После указанных трех элементов следуют наборы данных, характеризующие каждое из входящих в файл изображений. Каждое изображение в отдельности описывается локальным дескриптором и локальной цветовой палитрой, после которых следуют данные изображения. Данные обычно состоят из последовательностей пакетов данных, называемых блоками, причем в состав отдельных блоков могут входить и подблоки.
Малый размер GIF-файлов связан с использованием поблочного LZWсжатия изображения, причем большинство сжимаемых блоков имеют размер 255 байтов. Каждый пиксел декодированного изображения характеризуется размером в 1 байт и содержит значение индекса цвета, т. е. положение нужного цветового тона в глобальной или локальной цветовой палитре.
Рис. 3.9. Структура анимационного файла в формате GIF 89a
Помимо первоначальной версии формата GIF-файлов, названной GIF 87a, имеется выпущенная двумя годами позднее вторая версия – GIF 89a. Вторая версия добавила несколько новых возможностей, в том числе, хранение текстовых и графических данных в одном файле. Для этого в описание файла добавлен специальный блок "Управляющие расширения", который размещен сразу после трех общих для всего файла элементов и предшествует описанию отдельных изображений в составе файла. Этот блок состоит из трех элементов: "Расширение комментариев", "Расширение приложений" и "Расширение управления графикой" (рис. 3.9).
На рисунке этот блок выделен двумя жирными линиями. В состав управляющих расширений входят: расширение комментариев, расширение приложений и расширение управления графикой. В последнем указано, в частности, и величина задержки кадра в сотых долях секунды, а также значение индекса прозрачности цвета, который позволяет создавать новые анимационные эффекты. Кстати, большинство современных программ-аниматоров обеспечивает подготовку анимационных файлов именно в этом формате (см. главу 5).
3.5.2. Принципы представления цифрового видео
Обычные телевизионные видеоданные представляют собой поток аналоговых сигналов. Компьютерная обработка видеоинформации состоит в преобразовании их в цифровой формат с последующим хранением этих данных на жестком или компакт-диске или другом устройстве хранения информации. Оцифровка видеосигнала, как и оцифровка звука, включает те же две стадии: дискретизацию данных аналогового видеопотока, т. е. снятие отсчетов с определенной частотой, и преобразование каждого такого отсчета в цифровой эквивалент или квантование.
При хранении оцифрованных данных в несжатом формате изображение размером 400×300 пикселов с глубиной цвета 24 бита на пиксел, обновляемое с частотой 25 Гц, потребует скорости передачи информации около 9 Мбайт/с. А хранение данных для показа 5-минутного ролика в указанном формате потребует информационное пространство, превышающее 2,5 Гбайта. Естественно, что при работе с такими объемами информации невозможно обойтись без сжатия данных, однако и этом случае потребуется время и определенные вычислительные мощности на распаковку данных. Достичь оптимального сжатия можно путем совершенствования аппаратных или программных средств, а может быть – совместно тех и других.
В качестве аппаратных средств используются специальные видеопроцессоры, которые поддерживают высокоскоростную компрессию и декомпрессию данных, не загружая центральный процессор компьютера. Второй подход состоит в использовании специализированных методов программного сжатия и распаковки предварительно сжатых видеоданных.
Аналоговый видеосигнал включает в себя несколько различных компонентов, объединенных в единое целое. Такой составной видеосигнал малопригоден для оцифровки. Предварительно его следует разделить на так называемые базовые компоненты. Обычно компоненты представляют собой три различных сигнала, соответствующие определенной цветовой модели. Если в статической графике используется RGB-модель, то в цифровом видео чаще используется модель YUV. Эта модель уже много лет успешно используется в аналоговом телевидении, так как позволяет принимать сигналы цветного телевидения на черно-белый телевизионный приемник. Исходный RGB-сигнал преобразуется в яркостной сигнал Y и два сигнала цветности U и V по следующим формулам:
Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B, (3.2)
U= B – Y, (3.3)
V = R – Y, (3.4)
где R, G и B уровень цветовых компонентов исходного сигнала.
Видеопоследовательности отображаются в виде серии кадров или фреймов, каждый из которых, по существу, является графическим изображением и включает в себя определенное число пикселов. Такой видеофрейм может быть сжат с помощью одного из алгоритмов сжатия изображений, с потерями или без потерь.
Так, применение дискретного косинусного преобразования, упомянутого в разд. 3.3, позволяет выделить высокочастотные составляющие пространственного спектра, которые практически не воспринимаются человеческим глазом и могут быть отброшены как избыточная информация. Затем фрейм может быть сжат с помощью одного из алгоритмов сжатия без потерь или за счет более сложной схемы, такой как JPEG. При внутрифреймовом кодировании достигается коэффициент сжатия в пределах от 20 до 40. Еще большее значение этого коэффициента достигается при кодировании совокупности фреймов.
Различие между кадрами в обычной видеопоследовательности, как правило, невелико. Поэтому, если кодировать не целиком каждый фрейм, а лишь отличия каждого последующего фрейма от предыдущего, то объем данных, характеризующий каждый фрейм, существенно уменьшится. Это так называемое межфреймовое дельта-сжатие или компенсация движения. Применение типовых схем компенсации движения позволяет довести суммарный коэффициент сжатия видеопоследовательности до 200 и более.
3.5.3. Форматы цифрового видео
В этом разделе мы проанализируем характерные форматы представления цифрового видео, такие как QuickTime фирмы Apple, MPEG комитета Motion Picture Expert Group и AVI фирмы Microsoft.
Общая черта всех популярных форматов цифровых видеофайлов состоит в том, что основная часть любого из них – это система сжатия и восстановления видеоданных (compression/decompression – сокращенно codec), называемая кодеком. Обычно программы, поддерживающие основные форматы видеофайлов, позволяют замещать старые кодеки на новые, более совершенные по мере разработки последних. Такой подход позволил легко адаптировать форматы видеофайлов и поддерживающие их программы к новым технологиям, как только те становились доступными.
Исходные релизы форматов QuickTime и VfW (Video for Windows – один из простых форматов фирмы Microsoft, который использовался в начале и середине 90-х годов) содержали очень простые кодеки, так как уровень развития компьютерной техники того периода не мог обеспечить применения более качественных методов, требовавших значительно более высокого уровня вычислительного ресурса. По мере совершенствования компьютерных технологий стало возможным использовать более эффективные методы сжатия и распаковки, что привело к применению новых кодеков.
К наиболее известным и широко применяемым форматам следует отнести QuickTime фирмы Apple. Под этим именем объединены 2 различных понятия. Для пользователей – это стандартный способ работы с потоковыми данными, такими как видео и аудио. Для производителей – это гибкое средство разработки приложений, совершенствующееся по мере развития технологий. Формат пригоден для работы с любой времязависимой информацией. Видеофильмы в этом формате могут содержать несколько видео– и аудиодорожек. Таким образом, фильм в этом формате может иметь многоязыковую поддержку, а также содержать MIDI-информацию для управления внешним синтезатором. Продолжительность событий на каждой из дорожек также может быть различной. Можно также накладывать друг на друга несколько видеодорожек. Это создает определенные возможности для усиления комплексного эмоционального воздействия на зрителя и слушателя.
Формат был создан первоначально для платформы Macintosh для хранения аудио– и видеоданных на магнитных и оптических носителях. Сейчас он используется и в оболочке Windows. Предусмотрен специальный набор средств, называемый Movie Toolbox, который обеспечивает редактирование и модификацию видеофильмов в данном формате, т. е. можно вклеивать, вырезать, копировать и редактировать отдельные видеофрагменты таким же образом, как это делается при профессиональном монтаже обычного кино. Данные в этом формате можно хранить на магнитном или компакт-диске в виде обычного файла, а также помещать на цифровой видеомагнитофон.
Набор средств Movie Toolbox определяет 6 методов сжатия, используемых при хранении видеофильмов в этом формате. Перечислим эти методы.
✓ Photo Compressor – предназначен для сжатия отдельных изображений с глубиной цвета от 8 до 24 бит (для сжатия фреймов или видеокадров обычно используется метод JPEG).
✓ Video Compressor – метод сжатия видеопоследовательностей с потерями, основанный на преобразовании пространственного спектра и временном сжатии. Глубина цвета – 24 бита. Метод отличается высокой скоростью распаковки сжатого видеоряда.
