Видео форматы

Однажды мне понадобилось записать видеоролик и выложить его в сети. Тогда я не сильно разбирался в форматах видео, и поэтому выбор формата для сохранения записанного с экрана видео (записывал видеоурок) вызвал у меня затруднения (кстати, вот обзор программ для захвата видео). Все это подтолкнуло меня рассмотреть самые популярные форматы видео и, наконец, разобраться в этом вопросе.

Кому будет интересная эта статья: всем тем кто не занимался видео монтажом и не знаком с основными форматами видео, в статье рассмотрена разница между медиаконтейнером и кодеком.
Что Вы узнаете: что такое медиаконтейнер и видеокодек, сможете легко ориентироваться в современных видео форматах, отличая их по расширению.

Теория и терминология

Видео — это обычный ряд записанных друг за другом изображений. Как известно, видео начали записывать за долго до появления первого компьютера, т.е. в аналоговом виде. Это накладывало большие ограничения по его последующей обработке и редактировании. Вплоть до начала 1990-х годов преобладал  именно этот тип записи видео. Позже были разработаны цифровые технологии записи и хранения видео. Это дало большой толчок в развитии не только кинематографа, но и домашнего видео. Т.е. запись видеороликов и домашних фильмов стала очень популярным занятием. Все это, на фоне развития компьютерной техники, вынуждало разработчиков совершенствовать технологии записи, хранения и обработки видеоинформации. Вот как раз для хранения такой информации и были разработаны различные видеоформаты (на данный момент их огромное множество и ориентироваться в них очень сложно), которые и являются основной темой данной статьи.

Видео формат определяет структуру видео файла, т.е. то как хранится файл на носителе информации (CD, DVD или жестком диске).

Из-за большого количество форматов видео, многие стали путать совершенно различные понятия – «стандарт видео», «видео кодек» и «медиаконтейнер». Давайте разберемся, что же это за понятия.

Кодек (CODEC = COder+DECoder  /кодек = кодер + декодер/ ) — программные или аппаратные средства, преобразующие видеоинформацию в поток уплотнен­ных данных и наоборот.

Медиаконтейнер — формат файла, который хранит в себе информацию о своей внутренней структуре. Медиаконтейнер фактически является метаформатом, так как он хранит данные и информацию о том, как данные будут сохраняться непосредственно внутри файла.

Можно провести некую аналогию между медиаконтейнером и zip-архивом. Т.е. медиаконтейнер  содержат видео и аудио файлы внутри себя, как и zip-архив, содержащий JPEG-картинку, которая будет сжата с помощью определенного алгоритма. За сжатие информации в архивах обычно отвечает специальный модуль, а в медиаконтейнрах роль этого модуля выполняет кодек.

Любой видео файл имеет как минимум две характеристики определяющие работу с ним. Это тип медиаконтейнера и кодек (кодеки), которыми закодировано его содержимое.

Тип медиаконтейнера определяет формат записи различных данных (видео данные, аудио данные, субтитры, служебная информация и т. д.) в файл. Зная тип контейнера программа (например, видео плеер) может корректно извлекать из него данные, синхронизировать аудио и видео данные и т.д.

Знание кодека позволяет программе из закодированного потока данных получить аудио и видео информацию содержащуюся в медиаконтейнере.

Популярные кодеки — DivX, Xvid, H.264, Theora, Indeo, x264 и другие.

Популярные медиаконтейнеры — AVI, QuickTime, MPEG-4, 3GP и другие.

Ниже рассматриваются видео форматы по трем категориям: аналоговое, цифровое и сжатое видео. Аналоговые форматы уже устарели, поэтому их рассмотрение было поверхностным. Исключить их из обзора я не мог, ведь нужно же иметь представление общей картины. Можете «проскочить» их рассмотрение и перейти сразу к форматам цифрового сжатого видео.

Аналоговые видео форматы

VHS (Video Home System — Домашняя Видео Систе­ма) — возможности этого формата были ограничены разрешением 240 телевизионных линий или 320 ? 240 точек на экране ПК.

Для съемки использовалась VHS-кассета с шириной ленты — 12,65 мм и ско­ростью — 23,39 мм/с, которая имела время записи 240 минут при стандарт­ной скорости ленты SP (Standard Play) и самую низкую стоимость съемки. Режим записи-воспроизведения также мог осуществляться на скорости LP (Long Play) — 11,695 мм/с.

Главный недостаток формата VHS: невысокая четкость изображения (240 линий по горизонтали) и резкая потеря качества при каждой перезаписи. Чуть позже, этот видео формат несколько раз повергался модернизации. В частности, были разработаны форматы VHS-Compact (VHS-C) и  Super VHS (S-VHS). На данный момент считается устаревшим, в 2008 году прекратилось производство видеокассет VHS.

Hi8 — «Hi» является сокращением от английского «High» и подразумевает высокое качество изображения, а вторая цифра «8» говорит о ширине ленты в кассе­те, т.е. ширина пленки — 8 мм, скорость — 28,695 мм/с. Видео­разрешение составляет 400 телевизионных линий (ТВЛ). Аналоговый звуковой поток мог записываться на кассету в двух режимах — моно и стерео. Максимальное время записи составляет 180 минут в режиме SP (Standard Play) и 360 минут в режиме LP (Long Play). Камеры снабжались S-Video разъ­емом для качественного вывода изображения.

Hi8 XR (Hi 8 extended Resolution) — это тот же Hi8, но с увеличенным раз­решением, т.е. усовершенствованная модификация формата Hi8. Разреше­ние изображения достигало 440 линий по горизонтали при меньшем уровне помех цветности и яркости за счет расширения полосы записи яркостного сигнала в область звукового сигнала.

Оба выше перечисленных формата (как и VHS) давно устарели и были заменены цифровыми форматами видео.

Цифровые видео форматы

DV (Digital video) — в 1993 году компании Sony, Matsushita (Panasonic), JVS, Hitachi, Mitsubishi, Toshiba, Sanyo, Sharp, Philips и другие создали консорциум Digital Video Cas­sette (Цифровая видеокассета) или DVC. Позже аббревиатура названия со­кратилась до DV. Совместными усилиями эти фирмы разработали бытовой цифровой стандарт видеозаписи на ленту шириной 6,35 мм (четверть дюй­ма). Этот формат обеспечивает разрешение 500 строк. Оцифровка при запи­си осуществляется с разрешением 720 ? 576. Видеоизображение и звук в фор­мате DV пишутся раздельно. Это дает возможность добавлять звуковое сопровождение после завершения записи или редактирования видео, а так­же перезаписывать звук. Формат DV обеспечивает высочайшее качество фо­то- и видеосъемок и позволяет сохранять все данные в цифровом виде на кассете, карте памяти или на жестком диске компьютера.

Mini DV (Mini Digital Video) — цифровой полупрофессиональный формат, созданный за счет упрощения и удешевления профессионального формата DV. Использует специальные кассеты Mini DV (ширина ленты — 6,35 мм, скорость — 18,831 мм/с), которые воспроизводятся либо с камеры, либо на специальном цифровом видеомагнитофоне.
Продолжительность записи на одну кассету — 60 минут SP или 90 минут LP. Mini DV имеет разрешение изображения до 540 линий по горизонтали (720 ? 576 точек), поддерживается стереозвук качества CD (PCM stereo — 48 кГц/ 16 бит/2 канала или 32 кГц /12 бит/ 4 канала).

Форматы сжатого цифрового видео

AVI (Audio Video Interleaved) — технология фирмы Microsoft, это самый распространенный и наименее сжатый из видеоформатов. Файлы, созданные с использованием этого метода, имеют расширение .avi. Видео- и аудиоданные записываются в один файл на диске следующим образом: все информационные потоки раз­биваются на множество равных частей (chunks) и затем записываются в один файл друг за другом по очереди. Сначала записывается заголовок, а затем 1-я часть видео и 1-я часть звука; затем 2-я часть видео и 2-я часть звука и т. д. Иначе говоря, используется технология чередования видеокадров и звука, которой, собственно, и определяется аббревиатура AVI (Audio Video Interleaved). В среднем одна секунда AVI-изображения занимает при­мерно 2 Мбайт на жестком диске.

Характеристики:

• Тип — медиаконтейнер
• Совместимые кодеки — DivX, Xvid, Indeo и другие (для видео) и MP3, WMA и другие (для аудио)
• Расширение файлов — .avi

QuickTime — под «QuickTime» одновременно понимают и мультимедийный плеер произ­водства компании Apple, и технологию сжатого видео, предоставляющую возможность захватывать, сжимать и проигрывать широкий спектр цифро­вого видео- и аудиоконтента. QuickTime включает три основополагающих элемента — QuickTime видеоформат (Movie file format), слой абстрактного носителя (Media Abstraction Layer) и набор встроенных медиаслужб. Слой абстрактного носителя определяет набор сервисных функций для создания, редактирования и воспроизведения цифрового материала.

Среди них:

• синхронизация по времени;
• компрессия и декомпрессия аудио- и видеоданных;
• преобразование форматов, масштабирование, смешивание и транскоди­рование;
• аудио- и видеоэффекты и переходы;
• синхронизация чтения и записи;
• захват данных;
• импорт и экспорт данных.

Программа и кодеки QuickTime служат для воспроизведения видео как собст­венного формата (QT и MOV), так и других наиболее распространенных медиаформатов цифрового видео, звука, текста, анимации, а также потокового видео из Интернета. Поддерживаются, в том числе, МРЗ, AVI, MPEG (включая MPEG-4), AAC Audio, Flash.

Характеристики:

• Тип — медиаконтейнер
• Совместимые кодеки — Apple Video, H.264 и множество других (для видео) и Apple Lossless, AAC, MP3, WAV и другие (для аудио)
• Расширения файлов — .mov, .qt

Семейство форматов сжатия видео MPEG

Слово «MPEG» является сокращением от Moving Picture Expert Group — на­звания экспертной группы ISO (Международной организации по стандартизации), действующей в направлении разработки стандартов кодирования и сжатия видео- и аудиоданных. Часто аббревиату­ру MPEG используют для ссылки на стандарты, разработанные этой груп­пой. Технология MPEG использует поточное сжатие видео, при котором обрабатывается не каждый кадр по отдельности (как это происходит при сжатии видео с помощью алгоритмов Motion-JPEG), а анализируется дина­мика изменений видеофрагментов и устраняются избыточные данные.

MPEG-1 — формат (телестандарт) для хранения и воспроизведения видео- и аудио­данных на мультимедианосителях данных. Качество сопоставимо с видео­записью VHS (разрешение 352 ? 228 (стандарт PAL) или 320 ? 240 (стандарт NTSC) при частоте 25 или 30 кадров в секунду соответственно). Формат используется для за­писи Video CD. Для кодирования видео в формат MPEG-1 используют специальные программы (кодеки).

MPEG-2 и MPEG-3 — стандарт MPEG-2 разработан как дополнение к стандарту MPEG-1 и под­держивает передачу высококачественного видео по высокоскоростным циф­ровым каналам. Интенсивность потока медиаданных до 50 Мбайт/с. В ре­зультате для фильмов, созданных в стандартах PAL и SECAM, поддержива­ется разрешение 720 ? 576 при 25 кадрах в секунду при качестве, практически не уступающем вещательному. Формат подходит для всех стандартов теле­видения, широко используется при записи DVD-дисков. MPEG-1 и MPEG-2 признаны международными стандартами для сжатия видео. В MPEG-2, по сравнению с MPEG-1, добавлена поддержка многоканального звука (Dolby Digital 5.1, DTS и т. п.).

Вопреки ожиданиям и прогнозам разработка стандарта MPEG-3 явилась всего лишь улучшенной версией MPEG-2. Формат MPEG-3 (не путайте с форматом сжатия аудиоданных МРЗ) сегодня стал частью стандарта MPEG-2 и отдельно теперь не упоминается.

MPEG-4 — формат MPEG-4 задает принципы работы с цифровым представлением медиаданных для трех областей: интерактивного мультимедиа (включая про­дукты, распространяемые на оптических дисках и через Интернет), графи­ческих приложений и цифрового телевидения (DTV). Он имеет дело не просто с потоками и массивами медиаданных, а с медиаобъектами, которые являются ключевым понятием этого стандарта.

При транспортировке видео­картинка разделяется на составные элементы — медиаобьекты, описывается структура этих объектов и их взаимосвязи, чтобы можно было собрать их в единую видеозвуковую сцену. Результирующая сцена составляется из медиаобъектов, объединенных в иерархическую структуру. В отличие от прежних MPEG-стандартов, которые делили кадр на квадратные блоки вне зависи­мости от содержимого, кодер по стандарту MPEG-4 оперирует целыми объ­ектами произвольной формы. Ключевые кадры не расставляются с заданной регулярностью, а выделяются кодером только в те моменты, в которые про­исходит смена сюжета. Такие разветвленные алгоритмы поиска и обработки объектов сложной формы, углубленного анализа последовательностей кад­ров требуют существенно больших вычислительных ресурсов для качествен­ного восстановления (декомпрессии) изображения этого формата, нежели в случае MPEG-1 или 2.

Эффективность компрессии видео в MPEG-4 позволяет размещать полно­метражный фильм длительностью полтора-два часа с хорошим качеством всего на одном стандартом компакт-диске в 700 Мбайт. Однако фильмы в MPEG-4 все-таки не дотягивают до качества DVD-видео в стандарте MPEG-2.

MPEG 7 и MPEG 21 — в отличие от предыдущих форматов сжатия семейства MPEG, MPEG 7 описывает информацию, представленную в любой форме и не зависит от среды передачи данных.

Формат сжатия MPEG 7 использует многоуровневую структуру описания аудио и видео информации. На высшем уровне прописываются свойства файла, такие как название, имя создателя, дата создания и т.д. На следующем уровне описания формат сжатия MPEG 7 указывает особенности сжимаемой аудио или видео информации – цвет, текстура, тон или скорость. Одной из отличительных особенностей MPEG 7 является 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. Такая гибкость в выборе методов сжатия значительно снижает объем информации и ускоряет процесс сжатия. Основное преимущество формата сжатия MPEG 7 над его предшественниками состоит в применении уникальных дескрипторов и схем описания, которые, помимо всего прочего, делают возможным автоматическое выделение информации как по общим, так и по семантическим признакам, связанным с восприятием информации человеком. Процедура занесения в каталог и поиска данных находятся вне сферы рассмотрения этого формата сжатия.

Разработка формата сжатия MPEG 21 — это долговременный проект, который называется «Система мультимедийных средств» (Multimedia Framework). Над разработкой этого формата сжатия эксперты начали работать в июне 2000 г. На первых этапах планировалось провести расширение, унификацию и объединение форматов MPEG 4 и MPEG 7 в единую обобщающую структуру. Подразумевалось, что она будет обеспечивать глубокую поддержку управления правами и платежными системами, а также качеством предоставляемых услуг.

Характеристики

• Тип — семейство стандартов видео (включает медиаконтейнеры и кодеки)
• Совместимые кодеки — H.264 и другие (для видео) и AAC, MP3, WAV и другие (для аудио)
• Расширения файлов — .mpeg, .mpg, .mpe, .m1v; .dat и .m2v (форматы видео VideoCD (VSD) и Super VideoCD(SVCD) дисков – стандарт сжатия MPEG-1/2); .vob (формат видео DVD диска, содержит видео в MPEG2)

Matroska (Matr??ka) — проект, нацеленный на создание открытого, гибкого, кроссплатформенного формата мультимедийного контейнера и набора инструментов и библиотек для работы с данными в этом формате. Это открытый формат, который разрабатывался как альтернатива другим контейнерам AVI, QuickTime и MPEG. Отличительной особенностью этого формата является возможность использования в одном файле нескольких аудиопотоков.

Характеристики:

• Тип — медиаконтейнер
• Совместимые кодеки — H.264 и другие (для видео) и AAC, Vorbis, DTS, MP3 и другие (для аудио)
• Расширения файлов — .mkv (видео с субтитрами и звуком), .mka (аудиофайлы) и .mks (субтитры)

Flash Video — формат видео, используемый для передачи данных через Интернет. Используется в Youtube, Google Video, RuTube и др. Популярность этого формата во многом связана с тем, что он поддерживается Adobe Flash Player `ом, который распространяется и как кросплатформенное самостоятельное приложения и как браузерный плагин.

Характеристики:

• Тип — медиаконтейнер
• Совместимые кодеки — H.263 (FLV1), VP6 (FL4), H.264 (FLV5) (для видео) и AAC, MP3 (для аудио)
• Расширения файлов — .flv (как правило)

Выводы

Как оказалось «разобраться в этом вопросе» (в многообразии видео форматов) очень и очень сложно. Во-первых, существуют десятки различных стандартов видео, которые порой сильно отличаются друг от друга. Во-вторых, из-за «войн форматов» появляются все новые и новые форматы похожие друг на друга, но все же имеющие свои особенности. В-третьих, не все из форматов получили широкое распространение из-за патентов на их использование и т.п. Все это приводит к тому что сейчас довольно сложно ориентироваться в этом многообразии технологий. Хотя некоторые подвижки в лучшую сторону все же есть (в частности с разработкой стандартов MPEG) и, будем надеяться, что они сохранятся. Замечу, что я не рассмотрел в этом обзоре несколько менее популярных (на мой взгляд) форматов — медиаконтейнер 3GP (используется в мобильных телефонах), ASF (Advanced Systems Format) — формат потокового видео, разработанный Microsoft, RealMedia — формат потокового видео фирмы «RealNetworks Products and Services».

Также хочется сказать пару слов о просмотре видео. Часто возникают проблемы при воспроизведении того или иного ролика, если в системе нет соответствующего кодека для декодировки видеопотока. Это может возникнуть из-за того, что используется плеер, который поставляется с кодеками только одной фирмы, которая не может использовать чужие кодеки из-за патентных запретов. Этого можно избежать устанавливая так называемые кодек-паки. Но я предпочитаю универсальные плееры, в которые включены почти все известные видеокодеки. Примером такого плеера является The KMPlayer. Благодаря ему, я не задумываюсь о том какие именно кодеки установлены у меня в системе. Советую!

Разбираться в такой сложной области знаний очень трудно, поэтому, если Вы обнаружите какую-то неточность, то напишите об этом в комментариях к этой записи.