MASARYKOVA UNIVERZITA F}w¡¢£¤¥¦§¨ AKULTA INFORMATIKY !"#$%&'()+,-./012345<yA| Videoforma´ty, videokodeky BAKALA´ Rˇ SKA´ PRA´ CE Toma´sˇZa´vodny´ Brno, podzim 2002 Prohla´sˇenı´ Prohlasˇuji, zˇe tato bakala´rˇska´pra´ce pra´ce je my´m pu˚vodnı´m autorsky´m dı´lem, ktere´jsem vypracoval samostatneˇ. Vsˇechny zdroje, prameny a literaturu, ktere´jsem prˇi vypracova´nı´ pouzˇı´val nebo z nich cˇerpal, v pra´ci rˇa´dneˇcituji s uvedenı´m u´plne´ho odkazu na prˇı´slusˇny´ zdroj. Vedoucı´pra´ce: unknown ii Shrnutı´ iii Klı´cˇova´slova AVI, MPEG, MPEG1, MPEG2, MPEG3, MPEG4, DVD, DV, Videokomprese, kodek, kom- prese, DivX, XviD, YUV,RGB, VCD, SVCD, XVCD, XSVCD, RAW, HuffYUV,MJPEG, ASF, WMV, MOV, multiplex, videokodek iv U´ VOD V dnesˇnı´ dobeˇ jsou jizˇ digita´lnı´ kamery pomeˇrneˇ cenoveˇ dostupne´, stejneˇ tak nenı´ proble´m porˇı´dit levny´, ale za´rovenˇvy´konny´pocˇı´tacˇschopny´nelinea´rnı´ho strˇihu videa v doma´cı´ch podmı´nka´ch. Firmy vyra´beˇjı´cı´videokamery se snazˇı´podbı´hat za´kaznı´kovi a digita´lnı´videokamery proda´vajı´jako kompletnı´balı´cˇky obsahujı´cı´kromeˇkamery take´ hardware a jednoduchy´ software na strˇih videa. Strˇih digita´lnı´ho videa na pocˇı´tacˇi je jizˇpomeˇrneˇjednoduchy´, ale proble´m mu˚zˇe vyvstat prˇi zachyta´va´nı´, konverzi a exportu vy´sledne´ho videa. Tato pra´ce si klade za cı´l prˇiblı´zˇit cˇtena´rˇi pra´veˇru˚zne´forma´ty videa, uka´zat proble´m neˇkolika video norem, ale prˇedevsˇı´m podat kompletnı´prˇehled o video- kodecı´ch a forma´tech pro uchova´nı´videa. V prvnı´kapitole nastı´nı´m proble´m digitalizace analogove´ho obrazu. Popı´sˇi ru˚zne´zpu˚- soby a postupy slouzˇı´cı´k digitalizaci obrazu. Povı´me si take´neˇco o pomeˇrneˇnove´m a prosazujı´cı´m se digita´lnı´m rozhranı´Firewire. Obsahem druhe´kapitoly je prˇehled nej- vy´znamneˇjsˇı´ch video kodeku˚jako je MJPEG, povı´me si o kodecı´ch z rodiny MPEG a v neposlednı´rˇadeˇprˇedstavı´m neˇkolik kodeku˚vhodny´ch pro stream videa, cˇili vhodne´ pro vysı´la´nı´videa v rea´lne´m cˇase prˇes loka´lnı´sı´teˇa internet. Jelikozˇuzˇje to pomeˇrneˇ dost dlouha´doba, kdy byly filmy pouze neˇme´, musı´m se take´zmı´nit o kompresi zvuku, cozˇbude obsahem trˇetı´kapitoly. Vy´sledne´video je potrˇeba neˇjaky´m vhodny´m zpu˚sobem archivovat a skladovat. Ve cˇtvrte´kapitole se tedy zaby´va´m forma´ty ve ktery´ch lze vhodneˇ ukla´dat video. Na za´veˇr si zrekapitulujeme, co jsme si rˇekli o videokodecı´ch, a zkusı´m odhadnout, jaky´m smeˇrem se bude video da´le ubı´rat. V druhe´prakticke´cˇa´sti popisuji pru˚beˇh tvorby kra´tke´ho dokumenta´rnı´ho filmu SLT 2002. v Obsah I. Videoforma´ty, videokodeky 3 1. Za´kladnı´pojmy ...................................... 4 1.1. Princip televiznı´ho prˇenosu obrazu . 4 1.2. Prokla´da´nı´ . 5 1.3. Rozlisˇenı´ . 7 1.4. Barva . 8 1.4.1. Barevny´forma´t YUV . 9 1.4.2. Barevny´forma´t RGB . 11 1.5. Zachyta´va´nı´videa, digitalizace . 11 1.5.1. Digita´lnı´video forma´tu AVI, VCD, DVD, ... 12 1.5.2. DV, iLink, FireWire, IEEE 1394 . 12 1.5.3. Zachyta´vacı´karty, TV-karty, A/D prˇevodnı´ky . 13 2. Komprese videa ...................................... 15 2.1. Bezeztra´tove´kodeky . 15 2.1.1. RAW . 15 2.1.2. HuffYUV . 15 2.2. Ztra´tove´kodeky . 16 2.2.1. Indeo R Video 5.10 . 16 2.2.2. Microsoft H.261 a H.263 . 16 2.2.3. Microsoft Video 1 . 16 2.2.4. MJPEG . 16 2.2.5. MPEG-1 . 17 2.2.6. MPEG-2 . 18 2.2.7. MPEG-3 . 19 2.2.8. MPEG-4 . 19 2.2.9. ASF, WMV . 19 2.2.10. Quicktime . 19 2.2.11. RealVideo . 20 2.2.12. DivX 3.11a Alpha . 20 2.2.13. DivX 4, DivX 5 . 20 2.2.14. XviD . 21 2.2.15. DV . 22 3. Komprese zvuku ..................................... 23 3.1. Vzorkova´nı´zvuku . 23 3.2. Zvukove´kodeky . 23 3.2.1. PCM . 23 1 3.2.2. MP1 (MPEG1 - Layer 1) . 23 3.2.3. MP2 (MPEG1 - Layer 2) . 23 3.2.4. MP3 (MPEG1 - Layer 3) . 24 3.2.5. Microsoft WMA . 24 3.2.6. Dalsˇı´(AC3, Digital 5.1, DTS, ...) . 24 4. Komprese videa ...................................... 25 4.1. Bezeztra´tove´kodeky . 25 4.1.1. RAW . 25 4.1.2. HuffYUV . 25 4.2. Ztra´tove´kodeky . 26 4.2.1. Indeo R Video 5.10 . 26 4.2.2. Microsoft H.261 a H.263 . 26 4.2.3. Microsoft Video 1 . 26 4.2.4. MJPEG . 26 4.2.5. MPEG-1 . 27 4.2.6. MPEG-2 . 28 4.2.7. MPEG-3 . 29 4.2.8. MPEG-4 . 29 4.2.9. ASF, WMV . 29 4.2.10. Quicktime . 29 4.2.11. RealVideo . 30 4.2.12. DivX 3.11a Alpha . 30 4.2.13. DivX 4, DivX 5 . 30 4.2.14. XviD . 31 4.2.15. DV . 32 5. Za´veˇr ............................................ 33 II. Prakticka´cˇa´st 34 6. Zada´nı´ ........................................... 35 7. Prˇedbeˇzˇny´sce´na´rˇ ..................................... 36 2 Seznam obra´zku˚ 1.1. Vykreslova´nı´lichy´ch rˇa´dku˚na obrazovce televizoru . 5 1.2. Prokla´da´nı´- obraz obsahujı´cı´liche´a sude´rˇa´dky z jine´ho cˇasove´ho okamzˇiku 6 1.3. Televize: A -625 vykreslovany´ch rˇa´dku˚v syste´mu PAL, B -prˇiblizˇneˇjen 540 obsahuje obrazovou informaci . 8 1.4. Vzorkova´nı´barevne´ho forma´tu YUV 4:2:2 . 9 3 CÏ aÂst I. VideoformaÂty, videokodeky Kapitola 1 Za´kladnı´pojmy Nejdrˇı´ve bychom si meˇli ujasnit, co vlastneˇpojem video znamena´. Pod tı´mto pojmem si mnoho lidı´prˇedstavı´prˇı´stroj na zaznamena´va´nı´televiznı´ch porˇadu˚a pro prˇehra´va´nı´ vypu˚jcˇeny´ch filmu˚trˇeba z videopu˚jcˇoven. V pocˇı´tacˇove´m sveˇteˇsi pod tı´mto pojmem zase veˇtsˇina lidı´prˇedstavı´multimedia´lnı´soubory s prˇı´ponou AVI obsahujı´cı´trˇeba prezentaci neˇjake´firmy.Obecneˇje video sekvencı´obra´zku˚rychle po sobeˇjdoucı´ch tak, zˇe vznikne pro diva´ka iluze pohybu. Samozrˇejmou soucˇa´stı´videa je zvukovy´doprovod pohybujı´cı´ho se obrazu. Bylo zjisˇteˇno, zˇe postacˇuje pomeˇrneˇnı´zka´snı´mkova´frekvence, aby dosˇlo k iluzi pohybu. Nejdu˚lezˇiteˇjsˇı´mi parametry pro video jsou prˇedevsˇı´m pra´veˇsnı´mkova´frekvence, rozlisˇenı´a barevna´hloubka. V te´to kapitole vysveˇtlı´m neˇkolik nejdu˚lezˇiteˇjsˇı´ch pojmu˚, bez ktery´ch se v dalsˇı´ch kapitola´ch neobejdeme. 1.1. Princip televiznı´hoprˇenosu obrazu Jiskrovy´vy´boj blesku trva´me´neˇnezˇ0,0001 sekundy, ale jeho klikatou cˇa´ru na obloze vidı´me mnohem de´le. Sı´tnice oka ma´totizˇurcˇitou sveˇtelnou setrvacˇnost trvajı´cı´prˇiblizˇneˇ jednu desetinu sekundy, a tak vnı´ma´me obraz blesku i v okamzˇicı´ch, kdy jizˇna sı´tnici zˇa´dne´sveˇtelne´paprsky nedopadajı´. Na sveˇtelne´setrvacˇnosti sı´tnice oka je zalozˇeno i filmove´ promı´ta´nı´. Zachytı´me-li pohybovy´ deˇj na filmove´m pa´su rychostı´ 24 snı´mku˚ za sekundu a takto zı´skane´ snı´mky stejnou rychlostı´ promı´ta´me, pak rychle´ strˇı´da´nı´ jednotlivy´ch obrazu˚vnı´ma´nasˇe oko jako plynuly´pohyb. Prˇenos pohybovy´ch deˇju˚televizı´ je zalozˇen na podobne´m principu. I v tomto prˇı´padeˇzachycujeme pohyb snı´macı´kamerou a pak promı´ta´me na stı´nı´tko rychlostı´25 obrazu˚za sekundu. Na rozdı´l od filmove´ho promı´ta´nı´vsˇak tyto obrazy neprˇena´sˇı´me najednou, ale po jednotlivy´ch rˇa´dcı´ch, a ty pak po jednotlivy´ch bodech. V televizi pak paprsek elektronu˚vykresluje postupneˇvsˇechny body v rˇa´dcı´ch a takto vsˇechny rˇa´dky, azˇje vykreslen cely´obra´zek. Prˇi skutecˇne´m televiznı´m prˇenosu se pohyb paprsku rozdeˇlı´na 625 rˇa´dku˚, prˇicˇemzˇ se pouzˇı´va´tzv. prokla´dane´rˇa´dkova´nı´, kdy se snı´majı´nejdrˇı´ve liche´rˇa´dky a pak rˇa´dky sude´. Kazˇdy´rˇa´dek se prˇitom skla´da´prˇiblizˇneˇz 830 jednotlivy´ch izolovany´ch bodu˚, takzˇe celkovy´obraz je rozlozˇen prˇiblizˇneˇna 625x830=520 000 bodu˚. Prˇenesenı´m teˇchto 520 000 bodu˚, bychom vsˇak vytvorˇili na obrazovce nasˇeho televizoru jen jeden jediny´nepohyblivy´ obraz trvajı´cı´0,04 sekundy.A protozˇe k vytvorˇenı´pohybove´ho vjemu musı´me promı´tnout na stı´nı´tko obrazovky 25 obrazu˚ za sekundu, znamena´ to, zˇe kazˇdou sekundu musı´ paprsek elektronu˚ vytvorˇit celkem 25x520 000 = 13 000 000 jednotlivy´ch obrazovy´ch signa´lu˚. 5 1.2. PROKLA´ DA´ NI´ U barevne´televize je to jesˇteˇmnohem slozˇiteˇjsˇı´, a proto jejı´princip popı´sˇi jen velice zjednodusˇeneˇ. Kazˇdou barvu lze rozlozˇit na slozˇky barev cˇervene´, zelene´a modre´. To je pra´veˇvyuzˇito u barevne´televize. V te´jsou trˇi paprsky, kazˇdy´pro jednu barvu. Tyto pa- prsky pak vykreslujı´celou obrazovku a na stı´nı´tku obrazovky je asi 400 000 troju´helnı´cˇku˚, ktere´se skla´dajı´vzˇdy z cˇervene´, modre´a zelene´luminescencˇnı´vrstvy. Paprsky pak vzˇdy podle intenzity rozsveˇcujı´prˇı´slusˇne´cˇervene´, modre´a zelene´body a ty pak vytva´rˇı´pat- rˇicˇne´barvy. Trinitronove´obrazovky nemajı´barvy slozˇene´do troju´helnı´cˇku˚, ale vsˇechny trojice jsou vedle sebe v rˇada´ch. 1.2. Prokla´da´nı´ Prˇi promı´ta´nı´ videa na televiznı´ch obrazovka´ch frekvencı´ 25 snı´mku˚ za vterˇinu bylo vypozorova´no velmi neprˇı´jemne´blika´nı´. To je zpu˚sobeno tı´m, zˇe zatı´mco paprsek vykreslı´ na obrazovce bod vlevo nahorˇe a bod vpravo dole, uplyne neˇjaka´urcˇita´doba (prˇesneˇ0,04 sekundy), a drˇı´ve vykreslene´body a rˇa´dky mezitı´m pohası´najı´.