Aρχική | Βοήθεια FAQ | Newsletter | Επικοινωνία
Αρχική / Εικόνα-Ήχος / ΕΙΚΟΝΑ /

Ελεύθερη Αναζήτηση:

Ενδιαφέρομαι για:

Ψηφιακό video και συμπίεση

/Images/Articles/Home_cinema.jpg

Το video σε ψηφιακή μορφή μπορεί να προκύψει είτε με απευθείας «σύλληψη» του σε ψηφιακό μέσο, πχ. με ψηφιακή βιντεοκάμερα, είτε με μετατροπή ενός αναλογικού σήματος. Σε κάθε περίπτωση το ψηφιακό σήμα έχει κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά σε σχέση με το αναλογικό, κάτι που είναι χρήσιμο να μελετήσουμε σε αυτό το άρθρο.

 

Το ψηφιακό video μπορεί να εκληφθεί ως ένα σύνολο στατικών εικόνων που εναλλάσσονται γρήγορα πολλές φορές το δευτερόλεπτο. Συνεπώς το video «κληρονομεί» τα στοιχεία των εικόνων που το αποτελούν (χρωματική και χωρική ανάλυση - color special resolution) και επιπλέον χαρακτηρίζεται από τη συχνότητα εναλλαγής τους (συχνότητα καρέ-frame rate). Το πρότυπο για την προβολή οποιοδήποτε είδους μη-κινηματογραφικού video είναι 30 καρέ το δευτερόλεπτο, ενώ για film είναι 24-30 καρέ το δευτερόλεπτο. Συνεπώς η πληροφορία video αποτελείται από 30 ή 24 εικόνες (ή καρέ) κάθε δευτερόλεπτο.

 

Αυτό που παρουσιάζει το μεγαλύτερο ενδιαφέρον είναι η μετατροπή ενός αναλογικού βίντεο σε ψηφιακό, ο ρόλος της συμπίεσης στη διαδικασία αυτή, αλλά και οι μέθοδοι συμπίεσης που χρησιμοποιούνται. Έστω λοιπόν ότι θέλουμε να μετατρέψουμε ένα αναλογικό βίντεο σε ψηφιακό. Για παράδειγμα, για ένα ασυμπίεστο ψηφιακό βίντεο που έχει ανάλυση 720x576 pixels και που χρειάζεται 24-bit για τον καθορισμό του χρώματος ενός pixel:

 

Έχουμε συνολικά 720x576 = 414.720 pixels

x 24 (bits ανά pixel) = 9.953.280 bits

x 25 (καρέ ανά δευτερόλεπτο) = 248.832.000 bits/sec

 

Διαιρώντας με 1.048.576  (οι μετατροπές των bytes και των bits γίνονται πάντα με βάση το 1024 και όχι το 1000) μετατρέπουμε αυτό το νούμερο σε Mb και παίρνουμε το αποτέλεσμα 237Μb/sec. Σημειωτέον, ότι δεν έχουμε συνυπολογίσει τον ήχο, που ουσιαστικά δεν προσθέτει και πολύ στο νούμερο που βρήκαμε παραπάνω. Αυτό είναι και το bit rate του ασυμπίεστου βίντεο. Φυσικά, το νούμερο είναι απλά τεράστιο για να μπορέσει να μεταδοθεί από οποιοδήποτε σύστημα τηλεοπτικής μετάδοσης σήμερα, αλλά είναι εξαιρετικά μεγάλο και για εφαρμογές ψηφιοποίησης βίντεο σε κάμερες, DVD κλπ.  Επομένως πρέπει να απορριφθεί σημαντικό μέρος της πληροφορίας. Αυτό επιτυγχάνεται με τη συμπίεση.

 

Η πρώτη απόρριψη πληροφορίας γίνεται στο χρώμα. Όταν ψηφιοποιείται ένα αναλογικό σήμα βίντεο, παίρνουμε 13.500.000 δείγματα (samples) κάθε δευτερόλεπτο για τη φωτεινότητα (συμβολίζεται με 4) και ισάριθμα δείγματα για κάθε μία από τις χρωμοδιαφορές. Κάθε δείγμα αντιστοιχεί σε ορισμένο αριθμό από bits. Έτσι, ένα ασυμπίεστο ψηφιακό βίντεο έχει δειγματοληψία 4:4:4. Το ανθρώπινο μάτι όμως, είναι πολύ πιο ευαίσθητο στη φωτεινότητα και πολύ λιγότερο στο χρώμα. Έτσι, ένας πολύ μικρότερος αριθμός δειγμάτων στο χρώμα είναι ικανός να το ξεγελάσει. Παίρνοντας ακριβώς το ¼ των δειγμάτων και για τις δύο χρωμοδιαφορές, καταλήγουμε στα συστήματα 4:1:1 (που αφορά το NTSC) και 4:2:0 (για το PAL). Το 4:2:0 δεν σημαίνει ότι στο PAL απορρίπτουμε εντελώς μια χρωμοδιαφορά, απλά διαφέρει ο τρόπος δειγματοληψίας και ο συμβολισμός, αφού η λογική είναι στη βάση της ίδια. Με αυτό τον τρόπο καταφέραμε να μειώσουμε την πληροφορία ακριβώς στο μισό.

 

Με πρόσθετη συμπίεση, που βασίζεται σε ένα συνημιτονοειδή μετασχηματισμό (DCT) και αφορά συμπίεση καρέ-καρέ (περίπου όπως στις φωτογραφίες JPG), συμπιέζουμε το σήμα πέντε ακόμα φορές και καταλήγουμε σε ένα ψηφιακό σήμα με bitrate 25Mb/sec (10 φορές συμπίεση από το αρχικό). Το συγκεκριμένο σήμα είναι το γνωστό DV, το οποίο, ενώ χρησιμοποιείται ευρύτατα σε επαγγελματικές και ερασιτεχνικές κάμερες λήψης, εξακολουθεί να έχει τεράστια πληροφορία για να μεταδοθεί τηλεοπτικά.

 

Η περαιτέρω συμπίεση του ψηφιακού βίντεο για να γίνει κατάλληλο για τηλεοπτική μετάδοση από ψηφιακή δορυφορική (ή επίγεια) τηλεόραση, βασίζεται στο σύστημα συμπίεσης MPEG-2, όπως και το DVD. Το MPEG-2 βασίζεται στη λογική ότι σε συνεχόμενα καρέ μιας ταινίας υπάρχει πολύ μικρή αλλαγή, έτσι ψηφιοποιεί κάποια βασικά καρέ και από εκεί και πέρα μόνο τις διαφορές που παρατηρούνται από το ένα καρέ στο άλλο. Το τι θα θεωρήσει σαν διαφορά το MPEG-2, εξαρτάται από το μέγεθος της συμπίεσης που θα του δώσουμε. Αν αυτή είναι μεγάλη, τότε δεν θα μπορέσει να ψηφιοποιήσει όλες τις πραγματικές διαφορές, με αποτέλεσμα την εμφάνιση σπασίματος και ενοχλητικών pixel στην εικόνα. Είναι λογικό, ότι όσο μεγαλύτερη δράση υπάρχει σε ένα βίντεο, τόσο λιγότερη συμπίεση «ανέχεται» για να μπορέσει να αποδώσει όλη την κίνηση, ενώ ένα «στατικό» βίντεο μπορεί να συμπιεστεί πολύ. Το MPEG-2 χρησιμοποιείται από τα ψηφιακά κανάλια της ΕΡΤ.

 

Ένα άλλο πρότυπο συμπίεσης της ίδιας οικογένειας είναι το MPEG-1. Το πρότυπο MPEG-1 βασίζεται στη παρατήρηση ότι το σύνολο των διαδοχικών εικόνων μιας ακολουθίας video θα διαφέρει λίγο με αποτέλεσμα να έχουμε αρκετή πλεονάζουσα πληροφορία. Η συμπίεση που επιτυγχάνει είναι της τάξης του 26:1. To πρότυπο MPEG-1 είχε σαν αρχικό στόχο την αποθήκευση συγχρονισμένου ήχου και έγχρωμης κινούμενης εικόνας σε οπτικό δίσκο (CD-ROM). Αυτός ήταν ο λόγος που για το ηχητικό κανάλι δεσμεύτηκαν 200 ως 320 Kbps (για ποιότητα ήχου εφάμιλλής του CD), ενώ για την κινούμενη εικόνα είναι 1.15 έως 1.2 Mbps. Η ποιότητα της εικόνας είναι επιπέδου ενός οικιακού video (VCR).

 

To πρώτο MPEG-4 για βίντεο συμπίεση, αναπτύχθηκε στις αρχές του 1999 από την ομάδα MPEG (Moving Picture Experts Group), την ίδια δηλαδή ομάδα που κατασκεύασε τα πρότυπα MPEG-1 και MPEG-2 και η πλήρης ονομασία του είναι MPEG-4 Version 2. Η βασική λογική σχεδίασης του πρώτου βίντεο πρότυπου MPEG-4, ήταν η καλή ποιότητα εικόνας σε πολύ χαμηλά bitrates (πολύ μεγάλη δηλαδή συμπίεση). Αν πρόκειται να μιλήσουμε με αριθμούς, το MPEG-4 Version 2, μπορούσε να πετύχει ικανοποιητική ποιότητα εικόνας, με ανάλυση 720x576 (SD) σε bitrates μικρότερα του 1Μbps. Η συμπίεση δηλαδή, ήταν 4 ή και περισσότερες φορές μεγαλύτερη από ένα αντίστοιχο MPEG-2, σε καμία όμως περίπτωση η ποιότητά του δεν πλησίαζε την αντίστοιχη του MPEG-2. Το Μάιο του 2003, παρουσιάστηκε ένα νέο σύστημα συμπίεσης βίντεο (codec) υψηλής ποιότητας, που ήταν το προϊόν συνεργασίας της ομάδας Moving Picture Experts Group (MPEG) μαζί με τη γνωστή ομάδα Video Coding Experts Group (VCEG). Ο καινούριος αυτός codec ονομάστηκε H.264 ή MPEG-4 Part 10, αλλά αρκετές φορές αναφέρεται και με το όνομα Advanced Video Coding (AVC). Ο νέος αυτός Codec, λοιπόν, μόνο ιστορική σχέση έχει με το κλασικό MPEG-4, αν και πολύς κόσμος λανθασμένα θεωρεί ότι είναι το ίδιο. Αυτό είναι το νέο MPEG-4 που  εξυπηρετήσει τις ανάγκες της σύγχρονης ψηφιακής τηλεόρασης (DIGEA) και όχι το αρχικό MPEG-4 Version 2.

 

Εκτός από τις μεθόδους συμπίεσης καλό είναι να αναφέρουμε και κάποια στοιχεία για τα γνωστά μας αρχεία AVI και MKV. Το πρότυπο AVI (Audio Video Interleave) έχει φτιαχθεί από τη Microsoft. Είναι ένα container πρότυπο, δηλαδή μας δίνει τη δυνατότητα να έχουμε σε ένα μόνο αρχείο και εικόνα και ήχο. Είναι μια από τις πιο δημοφιλείς μορφές για video DVD ποιότητας και υποστηρίζεται από διαφορετικές συσκευές, συμπεριλαμβανομένων και των φορητών συσκευών. Μπορεί να αναπαραχθεί από ένα μεγάλο αριθμό players που μπορεί να έχουμε εγκατεστημένους στον υπολογιστή μας.

 

Για το τέλος αφήσαμε τα αρχεία video με κατάληξη «.mkv». To Matroska Multimedia Container είναι ένα είδος συμπίεσης και διαμόρφωσης αρχείων με το οποίο πετυχαίνουμε ένα πολυάριθμο σύνολο από video, audio, εικόνες και υπότιτλους, να εμπεριέχονται μέσα σε ένα και μόνο αρχείο. Αποτελεί ένα καθολικό format το οποίο είναι ικανό για την αποθήκευση κοινού περιεχομένου πολυμέσων, όπως είναι οι ταινίες ή τα τηλεοπτικά shows. Συνήθως χρησιμοποιείται για αρχεία υψηλής ανάλυσης. Όπως προείπαμε oi καταλήξεις των αρχείων video matroska που εμπεριέχουν ήχο και υπότιτλους είναι .mkv. Όμως είναι πολυ πιθανό να συναντήσουμε αρχεία και με άλλες δύο καταλήξεις που αφορούν στο matroska format τα οποία είναι τα .mka που αφορούν σε audio αρχεία μόνο ή τα .mks που είναι αρχεία τα οποία εμπεριέχουν μόνο υπότιτλους. Ορισμένοι media players από τους πολλούς που υποστηρίζουν τα .mkv αρχεία είναι οι ALLPlayer, DivX Plus Player, GOM Player, Media Player Classic, Media Player Classic Home Cinema, PowerDVD, VLC media player.

Με την κατάκτηση κάποιων γνώσεων σχετικών με τους τύπους των ψηφιακών αρχείων εικόνας ολοκληρώνουμε πλήρως το κεφάλαιο που αφορά στην εικόνα για το home cinema των ονείρων μας. Ίσως σε κάποιους όλα αυτά να μοιάζουν σα λεπτομέρεια, όμως ας μην ξεχνάμε πως τελικά, η λεπτομέρεια είναι αυτή που κάνει τη διαφορά. Σκοπός μας είναι καθένας από εμάς να έχει τις γνώσεις να αναζητήσει στην αγορά αυτό ακριβώς που εξυπηρετεί τις ανάγκες του και όχι η αγορά να προσαρμόσει τα «θέλω» μας στα πακεταρισμένα προϊόντα.

 

 

Μιχάλης Σαρρής

Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Η/Υ