Видео на вашем компьютере: ТВ тюнеры, захват кадра, видеомонтаж, DVD

Современные компьютерные видеоустройства могут использоваться для решения трех достаточно несхожих задач:

• захвата отдельного кадра. Для этого применяются платы захвата кадра (фрейм-грабберы) и цифровые фотоаппараты;

• вывода на экран телевизионных изображений. Эту задачу решают ТВ тюнеры различного исполнения;

• видеомонтажа. Этот процесс выполняется с помощью специальных плат или внешних устройств, а также цифровых видеокамер.

Какой набор оборудования следует предпочесть для решения тех или иных задач, мы разберем в этой главе чуть ниже.

Оцифровку и запись в том или ином формате отдельного изображения из видеоряда могут выполнять не только специально предназначенные для этого системы, но практически все устройства видеоввода, например платы линейного и нелинейного монтажа и ТВ тюнеры. Однако обратное утверждение неверно: не все платы захвата кадра являются одновременно ТВ тюнерами, и уж тем более нельзя при помощи простых устройств захвата кадров или ТВ тюнеров осуществлять качественный видеомонтаж. Иногда, впрочем, производители устройства утверждают, что это возможно, но в реальных условиях на обработку видеоролика продолжительностью меньше минуты порой может потребоваться три недели непрерывной работы.

Устройства захвата кадра и ТВ тюнеры на сегодняшний день достаточно дешевы. Наименьшую цену имеют платы, осуществляющие только захват кадра. Отпускная цена этих устройств у некоторых тайваньских фирм – менее 20 долларов. Качество их работы вполне удовлетворительное, поскольку во всех этих устройствах используется та же микросхема, что и в более дорогих платах. Если вас, дорогие читатели, интересуют именно такие устройства, поищите информацию о них в Internet, и наверняка не пройдет и получаса, как вы найдете что-нибудь интересное. Естественно, приведенная выше цена соответствует мелкому опту. Большинству российских фирм не очень выгодно торговать столь дешевым «железом», поэтому эти платы можно найти в основном в составе наборов оборудования (комплектов для Internet-конференций) вместе с малогабаритной ТВ камерой и микрофоном, причем в очень красивой, большой и дорогой коробке и по цене в 3–5 раз дороже. Но в любом случае устройство может обойтись вам в сумму менее 80 долларов.

ТВ тюнер будет стоить несколько дороже, но все равно его цена вряд ли перевалит за 100 долларов.

Цена устройств нелинейного монтажа может колебаться от (примерно) восьмисот до нескольких десятков тысяч долларов.

Захват кадра

Для захвата кадра используются как внутренние устройства – платы, называемые фрейм-грабберами, – так и цифровые фотоаппараты. Почти все существующие на сегодняшний день платы сходны по качеству получаемого изображения, поскольку используют одну и ту же микросхему производства компании Brooktree. Подробный обзор плат и их характеристик вы найдете в главе 4. Цифровые фотоаппараты, напротив, весьма значительно различаются и по качеству, и по цене.

В данной главе мы лишь кратко остановимся на общих особенностях работы систем захвата кадров.

Чтобы получить отдельное оцифрованное изображение, совсем не обязательно иметь дело с видео, ведь изображение может быть получено и более привычным способом (съемка на слайд или фотобумагу и последующее сканирование). Что же предпочесть? Ответ на этот вопрос во многом зависит от того, какой объект вы хотите «увековечить», а также от требуемого размера кадра.

Даже на самых «продвинутых» устройствах видеоввода (цифровых фотоаппаратах профессионального качества) на сегодняшний день невозможно получить кадр размером более 2–3 тысяч пикселов по горизонтали. То есть при типографской печати с разрешением 300 dpi (точек на дюйм) линейный размер картинки (3000/300) равняется 10 дюймам, или примерно 25 см. И это для самых дорогих аппаратов ценой в несколько тысяч долларов. Для наиболее распространенных на сегодняшний день и доступных по цене устройств размер картинки составляет 768x512 пикселов. Широко распространенное значение в 768 пикселов обусловлено существующими стандартами в обычном вещательном телевидении, которые подробно рассматриваются в следующей главе. Изображение, полученное подобным образом, имеет разрешение 72 dpi; следовательно, размер по горизонтали равняется 10,6 дюйма (768/72), а по вертикали – около 7 дюймов. Но для печати нужно более высокое разрешение. При печати с разрешением 300 dpi ширина кадра с таким числом точек окажется равной примерно 2,5 дюймам, или 6,4 см. Конечно, в любой растровой графической программе можно увеличить число точек картинки, однако при этом качество изображения непременно ухудшится, примерно так, как это происходит при сильном увеличении фотоснимка.

Недорогие современные сканеры обеспечивают возможность ввода листа размером А4 с разрешением 1200 dpi. Понятно, что итоговый размер картинки получается несопоставимо большим, чем при использовании любых устройств видеоввода. Эти принципиальные отличия связаны с тем, что сканер может вводить изображение сколь угодно долго. Чем медленнее изображение обрабатывается, тем больше мелких деталей можно получить. Отсюда вывод – хороший сканер всегда работает медленно. Время же для ввода кадра ограничено (1/30 или 1/25 секунды в обычном видео и до 1–2 секунд в системах видеоконтроля). Дело в том, что увеличение продолжительности съемки (как и увеличение выдержки у фотоаппарата) требует неподвижности объекта съемки или предполагает потерю части информации. Возможность получить изображение быстро движущегося объекта и является основным преимуществом систем видеоввода.

Существует еще одна возможность: захват кадра из изображения, принимаемого ТВ тюнером. Понятно, что в этом случае альтернативного способа получения цифровой копии не существует (если не рассматривать всерьез идею сделать фотоснимок с телеэкрана).

Нецелесообразно применение захвата кадра и в таких ситуациях, когда картинку предстоит значительно увеличить, например, до размеров настенного календаря или крупноформатного плаката. В таком случае разумнее сделать хороший (желательно широкоформатный) слайд и отсканировать его с высоким разрешением на барабанном сканере или современном планшетном лазерном аппарате профессионального класса. Конечно, если вы хотите в качестве центрального персонажа вашего изображения использовать, например, балерину во время танца или летящую пчелу, возможно, видеоввод окажется предпочтительнее (хотя существуют моторизованные фотокамеры со «скорострельностью» 6 кадров в секунду). Тогда желательно так составить композицию, чтобы она включала не одно большое изображение, а несколько фрагментов меньшего размера. Это позволит увеличивать каждый из них не более чем на 40–50 %.

И уж совсем не обойтись без захвата кадра в ситуациях, когда объект движется, и нам необходимо зафиксировать, обработать и продемонстрировать зрителю определенные фазы его перемещения (например, при медицинской видеосъемке пациентов с неврологическими заболеваниями или проблемами опорно-двигательного аппарата, в системах видеоконтроля, использующихся в охране, промышленном телевидении, различных испытательных лабораториях и центрах и т. п.)

Решив использовать устройства захвата кадра, не стоит упускать из виду еще одну сторону проблемы: эти устройства не устраняют недостатки используемой видеокамеры, более того, некоторые алгоритмы оцифровки могут их даже усиливать. Разумеется, последующая обработка картинок в программах типа PhotoShop поможет ликвидировать некоторые из этих дефектов, но, к сожалению, часть информации в этом случае будет безвозвратно утеряна.

Следует также иметь в виду, что даже идеально оцифрованное изображение придется обрабатывать (и отсканированное, и полученное из видео), если вы планируете использовать его для полиграфии. Так что работы хватит и без ретуши откровенно некачественных кадров.

Конечно, дефекты может иметь и слайд, предназначенный для сканирования. Но найти квалифицированного фотографа с хорошей техникой все же значительно дешевле, чем обзаводиться видеокамерой профессионального класса. Если вы все же решились на видеосъемку, постарайтесь, даже при наличии более-менее дешевого устройства ввода, найти хорошую камеру и правильно установить свет (для правильной настройки камеры желательно попросить сделать первые кадры специалиста), иначе все ваши усилия могут оказаться напрасными.

Несмотря на все вышесказанное, автор отнюдь не призывает отказаться от работы с компьютерным видео, а всего лишь указывает на те сложности, которые ждут вас в начале работы. Так, вряд ли стоит использовать компьютерное видео для получения цифровых изображений предметов сервировки праздничного стола, хотя автор в начале своей карьеры дизайнера поступила именно так.

Там же, где захват кадра целесообразен и необходим, стоит заранее продумать все стороны процесса, чтобы потом не гадать, откуда же взялись дефекты и кто в них повинен – плата ввода, оператор или устаревшая камера.

ТВ тюнеры

Данная категория устройств ориентирована в основном на домашнее использование – что может быть приятнее, чем смотреть любимый сериал, не отрываясь от игры в Doom 2! Многие пользователи начали свое знакомство с видеовводом как раз с этого типа устройств. Чтобы начало знакомства не стало одновременно и его завершением, стоит обратить внимание на следующее обстоятельство: практически все устройства этого типа относятся к категории дешевой аппаратуры. Поэтому не стоит ожидать, что с помощью одного и того же блока вам удастся и посмотреть любимый телесериал, и увековечить его на своем жестком диске, чтобы, немного «поколдовав» над ним, заменить финал на более оптимистический (или наоборот – по В.В. Путину – всех «замочить в сортире»). Для решения подобной задачи вам придется установить дополнительно плату видеомонтажа, в несколько раз превосходящую по стоимости ваш ТВ тюнер (а возможно, и весь компьютер), обзавестись максимально быстрым жестким диском большой емкости и освоить какую-либо из программ видеомонтажа. Если вы решились на это, тогда следующий раздел написан именно для вас.

Устройства линейного и нелинейного видеомонтажа

Прежде всего давайте разберемся с тем, что же такое видеомонтаж. Само слово «монтаж» говорит о том, что происходит соединение, склеивание чего-то в единое целое. Это «что-то» – кадры и последовательности кадров, а склеиваются они в новый видеофильм. Чтобы заняться монтажом, надо иметь: а) исходную видеозапись (записи), б) видеомагнитофон, где она (они) будет воспроизводиться, в) дополнительный видеомагнитофон, на который будем записывать наш новый «шедевр» и г) некоторый аналог ножниц и клея – монтажную линейку, на которой мы разложим последовательность на кадры, отметим нужные и создадим переходы между ними. Это последовательный, или линейный монтаж. При таком способе оцифровки видеоклипа не происходит. При помощи компьютера создается только монтажный лист, кроме того, могут регистрироваться отдельные кадры и создаваться предназначенная для предварительного просмотра копия клипа с уменьшенным размером и пониженным качеством кадров. Линейный видеомонтаж осуществляется обычно при помощи внешних устройств (контроллеров), присоединяемых на последовательный и/или параллельный порт компьютера. К достоинствам этого метода можно отнести невысокую стоимость, отсутствие жестких требований к ресурсам компьютера, в частности, к скорости и емкости жесткого диска, и отсутствие проблем, связанных с несовершенством алгоритмов оцифровки. Однако недостатков у этого способа тоже хватает. Главный из них обусловлен последовательным способом записи мастер-ленты: в уже записанном материале практически ничего нельзя изменить. Кроме того, при многократной перезаписи с одного магнитофона на другой неизбежно ухудшение качества, к тому же для создания спецэффектов требуется отдельная, дорогостоящая аппаратура; нет возможности сохранять видео в цифровых форматах и записывать его на лазерные диски (CD или DVD), которые гораздо долговечнее магнитной ленты.

Тем не менее устройства линейного монтажа находят себе применение при производстве недорогих роликов, не включающих спецэффекты, например при подготовке фильмов, содержащих учебную, научную или технологическую информацию. Строго говоря, линейный монтаж не является видеовводом как таковым.

При нелинейном монтаже оцифровка исходной последовательности (последовательностей), которая хранится теперь на жестком диске, происходит сразу. Любой участок видеофильма доступен для работы практически мгновенно. Одно и то же устройство осуществляет запись последовательности кадров на жесткий диск, участвует в ее воспроизведении на экране компьютерного монитора и передает сигнал обратно на видеомагнитофон или видеомонитор (осуществляет видеовывод) в любом порядке. Монтаж осуществляется в программах типа Adobe Premiere или Ulead Media Studio.

Достоинства и недостатки нелинейного монтажа очевидны. К числу первых относится возможность хранить информацию практически вечно, не опасаясь при этом ее повреждения. (Возможность потери цифрового видеофильма в результате сбоев на жестком диске мы рассматривать не будем. Тем, кому данная тема кажется актуальной, можно посоветовать обратиться к публикациям, посвященным сохранению и защите цифровой информации. Статьи по этому поводу регулярно появляются в компьютерной печати.) Другим немаловажным достоинством является возможность оперативно и быстро, что называется «на ходу», видоизменять фильм. Например, можно прямо в выставочном павильоне, ориентируясь на реакцию потенциальных клиентов, вставлять и убирать сцены, менять текст, эффекты и т. д. Настолько же ценна возможность ретуши и просто изменения отдельных кадров, а также внедрения фрагментов компьютерной анимации.

Теперь добавим в бочку меда ложку дегтя. Все сказанное верно при одном не всегда выполнимом условии: качество оцифровки должно быть хорошим. Кое-как оцифрованное изображение – та самая осетрина второй свежести. В чем же здесь дело? Поскольку видеофильм – это не что иное, как последовательность отдельных кадров, трудности при его создании могут быть связаны с одной из двух проблем: а) с качеством кадра, б) с пропусками в последовательности кадров (что при просмотре приведет к скачкам изображения). Первая проблема характерна для любых устройств видеоввода, поскольку алгоритмы оцифровки и микросхемы, а следовательно, и качество исходного (несжатого – см. ниже) кадра практически одинаковы для плат захвата кадра, тюнеров и плат монтажа. Мы подробно рассмотрим эту проблему в разделе, посвященном алгоритмам оцифровки.

Теперь о второй – основной для плат нелинейного монтажа проблеме. Для получения мало-мальски реалистичного движения требуется минимум 18–20 кадров/с, для видео принята скорость 25 или 30 кадров/с (различия связаны со стандартами – см. ниже). При размере кадра 576x768 пикселов, глубине цвета в 24 бита/пиксел (подробнее о представлении цвета мы поговорим далее) величина цифрового потока оказывается более 32,4 Мбайт/с. Такую постоянную скорость записи при непрерывной работе пока не может обеспечить даже самый быстрый жесткий диск. Для уменьшения скорости потока данных можно: а) уменьшить размер кадра, б) уменьшить глубину цвета, в) допустить потерю некоторых кадров, г) ввести компрессию изображения. Есть еще один вариант: запись можно вести на нескольких, особым образом синхронизированных жестких дисках. Первый вариант (а) пригоден лишь в ограниченных случаях, например, если видео будет передаваться по телефонным линиям или всегда будет воспроизводиться в окне небольшого размера. Так устроены, в частности, некоторые обучающие системы, игры, мультимедиа-альбомы. В остальных случаях идет битва за увеличение размера кадра, и намеренное его уменьшение ничего, кроме недоумения, вызвать не может.

Ничем не лучше и второй вариант (б). Казалось бы, 16 миллионов оттенков, которые дает 24-битная палитра (224), – это очень много. Однако до сих пор нет однозначного мнения, какое максимальное число оттенков может различать человеческий глаз. Если принять на веру утверждение одного из корифеев компьютерной обработки изображений Дэна Маргулиса, нижний предел ухудшения изображения оценивается примерно в 100 градаций на каждый цвет. Дальше начинается заметное огрубление. То есть цвет, кодируемый 24 битами на пиксел (256, или 28 на канал), имеет не такой уж большой избыток информации. Существенное уменьшение числа оттенков заметно ухудшит изображение. На самом деле изображение часто передается не в RGB, а по стандарту YUV (подробнее о нем см. ниже), где передаются сигналы яркости и так называемые цветоразностные сигналы. За счет того, что для человеческого глаза яркость оказывается несравнимо более важным параметром, объем информации о цвете без потери качества по сравнению с яркостной составляющей можно снизить в 2 раза. При таком способе представления достаточно 16 бит на пиксел. Но скорость потока данных в «живом» видео все равно будет слишком велика: 21,6 Мбайт/с. Есть (и широко используются – об этом будет рассказано в следующих главах) способы сократить объем информации о цвете, правда, с некоторым ухудшением качества изображения.

Малоэффективен и третий путь (в) решения проблемы. Если скорость записи будет ниже 24 кадров/с, персонажи будут «дергаться», как в чаплинских короткометражках. Поэтому остается единственный выход – найти способ динамического сжатия (компрессии) изображения, не влияющий заметно на его качество. Конечно, часть информации при этом будет утрачена (как, например, при сохранении неподвижной картинки в формате JPEG (Joint Photographic Experts Group – объединенная группа экспертов по фотографии), но при правильно подобранных параметрах зритель этого не заметит. Для компьютерного видео существуют два основных формата компрессии: Motion JPEG (стандарт JPEG для движения) и MPEG (Moving Picture Expert Group – экспертная группа по движущимся изображениям).