Основы работы с видео изображениями

План:

План……………………………………………………………………………..…2
Введение…………………………………………………………………………...3
Стандарты………………………………………………………………………….4
Форматы…………………………………………………………………………...5
Работа с видеоизображениями…………………………………………………...8
Заключение……………………………………………………………………….16
Список литературы………………………………………………………………18

Введение

В течении времени люди все чаще стали привыкать к высококачественным видеозаписям. Профессиональное видео – неотъемлемая часть нашей жизни.Работа с видеоизображениями или видеомонтаж заключается в отборе фрагментов отснятого видеоматериала, их компоновке, состыковке, добавлении титров, музыки, комментариев и спецэффектов. Цветокоррекция и фильтровка тоже имеют место быть. Всё это возможно сделать в видео редакторе. Его назначение – захват видео и аудиосигнала, их редактирование и вывод на различные носители информации. Можно привести в пример программы редактирования видео такие, как Ulead Meda Studio Pro, Sony Vegas и Adobe Premiere. Первые два редактора с простым интерфейсом, а для Premiere разработан целый ряд дополнительных модулей.
СтандартыСуществуют три системы цветного телевещания, отличающиеся способом кодирования видеоизображения – PAL SECAM и NTSC.Стандарт PAL (Phase Alternative Line) разработан в 1961 г. И используется в большинстве европейских стран. Телевизионный кадр состоит из двух полукадров, образуемых за счет чередования (Interlacing) полей в процессе сканировании электронного луча сначала по нечетным, затем – по четным строкам. Такая чересстрочная развёртка помогает предотвратить мерцание на телеэкранах. Основные характеристики стандарта: частота кадров – 25 кад./сек, соответственно частота полукадров (полей) – 50 Гц; широкая полоса пропускания» полный телевизионный кадр – 768х625. Такое разрешение применяется при редактировании на компьютере проекта в стандарте PAL, для подготовки полноэкранного видео.SECAM (Sequential Color Memory) является стандартом для телевидения во Франции, России и Восточной Европе. Работает так же как и PAL.Стандарт NTSC (National television Standards Committee) принят в США, японии, Бразилии. В нем используется 525 строк и 60 полукадров изображения в секунду.HDTV (High Definition Televsion) – стандарт цифрового телевидения с высоким разрешением или телевидения высокой четкости (ТВЧ). Обеспечивает разрешения 1920х1080 (1080р) и 1280х720 (720р), при которых число строк превышает число строк на обычном телеэкране, а частота кадров может достигать значения 60 прогрессивных кадров в секунду. Такие характеристики обеспечивают повышенную четкость картинки и плавность передачи движений.В телевидении исходные RGB-сигналы перед передачей через эфир кодируются в сигнал яркости (Y) и два цветоразностных сигнала цветности (U и V), т.е. преобразуются в цветовую модель Y, U,V. При приеме сигнала в цветном телевизоре происходит обратное преобразование.Передаваемое телевизионное изображение по размерам больше, чем то, которое выводится на экран телевизора. Такой режим называется overscan – развертка заходит за пределы полезной площади экрана. Развертка же компьютеров выполняется на площади, меньшей полезной площади экрана (underscan). На мониторе вокруг оцифрованного видеоизображения образуется рамка. Наоборот, при преобразовании изображения с компьютерного экрана в видео, на телевизионном экране будет выводиться только часть строк захваченного компьютерного экрана.Пр прогрессивной развертке оба полукадра выводятся одновременно (все строки сканируются последовательно). Такая развертка применяется при выводе оцифрованного сигнала на компьютерный мониор. Потому при захвате ТV-тюнером телевизионного сигнала, имеющего чересстрочную развертку, и выводе видео на монитор компьютера могут возникнуть паразитные полосы («гребенка») на быстродвижущихся объектах.Поскольку монитторы компьютеров используют RGB-сигналы, то цвета при этом получаются чище, чем цвета на телевизионном экране. Телевизионные стандарты используют ограниченную цветовую палитру и определенные уровни яркости и черного цвета. Поэтому некоторые RGB-цвета могут отсутствовать на телеэкране. Эти цвета (bleeding). В Photoshop имеется специальный фильтр для преобразования таких цветов в видимые цвета (Фильтры >> Видео >> NTSC цвет). При сочетании чисто желтого с чисто фиолетовым цветом или голубого с оранжевым на RGB-мониторах возникает вибрация цвета. Не следует использовать красный или зеленый цвет, поскольку 8% населения не смогут их различить. Для выделения важных элементов в мультимедиа-проектах желательно использовать полностью насыщенные цвета на нейтральном фоне, который имеет менее насыщенные оттенки этого цвета.
ФорматыВидеоформат определяется типом используемого оборудования – видеокамеры. Видеомагнитофона и носителей. Одним из основных показателей, характеризующая качество получаемого видеоизображения, является разрешающая способность видеокамеры.Разрешающая способность видеокамеры принято измерять в телевизионных линиях (ТВЛ) по качеству заснятой испытательной таблицы (рис. 1.1). Цифры, стоящие на месте, где сужающиеся горизонтальные и вертикальные линии перестают быть различимыми, и характеризуют разрешающую способность камеры соответственно по вертикали и горизонтали.Существуют аналоговые и цифровые форматы. К аналоговым относятся форматы VHS, VHS-C, S-VHS, SVHS-C, Hi8 и Betacam.В бытовых видеомагнитофонах, использующих формат VHS и Video-8, применяется композитный телевизионный сигнал. Он представляет смесь (композицию) сигналов Y, U, V (яркости, цветности) и синхроимпульсов. Для простоты декодирования сигналов объем информации ограничевается разрешением 240 телевизионных линий.Недостаток формата VHS (Video Home System) – невысокая четкость изображения (320х240 пикселей на экране монитора) и резкая потеря качества при каждой перезаписи. VHS-кассета имеет ширину ленты 12,65 мм и время записи 240 мин. При стандартной скорости ленты.VHS-C – VHS-Compact, модификация VHS для компактных кассет, вмещающих 90 мин. Записи при тех же характеристиках изображения и монофоническом звуке.Дальнейшее развитие видеотехники связано с применением компонентного сигнала. Яркость, цветность и синхроимпульсы передаются по каналам связи независимо друг от друга. Видеосигнал Y/C, состоящий из разделенных компонент яркости (Y) и цветности (C), уже имеет разрешение до 400 линий. Он используется в форматах S-VHS и Hi8.Формат Hi8 используется для записи на кассеты с шириной ленты 8 мм. Максимальное время записи – 180 мин. В стандартном режиме. Формат Video-8 использует также пленку 8 мм, покрытую специальным металлопокрытием, что позволило повысить уровень записываемых сигналов и качество воспроизводимого сигнала.в профессиональной видеотехнике используется YUV-сигнал, содержащий яркостную (Y) и цветоразностные компоненты (U, V). Он обеспечивает разрешение до 650 линий (формат Betacam).К цифровым относятся форматы DV, Mini DV, HDV, AVCHD, Digital8 и сжатое видео в формате MPEG.Формат Digital Video (DV) был разработан для цифровых камер, использующих запись на магнитную ленту шириной 6,35 мм(0,25 дюйма). Он основан на компонентном представлении сигнала с разрешением 500 ТВЛ. Оцифровка осуществляется с разрешением 720х576 значений яркости (Y) в кадре и по 360х288 значений цветоразностных сигналов (U и V). Человеческий глаз более чувствителен к яркости, чем к цвету, в связи с чем информацию о цвете можно «урезать» без ущерба для восприятия. Поэтому информация о яркости Y передается в каждом отсчете каждой строки, а цветоразностные сигналы U и V – в два раза реже – используется кодирование по схеме 4:2:2. Видео сохраняется отдельно от звука, что позволяет записывать звуковое сопровождение после завершения записи видео. Формат обеспечивает высокое качество записи и возможность сохранения видео на любом цифровом носителе.Формат Mini DV является упрощенным, полупрофессиональным цифровым форматом для специальных недорогих кассет Mini DV с шириной ленты 6,35 мм и продолжительностью записи 60 мин. В стандартном режиме. Поддерживает разрешение изображения 720х576 пикселей и стереозвук СD-качества (48 Кгц, 16 бит/2 канала). Кассеты Digital8 имеют большие габариты и используют ленту шириной 8 мм. формат HDV (High Definition Video) предназначен для записи на кассеты Mini DV видео высокой четкости со сжатием MPEG-2 – поддерживается разрешение изображения 1440х1080 пикселей, но с соотношением сторон кадра 16:9. Такое соотношение достигается растягиванием горизонтального размера пикселей, дающим эквивалентный размер в 1920 обычных пикселей. Для полноценного просмотра HDV используется телевизор Full HD с разрешением экрана 1920х1080.AVCHD (Advanced Video Cоdec High Definition) – новый цифровой формат записи видео, предусматривающий запись на безленточные носители. Максимальное разрешение AVCHD составляет 1920х1080 пикселей. Такое видео записывается камерами Full HD на жесткий диск или карту памяти (флэш-память).Семейство форматов MPEG прошло несколько этапов в своем развитии. Для MPEG-1 максимальное разрешение составляет 384х288 пикселей, для формата MPEG-2, распространенного в цифровых видеодисках DVD – 720х576 пикселей.
Работа с видеоизображениямиДля редактирования видео существует большое количество программных продуктов. В дополнение к пакетам трехмерной анимации существуют узкоспециализированные программы, например, для создания объемных шрифтов. Они также используют разнообразные эффекты анимации, выполняют визуализацию изображения и позволяют создать видео файлы.
Adobe Premiere - наиболее распространенная программа редактирования цифрового видео. Обладает удобным интуитивно понятным интерфейсом. Поддерживает несколько видео- и звуковых каналов, содержит набор переходов между кадрами, позволяет синхронизировать звук и изображение. Поддерживает файлы форматов MOV и AVI. Подключение дополнительных модулей от независимых производителей расширяет возможности программы.Speed Razor SE - программа фирмы, имеющая удобный пользовательский интерфейс. Благодаря более развитым инструментам работы с видео- и звуковыми каналами Speed Razor удобнее использовать в проектах со сложной композицией и наложениями. Содержит набор часто используемых спецэффектов, монтаж встык (прямые склейки) выполняется в режиме реального времени. Мультимедиа-проекты, созданные с помощью этой программы, могут быть записаны на видео, CD-ROM или помещены на Web-сайт.Ulead VideoStudio - программа, предназначенная для начинающих пользователей. В ней доступна полная поддержка форматов DV и MPEG-2 для цифрового видео. А для музыкального сопровождения фильма можно использовать музыкальные файлы в формате MP3 или звуковые дорожки с аудиодиска. Работа с программой достаточно проста благодаря продуманному и дружественному к пользователю интерфейсу. В видеофильм можно вставить титры, воспользоваться плавными переходами между отдельными фрагментами и добавить голос или фоновую музыку к получившемуся клипу.COOL 3D - программа создания 3D-заголовков фирмы Ulead для презентаций, видео, мультимедиа и Web-страниц. Программа включает в себя более 100 автоматических мастеров, множество эффектов, которые в значительной степени упрощают моделирование и рендеринг конечной сцены. Также содержит огромную библиотеку 3D-объектов и материалов плюс фотореалистичные шаблоны и текстуры.Главные три этапа работы с видеоизображениями – это захват видео, монтаж, в котором можно менять цвет/свет/скорость видеоизображения, и сжатие.Для того, чтобы конечное изображение получилось максимально возможного качества, необходимо делать захват видео, при котором осуществляется оцифровка каждого фрагмента данного видео, что даст возможность покадрово редактировать весь видеоролик и придать готовой работе дополнительные элементы.
Видеомонтаж может осуществляться двумя способами — используя линейный либо нелинейный видеомонтаж:
Линейный монтаж происходит чаще в реальном времени. Видео из нескольких источников (проигрывателей, камер т. д.) поступает через коммутатор на приёмник (эфирный транслятор, записывающее устройство). В этом случае переключением источников сигнала занимается режиссёр линейного монтажа. О линейном монтаже также говорят в случае процесса урезания сцен в видеоматериале без нарушения их последовательности.
При нелинейном монтаже видео разделяется на фрагменты (предварительно видео может быть преобразовано в цифровую форму), после чего фрагменты записываются в нужной последовательности, в нужном формате на выбранный видеоноситель. При этом фрагменты могут быть урезаны, то есть не весь исходный материал попадает в целевую последовательность; подчас сокращения бывают очень масштабными.Сжатие видеоизображений  (кодек — компрессор-декомпрессор видеосигнала).Передача видеоизображения в цифровом виде, естественном для графической системы компьютера (Bitmap), требует обеспечить поток данных 175 Мбит/с, или около 22 Мбайт/с. О том, чтобы записывать такой поток данных даже на самый быстрый винчестер, пока не может быть и речи -  то, что интерфейс, например, Ultra DMA, позволяет передавать данные со скоростью 33 Мб/с, вовсе не означает, что винчестер может поддерживать такой поток записи на физический носитель. Кроме того, этот поток заполнил бы диск емкостью 1 Гб всего за 44 секунды. Конечно, если пожертвовать количеством цветов и «опуститься», например, до режима High Color (16 бит на пиксел), то требуемый поток уменьшится до 116 Мбит/с. Но и такой поток не под силу выдержать компонентам современного компьютера. Выходом может быть только сжатие передаваемой информации. Выше уже отмечалось, что формат Bitmap является довольно расточительным способом описания изображений. Соседние (по вертикали и горизонтали) элементы реального изображения обычно между собой сильно взаимосвязаны (коррелированны), поэтому имеются богатые возможности сжатия описания. Иллюстрация этому -  очень большой коэффициент сжатия файлов *.BMP любым архиватором. Если сжатие файлов данных при архивации обязательно требует возможности точного восстановления исходных данных при распаковке, то при сжатии изображений в большинстве случаев можно позволить некоторые вольности, когда восстановленное изображение будет не совсем точно соответствовать оригиналу. И наконец, соседние кадры движущегося изображения между собой в большинстве случаев тоже сильно связаны, что наводит на мысль о применении дифференциального описания кадров.  Все эти рассуждения подводят нас к пониманию возможностей сжатия видеоинформации и принципов действия кодеков  -  компрессоров-декомпрессоров видеосигнала. Как и в случае программного сжатия и восстановления данных, задача компрессии оказывается сложнее задачи восстановления (легко заметить, что распаковка файлов, например архиватором ARJ, происходит гораздо быстрее упаковки). Процедура сжатия может выполняться как одноступенчатым, так и двухступенчатым способом. В первом случае сжатие выполняется одновременно с записью в реальном масштабе времени. Во втором случае поток несжатых данных интенсивностью в несколько десятков Мбайт/с записывается на специальный (очень большой и очень быстрый) диск. По окончании записи фрагмента выполняется его сжатие, которое может занимать на порядок больше времени, чем сама запись. Декомпрессия, естественно, представляет интерес лишь в том случае, если она выполняется в реальном масштабе времени (к счастью, она и реализуется проще). Ряд кодеков позволяет осуществлять декомпрессию в реальном времени чисто программными способами, используя стандартный графический адаптер SVGA. Однако программная декомпрессия сильно загружает процессор, что неблагоприятно сказывается на многозадачном использовании компьютера. Ряд современных дисплейных адаптеров имеют специальные аппаратные средства декомпрессии, разгружающие центральный процессор. На долю процессора остается лишь организация доставки сжатого потока данных к плате адаптера.
Сжатие движущихся изображений включает внутрикадровое (intraframe compression) и межкадровое (interframe compression) сжатие. Для внутрикадрового сжатия используются методы, применяемые для сжатия неподвижных изображений. В межкадровом сжатии применяется система ключевых фреймов (key frame), содержащих полную информацию о кадре, и дельта-фреймов (delta frame), содержащих информацию о последовательных изменениях кадров относительно ключевых. Благодаря корреляции соседних кадров дельта-фреймы в общем случае несут гораздо меньше информации, чем ключевые, и, следовательно, поток их данных не так интенсивен. Периодическое вкрапление ключевых кадров позволяет избежать накопления ошибки в изображении, а также начинать прием потока в любой момент (дождавшись ближайшего ключевого фрейма). При съемке различных сюжетов межкадровая корреляция, конечно же, будет существенно варьироваться. Поэтому, чтобы оценить качество работы кодека, применяют, например, сюжеты типа «говорящие головы» (Talking heads) с высокой степенью корреляции кадров и более сложные полнодвижущиеся изображения (Actions)  -  карусель, где все элементы перемещаются. Оценка качества ведется как по объективным показателям, так и по субъективному восприятию. Объективными показателями является максимальная частота кадров (Frame Rate), которая обеспечивается без отбрасывания кадров, и процент отбрасываемых кадров (Drop Frames) при обработке потока со стандартной частотой кадров. Эти показатели характеризует производительность декомпрессора, которая может оказаться и недостаточной для обработки потока данных без потерь. Интересен также и коэффициент загрузки центрального процессора (CPU Utilization) при отработке стандартного потока, по которому можно судить о возможности исполнения других задач во время видеовоспроизведения. В процессе декомпрессии может потребоваться масштабирование кадров, для того чтобы вписать изображение в окно заданного размера. В простейшем случае декомпрессия производится в масштабе 1:1, при этом видеоизображение обычно занимает лишь часть экрана. Примитивное масштабирование достигается дублированием пиксела  -  один пиксел видео копируется в несколько (например 4) смежных пикселов графического экрана. Однако при этом качество изображения заметно падает  -  крупные «кирпичики», из которых строится изображение, с небольшого расстояния выглядят плохо. Более тонкий механизм масштабирования выполняет интерполяцию цветов пикселов, при этом качество изображения заметно улучшается. Однако такое масштабирование уже требует значительных затрат вычислительных ресурсов, и если их недостаточно, то вывод видеоизображения в окно большого размера будет сопровождаться потерями кадров и, возможно, перебоями звукового сопровождения. Так что говоря о качестве вывода видео, следует всегда оговаривать масштаб или размер видеоэкрана.
Кодеки, применяемые для сжатия изображений
1) JPEG (Joint Photographic Expert Group)  -  метод сжатия неподвижных изображений, основанный на одновременной обработке информации матрицы пикселов (например, 8х8) в пространстве Y-U-V с приоритетом сохранения яркостной информации. Метод почти универсален: он позволяет обеспечивать и максимальную степень сжатия, правда при этом информация восстанавливается с некоторыми потерями, и обеспечивать сжатие без потерь, но, конечно, в меньшей степени. Кроме того, возможен послойный прием изображения, когда сначала приходит грубое описание всей картинки, затем следуют постепенные уточнения (утончения) деталей. Такая передача представляет ценность при использовании каналов связи с ограниченной производительностью, например, в сети Интернет: быстро получив общий вид, можно отказаться от приема полного описания изображения, если оно не заинтересовало получателя. Конечно, все достоинства JPEG не могут использоваться одновременно -  чем-то приходится жертвовать. Степень сжатия зависит от характера изображения -  лучше всего сжимается цветное изображение, несколько хуже -  полутоновое серое. Черно-белое изображение для JPEG должно представляться в полутоновом формате, что, конечно, снижает эффективность его сжатия. В соответствии с алгоритмом сжатия JPEG, исходный сигнал преобразуется в последовательность неподвижных изображений, которые затем можно отредактировать избыточная информация из каждого кадра удаляется. Средняя степень сжатия - 30:1.
2) M-JPEG (Motion JPEG)  - метод сжатия движущихся изображений. Суть этого метода заключается в том, что каждый кадр обрабатывается как отдельное статическое изображение, то есть выполняется только внутри-кадровое сжатие. M-JPEG не получил широкого распространения из-за больших затрат времени на компрессию и декомпрессию.
3) DVI (Digital Video Interactive)  - система аппаратного сжатия движущихся видеоизображений с коэффициентом сжатия до 160:1 и записи звукового сопровождения по методу ADPCM.
4) Indeo (INtel viDEO)  -  одноступенчатый кодек на базе набора микросхем i82750, развитие системы DVI. Позволяет воспроизводить видеозаписи и с программным декодированием (необходим PC не ниже 486SX-25, SVGA 256 цветов и звуковая карта с ADPCM для звукового сопровождения).
5) Cinepak  -  программный кодек для воспроизведения «живого» видео в окне 320х240 пикселов.
6) Кодеки MPEG. Кодеки, предназначенные для работы (по крайней мере, декомпрессии) в реальном масштабе времени, выпускаются MPEG (Motion Picture Expert Group  -  группа экспертов в области движущихся изображений). Поскольку видео без звука «живым» представить трудно, MPEG занимается и аудио-кодеками. Кодеки MPEG работают в пространстве Y-U-V, причем яркостная информация обрабатывается с большим разрешением, чем цветовая. В сжатом потоке данных присутствуют кадры нескольких типов:
I (intrа)-фреймы  -  ключевые кадры, кодированные без ссылок на другие (то есть содержащие полное описание статического изображения).
Р (predicted)  - фреймы содержат описание различий текущего кадра с предыдущим.
В (bi-directional)  -  фреймы являются двунаправленными: они ссылаются и на кадр вперед, и на кадр назад.
Наличие двунаправленных кадров подразумевает, что декодер должен иметь буфер, по крайней мере, на три принятых кадра, а изображение будет выводиться с некоторым отставанием от входного потока. Для того чтобы кодек мог быстро включиться в работу с любого места потока, I-фреймы должны включаться в поток регулярно (в MPEG-1 -  не реже, чем через 0,4 с). Степень сжатия примерно 30:1, но при использовании отбора опорных кадров степень сжатия возрастает до 200:1 при достаточно высоком качестве изображения. При использовании межкадрового сжатия записываются только отличия между двумя соседними последовательными кадрами. Но этот алгоритм не позволяет моделировать или редактировать отдельные элементы (фазы) движения.
Заключение

Видеоинформация наиболее реалистично отражает изучаемые объекты и их взаимодействие. К преимуществам можно отнести высокую достоверность передачи особенностей движущихся объектов, создание эффекта присутствия.Аналоговое видео имеет множество проблем, связанных с носителем аналоговой информации и технологией ее обработки — искажение сигнала при прохождении, потери при перезаписи и влияние носителя как такового. Цифровое видео (digital video) устраняет эти проблемы, объединяя и перенося движущееся изображение и звук в компьютерный мир
Для создания цифрового представления видеоизображения применяется следующая процедура. Аналоговые сигналы от видеоисточников, например с камеры, преобразуется перед оцифровкой в цветовую систему YUV или в аналогичное цветовое представление. Затем полученный видеосигнал преобразуются в цифровую форму при помощи специального устройства, называемого аналого-цифровой преобразователь (АЦП, ADC-Analog-to-Digital Converter). Результат этого преобразования представляет собой последовательность байтов, кодирующих цвет каждого пиксела в кадре изображения. Объединение информации о каждом кадре формирует поток данных, полностью описывающих видеофрагмент. Видео- изображение в таком представлении можно в дальнейшем обрабатывать, хранить или передавать в практически неограниченное число раз. Однако размер такого файла оказывается весьма значительным.
Для Pal/Secam частота смены кадров — 25 раз в секунду, что наш мозг воспринимает как непрерывное движение. Длинные видеопоследовательности без сжатия имеют большие размеры. Так, для видео с размером кадра 352х288, 24 бит на пиксель минута видео потребует примерно 435 Мбайт.
Существует огромное количество различных видео-редакторов, но большинство из них в той или меньшей степени имеют ограниченные возможности по редактированию и обработке видео и видеоизображений, которые не пригодны для профессионального использования – рассчитаны на любителя.
Список литературы

1. Видеомонтаж. Практикум: учеб. пособие для академического бакалавриата/ В. И. Пименов. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Издательство Юрайт, 2017. 2. Свободная энциклопедия «ВикипедиЯ» (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%BA%D0%B0_%D0%B2%D0%B8%D0%B4%D0%B5%D0%BE)3. В.А. Каймин Информатика. Высшее образование - Инфра М, 2003 год4. М.А. Беляев, В.В. Лысенко, Л.А. Малинина Основы информатики. Учебник для ВУЗов - Феникс, 2006 год.5. Сайт http://www.malbred.com/obrabotka-video/zahvat-obrabotka-i-hranenie-video-s-ispolzovaniem-pk.html