cu informatiile digitale ale calculatorului. Datorita sprijinului dat de hardware, imaginile video digitizate pot fi afisate full-screen, full-motion, full-color si in plus, cu o buna calitate; pot fi captate cadre video analogice, care apoi, pot fi salvate ca imagini fixe digitizate, dar exista si posibilitatea ca achizitia si stocarea video sa se faca in intregime sub forma digitala. Pentru a realiza o productie multimedia sau un site Web este necesar deci sa cunoastem aceste doua tehnologii, procesele de transformare a unui tip de semnal in celalalt, algoritmii eficienti de comprimare, conditiile de stocare.

Caracteristici pentru video digital in comparatie cu video analog

Semnalele audio si video de televiziune se regasesc in forma analogica, in timp ce pe calculator aceste informatii sunt percepute in forma digitala. Pentru a putea fi intelese de catre calculator, semnalele video si audio sincronizate, captate de la o sursa analoga trebuie sa fie convertite in semnale digitale.

Reprezentarea digitala a imaginilor in miscare si a sunetelor asociate lor are numeroase avantaje: inalta fidelitate, posibilitatile deosebite de prelucrare si editare a lor. Tehnologia digitala a semnalului video se bazeaza pe principiul eliminarii zgomotelor, care devin in acest caz insesizabile in raport cu semnalul util.

Modul de afisare si de redare a culorilor pe ecranele calculatoarelor si a unor sisteme video utilizeaza un semnal video alcatuit din trei culori de baza: rosu, verde, albastru (RGB), care sunt controlabile individual. Imaginea de video TV utilizeaza un semnal compus, in care luminozitatea (stralucirea) si chrominanta (culoarea), impreuna cu informatiile de sincronizare sunt combinate intr-un singur semnal. Pentru orice proiect multimedia sau site Web trebuie sa se stie inca de la inceput tipul de monitor pe care se va derula. Trecerea unei imagini in miscare color de pe un tip de monitor pe altul poate duce la deformarea culorilor si la aparitia acestora cu umbre de rosu, ce solicita folosirea de filtre hardware si software corespunzatoare.

Modul de baleiaj al ecranului in afisarea semnalului video digital este cunoscut sub numele de baleiaj progresiv. Pe ecranele calculatoarelor, liniile video sunt prezentate secvential, una dupa cealalta, cu o rata a cadrelor mai mare decat in tehnologia analoga (de exemplu 66,7 fps pentru monitorul calculatorului Macintosh). Pe ecranul TV, imaginea este obtinuta prin baleiaj intretesut 2/1, adica doua seturi de linii alternate formeaza banda, liniile cu numar de ordine par sunt trasate in primul pas, iar cele cu numar impar in pasul al doilea, intercalandu-se. Acest mod permite ca o imagine video sa fie difuzata la o rata redusa a cadrelor, sub 25-30 fps (frame per secunda), fara o palpaire sesizabila ochiului.

O caracteristica a redarii imaginii video este legata rezolutia ecranului, adica de numarul de puncte imagine (pixeli) din care se compune imaginea in sistemele de afisare. O diferenta usor constatata intre cele doua sisteme este rezolutia ecranului. Astfel, rezolutia video difera pentru sistemul analog in functie de standardul TV: 625 linii in cazul standardului NTSC sau 525 linii pentru standardele PAL si SECAM. Pentru ecranul calculatorului scanarea se face, de obicei, la numai 480 de linii, pentru aceeasi dimensiune a acestuia, in mod progresiv, iar rezolutia lui este limitata in mod obisnuit la rezolutia unui monitor VGA, de 640*480 pixeli, cu o paleta de 256 culori.

Procedeul prin care se descarca si afiseaza simultan o secventa video digitala se numeste double-buffering. Acesta presupune folosirea a doua zone de memorie tampon, una care preia datele de pe retea si alta care afiseaza datele. Comutarea intre cele doua zone, una care se umple si alta care se descarca de informatie, asigura redarea in continuitate a secventelor sincrone audio-video.

Digitizarea video

Transpunerea video-ului pe calculator este conditionata intr-o prima faza, de existenta unor resurse hardware specifice, cu care acesta este numerizat. Numerizate, secventele video pot fi integrate usor in orice prezentare multimedia. Exista o gama larga de placi ce asigura captarea secventelor full-screen, cu un numar rezonabil de culori. Pentru a reda insa aceste secvente, calculatorul trebuie dotat cu placi de decompresie, care sa asigure aceasta operatie in timp real.

Pornind de la diferentele amintite mai inainte, conversia din forma analogica in forma digitala a semnalului video este asistata de diferite componente hardware care transforma semnalul video compus intr-un semnal RGB si care asigura accelerarea semnalului video intretesut pentru ecranul calculatorului. In plus, daca semnalul video digitizat va fi combinat cu grafica pe calculator, va fi necesar si un hardware pentru sincronizarea semnalelor video si VGA, imaginea obtinuta putand fi inregistrata fara dificultati pe o banda video. Obtinerea video-ului numeric presupune digitizarea semnalului video analog, codificat fie pe componente, fie ca semnal compus.

Obtinerea unui rezultat bun pentru video numeric este conditionata in principal de urmatorii factori:

- fluxul de imagini, care poate fi de la 25 la aproape 30 de cadre pe secunda;

- rezolutia spatiala, determinata de modul de baleiaj al liniilor din care se construieste imaginea;

- rezolutia de chrominanta, determinata de numarul de culori folosite simultan si de modul de codificare a lor;

- calitatea imaginii.

Standarde pentru compresia video

Compresia imaginilor, ca si cea a sunetelor este posibila datorita existentei unei redundante sau prin specularea unei repetabilitati. Compresia asigura eliminarea acestei redundante, retinand numai informatiile absolut necesare pentru reconstituirea imaginii sau sunetului. Din punct de vedere al decompresiei, se constata o relatie de inversa proportionalitate intre factorul de compresie obtinut si calitatea imaginilor (respectiv a sunetului).

Datorita complexitatii lor ridicate, compresia si decompresia imaginilor sunt operatii extrem de costisitoare in ce priveste resursele calculator necesare. Din acest motiv, intre reducerea fluxului de date si calitatea imaginilor se fac deseori compromisuri.

Micsorarea debitului informational precum si a volumului de stocare se poate face atat cu pierdere de informatie, cat si fara pierdere de informatie. In general, pentru compresia datelor, ne intereseaza o solutie fara pierdere de informatii, ceea ce garanteaza reproducerea calitatii imaginii originale, in schimb rata de compresie este in acest caz destul de scazuta. Pentru audio si video, o compresie cu pierdere de informatii (lossy compression) este insa de cele mai multe ori acceptabila, deoarece ochiul si urechea umana filtrand o buna parte a informatiei primite, transmite creierului numai trasaturile esentiale. O compresie cu pierdere de informatie neesentiala este deci "transparenta" ochiului si urechii, astfel diferenta dintre informatia originala si informatia prelucrata este uneori insesizabila. Ea sacrifica precizia in favoarea obtinerii unui fisier mult mai redus.

Intrucat pentru video se inregistreaza o redundanta mare, atat spatiala, adica a detaliilor de continut a cadrelor, cat si temporala, adica a diferentelor constatate intre cadrele succesive, transparenta nu se pierde la o compresie chiar de 20 de ori, desi de multe ori este posibila o compresie mult mai mare. Redundanta spatiala este exploatata de tehnicile de compresie intra-cadre, care trateaza imaginile una dupa alta, in mod individual. Acestea se bazeaza fie pe eliminarea detaliilor nesemnificative, fie pe codificarea culorilor pe mai putini biti sau pe considerarea culorilor vecine ca fiind identice. In schimb, la compresia bazata pe redundanta temporala, inter-cadre, sunt luate in considerare numai aspectele care tin de diferentele semnalate intr-o imagine in raport cu precedenta.

Algoritmii de compresie video real-time cunoscuti sunt: MPEG, DVI sau M-JPEG; ei se bazeaza pe aceste doua tipuri de redundanta si sunt disponibili pentru a comprima informatia video digitala, cu rate cuprinse de la 50:1 pana la 200:1.

Dintre acestia s-a impus ca norma oficiala de compresie a imaginilor video MPEG. El poarta numele grupului de lucru desemnat in 1988 sa dezvolte standarde pentru reprezentarea codificata a imaginii in miscare, a sunetului asociat si a combinatiei lor. Acest grup numit MPEG (Motion Picture Experts Group) lucreaza sub coordonarea ISO (International Standards Organization) si a IEC (International Electro-Technical Commission). Pentru a face fata nevoilor crescande de standarde pentru multimedia, grupul MPEG si-a orientat lucrarile pe mai multe directii, existand deja numeroase specificatii ale acestuia:

- MPEG1 - "Coding for Moving Pictures and Associated Audio for Digital Storage Media at up to about 1,5 Mbps". Este un standard international (IS-1172 / octombrie 1992) ce priveste numerizarea video cu sunet sincron, pentru aplicatii pe CD-ROM, cu debite de pana la 1,5 Mbits/s.

- MPEG2 - "Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio". Similar MPEG1, acest standard international (IS-13818 / noiembrie 1994) include extensii, ce pot acoperi cerintele unei game largi de aplicatii video numerizat, de inalta calitate, pentru publicul larg: banci de imagini, enciclopedii multimedia, etc. MPEG2 cere pentru video numerizat, de calitatea emisiunii TV, un debit cuprins intre 4 si 9 Mbits/s. In plus, MPEG2 s-a dovedit eficient si pentru TV de inalta definitie si s-a dezvoltat in ideea de a suporta formate de afisaj progresiv si intercalat. Ulterior, MPEG2 s-a dezvoltat pentru a suporta si transmisii video, la o rata de transfer de 2-15 Mbits/s prin cablu, prin satelit sau prin alte canale de comunicatie. In forma omologata la mijlocul anului 1994, standardul MPEG2 este definit ca un standard destinat televiziunii, in principal prin satelit, pentru imagini de 724*480 pixeli (NTSC) si de 720*576 pixeli (PAL) la debite de transfer mergand pana la 40 Mbits/s.

MPEG1 si MPEG2 au o structura constituita din 4 parti principale, ce se refera una la intregul sistem, prin descrierea sincronizarii si multiplexarii semnalelor video si audio, una la componenta video, cuprinzand compresia semnalelor video, una la componenta audio, insistand pe compresia semnalelor audio si o alta privind testele de conformitate a operatiilor, descriind procedurile pentru determinarea caracteristicilor fluxurilor de date si a procesului de decodare, precum si procedurile pentru testarea conformitatii cu cerintele specificate in primele trei parti.

- MPEG3 - specificatie care nu exista de sine statator, ea fuzionand cu MPEG2 pe masura evolutiei acesteia. Avand ca obiectiv initial aplicatiile televiziunii de inalta definitie (TVHD).

- MPEG4 - denumita si "Very Low Bit Rate Audio-Visual Coding". Acest standard este destinat codificarii video-ului numeric la debite joase, cuprinse intre 4800 si 64000 bits/s pentru imagini de 170*144*10 Hz. Obiectivele acestui standard vizeaza comunicatiile multimedia interactive, videofonia pe linii telefonice analogice, posta electronica multimedia, ziare interactive, bazele de date.

Compresia video MPEG este una de tip asimetric, in sensul ca operatia de codificare este mult mai complexa si cu timpi de desfasurare mai mari decat cea de decodificare. Semnalul video si audio comprimat prin aceasta operatie trebuie sa-si pastreze sincronizarea initiala. Toti algoritmii folositi de acest standard au ca scop fie reducerea informatiilor redundante sau care se repeta, fie aproximarea unora pornind de la cele existente si care sunt deja stocate. Prin luarea in considerare a compromisului reducere cantitate de date - mentinere calitate imagine, procesul de comprimare devine conditionat de anumiti factori, cum ar fi:

- timpul de numerizare - comprimare. Notiunea de timp real este implicit legata de video, in ceea ce priveste fluiditatea normala a numerizarii la 24 de imagini pe secunda. Numerizarea - comprimarea la o viteza insuficienta a cadrelor este imediat sesizabila neplacut ochiului.

- asigurarea sincronizarii audio - video.

- raportul dintre viteza si timpul la codificarea si la decodificarea datelor.

- raportul de compresie, exprima cantitatea de date reduse fata de volumul necomprimat si trebuie stans corelat cu calitatea imaginii.  De exemplu cu MPEG, raportul de compresie de 200:1 se poate corela cu o buna calitate a imaginii, pe cand la M-JPEG numai pana la un raport de compresie de maximum 20:1 se poate indeplini si conditia de calitate.

- compresie cu sau fara pierdere de informatie. Obtinerea unei reduceri fara pierdere de informatie este specifica algoritmilor de compactare, care exploateaza redundanta din fisierele de date. Calitatea imaginii in aceasta situatie ramane nealterata.

- exploatarea redundantei intra-cadre sau inter-cadre

Prin tehnologia si algoritmul de compresie MPEG1, secventele audio - video se pot stoca si reda fie pe CD-ROM, fie pe retea, fara a se folosi multe resurse informatice. Exista deja cateva placi de compresie/decompresie MPEG, foarte cunoscute: Reel Magic (Sigma Design), Video Master, Video Blaster, MPEG Player (VideoLogic). Solutia Reel Magic este in fapt primul produs care a implementat compresia MPEG in asa fel incat a permis vizualizarea unui film, a unor secvente de televiziune sau video, pe monitorul unui calculator, folosindu-se un driver CD-ROM. La decompresie, placa Reel Magic preia sirul de date codificat MPEG si il converteste in semnal video si audio, sincronizat pentru redare.

Formatul MPG (MPEG) este formatul specific unei secvente video comprimate conform standardului MPEG.

Video for Windows si QuicKTime - aplicatii player pentru redarea video in aplicatiile multimedia

Conversia semnalului video analog intr-un semnal digital si-a gasit rezolvarea folosind ca mijloace hardware specifice, placile de achizitie si numerizare. Pe langa acestea, se pot adopta si solutii software de codificare, recunoscute de platformele multimedia. Cele mai cunoscute forme sub care se poate regasi video digital sunt filmele QuickTime si AVI (Audio Video Interleaved).

Video for Windows permite operatii asupra secventelor video, cum ar fi:

- captarea imaginii si a sunetului de la diferite surse externe. Aceasta se poate face in timp real sau imagine cu imagine. Informatia obtinuta in fisiere in urma acestei operatii nu este compresata. Un modulul destinat este folosit pentru aceasta operatie, denumit VidCap.

- comprimarea fisierelor video dupa metodele amintite;

- montajul secventelor;

- editarea secventelor video sau a fisierelor video; mecanismul folosit este unul de tip CUT / PASTE si este inclus in modulul VidEdit.

- vizualizarea secventelor video de pe hard disc sau de pe CD-ROM.

- editarea fisierelor audio de format WAV (format audio pentru Windows), AIFF (Apple QuickTime) sau sunet separat dintr-un fisier video de tip AVI;

- editarea cadrelor ca imagini fixe, la nivel de bit, pe formate ca BMP, PCX, EPS sau TIFF. Aceasta responsabilitate este preluata de modului BitEdit.

Formatul AVI (Audio Video Interleaved) al fisierelor video de pe PC, constituie standardul Windows de integrare a imaginilor si sunetelor sincronizate. Acest format contine documentul Video for Windows cu secvente audio-video de dimensiune si rezolutie variabile. Consultarea acestui tip de fisier nu necesita un echipament hardware suplimentar. Crearea secventelor audio-video AVI necesita in schimb, o placa de numerizare a semnalului analog video, care provine de la o sursa video externa. Pentru a asigura o anumita performanta a redarii secventelor, Video for Windows permite crearea fisierelor AVI tinand cont de suportul lor de stocare, adica hard discul sau CD-ROM. In plus, secventele video Microsoft beneficiaza si de un difuzor simplificat in versiune run-time.

Exista o vesiune QuickTime si pentru Windows. Datele audio digitale sunt sincronizate cu informatia video din fisier. Compresia si decompresia se fac in mod specific, in functie de tipul de data ales, prin aplicarea unei scheme potrivite, denumite codec-uri:

- codec pentru animatie Apple, care este destinat in principal imaginilor in miscare. Prin actionarea acestui modul se inregisteaza rate inalte de compresie mai ales atunci cand intre imagini exista variatii mari de culoare. Operatia de comprimare poate fi facuta fie cu pierdere de informatie, fie fara pierdere de informatie iar decomprimarea unei imagini full-screen ia aproape de doua ori mai mult decat comprimarea acesteia. Raportul de comprimare variaza, depinzand in principal de continutul imaginii.

- codec pentru grafica Apple este destinat in principal imaginilor grafice. Se aplica metode de compresie asimetrice, insa cu timpi de decompresie foarte mari.

- codec Photo JPEG Apple se foloseste pentru imaginile fixe, de inalta rezolutie si cu un numar mare de culori, sau pentru fotografii numerice. Metoda se bazeaza pe algoritmul si standardul JPEG, astfel incat comprimarea cu pierdere de informatie este ocazionala, iar calitatea imaginii este foarte buna in raport cu rata de compresie inalta. Daca acest modul este asistat in plus si de o placa de compresie, ratele de compresie pot atinge o valoare de 180:1 pentru un video full- screen, full-motion.

- codec video Apple este folosit la comprimarea si decomprimarea secventelor video. Acest modul este considerat principal si foloseste un algoritm de compresie specific Apple, avand viteze mai mari la decomprimare, de aproximativ trei ori in comparatie cu compresia. Ratele de compresie dau o reducere de la 5:1 pana la 25:1, cu diminuarea specifica a calitatii.

- codec-ul YUV reprezinta o solutie pentru anumite intrari sau prelucrari video. Algoritmul aplicat este unul din categoria fara pierdere de informatii, dar calitatea imaginii obtinute este deosebita. In aceste conditii rata de compresie este de aproximativ 2:1.

Formatul MOV (Movie) sau QTM (QuickTime este un format de fisier video ce contine insa secvente de film QuickTime caracteristice sistemului Macintosh, dar intr-un mediu Windows. Aceste clip-uri video sunt asemanatoare celor Video for Windows.