Файл: Методы кодирования данных (Методы кодирования текстовой и числовой информации).pdf

Кодирование данных с потерями (lossy coding). Здесь цель – добиться схожести звучания восстановленного сигнала с оригиналом при как можно меньшем размере сжатого файла. Это достигается с помощью использования алгоритмов, «упрощающих» оригинальный сигнал (удаляющих из него «несущественные», неразличимые на слух детали). Это ведет к тому, что декодированный сигнал перестает быть идентичным оригиналу, а представляет собой лишь «похоже звучащим». Методов сжатия, а также программ, реализующих эти методы, имеется множество. Наиболее известными выступают MPEG-1 Layer I,II,III (последним является всем известный MP3), MPEG-2 AAC (advanced audio coding), Ogg Vorbis, Windows Media Audio (WMA), TwinVQ (VQF), MPEGPlus, TAC, и прочие. В среднем, коэффициент сжатия, обеспечиваемый такими кодерами, находится в пределах 10-14 (раз). В основе всех lossy-кодеров лежит использование так называемой психоакустической модели. Она занимается этим самым «упрощением» оригинального сигнала. Степень сжатия оригинального сигнала зависит от степени его «упрощения» - сильное сжатие достигается путём «воинственного упрощения» (когда кодером игнорируются множественные нюансы). Такое сжатие приводит к сильной потере качества, поскольку удалению могут подлежать не только незаметные, но и значимые детали звучания.

3.3 Кодирование видео-информации

Видеоинформация – наиболее сложный вид для хранения, обработки и воспроизведения. В начале движущиеся изображения сохранялись на кинематографической пленке в виде большого количества отдельных кадров видео потока, заснятых через небольшие промежутки времени (24 кадра в секунду). Позднее на ту же пленку стала записываться и звуковая дорожка (в последующем несколько дорожек для многоканального (стерео) звука). Далее возникло телевидение с аналоговой записью движущегося изображения на магнитные ленты (системы телевидения PAL и SECAM используют 25 кадров в секунду, система NTSC – 29,97 кадров в секунду). С появлением компьютеров широкое распространение получили цифровые способы записи и кодирования видеоинформации, которые постоянно совершенствуются.

Качество видеоизображения в цифровых методах постоянно улучшается. Широкое распространение цифрового видео было связано с появление сначала CD-дисков, далее DVD, далее Blu-Ray дисков, на которых, в основном, и распространялись кинофильмы, и емкостью которых ограничивались качественные возможности.

Алгоритмы кодирования видео очень сложны, их описания можно выяснить в специальной литературе или на сайте http://www.mpeg.org.

Все форматы сжатия семейства MPEG (MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7) используют высокую избыточность информации в изображениях, разделенных малым интервалом времени.

Алгоритмы MPEG сжимают только опорные кадры – I-кадры (Intra frame – внутренний кадр). В промежутки между ними включаются кадры, содержащие только изменения между двумя соседними I-кадрами – P-кадры (Predicted frame – прогнозируемый кадр). MPEG-4 использует технологию фрактального сжатия изображений. Фрактальное (контурно-основанное) сжатие подразумевает выделение из изображения контуров и текстур объектов. Контуры представляются в виде сплайнов (полиномиальных функций) и кодируются опорными точками. Текстуры могут быть представлены в качестве коэффициентов пространственного частотного преобразования (к примеру, дискретного косинусного или вейвлет-преобразования). Считается, что за 10-15 кадров картинка изменится настолько, что необходим новый исходный кадр. В результате при использовании MPEG можно добиться уменьшения объема информации более чем в 200 раз, хотя это и приводит к некоторой потере качества. В настоящее время наиболее используемым является алгоритм сжатия MPEG-1, разработанный для хранения видео на компакт-дисках с качеством VHS, MPEG-2, используемый в цифровом, спутниковом телевидении и DVD, а также алгоритм MPEG-4, разработанный для передачи информации по компьютерным сетям и широко используемый в цифровых видеокамерах и для домашнего хранения видеофильмов.

Форматы файлов AVI и MKV – контейнеры, предназначенные для хранения видеоинформации, синхронизованной с аудиоинформацией. AVI может содержать в себе потоки 4 типов – Video, Audio, MIDI, Text. Причем видеопоток может быть только один, тогда как аудио – несколько.

Не смотря на различные форматы файлов в них могут использоваться одинаковые кодеки для видео и аудио, различаются лишь их представление в выходном файле, хранящемся на жестком диске. Рассмотрим различные варианты кодеков:

• DivX - видеокодек, различные версии которого соответствуют стандартам MPEG-4 part 2, MPEG-4 part 10 (MPEG-4 AVC, H.264), HEVC (H.265). Изначально был создан как патч к видеокодеку MPEG-4 от Microsoft. Позже стал платным и на его замену пришел бесплатный аналого Xvid
• H.264 или AVC (Advanced Video Coding) — лицензируемый стандарт сжатия видео, предназначенный для достижения высокой степени сжатия видеопотока при сохранении высокого качества. Данный стандарт имеет различные профили, которые обеспечивают различные степени зжатия видеопотока в зависимости от требования к итоговому видео. Так, например базовый профиль отличается тем, что выходной поток видео информации устойчив к потерям и шумам, основной профиль применяется в цифровом телевещании стандартной четкости, высокий профиль является основным для видео на оптических носителях и для цифрового телевидения высокой четкости.
• Xvid является заменой кодеку DivX, полностью открытый исходный код, распространяемый по лицензии GNU. Видео файлы с использованием данного кодека могут быть без проблем проиграны на плеере, поддерживающем кодек DivX, потому что в видео файле отличаются лишь 4 управляющих байта.
• FFmpeg – набор свободных библиотек с открытым исходным кодом, позволяющие упростить работу с видео. В его состав входит набор кодеков libavcodec, которые были написаны с помощью обратного программирования (реверс инжиниринг). Данные набор кодеков поддерживает все самые популярные кодеки, такие как- mjpeg, mpeg4, h263 и другие.