Datové formáty videa, jejich specifikace a možnosti využití

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

2. Agenda • Úvod • Základní vlastnosti • Komprese • Kontejnery • Analogové video • Kodeky

3. 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)

4. Základní vlastnosti • snímková frekvence • prokládání • datový tok • rozlišení • poměr stran • komprese

5. Základní vlastnosti • snímková frekvence • 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

6. Základní vlastnosti • datový tok • 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)

7. 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

8. Komprese • dělení II. • ztrátová a bezztrátová • 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

9. 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

10. Ztrátová komprese • MPEG-1 • 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

11. 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

12. 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

13. Kontejnery • MPEG PS- Program 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

14. Kontejnery • MP4 • 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

15. Kontejnery • ASF- Advanced Systems Format • 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

16. PAL • PAL -PhaseAlternating 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.

17. NTSC NTSC -NationalTelevision 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

18. SECAM SECAM- Séquentielcouleur 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.

19. Svět podle signálů TV

20. 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) • Separatevideo • 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

21. 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)

22. HDMI • Highdefiniton 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

23. 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)

24. 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

25. 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

26. Bezztrátové kodeky • LCL • Losslesscodeclibrary • Freeware • Pro Win • Skládá se z AVIzlib a AVImshz • Vhodný ke kompresi digitální animace

27. 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: DivXPlayer, DivXcomunitycodec, DivXwebplayer • placená navíc: DivXconventor a možnosti využití více vlastností ze základního balíku

28. Ztrátové kodeky • Xvid • dříve XviD • open-sourcekodek 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

29. 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 kodekFFmpegu plně podporuje dekódování videa kódovaného všemi běžnými MPEG-4 kodeky jako je DivX nebo Xvid

30. 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)

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

32. Děkujeme Vám za pozornost.