Mpeg и домашнее видео

Предварительные замечания.
В "MPEG-мире" принято скорость потока видеоданных выражать не в мегабайтах/сек, а в килобитах/сек. Чтобы не смешивать разные скорости, все дальнейшие величины приводятся в килобитах/сек.

Требования к качеству у всех разные. Наглядно это видно в "аудиомире": молодёжь(определённого рода, не буду углубляться в классификацию...) слушает бумбоксы за 200$ на дикой громкости и "торчит", а аудиофилы слушают компонентную систему за 2000$ и вздыхают - "недостаточно прозрачна верхняя середина" :-). То же самое и с видео, поэтому все нижеследующие оценки качества отражают моё ЛИЧНОЕ МНЕНИЕ "продвинутого чайника" и ни в какие споры ни с "ламерами", ни с "профессионалами" я вступать не намерен! Я также сознательно упростил "теорию" и не надо меня учить что такое "на самом деле" кодирование MPEG-2 :-)

Эксперименты с JPEG. Начало.
Эксперименты с реальными фильмами требуют заметного количества времени, поэтому основные закономерности гораздо быстрее и проще проиллюстрировать на примере неподвижных изображений. Возьмите качественный "несжатый" TIFF, "естественный"(например, пейзаж), с достаточным количеством резких границ и мелких деталей, размером примерно 600х800 (чтобы смотреть на экране в режиме 100%). В нём цвет каждой точки кодируется отдельно, "по-честному". Это - МАКСИМАЛЬНОЕ(эталонное) качество в рамках 24-битной цветовой модели. Но человеческий глаз имеет некоторые особенности, и воспринимает не всю информацию, и поэтому можно УДАЛИТЬ (навсегда!) часть данных без заметной потери качества (формат JPEG). В фотошопе или даже в ACDSee попробуйте посжимать картинку с разными параметрами "качества" и найдите отношение размеров исходного файла и JPG-а при котором искажения ещё практически незаметны. Получится коэффициент в диапазоне 10-25 в зависимости от картинки и Вашей "строгости". При большем сжатии артефакты явно заметны (цветные ореолы, квадратная структура), а ведь в динамике это "безобразие" ещё и шевелится :-)... Теперь сожмите другой программой. ЗАМЕТНОЙ разницы в значении порогового коэффициента скорее всего не будет. Максимум - 10-20%. Я осмелюсь утверждать что НЕВОЗМОЖНО(и в будующем) повысить этот коэффициент в разы - чудес не бывает, информация никуда не девается, нельзя всё богатство пейзажа уместить в несколько байт... Все фрактальные игрушки любят демонстрировать на СПЕЦИАЛЬНО ПОДОБРАННЫХ исходных картинках, а речь здесь идёт про СЛУЧАЙНОЕ, ПРОИЗВОЛЬНОЕ изображение.

Что отсюда следует для видео? Разрешение видеосигнала определено TV-стандартом, его "компьютерный" аналог примерно 720х576. Отсюда при 25 кадрах в секунду получим примерно 250 000 кбит/c ("несжатое" видео). Применим к каждому кадру JPEG с тем самым "безопасным" коэффициентом 10-25. Получим 10000-25000 кбит/с(в зависимости от оригинала). Как известно, DV-формат - аналог JPEG-сжатия, и поток у него 28000 (узнаёте? - чтобы наверняка для ЛЮБОГО оригинала). Таким образом, в большинстве случаев, дальнейшее покадровое сжатие DV-формата НЕЦЕЛЕСООБРАЗНО, т.к. приводит к заметным артефактам.

Почему MPEG компактнее и что для этого нужно.
Получается, что 20000-30000кбит/с - предел? (Это 3-4 минуты на CD-R и 20-30 минут на DVD-болванке)
Строго говоря, для ЛЮБОГО ПРОИЗВОЛЬНОГО изображения из НЕЗАВИСИМЫХ между собой кадров - ДА!
А как же прекрасное качество DVD (5000-8000)?
Ответ: в РЕАЛЬНЫХ фильмах последовательные кадры обычно взаимозависимы и формат MPEG это использует. Грубо говоря, мы сжимаем JPEG-ом не каждый кадр, а РАЗНИЦУ между соседними кадрами. Поскольку камера в ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ фильмах всегда стоит на штативе либо на рельсах, то часто изменения заднего плана незначительны либо однообразны, и поэтому легко жмутся. Динамичные же сцены (взрывы и пр.) обычно "занимают" скорость у "спокойных" кусков за счёт применения переменного битрейта...
Представим как выглядит разностный кадр для объекта движущегося на неподвижном фоне (используется штатив). Очевидно, весь фон представляет из себя однотонную плоскость (в RGB модели - чёрную), и лишь небольшая часть кадра ("объект") имеет контрастный с фоном цвет. Вернёмся к экспериментам с JPEG в Фотошопе. Подберите сами аналогичную картинку и попробуйте - результаты впечатляют... Итак, я подобрал картинку из Берлина (фрагмент фотографии из альбома "Европа-98") - однотонный фон(небо) и небольшой контрастный объект. Размеры 720х546. Выглядит она примерно так:

Далее я сжал её в JPEG так, что артефакты только-только начали появляться. Получилось 12К. После этого три раза проделывалась однотипная операция: к исходной картинке(несжатой) применялся фильтр "добавить шум" (с разными значениями шума) и затем она сжималась JPEG так чтобы получилось 12К. Фрагменты того что получилось:

Наглядно видно, какие "дикие" артефакты появлются на зашумлённой картинке после сжатия. На фрагментах не очень, но на целом кадре (а лучше на нескольких) можно заметить, что даже шум в 20 единиц на несжатом изображении практически не раздражает. Он как-то сам фильтруется глазами и мы всё равно ясно представляем себе что там за объект (то же самое происходит когда мы смотрим старую VHS-ленту или слушаем кассету на магнитофоне). Наоборот - артефакты сжатия, грубые полосы и квадраты раздражают, и к ним глаз привыкать "не хочет". Чтобы артефакты не росли с зашумлённостью приходится жать не с одинаковым размером, а с одинаковым "качеством". Тогда размеры заметно растут с ростом шума. В данном примере при одном и том же параметре "quality" получалась примерно такая линейка размеров: 12:24:36:48.
Что это означает для видео? Только то, что само по себе значение битрейта - не гарантия высокого качества, многое зависит от качества исходного материала. Например если исходный материал содержит шумы, то чтобы не появились артефакты приходится поднимать битрейт в разы...
При ИДЕАЛЬНЫХ условиях профессионального DVD-производства MPEG-2 даёт выигрыш (к JPEG) примерно в 4-5 раз (назовём это "MPEG-добавка"). Ещё раз сформулируем эти идеальные условия в виде таблицы:

Я допускаю мысль что дальнейшее улучшение алгоритмов увеличит "MPEG-добавку" раза в полтора, но СКОРЕЕ ВСЕГО НЕ БОЛЬШЕ. Кстати, MPEG4 вопреки шумихе НЕСИЛЬНО лучше чем MPEG2 - процентов на 10 на высоких битрейтах. А пресловутые компакты с DivХ положа руку на сердце никто не назовёт НАСТОЯЩИМ DVD-качеством.

И что выходит на практике?
Практика показывает, что "домашнее" видео на любительских камерах (из-за невыполнения вышеперечисленных условий, прежде всего из-за шума и тряски) жмётся примерно ВДВОЕ хуже профессионального, т.е. при одном и том же качестве должно занимать вдвое больший объём.

Полученные данные легко представить в виде таблицы.

Выводы и советы.
Если фирменная мелодрама/порнуха влезает по часу на один CD-R, это не значит, что туда можно запихать Ваши панорамные съёмки пейзажей и архитектуры с мелкими деталями, снятые с рук дешёвой трясущейся камерой из окна автобуса... Точнее, можно, но только либо 10 минут, либо препоганейшего качества.
MPEG - не средство ХРАНЕНИЯ. В лучшем случае - средство окончательной ДЕМОНСТРАЦИИ (DVD). Перемонтировать с него без дальнейших потерь врядли удастся. Для хранения оригиналов качественнее и проще, и часто даже дешевле цифровые видеокассеты (miniDV, D8).
MPEG4/DivX - не панацея и годится лишь для очень "гладких" сюжетов ("медленные младенцы" крупным планом и пр.) Революционной разницы с MPEG2 он НЕ ДАЁТ. Небольшое количественное улучшение...
...и поэтому если ваши шедевры короткие (10-15минут), а записать их на болванку всё равно не терпится - не экономьте на болванках(плюньте на DivX), а жмите их сразу в MPEG2 c битрейтом 6000-8000 (в т.н. "DVD-совмеcтимом" формате). Позже, когда купите DVD-RW, Вы легко создадите на основании этих клипов полноценный DVD-диск НЕ ПЕРЕКОДИРУЯ их, а, следовательно, не теряя больше в качестве.
Кстати, DVD-R уже давно не роскошь. Устройство - 100$, хорошая болванка - 2$, "просто" болванка - 1$ (лето 2004). Дальше будет ещё дешевле.
Жать в MPEG2 лучше всего CanopusProCoder-ом. Более подробно об изготовлении собственных DVD-дисков - здесь.
Если планируется собственные съёмки жать в МПЕГ, полезно чаще вспоминать таблицу "идеальных условий" - купить и научиться пользоваться штативом и/или наплечным штативом, не делать резких "скачков" камерой, не увлекаться длинным фокусом с рук, обращать внимание на освещение и т.п....

Источник