03 апреля 2012
О лаборатории специальных исследований
Часть 16
К вопросу оценки ПЭМИН цифровых сигналов (продолжение)
Итак - видеоинформация.
С этой формой существования информации положение дел во многом такое же, как и с аудиоинформацией. В том числе – для аналоговой форма телевизионного сигнала существуют (хотя и прилично «забытые») и нормы и методики. Из обращения они не выведены и действуют по сей день.
Рассмотрим, кратко, формы существования видеосигнала, их особенности, существенные для проведения СИ технических средств, такую информацию обрабатывающих.
Сразу отметим, что в аналоговой форме видеосигнал, в настоящее время, существует разве что в ограниченном числе цепей в видеокамерах. Причём и там – максимум, на «материнской плате» (ПЗС матрица и первичное усиление сигнала) и нигде более. Фактически – только при съёме сигнала с матрицы и его первичном усилении. После этого он немедленно оцифровывается, сжимается (компрессируется) одним из типовых кодеков и, далее, вся обработка ведётся уже в цифровой форме.
Поэтому сами по себе знания об аналоговом «полном телевизионном сигнале» носят уже чисто базовый характер. Тем не менее – это полезно.
Итак, термин «полный телевизионный сигнал» - ПТС обозначает собственно видеосигнал для каждой из строк телевизионного кадра в аналоговой форме смикшированный со строчными и кадровыми синхроимпульсами. Собственно, для классического аналогового телевидения выглядит это так (рис. 16.1):
Рисунок 16.1 Полный телевизионный сигнал (ПТС).
Чересстрочная развёртка, ч/б изображение
Для нас наиболее важным является следующее. Если принять максимальный уровень синхросмеси (амплитуды синхроимпульсов) за – 100 %, то максимальный уровень видеосигналов (уровень чёрного), соответствующий минимуму синхросмеси – 75 %; минимальный уровень видеосигналов изображения (уровень белого) составляет от 10 до 12 % полной амплитуды.
Как указывалось выше, в огромном разнообразии моделей современных телекамер транспортировка видеосигнала в аналоговой форме (по линиям, как основным источникам ПЭМИН) практически не применяется. Сигнал немедленно оцифровывается, компрессируется одним из видеокодеков и транспортируется уже только в такой форме.
Однако, для полноты картины рассмотрим аналоговый ПТС с точки зрения его возможного ПЭМИН.
Итак, имеем строго линейчатый спектр, обусловленный частотой следования строчных и кадровых импульсов и сплошной спектр, в общем случае стохастического видеосигнала в промежутке между ними (для тест-режима видеосигнал статичный). Если рассматривать одну строку, то всё так и есть. Как только мы начнём рассматривать несколько строк (в пределе – полный кадр) придётся учитывать, что видеосигнал двух соседних строк отличается мало (как правило, хотя для некоторых видов изображения. это совсем неверно. Для неподвижного изображения существует однозначный его повтор с частотой кадров). Тем не менее, в среднем, такое допущение может существовать. Следствием этого является «сдвиг» общего вида составляющих спектра в сторону более «линейчатого» его характера.
Таким образом, при измерениях по утверждённой методике, то есть узкополосным приёмником с большим периодом измерения и статичным тест-сигналом, спектр должен иметь линейчатый или сплошной характер только в зависимости от установленной полосы пропускания приёмника (более это ни от чего не зависит принципиально).
Отдельные частотные составляющие спектра должны быть кратны кадровой и строчной частотам (зависит от применённого видеоформата). Причём если начать рассматривать цветное изображение, то есть с наличием цветовых «поднесущих», то учитывая их «размещение» между гармониками строчной частоты, спектр становиться ещё «более сплошным». Причём это справедливо для PAL, SEKAM и NTFS систем передачи цвета. В общем и целом следует ожидать спектра, приведённого на рисунке 16.2
Рисунок 16.2 Спектр ПТС. Вверху общий вид спектров для разной полосы сигнала,
внизу – участок спектра (масштабы по амплитуде и частоте условны)
Несложно видеть, что сплошной или линейчатый спектры будут регистрироваться средством измерения, зависит только от полосы пропускания приёмника.
Тест-сигнал для типового случая – горизонтальная «зебра» из чёрных (максимальная амплитуда видео компонент) и белых (минимальная амплитуда видео компонент) полос. Для лучшего опознавания – разной ширины (высоты). Соответственно, уровни (точнее – разность уровней) ПЭМИН на «тёмных» и «белых» полосах и будет представлять собою информативную часть общей энергии ПЭМИН (поскольку энергия ПЭМИН «синхросмеси» постоянна и не зависит от собственно видеосигнала).
«Шаг» гармоник строчной частоты (как, впрочем, и кадровой) будет зависеть от выбранного видео формата и должен уточняться конкретно.
Учёт повторяемости изображения уже заложен в «нормах защищённости», так что об этом уже можно не думать (в отличии от «компьютерных устройств отображения информации).
Собственно, это всё, что можно (и допустимо) сказать об особенностях СИ аналогового видеосигнала. Если где-то по ходу тракта передачи используется «посадка» ПТС на некую ВЧ-несущую, то такой сигнал и исследуется и измеряется как сигнал радиочастотный с модуляцией (амплитудной или угловой). Рассмотрение такого сигнала достаточно тривиально и описано в соответствующей методике.
Рассмотрим, далее, заметно более распространённую сегодня форму существования видеоинформации в цифровом, скомпрессированном виде.
Можно было бы довольно долго рассматривать различные видеокодеки, их преимущества или недостатки. Но к рассматриваемой нами проблематике это не имеет, фактически, никакого отношения. Но вот что, пожалуй, сказать нужно.
Как показывает практика, вокруг обозначений MPEG-4 и DivX (и аналогичных) всегда образуется много путаницы. Наиболее часто встречающееся заблуждение, то что Avi, DivX и MPEG-4 — это одно и то же.
Так вот, истина заключается в том, что существуют кодеки и существуют «контейнеры»
*.AVI и *.MKV — это контейнеры (форматы файлов), или другими словами хранилище и упаковка данных. В то время как DivX или XviD — это кодеки, то есть способы и реализация сжатия для записи видеоданных в файл, и расшифровки информации, соответственно, для воспроизведения уже записанных файлов. MPEG в свою очередь описывает и кодеки и способы хранения.
Контейнер позволяет объединять различные мультимедийные потоки (в большинстве случаев аудио и видео) в один файл. Примеры известных мультимедийных контейнеров:
- AVI (*.avi);
- MPEG (*.mpg, *.mpeg);
- OGM (*.ogm);
- MP4 (*.mp4);
- Realmedia (*.rm, *.rmvb);
- Matroska (*.mkv).
Таким образом, получается, что для того, чтобы вести СИ именно видеоинформации и при этом пользоваться контейнером, как тест-сигналом, необходимо позаботится, чтобы в нём отсутствовал аудиопоток. В принципе, в любом редакторе для нелинейного видеомонтажа это выполняется без проблем, но не забыть это – необходимо (теоретически возможно и «обратное» заполнение контейнера для отдельного СИ некого видеотракта, только аудио без видео).
Приведём краткие сведения об основных применяемых форматах – контейнерах (источник – сеть интернет):
Контейнер Audio Video Interleave (AVI)
Во времена широкого распространения Windows 3.1x компанией Microsoft был создан контейнер AVI для хранения синхронных аудио-видео данных. AVI — это аббревиатура от Audio Video Interleave (чередование аудио и видео). AVI является формат-контейнером, который может содержать видео/аудио данные, сжатые с использованием разных комбинаций кодеков. Так, если файлы MP3 и JPG получены с использованием только одного вида компрессии данных (MPEG Audio Layer 3 и JPEG), то AVI-файл может содержать различные виды компрессированных данных (например, DivX для видео и MP3 для аудио). Все AVI файлы выглядят одинаково «снаружи» (имеют расширение .AVI), но «внутри» они могут существенно отличаться. С момента создания AVI прошло много времени, и сегодня это наиболее общеизвестный формат для представления видео. Все программные плееры умеют с ним работать. И если не предъявлять к нему жестких требований, он и сейчас еще справляется со своими функциями. Однако он не поддерживает VBR аудио-потоки (т.е. с переменным битрейтом, дающим лучшее качество). Переменный битрейт MP3 несколько лет назад удалось втиснуть в AVI с некоторыми ухищрениями (требуется избыточное место для синхронизации, плюс иногда возникают проблемы), однако звук в формате Ogg Vorbis он не поддерживает.
С контейнепом AVI могут работать все Windows-программы для кодирования.
Контейнер Ogg Media Streams (OGM)
Является частью проекта Ogg по созданию полностью открытой системы мультимедиа. Позволяет разместить любой видео поток (например, сжатый кодеком DivX или XviD), и звук в формате Ogg Vorbis. Также OGM может содержать и MP3 трэки.
У контейнера OGM есть 2 основных преимущества по отношению к стандартному AVI:
Первое - это перемотка. Она стала мгновенной. Не нужно больше ждать, глядя на черный экран, пока снова не начнется проигрывание видео, или наблюдать убыстренное видео, пытающееся синхронизироваться с аудио потоком.
Второе - меньшие потери мультиплексирования. Например, для двухчасового фильма с аудио дорожкой VBR MP3, контейнер AVI требует ~6,7Mb на синхронизацию аудио и видео. При использовании контейнера OGM эти потери составят ~2,4Mb. Это означает, что более 4Mb пойдет на увеличение битрейта видеопотока. И, что интересно, при добавлении второго аудиотрэка в формате Ogg, дополнительные потери на микширование составят 0Kb.
Также среди достоинств формата - встроенная коррекция ошибок, что дает возможность без особого риска записывать видео в этом формате на CD, используя Mode 2 (в этом режиме на стандартную 700Мб болванку влезает 795Мб). (m2cdmgui doom9.org).
В контейнер OGM может упаковывать, например, VirtualDubMod.
Контейнер Matroska (MKV)
Проект Matroska (Матрёшка) - это открытый формат контейнера, стремящийся предложить множество передовых возможностей, с которыми такие старые форматы как AVI не могут справиться. Например, Matroska поддерживает хранение аудио содержимого с переменным битрейтом (Variable Bitrate - VBR), переменную частоту смены кадров (Variable Framerate - VFR), субтитры, главы, прикрепление файлов, обнаружение ошибок (EDC) и современные аудио-видео кодеки, такие как "Advanced Audio Coding" (AAC), "Ogg Vorbis" или "Realvideo 9/10" (RV9/10), которые AVI не поддерживает.
Файлы matroska имеют следующие расширения:
*.mkv: как правило, видео файлы (с аудио или без);
*.mka: только аудио файлы, может содержать любой из поддерживаемых аудио форматов, такие как MP2, MP3, Vorbis, AAC, AC3, DTS...;
*.mks: так называемые «элементарные» matroska потоки, содержащие потоки субтитров в форматах SRT, SSA, ASS и Vobsub.
Для проигрывания файлов, упакованных в Матрёшку, необходимо установить в систему Matroska Splitter - фильтр, который делит содержимое контейнера на потоки (аудио, видео, субтитры) во время воспроизведения.
Для упаковки видео в контейнер MKV можно использовать:
- VirtualDubMod
- MkvToolnix
- Avi-Mux GUI
Продолжение следует
