Файл: Учебник для вузов Общие сведения Аппаратное обеспечение.docx

Каждому измерению присваивается числовое значение амплитуды. Количество измерений в секунду называется частотой выборки (sampling rate). Количество возможных значений амплитуды называется точностьювыборки (sampling size). Таким образом, звуковая волна представляется в виде ступенчатой кривой. Ширина ступеньки тем меньше, чем больше ча- стота выборки, а высота ступеньки тем меньше, чем больше точность вы- борки.

Возможности наиболее распространённой современной аппаратуры предусматривают работу с частотой выборки до 48 кГц (48 тысяч раз в се- кунду!), что позволяет правильно описывать звук частотой до 22,05 кГц.

Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные участки по времени, для каждого устанавливается своя величина амплитуды. Каждой

ступеньке присваивается свой уровень громкости звука, который можно рассматривать как набор возможных состояний.
Характеристикикачествазвука

1. 
   Точность выборки или глубина кодирования звука – количество бит на одно измерение величины звукового сигнала.
   

Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину ко- дирования звука. Количество уровней (градаций амплитуды) можно рас- считать по формуле:

N = 2^I = 2¹⁶ = 65 536 уровней сигнала (градаций амплитуды)

2. 
   Частота выборки или частота дискретизации – это количе- ство измерений уровня звукового сигнала за 1 секунду.
   

Одно измерение в 1 секунду соответствует частоте 1 Гц. 1000 измерений в 1 секунду - 1 кГц.

Количество измерений может лежать в диапазоне от 8000 до 48 000

(8 кГц – 48 кГц).

8 кГц соответствует частоте радиотрансляции, 48 кГц – качеству звучания аудио-CD.

Опыт показывает, что точное соответствие цифрового сигнала анало-

---

говому достигается, если частота дискретизации будет вдвое выше макси- мальной звуковой частоты, то есть составит не менее 40 кГц.

На практике значения частоты дискретизации, применяемые в звуко- вых системах, равны 44,1 кГц или 48 кГц.

Чем больше частота дискретизации, тем качественнее звук.

3. 
   Для характеристики сжатого звука и видео используется понятие битрейт – количество единиц информации, необходимых для хранения или передачи одной секунды потока данных. Величина измеряется в кило- битах в секунду (kbps). Битрейт характеризует как плотность упаковки ин- формации, так и её качество. Например, из двух MP3 файлов сжатых с раз- ным битрейтом, более качественный (близкий к оригиналу) звук будет у файла с большим битрейтом. В тоже время, файл другого формата, при равном битрейте, может дать как лучшее, так и худшее качество звука. Стандартов кодирования двухканальной и многоканальной (5.1 и 7.1) аудиоинформации насчитывается несколько десятков, наименования неко- торых из них, используемых в современных методах записи мультимедиа- информации, приведены далее в таблице 1.4.
   

5. Кодирование видеоинформации

Видеоинформация – наиболее сложный вид для хранения, обработки и воспроизведения. Впервые движущиеся изображения были сохранены на кинопленке в виде большого количества отдельных кадров изображения, заснятых через небольшие промежутки времени (24 кадра в секунду). Позднее на ту же пленку стала записываться и звуковая дорожка (в после- дующем несколько дорожек для многоканального звука). Далее появилось телевидение с аналоговой записью движущегося изображения на магнит- ные ленты (системы телевидения PAL и SECAM используют 25 кадров в секунду, система NTSC – 29,97 кадров в секунду). С появлением компью- теров широкое распространение получили цифровые методы записи и ко- дирования

---

видеоинформации, которые постоянно совершенствуются. В настоящее время каждый может записать видео с использованием мобиль- ных телефонов, цифровых фото- и видеокамер и выполнить монтаж ви- деофильма на персональных компьютерах, производительности которых достаточно для перекодирования видео высокого разрешения объемом в несколько гигабайт (но продолжительность кодирования может составлять несколько часов).

Компьютерные цифровые методы кодирования видео могут исполь- зовать частоту телевизионных стандартов PAL/SECAM или NTSC, т. к. видеозаписи многих цифровых форматов могут воспроизводиться как спе- циальными компьютерными программами, так и бытовыми DVD- плеерами, а также путем подключения телевизора к компьютеру (для пе- редачи видео и звука следует использовать порт HDMI).

Качество видеоизображения в цифровых методах постоянно улучша- ется. Широкое распространение цифрового видео было связано с появле- ние вначале CD-дисков, затем DVD, далее Blu-Ray дисков, на которых, в основном, и распространялись кинофильмы, и емкостью которых ограни- чивались качественные возможности. В таблице 1.4 приведены характери- стики некоторых видеоформатов.

Стандарты кодирования видео разрабатываются группой экспертов в области цифрового видео MPEG (Moving Picture Experts Group) Междуна- родной Организацией по Стандартизации (ISO). Первый стандарт MPEG-1 был представлен в 1992 г., последние стандарты в этой области – MPEG-7 и MPEG-21.

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

Таблица 1.4. Сравнение форматов записи видео на диски

Формат	Разрешение, PAL / NTSC	Стандарт кодирования			Совместимость с DVD-плеером
		видео	аудио
VCD	352×288 352×240	MPEG-1	MPEG-1	всегда
SVCD	480×576 480×480	MPEG-2	MPEG-1	иногда
DVD	720×576 720×480	MPEG-2	MPEG-1, AC3	всегда
XVCD	720×576 720×480	MPEG-1 или MPEG-2	MPEG-1	иногда
DivX	640×480	MPEG-4	MP3, WMA	иногда
HD 720p	1280×720	MPEG-4 H.264	MP3, WMA, AC3 или др.	BD-плеер
HD 1080i	1920×1080 (i – чересстрочная развертка)	MPEG-4 H.264	MP3, WMA, AC3 или др.	BD-плеер
AVCHD 720p	1280×720 (p – прогрессивная развертка)	MPEG-4 v.10 (AVC/H.264)	PCM (7.1) или AC3 (5.1)	нет
AVCHD 1080i	1920×1080	MPEG-4 v.10 (AVC/H.264)	PCM (7.1) или AC3 (5.1)	нет
UHD-1 4K (2160p)	3840×2160	H.264/ H.265 (HEVC)	AC3 (5.1) или стандарт 22.2	нет
UHD-2 8K (4320p)	7680×4320	H.264/ H.265 (HEVC)	AC3 (5.1) или стандарт 22.2	нет

---

Все форматы сжатия семейства MPEG (MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7) используют высокую избыточность информации в изображени- ях, разделенных малым интервалом времени. Между двумя соседними кадрами обычно изменяется только малая часть сцены – например, проис- ходит плавное смещение небольшого объекта на фоне фиксированного заднего плана. В этом случае полная информация о сцене сохраняется вы- борочно – только для опорных кадров. Для остальных кадров достаточно передавать разностную информацию: о положении объекта, направлении и величине его смещения, о новых элементах фона, открывающихся за объ- ектом по мере его движения. Причем эти разности можно формировать не только по сравнению с предыдущими изображениями, но и с последую-

щими (поскольку именно в них по мере движения объекта открывается ра- нее скрытая часть фона).

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). Для того чтобы сократить потери информации между I-кадром и P-кадром, используются B-кадры (Bidirectional frame – двунаправленный кадр). В них содержится информа- ция, которая берется из предшествующего и последующего кадров.

MPEG-4 использует технологию фрактального сжатия изображений. Фрактальное (контурно-основанное) сжатие подразумевает выделение из изображения контуров и текстур объектов. Контуры представляются в ви- де сплайнов (полиномиальных функций) и кодируются опорными точками. Текстуры могут быть представлены в качестве коэффициентов простран- ственного частотного преобразования (например, дискретного косинусно- го или вейвлет-преобразования).

Новые версии MPEG-4 – AVC/H.264 (Advanced Video Codec, назы- ваемый также H.264) – стандарт, предназначенный для значительного сжа- тия видеопотока при сохранении высокого качества и

---

AVCHD (Advanced Video Codec High Definition – улучшенный видеокодек для видео высокого разрешения) – цифровой формат записи видеоданных в форматах 720p или 1080i и многоканального звука. Стандарт AVCHD был разработан сов- местно компаниями Sony и Panasonic в 2006 году. За основу был взят кодек AVC/H.264.

В октябре 1996 года группа MPEG приступила к разработке формата сжатия MPEG-7, призванным определить универсальные механизмы опи- сания аудио и видео информации. Этот формат получил название «Муль- тимедиа-интерфейс для описания содержимого» (Multimedia Content Description Interface). В отличие от предыдущих форматов сжатия семей- ства MPEG, MPEG-7 описывает информацию, представленную в любой форме (в том числе в аналоговой) и не зависит от среды передачи данных.

Формат сжатия MPEG-7 использует развитую многоуровневую структуру описаний аудио и видео информации га основе языка этих опи- саний. Существуют различные типы информации, для которых разработа- ны схемы описания базовых структур: низкоуровневые аудио-визуальные характеристики, такие как цвет, текстура, движение, уровень звука и т.д.; высокоуровневые семантические объекты, события и абстрактные прин- ципы; описание содержимого, навигации и доступа к аудио-визуальному материалу и т. д. Одной из отличительных особенностей MPEG-7 являет-

ся его способность к определению типа сжимаемой информации. Если это аудио или видео файл, то он сначала сжимается с помощью алгоритмов MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, а затем описывается при помощи MPEG-7.

Разработка формата MPEG-21 – долговременный проект, который называется «Система мультимедийных средств» (Multimedia Framework). Над разработкой этого формата эксперты начали работать в 2000 г. Задача разработки MPEG-21 может быть сформулирована следующим образом: определение технологии, необходимой для поддержки пользователей при обмене, доступе, продаже и других манипуляциях цифровыми объектами. При этом предполагается обеспечить максимальную эффективность и про- зрачность этих операций.

Форматы файлов Microsoft AVI и

---