MPEG и домашнее видео

Сжатие в JPEG

Эксперименты с фильмами требуют значительного времени, поэтому основные закономерности видеокомпрессии гораздо быстрее и проще проиллюстрировать на примере неподвижных изображений. Возьмите качественную картинку с достаточным количеством резких границ и мелких деталей (например, несжатый TIFF-файл размером приблизительно 600Ѕ800) и внимательно посмотрите на него. Здесь цвет каждой точки кодируется отдельно, «по-честному». Пусть это будет эталонное качество в рамках 24-битной цветовой модели. Но человеческий глаз имеет некоторые особенности восприятия и различает не всю цветовую информацию, поэтому можно удалить (навсегда!) часть данных без заметной потери качества (как это делает, например, формат JPEG). В графическом редакторе попробуйте сжать эту картинку с разным уровнем качества и найдите соотношение размеров исходного файла и JPЕG’а, при котором искажения еще практически незаметны. Получится коэффициент в диапазоне 10-25, в зависимости от картинки и вашего восприятия. При большем сжатии явно заметны артефакты — цветные ореолы, квадратная структура и пр., а ведь в динамике это безобразие будет еще и двигаться...

Теперь сожмите эту картинку каким-либо другим алгоритмом компрессии. Заметной разницы в значении порогового коэффициента, скорее всего, не будет (максимум — 10-20%). Осмелюсь утверждать, что невозможно повысить этот коэффициент в несколько раз — чудес не бывает, информация никуда не девается и все богатство пейзажа нельзя уместить в нескольких байтах...

Что отсюда следует? Разрешение видеосигнала определено TV-стандартом, компьютерный аналог которого — 720Ѕ576. То есть при стандартной скорости 25 кадров в секунду мы получим примерно 250 000 Кбит/c (для несжатого видео). Применив к каждому кадру JPEG-компрессию с тем самым «безопасным» коэффициентом 10-25, получим 10 000-25 000 Кбит/с (в зависимости от оригинала). Как известно, DV-формат — это, скорее, аналог JPEG-сжатия, поэтому поток у него 28 000 Кбит/с (чтобы не зависеть от оригинала). Таким образом, в большинстве случаев дальнейшее покадровое сжатие DV-формата нецелесообразно, так как может привести к заметным артефактам.

Сжатие в MPEG

Почему же тогда формат MPEG компактнее? Получается, что 20 000-30 000 Кбит/с — это предел, а ведь это приблизительно 3-4 минуты видео на CD-R или 20-30 минут на DVD-диске! Строго говоря, для произвольного изображения, состоящего из независимых кадров, так и будет. А как же прекрасное качество DVD-фильмов с потоком 5000-8000 Кбит/с? Дело в том, что в реальных фильмах последовательные кадры обычно взаимозависимы, что и использует формат MPEG. Грубо говоря, JPEG’ом сжимается не каждый кадр, а только различие между ними. Поскольку камера при профессиональной съемке всегда стоит на штативе или на специальных рельсах, то изменения заднего плана, как правило, незначительны: либо однообразны, либо вообще изготавливаются отдельно (а видео снимается, например, на синем фоне. — Прим.ред.), поэтому различие между кадрами не столь значительно и сильно сжимается. Динамичные же сцены (взрывы, эффекты, быстрое движение и пр.) при этом обычно «одалживают» скорость у «спокойных» кусков, благодаря применению переменного потока.

Представьте, как выглядит такой «разностный» кадр (разница двух кадров) для объекта, движущегося на неподвижном фоне (предположим, используется неподвижный штатив), — это будет небольшой объект на одноцветном фоне. Помня об особенностях сжатия в JPEG, вернитесь в графический редактор и промоделируйте ситуацию, выберите в кадре только объект на однотонном фоне и попробуйте сжать его. В результате получится файл минимального размера. Теперь добавьте шум (например, примените фильтр с разными значениями шума), а затем сожмите его в JPEG-файл такого же размера, и вы увидите, какие ужасные артефакты появятся на зашумленной картинке после сжатия с таким же коэффициентом.

Чтобы артефакты не росли вместе с зашумленностью (а это аналог качества исходного материала), приходится сжимать видео не с одинаковым размером, а с одинаковым качеством. Тогда размеры полученного файла заметно увеличиваются с ростом шума. Что это означает для видео? Только то, что сам по себе поток (то есть коэффициент сжатия) не гарантирует высокого качества — многое зависит от качества исходного материала. Например, если исходный материал плохой, то, чтобы не появились артефакты, приходится снижать коэффициент сжатия в несколько раз.

Таким образом, только при идеальных условиях профессионального DVD-производства MPEG-2 дает выигрыш по сравнению с JPEG примерно в 4-5 раз (назовем его MPEG-добавкой). Возможно, дальнейшее улучшение алгоритмов сжатия может увеличить MPEG-добавку раза в полтора, но никак не больше. Кстати, MPEG-4, вопреки поднятой вокруг него шумихе, ненамного лучше, чем MPEG-2 (может быть на 10% и только на больших потоках). А качество модных сегодня компакт-дисков с DivХ-фильмами даже при желании никто не назовет настоящим DVD-качеством. Сформулируем идеальные условия съемки в виде табл. 1.

Практика показывает, что домашнее видео на любительских камерах (прежде всего из-за шума и тряски при съемке) сжимается примерно вдвое хуже профессионального, то есть при одном и том же качестве занимает вдвое больший объем. Примерное соотношения видеопотоков представлено в табл. 2.

Выводы и советы

1. Если на один CD-R влезает час фирменной мелодрамы, то это не значит, что на таком же диске можно разместить столько же панорамной съемки пейзажей и архитектуры с мелкими деталями, снятой с рук дешевой трясущейся камерой из окна автобуса. Точнее, можно, но только либо 10 минут, либо отвратительного качества.

2. MPEG не является средством для хранения видеоматериалов. В лучшем случае этот формат подходит для демонстрации ваших работ другим (на DVD-дисках).

3. MPEG-4/DivX — не панацея для домашнего видео. Данный формат сжатия можно использовать только для очень «гладких» сюжетов (например, для съемки спящего младенца крупным планом и пр.). Существенного преимущества по сравнению с MPEG-2 он не дает — можно отметить лишь небольшое количественное улучшение, поэтому если ваши шедевры короткие (10-15 минут), то сжимайте их сразу в MPEG-2 c битрейтом 6000-8000 Кбит/c (в DVD-совмеcтимом формате). Позже, когда купите DVD-R, вы легко создадите на основе этих клипов полноценный DVD-диск, не перекодируя их и, следовательно, не теряя в качестве.

4. DVD-R уже давно не роскошь. Устройство стоит примерно 200 долл., а болванка — 2-4 долл. В дальнейшем цены еще больше снизятся.

5. Если вы собираетесь сжимать в MPEG свои собственные съемки, то почаще заглядывайте таблицу идеальных условий. Купите штатив и научитесь им пользоваться, не делайте резких скачков камерой, не увлекайтесь длинным фокусом при съемке с рук и обращайте внимание на освещение.

Михаил Афанасенков (http://www.afanas.ru)