Домашний компьютер 7 2006 (121)

Сжимается видео двумя методами: статическими и динамическими. Статическое сжатие – это, в сущности, знакомый всем JPEG-формат. Он анализирует картинку на предмет повторяющихся фрагментов (по мелкости – вплоть до одного пикселя) и записывает их приблизительно так: «точка с параметрами RGB 212, 085, 110 повторяется подряд 24 раза, через 74 пикселя повторяется снова 45 раз…» То есть, вы вполне способны представить себе картинку с белым снежным полем или пасмурным, но без выраженных туч небом, – экономия может выйти очень и очень значительная. Такое сжатие, если оно записывается попиксельно, считается сжатием «без потерь», есть даже специальная разновидность BMP-формата, применяющая подобное сжатие, называется RLE. Однако на картинках с большим разнообразием объектов такая запись экономит уже не так много, и алгоритм (в зависимости от заданного вами конечного объема или условного «качества») выставляет некие огрубляющие условия. Например, точки с уровнем красного от 100 до 112 считать за одинаковые, с уровнем, скажем, 106. Или фрагменты, продолжающиеся не долее 6 пикселей, рассматривать как несуществующие, игнорировать, – и из картинки уходят мелочи, а цвета на ней становятся менее дифференцированными.

Это что касается собственно статического (или JPEG) сжатия, которое оперирует фактически каждым полноцветным пикселем картинки, описываемым тремя цветовыми байтами: 256 градаций красного, столько же – зеленого и столько же – синего. Но видео, для которого и был придуман MPEG, произрастает из старого аналогового телевидения, а оно, после ряда экспериментов, пришло к стандарту передачи цвета другим, цветоразностным, образом: в сигнале в первую очередь идет яркостная составляющая Y (это позволило на первых порах перехода к цветному телевидению организовать совместимость со старыми черно-белыми приемниками), потом – две цветоразностные, U и V, где желтый вычитается сначала из красного, а потом – из синего и множится на коэффициенты, полученные экспериментальным путем (подробнее этот предмет я рассмотрел в «Козлонке» «Y=0,299R+0,587G+0,114B, или Полтораста долларов коту под хвост», ДК #3_2005). Человеческий глаз по-разному воспринимает цвета, что отражают приведенные коэффициенты и что позволило авторам MPEG далеко не в каждом подформате передавать полностью и одну, и другую цветоразностную составляющую. Так, в наиболее распространенном варианте MPEG-сжатия эти данные записываются в формате 4:2:0, показывающим, что яркостная информация Y передается полным байтом, первая цветоразностная U – половинкой, а вторая, V, не передается вообще (цифры здесь довольно условны и тоже произросли из старого аналогового телевидения: 4 означает передачу 256 градаций, 2 – 128). Формат 4:2:0 отнюдь не означает, что мы не досчитаемся каких-то отдельных цветов – они на картинке останутся все, просто будут переданы с неидеальной, но для большинства глаз вполне достаточной точностью. То есть довольно условно цветоразностные составляющие сигнала U и V можно считать значениями по двум осям декартовых координат. Так вот, в MPEG с формулой 4:2:0 цвет записывается полный, но – лишь по одной координатной оси.

Это что касается статики. (Тут имеет смысл отметить, что формат DV, в котором записывается видео на всех DV-камерах, профессиональных и любительских, подразумевает исключительно статическое, по JPG-алгоритму, сжатие, поэтому минута такого видео занимает чуть меньше 200 мегабайт, а поток получается 25 Мбит/с.) Но MPEG – это еще и сжатие динамическое, тоже разное в зависимости от выбранного подстандарта и заданного пользователем результирующего качества (чаще всего – путем задания результирующего потока).

Динамическое сжатие MPEG устроено приблизительно так: записываются последовательности кадров форматов I (Intra или «Опорные»; обычно, это каждый пятнадцатый кадр), P (Predicative или «Предсказанные») и, наконец, B (Bi-directional или «Двунаправленные»). Опорные кадры представляют собой полную картинку, сжатую только статически (как описано выше). Предсказанные описывают разницу между опорным и текущим, а также вектор движения. То есть, если вы сняли движущийся по улице автомобиль, в предсказанном кадре будет записано, что все окружающее осталось неизменным (кроме того, что открылось после сдвига автомобиля), автомобиль тоже остался неизменным (или практически неизменным), но сдвинулся вперед на такое-то расстояние. Математически сложив опорный кадр с предсказанным мы можем получить достаточно точную ситуацию на момент предсказанного кадра.