Video και Εφαρμογές

Η παρουσίαση των πρώτων εφαρμογών για προσωπικούς υπολογιστές που έκαναν χρήση video δημιούργησε ένα πολύ μεγάλο ενδιαφέρον. Παρ’ όλα αυτά, ο τρόπος με τον οποίο θα χρησιμοποιηθεί αυτή η νέα τεχνολογία στο μέλλον δεν είναι ακόμα ξεκάθαρος. Οι υπάρχουσες εφαρμογές μπορούν να χωριστούν σε δυο κατηγορίες: αναπαραγωγή αποθηκευμένου οπτικοακουστικού υλικού και πραγματικού χρόνου οπτικοακουστική επικοινωνία.

Η πρώτη κατηγορία είναι πιο καλά καθορισμένη και ήδη ευρέως χρησιμοποιούμενη. Υπάρχουν πολλές εκπαιδευτικές και ψυχαγωγικές εφαρμογές στις οποίες μέρος της πληροφορίας βρίσκεται σε μορφή video  που αναπαράγεται ανάλογα με τις ανάγκες της εφαρμογής. Τέτοιου είδους δικτυακές εφαρμογές είναι ακόμα περιορισμένες λόγω τεχνολογικών προβλημάτων. Μια πιθανή εφαρμογή είναι η χρήση εξυπηρετητών που θα αποθηκεύουν μεγάλες βιβλιοθήκες video-clips και θα τα μεταδίδουν κατόπιν αιτήσεως του χρήστη (video-on-demand).

Η οπτικοακουστική επικοινωνία μπορεί να είναι ένας-προς-έναν, όπως για παράδειγμα η συνομιλία δύο ατόμων μέσω υπολογιστή που είναι εφοδιασμένος με κάμερα και συνδεδεμένος σε  δίκτυο. Σε σύγκριση με τις εξειδικευμένες συσκευές τηλεδιάσκεψης, αυτά τα  συστήματα προσωπικών υπολογιστών υστερούν σημαντικά σε ποιότητα. Η ανάλυση της εικόνας, το βάθος χρώματος και ο ρυθμός ανανέωσης των πλαισίων είναι πολύ μικρά. Κατά συνέπεια, για εφαρμογές που  η οπτική επαφή είναι σημαντική, για παράδειγμα η συνέντευξη ενός νέου υπαλλήλου, τα συστήματα αυτά δεν είναι κατάλληλα. Υπάρχουν όμως περιπτώσεις που η ποιότητα βρίσκεται σε δεύτερη μοίρα και τα συστήματα αυτά βρίσκουν εφαρμογή. H ενημέρωση ενός διευθυντή από υπαλλήλους που εργάζονται σε διαφορετικά σημεία μέσω ενός κοινού χώρου εργασίας (shared workspace) είναι ένα παράδειγμα τέτοιας εφαρμογής.

Σε πολλές περιπτώσεις το μοντέλο επικοινωνίας ένας-προς-πολλούς είναι πιο κατάλληλο. Για παράδειγμα, οι υπάλληλοι μιας εταιρείας ή οι φοιτητές ενός πανεπιστημίου μπορούν να παρακολουθούν ένα σεμινάριο που γίνεται σε κάποια άλλη τοποθεσία λαμβάνοντας την εικόνα μέσω δικτύου και αναπαράγοντας την στον υπολογιστή τους. Αυτές οι εφαρμογές έχουν το μεγάλο μειονέκτημα ότι για να σταλεί το σήμα σε  πολλούς παραλήπτες απαιτούνται ταχύτατα δίκτυα και εξυπηρετητές.

Σύλληψη Video

Μια οθόνη τηλεόρασης μπορεί να μοιάζει φαινομενικά με αυτήν του υπολογιστή αλλά στην ουσία υπάρχουν πολλά διαφορετικά στοιχεία. Τα υποσυστήματα γραφικών των υπολογιστών συνθέτουν την εικόνα με την τριάδα βασικών χρωμάτων  RGB. Αντίθετα, στις τηλεοράσεις το σύνθετο σήμα αποτελείται από τη φωτεινότητα και τις δυο χρωματικές συνιστώσες. Επιπλέον, η σάρωση στην τηλεόραση είναι πλεκτή ενώ οι ρυθμοί ανανέωσης και το μέγεθος του πλαισίου ποικίλουν από πρότυπο σε πρότυπο αλλά σε κάθε  περίπτωση διαφέρουν από αυτά του υπολογιστή. Άρα για να γίνει η μετατροπή του τηλεοπτικού σήματος ή του σήματος video σε μορφή κατάλληλη για υπολογιστή απαιτείται ειδικό υλικό.

Το υλικό αυτό πέρασε διάφορα στάδια εξέλιξης κάθε ένα εκ των οποίων κυριάρχησε έναντι των προκατόχων του. Επίσης, είναι φανερή η μετακίνηση προς τα διεθνή πρότυπα.

Κάρτες Υπέρθεσης Video (video overlay boards)

Το μόνο που προσέφερε αυτή η πρώτη γενιά καρτών ήταν παρουσίαση της εικόνας σε κάποιο τμήμα της οθόνης και στοιχειώδεις δυνατότητες συγχρονισμού για την μίξης της εικόνας με κείμενο και γραφικά. Δεν ψηφιοποιούσαν το σήμα, απλά το απεικόνιζαν απευθείας στην οθόνη. Οι δυνατότητες επέμβασης πάνω σε αυτό ήταν ελάχιστες.

Ψηφιοποιητές

Αυτές οι συσκευές δέχονται σήμα PAL ή NTSC από κάποια αναλογική πηγή (video player, videodisk, camera) και το ψηφιοποιούν. Παρέχουν διάφορες δυνατότητες editing, όπως για παράδειγμα απομόνωση κάποιων πλαισίων και αποθήκευση τους ως ακίνητες εικόνες, αλλαγή του μεγέθους, των χρωμάτων και της φωτεινότητας της εικόνας και άλλα. Η παρουσίαση στην οθόνη μπορεί να γίνει σε παράθυρο οποιουδήποτε μεγέθους και σε οποιαδήποτε θέση.

Κάρτες Συμπίεσης

Το  1989 η Intel παρουσίασε το DVI, ένα δικό της πρότυπο για εφαρμογές κινούμενης εικόνας, ακολουθούμενο από μια σειρά επεξεργαστών και καρτών που επέτρεπαν τη σε πραγματικό χρόνο συμπίεση και αποθήκευση σε σκληρό δίσκο του σήματος ενός ψηφιοποιητή.

Πιο πρόσφατα προϊόντα με παρόμοιες δυνατότητες υποστηρίζουν τα διεθνή πρότυπα για συμπίεση εικόνας JPEG και MPEG. Αν και το JPEG είναι ουσιαστικά ένα πρότυπο συμπίεσης ακίνητης εικόνας, στη πράξη βρέθηκε ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά και για την συμπίεση κινούμενης εικόνας. Η συμπίεση γίνεται σε κάθε πλαίσιο ξεχωριστά σαν να ήταν μια ακίνητη εικόνα. Αυτό σημαίνει ότι το editing σε επίπεδο πλαισίου είναι πολύ απλό. Το πρότυπο αυτό είναι γνωστό ως MJPEG (Motion JPEG). Όπως έχουμε ήδη πει, το MPEG σχεδιάστηκε εξ΄ αρχής για εφαρμογές κινούμενης εικόνας που χρησιμοποιούν αποθηκευτικά μέσα όπως το CD-ROM.

Τεχνικές Συμπίεσης

Στην προηγούμενη ενότητα είδαμε με ποιο τρόπο εντοπίζεται και απορρίπτεται το χωρικό(πλεόνασμα πληροφορίας μιας εικόνας. Στην κινούμενη εικόνα, υπάρχει ένα ακόμα είδος πλεονάσματος το χρονικό πλεόνασμα. Πιο συγκεκριμένα, όταν κινείται ένα αντικείμενο τα διαδοχικά πλαίσια μοιάζουν σημαντικά. Κάποια τμήματα των πλαισίων δεν επηρεάζονται καθόλου από την κίνηση ενώ κάποια άλλα πιθανόν να αλλάζουν απλώς θέση με μικρή ή και καμία αλλαγή του περιεχομένου τους.

Ένας αλγόριθμος συμπίεσης κινούμενης εικόνας μπορεί να στηρίζεται μόνο στην εξάλειψη του χωρικού πλεονάσματος ή να συνδυάζει εξάλειψη και των δύο ειδών πλεονασμάτων. Το MJPEG είναι ένα παράδειγμα της πρώτης κατηγορίας και το MPEG της δεύτερης. Πλεονέκτημα των αλγορίθμων της πρώτης κατηγορίας είναι η ευκολία επέμβασης στην εικόνα σε επίπεδο πλαισίου και η ανθεκτικότητα σε λάθη κατά την μετάδοση μέσω δικτύου. Αυτό συμβαίνει γιατί κάθε πλαίσιο είναι ανεξάρτητο από τα υπόλοιπα και κάθε λάθος επηρεάζει μόνο αυτό. Αντίθετα σε τεχνικές όπως το MPEG υπάρχει συσχέτιση κάθε πλαισίου με τα προηγούμενα του, οπότε και είναι δύσκολο να γίνει η εξαγωγή των πλαισίων και κάθε λάθος έχει επιπτώσεις σε όλα τα συσχετιζόμενα  πλαίσια. Αναμφισβήτητα, η εξάλειψη και του χωρικού και του χρονικού πλεονάσματος οδηγεί σε σημαντικά μεγαλύτερους λόγους συμπίεσης γι’ αυτό και το ενδιαφέρον εστιάζεται σε αυτούς.

Για να πάρει ο αναγνώστης μια ιδέα για το πως λειτουργεί ένα τέτοιος αλγόριθμος θα περιγράψουμε σε συντομία τον τρόπο λειτουργίας του MPEG-1.

Proprietary Compression

Digital Video Interactive (DVI)

Η τεχνολογία DVI παρουσιάστηκε το 1989  από την Intel η οποία προσφέρει ειδικούς επεξεργαστές και κάρτες που επιτρέπουν συμπίεση, αναπαραγωγή και σύλληψη εικόνας κάτω από αυτό το πρότυπο. Το DVI υποστηρίζει δύο επίπεδα συμπίεσης για κινούμενη εικόνα πλήρους οθόνης (full-screen motion video):

1. Real Time Video (RTV) που επιτρέπει συμπίεση και αποσυμπίεση σε πραγματικό χρόνο, γεγονός που επιτρέπει interactive editing
2. Presentation Level Video (PLV) η οποία είναι μια μη συμμετρική τεχνική συμπίεσης κινούμενης εικόνας υψηλής ποιότητας.

Ο αλγόριθμος συμπίεσης του DVI στηρίζεται στο ΔΣΜΦ.

Fractal Image Compression

Η εταιρεία Iterated Systems εκτός από τα προϊόντα συμπίεσης ακίνητης εικόνας προσφέρει και αντίστοιχα για κινούμενη. Σύμφωνα με τον κατασκευαστή, η αποσυμπίεση χωρίς υποστήριξη υλικού μπορεί να γίνει σε πραγματικό χρόνο από υπολογιστή 486-33MHz. Το μέγεθος της εικόνας είναι 320´200pixels, ο ρυθμός ανανέωσης 30fps και το βάθος χρώματος 15bit.

QuickTime

Η τεχνολογία QuickTime της Apple, είναι διαθέσιμη τόσο σε υπολογιστές Macintosh όσο και Windows. Η τεχνική συμπίεσης που ακολουθεί επιτυγχάνει λόγους συμπίεσης από 5:1 μέχρι 25:1. Επιτρέπει την αναπαραγωγή κινούμενης εικόνας μεγέθους 160´120 με ρυθμό 15fps. Η τελευταία έκδοση ανεβάζει το μέγεθος του παραθύρου σε 320´240 με ταχύτητα 10 ως 15fps. Όλα αυτά με αποσυμπίεση λογισμικού χωρίς την υποστήριξη ειδικού υλικού.

Video for Windows

Υποστηρίζει διάφορα είδη συμπίεσης δύο εκ των οποίων είναι τα Video και RLE που ανήκουν στη Microsoft ενώ το τρίτο είναι το Indeo της Intel (στηρίζεται στο DVI).