Formáty a kodeky videa Formáty a kodeky videa

Účelem komprese videa je snížení objemu dat a/nebo datového toku při co nejnižší viditelné degradaci obrazu. Komprese videa je nezbytná při záznamu i při následném střihu. Dlouhá řada možných kodeků může být ale matoucí.

Mezi audio a video produkcí je zásadní rozdíl v tom, že i docela jednoduchá zvuková souprava může pracovat s plnou kvalitou nekomprimovaných zvukových souborů a dosáhne tak vždy vynikajících výsledků. Video je něco jiného. Komprese videosignálu je nevyhnutelná vždy, ale nejvíce se uplatní při filmové tvorbě (obzvlášte u HD videa, kdy datový tok nekomprimovaného videa je kolem 2,05Gb/s) a má rozhodující vliv na konečnou kvalitu obrazu. Výběr typu komprese a datového toku je stěžejní.

Pro převod videa do různých komprimovaných formátů slouží kodeky. Před vysvětlení jednotlivých kodeků se podívejme na principy komprese.

V zásadě se používají dva typy komprese: V rámci snímku ( Intraframe) a mezi snímky ( Interframe).

Intraframe neboli I-frame (I-snímky) je komprese nezávislá na okolních snímcích a je aplikována na jednotlivých datových snímcích videa. Algoritmy pro komprimaci dat vychází z podobných technik jako u statických obrázků. JPEG formát používá diskrétní kosínovou transformaci (DCT), která komprimuje obraz po blocích 8x8 pixelů, takzvaných makrobloků. Velikost makrobloku závisí na typu komprese. DCT určuje míru komprese a tím i kvalitu výsledku. Tento kodek používají střižny Avid (DNxHD) a Apple Final Cut Pro (ProRes 422) a je také používán v mnoha kamerách.

Interframe komprese zjišťuje rozdíly mezi snímky a ukládá pouze takové rozdíly, které popisují odlišnost snímku od snímku předchozího. Nezměněné oblasti se kopírují z předchozích snímků. V mnoha scénách je poměrně málo změn v obsahu sousedících snímků, takže lze dosáhnout velké účinnosti. To je princip MPEG komprese. Počet použitých snímků pro výpočet komprese je závislý na kompresním systému, běžně 12 až 15. Tento soubor snímků se nazývá GOP (Group of Pictures) a GOPy této délky jsou typické pro tzv. "long-GOP" kompresi. GOPy začínají a končí I-snímky s běžnou JPEG kompresí. Jedná se o kompresi dat pouze z tohoto snímku a obsahuje všechny informace. Uprostřed leží dva různé typy vypočítaných snímků, které obsahují pouze rozdílová data. Nazývají se P-snímky a B-snímky. P-snímky jsou vypočteny na základě "předpovědi" pohybu objektů z I-snímku. K této předpovědi se používají pohybové vektory – vypočtené dráhy makrobloků. B-snímky potom představují rozdíl mezi I-snímky a P-snímky. Například struktura GOPu u MPEG2 je IBBPBBPBBPBBI.

Wavelet komprese nepoužívá rozdělení obrazu do makrobloků. Na rozdíl od MPEG a JPEG komprese, wavelet komprese komprimuje obrázek pomocí překrývání - kóduje obraz v celku jako kontinuální sérii několika rozlišení, od nejhrubšího po nejkvalitnější. Výsledkem je jemnější degradace obrazu než s kompresí makrobloku. Komprese/dekomprese je asymetrická, tj. komprese obrazu trvá mnohem delší dobu (je náročná na výpočetní výkon), než následná dekomprese. Jak se zvyšuje výkon počítačů, wavelet komprese se stává více používanou. Je používána např. v Red’s Redcode, Cineform’s NeoForm a JPEG 2000.

První a nejdůležitější komprese je při záznamu - v kameře. Pokud zde dojde ke ztrátě kvality, při postprodukci už není možné ztrátu kvality napravit. Existuje mnoho různých konkurenčních formátů a stále přicházejí nové. Zde jsou nejvýznamnější:

AVCHD je vybaveno značné množství fotoaparátů, počínaje těmi nejlevnějšími. AVCHD je spodním z řady HD kodeků a je zaměřen na spotřebitelský trh. Videokamery nebo fotoaparáty ukládají záznam většinou na SDHC paměťové karty, výjimečně na hardisk. AVC samo o sobě znamená pokročilou video kompresi (Advanced Video Compression) a je hlavní HD technologií ve spotřebitelském videu. Máte Blu-ray přehrávač? Video na něm je komprimováno AVCHD kompresí. Máte satelitní HD příjem? Sledujete AVC kompresi. Ale zatímco Blu-ray může mít přenosovou rychlost až 36Mb/s, satelitní příjem má kolem 20Mb/s, mnoho spotřebitelských AVCHD kamer má maximálně kolem 17Mb/s. AVCHD je v zásadě MPEG4 long-GOP komprese, je velmi výkonná a z nízké přenosové rychlosti produkuje velmi dobrý obraz. Navíc tato nízká přenosová rychlost je pro ukládání domácího videa nejoptimálnější.

Panasonic AVCCAM a Sony NXCAM formáty používají long-GOP AVC kompresi. Datový tok mohou mít až 24Mb/s, ukládání na SDHC karty a v kombinaci se slušnými objektivy a obrazovými senzory mají velmi dobré výsledky. Nejedná se sice o vysílací kvalitu, ale požadavkům na kvalitu domácího videa dokonale vyhoví. Tyto kamery mohou být považovány za HD nástupce DV kamer. Jedná se např. o Sony PD170 nebo Panasonic 100, cenová relace se pohybuje od 35 do 65 tisíc Kč.

HDV byl první úsporný HD video formát. Záznam byl nahráván na tytéž pásky jako u DV kamer při použití long-GOP MPEG2 komprese. Přišel ve dvou módech – Sony 25Mb/s 1080i a JVC 19Mb/s 720p. Pravděpodobně nejznámější kamerou HDV je Sony Z1, která vypadá velmi solidně. Bohužel kvalita HDV není vhodná pro HD vysílání.

Toto jsou varianty Sony profesionálního XDCAM formátu. XDCAM nahrává na profesionální disk, což je v podstatě přepisovatelný Blu-ray disk v plastovém boxu a XDCAM EX zaznamenává na SXS flash paměťovou kartu. XDCAM používá long-GOP MPEG2 kompresi při datovém toku 25, 35 nebo 50Mb/s. Nejvyšší rychlost 50Mb/s používá vzorkování 4:2:2. Sony XDCAM EX kamera v ceně kolem 120 000,- Kč je v současnosti často využívána pro HD produkci.

DVCProHD od firmy Panasonic byl první hlavní HD vysílací formát. Se záznamem na P2 flash paměťové karty a při datovém toku 100Mb/s jsou kamery DVCProHD schopné produkovat pěkný obraz. Nicméně použitá DV komprese omezuje konečnou kvalitu obrazu a proto Panasonic začal používat nový kompresní systém AVC Intra.
AVC Intra je podobné AVCHD, ale používá GOP o délce jednoho snímku (Intra použité v názvu znamená, že vlastně interframe komprese není použita vůbec). Rychlost přenosu dat tak musí být pro dobrou kvalitu obrazu výrazně vyšší. Z tohoto důvodu je pro AVC Intra použitá rychlost 100Mb/s. DVCProHD kamery se ukázaly jako oblíbené v oblasti HD.

Jedná se o hybridní foto- kamery, které se v poslední době vyvíjejí velmi rychle. Jedná se např. o fotoaparáty Canon EOS 7D, Nikon F7. Nabízejí vysokou kvalitu obrazu při nízké pořizovací ceně obzvláště při použití vysoce kvalitních fotografických objektivů. Nabízejí natáčení HD videa až 1080p/25 s datovým tokem 45Mb/s I-frame (intraframe) H264 kompresí na flash paměťové karty. Natáčení na tyto kamery není však bez kompromisů a použití ve videoprodukci je komplikované. Nejvíce se to týká ovládání a nastavování parametrů kamery. Z toho důvodu je nezbytné dovybavit fotoaparát dalším speciálním příslušenstvím. Při natáčení určitých objektů mohou vzniknout problémy s moiré. V poslední době se tato technologie často prosadila při natáčení mnoha nezávislých filmů a jeví se jako perspektivní.

HDCAM byl firmou Sony zvolen jako první standardní vysílací HD formát. Přestože je tento formát používán již 13 let, což je vzhledem k rychle se vyvíjejícím technologiím neuvěřitelně dlouho, je tento formát stále populární. Záznam se pořizuje na kazety stejné velikosti jako u SD DigitalBetacamu, používá 144Mb/s short-GOP (kolem 6 snímků) MPEG2 a obraz je stále dostatečně kvalitní. HDCAM SR, navzdory podobnému názvu, je něco úplně jiného. Jedná se o špičkovou kvalitu nahrávání videa s datovým tokem 440Mb/s nebo dokonce 880Mb/s RGB videa. Jedná se o vrchol kvality HD videa, v podstatě na hraně kvality Digital Cinema.

Red One kamera se objevila v roce 2006 a stala se jedním z nejvíce inovativních a kontroverzních výrobků v oblasti HD videa. Umožňuje natáčet video o rozlišení 4K (4096 x 2304) pixelů a používá obrazový senzor o velikosti filmového políčka (35mm). Je to daleko více než se používá u většiny videokamer (2/3palce = 17mm). Umožňuje použití klasických filmových objektivů a stala se populární mezi filmovými tvůrci. Touto kamerou byla natočena řada známých filmů. Výstup kamery je komprimován vlastním Redcode kodekem a je zaznamenáván na CompactFlash karty s datovým tokem 224, 288 nebo 336 Mb/s. Redcode kodek používá wavelet kompresi a je odlišný od MPEG nebo JPEG komprese používaných ostatními výrobci. Nahrané soubory jsou někdy nazývány podle přípony R3D, nebo podle formátu, Red Raw. Jak název napovídá, Red Raw je neupravený záznam bez barevných úprav a gama korekcí. Tyto korekce se pak nastaví ve střižně.

Jméno německé společnosti ARRI, založené už v roce 1917, není mezi širší veřejností příliš známo, i když jde o jednoho z nejdůležitějších světových výrobců profesionální video techniky. Arri kamery jsou ve filmovém průmyslu používány desítky let. V poslední době se společnost vzhledem k přechodu na digitální kino specializuje na výrobu kamer D20, D21 a v současné době nabízí kameru Alexa s použitím filmových objektivů. Tato kamera nemá rozlišení 4K jako kamera RED, ale je schopná nahrávat video v rozlišení 2880 x 1620 pixelů. Záznam je podobně jako u RED kamery v kodeku ArriRaw a výstup je bez komprese zaznamenáván na diskové pole. Záznam může být zpracováván ve Final Cut Pro-ProRes 422 HQ formát 1080p/25, nebo ProRes 4444 v rozlišení 2K. Pro ty, kteří chtějí výsledek v nižším rozlišení je tím postprodukce jednodušší.

Formát	Rozlišení	Vzorkování	Přenosová rychlost (Mb/s)	Komprese
AVCHD	1920x1080	4:2:0	až 23	AVC Long-GOP
HDV	1440x1080	4:2:0	25	MPEG2 Long-GOP
AVCCAM/NXCAM	1920x1080	4:2:0	23	AVC Long-GOP
DVCPROHD	1440x1080	4:2:2	100	DV
DSLR	1920x1080	4:2:0	45	H264
XDCAM HD	1440x1080	4:2:0 / 4:2:2	25, 35 / 50	MPEG2 Long-GOP
XDCAM EX	1920x1080	4:2:0 / 4:2:2	25, 35 / 50	MPEG4
AVC-Intra 100	1920x1080	4:2:2	100	AVC-I
HDCAM	1440x1080	3:1:1	144	MPEG 2 Intra
HDCAM SR	1920x1080	4:2:2 / 4:4:4_RGB	440 / 880	MPEG 4 Studio Profile
Red	4096x2304	4:2:2	224, 288, 336	Wavelet
Arri Alexa	2880x1620	4:4:4	185, 275, 3000	Apple ProRes 422HQ, 4444, Uncompressed

Po kamerovém záznamu následuje nelineární střih a postprodukce. Jaký typ nelineárního střihu a jaký formát komprese použijeme, je nutné pečlivě zvážit. Při nastavování se musíme vyhnout pokud možno kaskádovému slučování obrazových chyb. Tyto chyby vzniknou, protože každý kodek poznamená video trvale artefakty, které by podle tvůrce kodeku neměly být vidět nebo by měly být přijatelné. Pokud video vyrendrujeme dalším kodekem, tyto artefakty budou rendrovány také a následkem toho se mohou stát výraznější. Také tento nový kodek přidá do videa své další rušivé artefakty, které se mohou zvýraznit při dalším stupni komprese, jako je např. převod do Blu-ray.

Název	Přenosová rychlost při 1080i/50	Hodina záznamu	Kvalita
ProRes Proxy	~35 Mb/s	16 GB	HD offline
ProRes LT	100 Mb/s	45 GB	Základní HD
ProRes 422	120 Mb/s	54 GB	Vysoká
ProRes 422 HQ	185 Mb/s	83 GB	Nejyšší HD
ProRes 4444	275 Mb/s	124 GB	Digital cinema

Název	Přenosová rychlost při 1080i/50	Hodina záznamu	Kvalita
DNxHD 120	120 Mb/s	54 GB	Základní HD
DNxHD 185	185 Mb/s	83 GB	Vysoká
DNxHD 185 x	185 Mb/s	83 GB	Nejyšší HD