9. Obecné principy komprese televizního signálu (M-JPEG, MPEG-2, DV)
Obecné principy komprese televizního signálu
Osvěžení základních pojmů týkající se digitalizace:
datové jednotky:
1 bit – může nabývat dvou stavů: 1 a 0
1 byte [bajt] – je tvořen osmi bity a může nabávat hodnot od 0 do 255
kB – kilobyte = 1024 bytů, MB – megabyte = 1024 kB, GB – gigabyte = 1024 MB
- kapacita CD je obvykle 700 MB, vypalovací DVD 4,7 GB, moderní pevný disk kolem 200 GB atd.
!!! v některých případech se i při vysokých hodnotách používá jednotka bite, například datové toky jsou nejčastěji udávány v kilobitech, megabitech atd. !!!
Poté, co se televizní signál převede do digitální podoby, přísluší každému obrazovému bodu (pixelu) obvykle tři byty (každý reprezentuje jednu barevnou složku), ve skutečnosti však jen dva (je nad rámec tohoto textu to rozvádět) – při rozlišení normy PAL (720x576) je to 414720 pixelů krát dva byty, tedy 829440 bytů pro jeden snímek. Takových je během jedné sekundy 25, celkově tedy vteřina zabere 20736000 bytů, tedy cca 20 MB. Hodinový záznam by tím pádem zabral neúnosnou kapacitu 71191 MB, tj. 70 GB. Pro představu – na DVD se takového nekomprimovaného záznamu vejdou čtyři minuty, na CD dokonce jen necelých 40 sekund.
Dnes už není problém s tak velkým množstvím dat pracovat, ale v dobách, kdy vznikaly první počítačové střižny, bylo nutné nalézt způsoby, jak datový tok snížit a na řadu přišla komprese. Při ní dochází k určitým ztrátám informací v obraze. Čím vyšší je komprimační poměr, tím výraznější je snížení kvality. Každá komprese tedy přináší určitý kompromis.
Příklady různých datových toků a komprimačních poměrů (ovšem nelze mezi sebou srovnávat, u každého je použita odlišná metoda komprese):
- komprimovaný je i záznam na digitálním betacamu, jde ovšem o komprimační poměr 1:2, tedy o kompresi tzv. „vizuálně bezeztrátovou“.
- u DV záznamu je komprimační poměr cca 1:5, dosažený datový tok je tedy 3,6 MB/s (megabytů za sekundu), ovšem bývá zvykem uvádět ho v megabitech, tj. 25 Mb/s
- na DVD s filmem by měl být datový tok okolo 6 Mb/s (teoretické maximum je okolo 9 Mb/s), tj. komprimační poměr stoupl na cca 1:25 při relativně slušné kvalitě
- v extrémních případech (přenos videa přes internet apod.) klesne datový tok třeba na 50 kb/s (ovšem zde nebývá záznam v plném rozlišení)
Komprese JPEG
… používá se u statických obrázků. Využívá principu zanedbávání některých detailů a odvozování ze sousedních obrazových bodů… jednoduše řečeno, je-li část obrazu tvořena například z jednolité barevné plochy, není nutno popisovat jednotlivé body, ze kterých je složena, ale definovat parametry oné plochy… Nejde o video kompresi, ale principu JPEG je využito v různých videokodecích (kodek = kodér/dekodér zajišťující záznam a reprodukci videosignálu za použití některé komprimační metody), například MotionJPEG (zkráceně M-JPEG), který v podstatě ukládá sled snímků, z nichž každý je komprimován zvlášť.
Komprese DV
… principiálně podobná M-JPEG, ale s několika drobnými odlišnostmi. Existují příbuzné formáty (například DVCPRO 50ú, které pracují s dvojnásobným datovým tokem, tedy 50 mbit/s.
Komprese MPEG-2
Pracuje na principu odvozování podobnosti ze sousedních snímků. Modelová situace: záběr ze stativu, na obloze plují mraky, v popředí jede auto… MPEG nejdříve zaznamená celý první snímek a poté už jen rozeznává změny. V následujících snímcích už tedy stačí uložit jen informaci o tom, že určité část obrazu se posunuly určitým směrem. Samozřejmě, čím je záběr statičtější, tím je tento princip účinnější. V případě rychlých pohybů a častých střihů účinnost klesá (případně je nutné se smířit s nižší kvalitou).
Záznam ve formátu MPEG-2 se skládá z tzv. GOP (group of pictures). Jde o skupinu snímků (v praxi nejčastěji 12) obsahující vždy jeden celý snímek (označuje se „I“), přičemž okolních 11 (označovaných P nebo B) je tvořeno jen informacemi o změnách vůči onomu I snímku. Čím je GOP delší, tím je komprese efektnější, ale méně kvalitnější.
MPEG-2 našel bohaté uplatnění v praxi. Komprimují se jím například záznamy na DVD nebo v digitálním televizním přenosu (pozemní i satelitní vysílání)
MPEG-2 je relativně náročný na dekódování, proto není zcela vhodný pro přímé střihové zpracování. Střihová aplikace musí totiž vždy při přístupu na určitý snímek přečíst celý GOP a rozkódovat všechny jeho snímky. Dnes už ale existují programy, které díky vysokému výkonu počítačů zvládají i plynulou práci s MPEG-2.
Komprese MPEG-4
…vychází z MPEG-2, ale zdokonalením algoritmů lze docílit několikanásobně vyššího kompresního poměru při zachování stejné kvality. Aplikuje se například při internetových přenosech videa, u videa s vysokým rozlišením a v některých zemích u vysílání digitální televize. Jsou od ní odvozené i další příbuzné komprese, například DivX (používá se hodně na internetu, oblíbený pro nelegální šíření filmů).
Ještě důležitá poznámka:
Datový tok může být:
- konstantní (neměnný): nezbytné například u páskových systémů (digitální Betacam, DV atd.), kde se pásek pohybuje stále stejnou rychlostí
- variabilní (proměnný) – výhodou je, že se přizpůsobuje náročnosti scény (tj. když se objeví členitý záběr s množstvím pohybu, zvýší se datový tok; v případě převážně statického záběru se naopak sníží)
A nakonec méně technicky, jak se to všechno v praxi odráží na kvalitě obrazu:
Obecně lze říci, že komprese vynechává v obrazu nadbytečné informace, které by lidské oko stejně nedokázalo vnímat. Ale při vyšších kompresních poměrech přijdou vniveč i relevantní detaily – obraz je potom například méně ostrý, dříve plynulé barevné přechody se stanou skokovitými, vznikají mapy (vypadají jako fleky se zubatými hranami) a další negativní artefakty. Pokud se komprimovaný obraz dekóduje a znovu zakóduje (například proto, aby se na něj aplikoval nějaký efekt nebo jiná úprava), smísí se původní artefakty s dalšími, vzniklými novou kompresí a obraz tím utrpí. Proto je vhodné provádět režijní úpravy na záznamu s co nejnižší kompresí (nejlépe nekomprimovaném).
Pokud je například zdroj na DVD, převede se do formátu DV, importuje do Avidu, v němž se kde se provede několik střihů a poté se výsledek zase konvertuje do MPEG-2 na DVD, je ztráta kvality většinou velmi patrná.
Stejně tak nejsou komprimované formáty ideální pro složité úpravy, například klíčování, protože kompresní vady se v obraze projevují hlavně na hranách objektů, které by pro klíčování měly být co nejostřejší.