Основы цифрового видео

Источник материала:

Данная серия материалов рассчитана на тех, кто делает первые шаги в области видеотворчества, а также для множества любителей и, вообще, для общего, так сказать, развития. Не секрет, что современные технологии настолько удешевились и так выросли по своим возможностям, что достаточно большая часть из профессионального стала доступной множеству людей со средним бюджетом. Вы можете самостоятельно снимать, делать монтаж и редактирование, использовать компьютерную графику, компоновать и записывать VCD, DVD, HD DVD, Blu-Ray. В общем, все это вполне реализуемо. Конечно, тут, как и в звуке, который уже несколько лет назад прошел данный этап становления, существует множество мнений и споров, но, как факт, обыкновенный пользователь РС может себе позволить то, о чем даже и не мечтали профессионалы десятилетней давности (теперь они уже мечтают о другом). Начнем, пожалуй, с истоков.

Специфика человеческого зрения

Практически каждый биологический вид природа наделила собственной сенсорной системой, у человека, их, как известно, пять. Все они связаны с мозгом, который является общим центром анализа и управления, а сами системы являются не чем иным, как сложными комплексами биологических датчиков. Отдельно стоит отметить, что у человека имеется только две стереосистемы - зрение и слух. Они предназначены, в первую очередь, для ориентации в пространстве и очень схожи по структурной концепции. В любом случае мы говорим о совокупностях некоторых реагирующих на определенные частоты биологических элементах.

Для начала определимся с основополагающим понятием. Свет... - это то, что может видеть человек, воспринимать своей системой фоторецепторов, не более того. Мы не далеко ушли от первобытных представлений: свет - то, что вижу, звук - то, что слышу. В простоте - сила! Это уже потом физики объяснили, что свет состоит их пакетов электромагнитных волн (фотонов) с длинами в диапазоне от 400 до 700 нм.

Физики пока хватит, не будем сильно углубляться и в биологию с анатомией, подчеркнем только основные моменты. Фоторецепторные клетки содержат пигмент, который под воздействием света обесцвечивается (процесс обратим), меняется форма его молекул, что ведет к электрическим изменениям в рецепторной мембране. В нашем случае имеет смысл рассказать о двух типах фоторецепторов: палочках и колбочках, благодаря которым мы обладаем монохроматическим "сумеречным" и цветным "дневным" зрением.

Палочки обладают только одним типом пигмента (родопсином), при этом одно волокно зрительного нерва получает сигналы сразу от большого количества палочек, в результате чего мы имеем повышенную чувствительность при малой остроте зрения. Палочковое зрение применимо нами при слабом освещении, причем используется не только у людей, но и у множества ночных видов обитателей планеты.

Колбочки - это другой тип фоторецепторов, наиболее чувствительный к сильному освещению, при этом значительно увеличивается острота зрения. В отличие от палочек, у них могут быть разные фотопигменты, которые активно реагируют на электромагнитные волны только с определенными длинами. Другими словами: выделять какой-либо цвет из спектра. И человек обладает не цветным зрением, как может казаться людям непросвещенным, а трихроматическим (!). Это, кстати, подчеркивает множество современных устройств, телевизоров, обычных ЖКИ-дисплеев, в которых любой цвет формируется из сочетания трех: красного, синего и зеленого. И, например, белый, каким мы его видим на экране монитора, является не белым, а адаптированным под наши фоторецепторы белым.

На самом деле, если говорить о природе, то здесь мы не на вершине, поскольку у некоторых птиц и рептилий зрение подразумевает большее количество типов колбочек. И второй важный момент: если мы говорим, что у какого-нибудь вида имеется трихроматическое зрение, то это не значит, что его фоторецепторы "настроены" на те же длины волн, что и у человека. То есть, каждый видит по-разному. Идем далее...

Острота нашего зрения составляет порядка одной угловой минуты, т. е. под меньшим углом детали изображения глаз не воспринимает. Например, вы не можете разглядеть каждый кирпич, глядя на здание неподалеку, так же, как не видите каждый пиксел на ЖКИ-экране и строку в телевизоре. И очень многие устройства, в том числе большие рекламные экраны, рассчитываются исходя из этого принципа.

Как и слух, зрительная система подразумевает нелинейное восприятие видимого цветового спектра. Это обусловлено таким естественным источником света, как Солнце, и если нарисовать его световое излучение в виде графика зависимости относительной энергии к длине волны, то мы получим пологий максимум в районе 600 нм. Примерно в таком графическом виде мы воспринимаем понятие белого цвета, хотя многие под ним подразумевают не что иное, как "сравнительно однородную" смесь волн с различными длинами. На самом деле это не так, причем очень многое зависит от цветового наполнения освещения.

Отдельно о стереовидении

Этот момент отличает нашу зрительную систему от слуховой и возносит ее в ранг №1. Многие слышали о параллаксе, могут примерно сказать, как у нас работает система стереовидения, определяя дальность до того или иного объекта. И все это будет по изученным книжкам. На самом деле просто прикройте один глаз рукой. И что, все вокруг нас потеряло объем, мы не можем определить, какой объект ближе, узнать его примерные размеры? Можем. Глядя на картины или играя в игры с 3D-анимацией на обычном дисплее (кино в учет не берем, там много нюансов), мы представляем это как нечто плоское? Отнюдь. Ключевым в последнем вопросе является слово "представляем". Ведь на самом деле глаза - это просто сенсорная система, а за анализ всех поступающих данных отвечает мозг. И в этом случае лучше применять понятие объемного восприятия, которое базируется на множестве различных составных, и стерео (бинокулярное) зрение является лишь вершиной айсберга. Да, объясняя его, можно сказать, что расположенные на некотором расстоянии друг от друга глаза дают два изображения (две проекции на одну и ту же точку), мозг их совмещает и в результате анализа мы получаем представление об объеме и пространстве.

Но, все не совсем так, как кажется. Даже глядя на все одним глазом, человек может анализировать такие вещи как тени, изменения цветов, сравнение с другими предметами. Если такой наблюдатель проходит мимо какого-нибудь объекта, то может анализировать неравномерное смещение предметов. В принципе, он и получает те же несколько проекций, которые потом мозг "наращивает" до нужного объема. И, кстати, именно благодаря такому методу птицы также могут видеть, вернее, воспринимать все в 3D.

То есть, наша зрительная система - это глаза и мозг. Все технологии, которые сейчас используются, включая телевизоры и т.п., являются не чем иным, как обычным обманом.

Большая часть из них безопасна для нас. Хотя в рамках данного материала стоит указать о проблемах с технологиями искусственного стереовидения. Ведь многие удивляются, почему мы еще не смотрим 3D-телевизоры и т.п.

Давайте кратко рассмотрим ситуацию: практически все ныне используемые решения базируются на том, что каждому глазу предоставляется на просмотр своя картинка. При этом не нужно фокусировать взгляд - все сделано за человека, и это отличается от поведения в естественных условиях. Например, в процессе работы для отдыха глаз хрусталикам необходимо перефокусироваться, что технологии не предусматривают. В этом и кроется сама проблема. Говоря научным языком, "несоответствие плоскостей конвергенции и аккомодации зрительного аппарата". Это может привести к расстройствам и повышенной утомляемости. Именно поэтому на очень многих спецификациях устройств, включая VR-шлемы, стоит ограничение по здоровью для людей с нервными и сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Появление эмуляции

В принципе, как в звуке был придуман аналоговый сигнал и несколько вариантов его хранения/воспроизведения, так и в видео изначально была придумана фотография, а потом и кино. То есть, разработаны системы, способные зафиксировать на определенный носитель видеоинформацию. Кино - это самый великий обман, придуманный изобретателями, поскольку 24 кадра, меняющиеся в секунду, создают полную иллюзию движения. На самом деле, как потом станет известно уже при разработке телесистем, интегральные свойства мозга и инерционность сенсоров органов зрения позволяют говорить об отсутствии реакции на изменения в течение 0,1 секунды и меньше. Таким образом, минимальный вариант для кино - 10 кадров/сек. Кто имеет опыт работы в Adobe/Macromedia Flash, может попробовать самостоятельно создать анимационный фильм с такой частотой и убедиться в верности этого постулата. Все будет работать.

На данном моменте мы закруглимся сегодня, впереди еще очень много интересного, а хорошее, как говорится, лучше частями.

Кристофер,
christopher@tut.by