Datové formáty videa, jejich specifikace a možnosti využití Multimediální technologie Petra Tichá Michal Dlouhý

Agenda Úvod Základní vlastnosti Komprese Kontejnery Analogové video Kodeky

Úvod Video technologie zaznamenávající a přehrávající sérii po sobě jdoucích snímků 3 definovatelné vlastnosti- formát kontejneru, komprese videa a obrazu uchovává se na paměťových médiích generace digitální a analogové Snímek obrazy (frames) se dělí na klíčové (keyframe) nebo neklíčové ( deltaframe)

Základní vlastnosti snímková frekvence prokládání datový tok rozlišení poměr stran komprese

Základní vlastnosti snímková frekvence prokládání udává počet snímků za jednotku času, důležitá pro plynulost videa dle normy používané v ČR 25 snímků za vteřinu prokládání způsob, kterým běžné televize vykreslují obraz (rozdělení na sudé a liché řádky) problém s displeji, pouze CRT obrazovka správně zobrazuje – jinak bez prokládání

Základní vlastnosti datový tok rozlišení poměr stran počet dat, která se přenesou za jednotku času (kbps, Mbit/s) určující prvek kvality ( ale záleží na kompresi, rozlišení a snímkové frekvenci) konstantní vs variabilní rozlišení závisí na druhu videa digitální – v pixelech na výšku a šířku analogové- dle řádků ( 576) poměr stran poměr stran vodorovné a svislé čáry ( 4:3 a 16:9)

Komprese zmenšení velikosti pro ukládání díky snížení objemu dat nebo datového toku při co nejnižší viditelné degradaci obrazu dělení I. intraframe a interframe v rámci snímku- komprese provedena na aktuálním snímku, vlastně obrázková komprese (Prores 422, 4444), větší velikost DCT= diskrétní kosínová transformace (JPEG)- komprimovaní po blocích 8x8 pixelů, 6 bloků= makroblok) mezi snímky- zjišťování a ukládání rozdílů mezi snímky (MPEG-4, H.264) GOP= group of pictures- začíná a končí itraframe snímky P- snímky- předpověď pohybu objektů, B- snímky- rozdíl mezi intraframe a P-snímky wavelet- komprimuje pomocí překrývání, menší degradace, náročnější

Komprese dělení II. bezztrátová ztrátová a bezztrátová výsledekem je identický obraz ( omezené snížení dat, max. ¼ původní velikosti) umožňuje zpětnou obnovu původních dat nejpoužívanější : HuffYUV, Lagarith, FFV1, CorePNG nebo MSU Lossless, také Snow a MPEG-4 AVC

Ztrátová komprese zmenšování objemu dat, kdy se některé méně důležité informace ztrácejí a již nejdou obnovit (nedokonalost lidských smyslů) MJPEG – sekvence JPEG obrázků, každý samostatný záběr (zaručená kvalita a určená úroveň komprese- větší video ve výsledku), digitální a IP kamery, snadnost střihu H.263 – zmodernizovanější verze H.261, původně navrženo pro videokonference díky regulovatelnému toku dat v závislosti na síti, snížená kvalita u pohybujících se objektů THEORA- součást projektu Ogg, používaný příznivci opensource a Linuxu, problém uživatelům způsobuje shodnost videa se stejnou koncovkou hudby ve formátu Ogg Vorbis VC-1/ WMV3 – produkt společnosti Microsoft, možnost použití na BD a HDD DVD, ale není zdaleka tak rozšířený, i když pracuje na stejném principu jako MPEG-4 DV – na vývoji se podílelo 10 firem, postupně další , pracuje na velmi podobném principu jako MJPEG, u DV formátu nelze nastavit kompresní poměr, je konstantní přibližně 1:10, datový tok je 25 Mbps, základní formát pro střih videa, podporují jej všechny video editory

Ztrátová komprese MPEG-1 MPEG-2 od 1993 na CD, kódování pohyblivého obrazu a přidruženého zvuku, zachovává rozumnou kvalitu videa MPEG-2 od 1995 použití na DVD, vyšší přenosová rychlost od 1,5 Mbitu/s až do 15 Mbitů/s, používá se pro televizní vysílání ( 6Mbitů/s) MPEG-3 – sloučen s MPEG 2, původně pro HDTV MPEG-4 od 1998, rozšíření původních MPEGů, kódování audiovizuálního obsahu s velmi nízkým bitratem, především na webu MPEG-7 pro popis dat s multimediálním obsahem (neříká, jak data kódovat), možnost vyhledání multimediálních dat dle klíče

Kontejnery umožňují ukládat video a zvuk do jednoho souboru (jednotlivé druhy dat v souboru jsou streamy), synchronizace neříká nic o vnitřní kompresi uložených dat, ta je určena kodekem pro přehrání kontejneru používáme příslušný splitter liší se podle schopnosti pojmout různá multimediální data FourCC – kód 32 bitů - slouží k identifikaci audio a video stop - široce podporován

Kontejnery AVI- Audio Video Interleave nejrozšířenější kontejner pro video, od Microsoftu z roku 1992 (poněkud zastaralý) původně bez komprese v rozlišení 160× 120 bodů při 15 snímcích/ s, max. 2 GB velikosti výsledného souboru – padlo s FAT32 postupné rozšiřování a modernizování (Xvid, Dix) soubor se nedá přehrát pokud není úplný není možné vkládat titulky ani kapitoly kompatibilta přehrávání pod rúznými OS přípony .avi

Kontejnery MPEG PS- Program Stream MPEG TS- Transport Stream využívá video komprese MPEG-1 a MPEG-2, široce podporován neobsahuje indexovou tabulku ( na rozdíl od AVI), synchronizován časově využíván jako hlavní formát pro DVD ( díky bezchybnosti dat) přípony .mpg, .vob, .evob MPEG TS- Transport Stream primárně určen pro digitální vysílání, ale i pro BD, využívá MPEG-2 a MPEG-4 kompresi nezaručena bezchybnost dat Video lze přehrávat, aniž by byl stažen celý soubor přípony .ts, .m2ts, .MTS

Kontejnery MP4 MKV- Matroška součástí MPEG-4 standardu, postaven na kontejneru MOV od Apple různé video komprese využívá se v mobilních telefonech, fotoaparátech i kamerách přípona .mp4 MKV- Matroška nejnovější druh platformě otevřeného kontejneru, hlavně pro HD video popis vnitřní struktury je založen na popularitě jazyka XML, dělení na segmenty a sekce ( každá nese jiný druh dat), propracovaný zatím chybí podpora SW pro editaci přípona .mkv

Kontejnery ASF- Advanced Systems Format QuickTime RealMedia produkt firmy Microsoft, hlavně pro internetové vysílání pracuje s daty jako s objekty nevýhodou je uzavřenost, systémové rozhraní DirectShow přípony .asf, .wmv QuickTime konkurence od Apple z začátku 90. let pracuje s daty jako s atomy ( rozdělení na dále nedělitelné bloky dat) přípony .mov, .qt RealMedia pracuje s objekty ( internetové vysílání) procuje s proměnným tokem a v případě poškození či nedodání některého z objektů jej přeskočí a přehrává dál přípona .rm

PAL PAL -Phase Alternating Line střídaní fáze po řádcích Prvně zaveden 1963 ve Velké Británii Využíván: Západní Evropa mimo Francie 625řádků, 25frames/sec, obnov. ν 50Hz Využívá se prokládání dvou rámců Sudé a liché řádky (a jejich sinchronizaci) V ČR od 1992 (vystřídala SECAM) Informace o barvách se přenášejí současně.

NTSC NTSC -National Television Systém Committee Zaveden v USA 1940 černobílý, 1953 barevný Využíván: Severní a Jižní amerika 480 řádků,30 frames/sec, obnov. ν 50Hz prokládaně Informace o barvách se přenášejí současně

SECAM SECAM- Séquentiel couleur à mémoire Vyvinut: 1956 ve Francii 625řádků, 25 frames/sec, obnov. ν 50Hz prokládaně (nejprve sevysílají liché a potom sudé řádky) Informace o barvách se přenášejí postupně  Další podstatné rozdíly oproti ostatním TV normám jsou v potřebné šířce přenosového kanálu, nosných kmitočtech, způsobu modulace atd.

Svět podle signálů TV

Přenos analogové videa na zobraz. zařízení Kompozitní: 1 RCA zástrčka (tzv. cinch) veškerá videodata přenášena jednou linkou Signál s jasem a signál s barvou sloučen do jednoho S-video (5pin) Separate video obrazová data jako dva oddělené signály Y a C (jasový a barvonosný) Komponentní: 3x RCA zástrčka signály se skládají ze dvou nebo více samostatných signálů nedochází ke ztrátě informací o barvě SCART (21pin) přenáší výše zmíněné video signály + 2D zvuk + 12V

Přenos dat mezi audio-video zařízeními DVI Standard vytvořený za účelem bezproblémové komunikace mezi zobrazovacími zařízeními Určen k přenosu převážně nekomprimovaných dat Nahrazen HDMI Maximální rozlišení při 60Hz je 2,75Mpix S/PDIF Sony/Philips Digital interface Soubor protokolů pro přenos digitálně kódovaného zvuku Přenos buď koaxiálním kabelem a nebo opticky Buď 2.0 nekomprimovaný zvuk nebo komprimovaný vícekanálový Nepodporuje bezztrátové formáty Je variantou normy AES3 (=standard pro přepravu digi audiosignálů)

HDMI High definiton multimedia interface Pro přenos nekomprimovaného videa v HD audio (až 8 kanálů) CEC signál (ovládání zařízení) Ethernet (datové připojení) A 19pin B 29 pin (pro video s větším rozlišením 3840x2400); málo používaný Náhrada za stávající analogové formy, zpětně kompatibilní s DVI Existuje mnoho variant konektorů Jeden kabel na přenos všeho HDMI 1.0 z roku 2002 Datová propustnost 4,8 Gbit/s HDMI 1.3 z roku 2006 Datová prostupnost 10,2 Gbit/s HDMI 2.0 z roku 2013 Datová propustnost 18 Gbit/s, samplovací frekvence až 1536kHz

Kodeky Koder+DECoder Softwarové nebo hardwarové zařízení umožňující kompresi a dekompresi videa Kodeku se při kompresi odesílá nekomprimované video o on vrací zkomprimované Lze nakonfigurovat datový tok, kvalitu, rychlost komprese Dělní: ztrátové/bezztrátové Pro následné zpracování videa Snížení velikosti nekomprimovaného videa bez znatelné degradace obrazu Vysoká rychlost komprese kvůli (kódování v reálném čase) a dekomprese (kvůli editaci) Pro finální kompresi Snaha o co největší kompresi (CD/DVD) Kvalita vizuálně co nejblíže originálu (nedokonalosti lidského oka)

Bezztrátové kodeky HUFFYUV Huffmanovo kódování GPL licence =svobodný SW Platformě nezávislý Výhoda: Velká rychlost komprese (predikce následujícího pixelu; rozdíl je zakódován) → menší paměťové nároky Nevýhoda: nízký kompresní poměr Od roku 2002 nevyvíjen

Bezztrátové kodeky LAGARITH GPL licence Primárně pro Win, existují utility pro Mac OS Podpora multivláknového zpracování Rychlost kódování obdobná,dekódování pomalejší Nepoužívá predikci ale kóduje zvlášť každý snímek → vhodnější na editaci (posouvání, střih) než Huffyuv

Bezztrátové kodeky LCL Lossless codec library Freeware Pro Win Skládá se z AVIzlib a AVImshz Vhodný ke kompresi digitální animace

Ztrátové kodeky DivX soubor produktů od společnosti DivX, Inc. včetně kodeku kompatibilního s MPEG-4 poskytuje velmi příznivé výsledky mezi kvalitou a velikostí Nahradil oblíbený DIvX ;-) velmi oblíben, díky čemuž je i podporován většinou DVD přehrávačů film z 4,7Gb DVD je schopen zkomprimovat na cca 700Mb při akceptovatelné kvalitě aktuální verze dostupná zdarma obsahuje: DivX Player, DivX comunity codec, DivXweb player placená navíc: DivX conventor a možnosti využití více vlastností ze základního balíku

Ztrátové kodeky Xvid dříve XviD open-source kodek kompatibilní s formátem MPEG-4 navázal na OpenDivX ukončení v roce 2001 multiplatformní soubory zakódované Xvid mohou být přehrány DivX lze využít řadu pokročilých vlastností, ty ovšem snižují kompatibilitu. kodek podporuje libovolné rozlišení až do velikosti obrazu 1920×1088 bodů

Ztrátové kodeky FFmpg kolekce svobodného softwaru pro konverzi a streamování videa zahrnuje libavcodec -nejdůležitější knihovna pro kompresi videa vyvíjen pro Linux, ale může být zkompilován i do jiných OS MPEG-4 ASP kodek FFmpegu plně podporuje dekódování videa kódovaného všemi běžnými MPEG-4 kodeky jako je DivX nebo Xvid

Ztrátové kodeky Windows Media Video kodeky WMV vyvinula firma Microsoft jako odpověď na úspěch formátů QuickTime a RealVideo při kompresi udržuje datový tok (některé snímky může zahazovat, a nebo tok vyplňovat nadbytečnými informacemi. aktuální verze umí pracovat s videem standardu VC-1 (alternativa k MPEG-4)

Převody mezi formáty videa Časově a výpočetně náročný proces Převádí se při potřebě snížení velikosti, nebo podpoře jiného formátu Existuje řada programů File Factory Freeware 3gp, mpg, mkv, flv, swf, mp4, avi, wmv, rmvb,vob,mov Velmi široké spektrum možností nastavení

Děkujeme Vám za pozornost.