צילום דיגיטלי ד: דחיסת וידאו

הקדמה

לרובנו, המילה הראשונה שעולה בראש כאשר מדברים על איכות תמונה, היא רזולוציה. עליה דיברנו במאמר נפרד. אבל כשאנחנו מצלמים לקולנוע, עלינו לקחת בחשבון גורמים רבים נוספים. במאמר זה נדבר על תהליך דחיסת נתוני התמונה (במצלמה).

על מנת להפוך את נתוני האור והצבע שמתקבלים מהחיישן לרצף תמונות הנשמרות בזיכרון המצלמה כווידאו, מעבד המצלמה מבצע מספר תהליכים (עיבוד). בכל מצלמה המעבד עושה זאת בצורה שונה, והתוצאה משפיעה ישירות על איכות התמונה המתקבלת. השלב הראשון שמבצע מעבד המצלמה לאחר קבלת נתוני התמונה נקרא דיביירינג (DE-BAYERING).

דיביירינג, דימוזייקינג (DE-BAYERING)

כפי שהוזכר במאמר על מסנן הבאייר, חיישן המצלמה הוא עיוור צבעים וקולט את נתוני התמונה בשחור לבן (Gray Scale). מסנן הבאייר שניצב לפי החיישן מאפשר לקלוט את נתוני הצבע של התמונה ומלביש למעשה מאין מערך של פיקסלים צבעוניים (אדום, ירוק, כחול) על גבי הפיקסלים שעל החיישן. דוגמה לתוצאה המתקבלת: (במציאות יהיו כמובן הרבה יתר פיקסלים).

הפיקסלים קולטי הצבע של מסנן האייר מולבשים על הפיקסלים של התמונה שמתקבלת בשחור לבן.

כפי שאתם בטח רואים, אלו לא בדיוק הצבעים המקוריים של התמונה, וכאן נכנס לתמונה מעבד המצלמה. מעבד המצלמה מכיל תוכנה, המסוגלת בעזרת אלגוריתם מתמטי לדלות את נתוני הצבע האמתיים של התמונה מהפיקסלים הצבעוניים ולמפות אותם לתמונה בשחור לבן. למעשה מתבצע תהליך של פירוק פעולת מסנן הבאייר ומכאן השם - די ביירינג.

התמונה המקורית

האופן בו כל מעבד עושה זאת תלוי ביצרנית המצלמה, והוא המייחד כל מצלמה בהתאם. התוצאה המתקבלת היא התמונה עם הצבעים המקוריים שלה. כשמעבד המצלמה מסוגל לייצא תמונה זאת ישירות לזיכרון, אנחנו יכולים לומר שמצלמה זאת מסוגלת להקליט ב RAW.

הקלטת RAW

התרגום של המילה RAW הוא "נא", וזה אכן מה שאנחנו מקבלים, תמונה שכל הנתונים שלה, שקיבל החיישן מועברים ישירות לזיכרון, ללא אבדן פרטים וללא דחיסה. מצלמות המסוגלות להקליט ב RAW נחשבות לאיכותיות ביותר ומספקות את התוצאות הטובות ביותר. הקלטה ב RAW היא למעשה הקלטה של רצף תמונות ולא של קובץ וידאו, ההבדל הוא שקובץ וידאו עובר עיבוד נוסף ומוטמעים בו עוד נתונים (תהליך שמוריד מעט מאיכותו). מכיוון שתמונות RAW מכילות מידע רב מאוד נוכל לנצל זאת בשלבי הפוסט. לדוגמה, תמונת RAW מכילה טווח דינמי רחב יותר (מידע של חשיפה), ולכן מאפשרת לנו לשחק עם החשיפה בתמונה. תמונת RAW מכילה טווח טונלי רחב יותר (מידע של צבעים), ולכן נוכל לבצע תיקון צבעים בצורה יעילה יותר. בסופו של התהליך, קבצים אלו עדיין יצטרכו לעבור קידוד ולהפוך לווידאו על מנת שנוכל לעבוד איתם בתוכנת העריכה ולייצא אותם.

בשביל מה להקליט וידאו?

כפי שאמרנו צילום RAW מסוגל לייצא את התוצאה האיכותית ביותר, אפילו וידאו לא דחוס יורד באיכותי מהנתונים המועברים ב RAW. ולמרות זאת רוב המצלמות מייצאות וידאו, וידאו דחוס, איכותי פחות, בשלל קידודים שונים. אם RAW הוא האיכותי ביותר, למה עלינו בכלל לשקול להקליט וידאו דחוס? ניתן לכך מספר סיבות.

תקציב

כפי שאמרנו, רק מצלמות איכותיות מאוד מצלמות ב RAW, משמע - הן מאוד יקרות. בין אם תרצו לרכוש מצלמה שמצלמת RAW או להשכיר אותה תצטרכו לשלם משמעותית יותר כסף. לא כולם מסוגלים לממש את השאיפות הללו מבחינה כלכלית ולכן פעמים רבות נאלץ להתפשר.

זיכרון

קבצי RAW תופסים כמות גבוהה מאוד של זיכרון, למעשה צילום של דקות בודדות ב RAW עלול לתפוס עשרות ג'יגה בייט של זיכרון. החיסרון הבולט בכך הוא זמני הצילום הקצרים שנוכל לצלם באופן רציף לפני שנאלץ להחליף כרטיס זיכרון. בהתאם נצטרך להצטייד בהרבה אמצעי זיכרון, עם הרבה מקום בכל כרטיס וכאלו שעובדים על ביט-רייט גבוה (על כך בהמשך). כל זה מוסיף ציוד נוסף שנצטרך לדאוג לו במהלך ההפקה, ושוב - כסף.

מה מצלמים

במידה ואנחנו מצלמים סרט למסכי הקולנוע, כמובן ש RAW הוא הבחירה הטובה ביותר בשבילנו, אבל בואו נודה בכך, רובנו לא מצלמים פיצ'רים על בסיס קבוע. כאשר אנחנו מצלמים סרטים קצרים, דוקו, אירועים, חדשות, קליפים, וידאו למדיה דיגיטלית ואפילו פיצ'רים עצמאיים, צילום RAW לא רק שלא יהיה נחוץ לחלק ממטרות אלו אלא אף אינו מתאים בשבילן. צלם שמצלם חתונה למשל, לא ירצה להחליף כרטיס זיכרון כל חמש דקות ולהתעסק עם גדלי קובץ ענקיים בשלבי העריכה. סטודנט שמצלם סרט קצר, סביר להניח ירצה להתפשר על מעט איכות וכאב ראש בשביל להוציא לאור את הסרט שלו.

דחיסת RAW compression

דחיסת RAW היא סוג הדחיסה האיכותית ביותר ומתבצעת לרוב כמעט ללא אבדן פרטים. היא מתבצעת על ידי התוכנה במעבד המצלמה ולא על ידי קודקים נפוצים. דחיסה זאת ניתן לדמות לקובץ Zip. הנתונים מקובצים לתוך תיבה קטנה יותר, ורק כאשר היא תיפתח, יהיה ניתן לשחזר את החומר המצולם בדיוק למצבו הקודם. יצרניות מצלמות רבות אשר מצהירות שהן מייצאות קבצי RAW מייצרות למעשה קבצי RAW דחוסים, מה שמוריד מעט מאיכותם ומקטין את גודלם.

וידאו לא דחוס

האלטרנטיבה להקלטת RAW דחוס או לא דחוס, היא הקלטת וידאו לא דחוס. וידאו לא דחוס מקליט הרבה יותר פרטים מווידאו דחוס אך עדיין נופל באיכותו מ RAW. לצורך ההשוואה פריים בודד של וידאו לא דחוס מכיל נכון להיום ברוב המצלמות מידע של בין 8 ל 10 ביטים של צבע כאשר RAW מכיל בין 14 ל 16. יש מצלמות שמסוגלות להקליט וידאו לא דחוס, אך גם כאן נתעסק עם גדלי קבצים מאוד גדולים ולבסוף נאלץ לבצע דחיסה של הווידאו כדי שנוכל לעבוד אתו. וידאו לא דחוס בין היתר נשלח אל מוניטור או מכשיר הקלטה חיצוני דרך יציאת HDMI או SDI.

דחיסת וידאו

וידאו דחוס, זה לא מפחיד כמו שזה נשמע. אם נקרין את הווידאו על מסך קולנוע ענק או שהווידאו יעבור תהליכים מרובים של תיקוני צבעים והלבשת אפקטים, או אם פשוט נעשה זום גדול ונתחיל להשוות אבדן פרטים, נוכל להבחין בהבדלים בין וידאו דחוס ולא דחוס, בכל מקרה אחר סביר להניח שיהיה קשה מאוד להבחין בהבדלים.

בסופו של דבר דחיסת וידאו נועדה למטרה עיקרית ויחידה - לצמצם את גודל הקבצים המתקבלים ולאבד תוך כדי כמה שפחות פרטים מהתמונה המקורית. זה מושפע ישירות ממושג הנקרא ביט-רייט.

ביט-רייט

ביט-רייט זה כמות המידע המועברת בשנייה אחת של וידאו. כדי להמחיש, נדגים:

ניח ואנחנו מצלמים וידאו ברזולוציית Full HD. בפיקסלים זה יהיה 1920x1080 או בסך הכל 2,073,600 פיקסלים לפריים בודד של וידאו. אנחנו מצלמים 24 פריימים לשנייה, כלומר בשנייה אחת מועברים 49,766,400 פיקסלים. כמעט 50 מיליון בשנייה! כל פיקסל מכיל כמות ביטים (סיביות) מסוימת של מידע שהוא מסוגל להכיל. נניח שמדובר ב 12 ביט לפיקסל. מכאן יוצא שבשנייה אחת של וידאו אנחנו נקליט 149 מגה בייט, כמעט 9 ג'יגה בייט בדקה של צילום וכמעט 90 ג'יגה בייט ב 10 דקות של צילום. אלו כמובן גדלים פשוט מטורפים ובדיוק כאן נכנסת לתמונה דחיסת הווידאו.

מה קורה בפועל בעת דחיסה?

בעת דחיסת וידאו, המטרה היא להיפטר ממידע לא נחוץ. מעבד המצלמה מבצע פעולות שיאפשרו את צמצום גודל הקובץ ככל שהתמונה תאבד פרטים לא משמעותיים לעין האנושית. לדוגמה, אם בפריים ישנם כמה פיקסלים באותו צבע הממוקמים אחד ליד השני, המעבד יזכור את כולם כנתון אחד במקום לבזבז משאבים על רישום כל פיקסל לזיכרון בנפרד.

קודקים

כאשר מצלמה דוחסת וידאו היא עושה זאת בעזרת תוכנות שנקראות קודקים (Сodecs). השם עצמו מסביר הכל, קודק, משמעותו - encoding and decoding - קידוד ופענוח. התוכנה מבצעת צמצום ניכר של הנתונים ואחר כך משחזרת אותם. אותם קודקים למעשה זמינים גם למחשב, לדוגמה כשנרצה לשנות את סוג הדחיסה בתוכנת העריכה.

קיימים קודקים ללא אבדן פרטים (Losseless) וקודקים עם אבדן פרטים (Lossy). רוב המצלמות בימינו משתמשות בקודקים עם אבדן פרטים, זה נובע מהסיבה שנכון להיום קודקים אלו יציבים יותר ועובדים טוב. חלק מהקודקים עם אבדן מתקרבים מאוד לרמה של כאלו ללא, לדוגמה - הקודק הנפוץ ביותר נכון להיום ProRes מבית היוצר של אפל.

רשימת קוקדים נפוצים לווידאו מקצועי בימינו

Apple ProRes

DNxHD

Digital Betacam "DigiBeta" Motion

JPEG2000-lossy

DVCPRO

HDCAM IMX

AVC-Intra

קודקים נוספים שאתם עלולים להכיר, כאלו שהיו בשימוש בעבר בווידאו מקצועי, אך כיום משרתים בעיקר את הצרכן הרגיל:

MPEG-2

MPEG-4 (DivX/XviD, "H.264 , "AVC")

DV / HDV

תכונות של קודקים

התכונות של הקודק מתקשרות ישירות ליכולות של המצלמה, קודק אמור לדעת להוציא את המיטב מהנתונים שהמצלמה מסוגלת לייצא. בואו ניקח את הקודק ProRes 422 ונראה את התכונות העיקריות שהוא מציע:

יכולת עיבוד וידאו ברזולוציות

8K, 5K, 4K, 2K, HD, SD

יכולת עיבוד טווח טונלי

10 ביט

יכולת עיבוד מהירויות ביט-רייט משתנות

כן

יכולת דגימת קרומה (Сhoma Subsampling)

4:2:2

ישנן כמובן תכונות נוספות שיש לקחת בחשבון אך נדבר רק על הארבע שהצגנו מעלה, נפרט בקצרה על כל סעיף למקרה שחלקכם אינם מכירים את המושגים הנ"ל.

רזולוציה

כמות הפיקסלים על החיישן שמתורגמים לתמונה הסופית. חישוב הרזולוציה מתבצע על ידי הכפלת כמות הפיקסלים בשורה בכמות הפיקסלים בעמודה, לדוגמה 4K הם 4096x2190.

טווח טונלי

כמות הצבעים שהמצלמה מסוגלת להקליט לכל פיקסל. ביט 1 מסוגל לקלוט רק שני צבעים, שחור ולבן. 2 ביט יתנו לנו גוונים של אפור. ו 8 ביט ומעלה יתנו לנו תמונה צבעונית. ככל שיש יותר מידע של צבע - התמונה תהיה עשירה יותר בצבעים. פעמים רבות, במבט רגיל יהיה קשה להבדיל בין טווח טונלי בין 10 ביט ל 12 ביט, יכולת זאת יעילה בעיקר בשלב תיקוני הצבעים של הסרט.

תמונה בעלת טווח טונלי נמוך

תמונה בעלת טווח טונלי רגיל

ביט-רייט

כמות המידע המועברת בשנייה של וידאו, על כך כבר דיברנו.

תת דגימה של קרומה (Chroma Subsampling)

גם יכולת זאת מתייחס לצבעי הווידאו, תהליך זה לוקח נתוני צבע רק מחלק מהפיקסלים שעל החיישן. בדגימה של 4:2:2

לדוגמה: 4:2 מייצגים 4 פיקסלים בשורה ו 2 בעמודה, לקבוצות כאלו מתחלקים הפיקסלים כאשר מתבצעת הדגימה.

שני הספרות הראשונות 4:2 מייצגות 2 שורות ו 4 עמודות של פיקסלים. לקבוצות כאלו מתחלקים כלל הפיקסלים שעל החיישן בעת תהליך הסאבסמפלינג.

הספרה האחרונה, במקרה הזה 2, אומרת כמה פיקסלים מתוך אלו יקליטו נתוני צבע - 2 בשורה העליונה ו 2 בשורה התחתונה.

4:2:2

שאר הפיקסלים פשוט ישאבו צבע מאלו שלידם. קודק ProRes 4:2:0 יקלוט נתוני צבע רק של 2 פיקסלים בשורה העליונה:

4:2:0

וקודק ProRes 4:4:4 יקליט נתוני צבע מכל פיקסל בנפרד.

4:4:4

יכולות קליטה של קודק ProRes 4:4:4

יכולת עיבוד וידאו ברזולוציות

8K, 5K, 4K, 2K, HD, SD

יכולת עיבוד טווח טונלי

12 ביט

יכולת עיבוד מהירויות ביט-רייט משתנות

כן

יכולת דגימת קרומה (Chroma Subsampling)

4:4:4

INTRAFRAME ו INTERFRAME

מושגים אלו מעט מבלבלים בשמותיהם, האחד הוא INTRA והשני INTER. קודקים שונים משתמשים באחת משיטות קידוד אלה.

INTERFRAME

זאת השיטה הפחות יעילה שמיועדת בעיקר לצרכן הפשוט ובעזרתה מתבצעת דחיסה במצלמות הפשוטות. כאן הקודק מקבץ יחדיו קבוצות של פריימים, פעולה זו היא למעשה בלתי הפיכה וכאשר נשחזר את החומר המקובץ נאבד פרטים לתמיד. לצילום ועריכה מקצועית יש להימנע מקודקים שמקבצים בשיטה זאת.

INTRAFRAME

כאן מתבצעת דחיסה של כל פריים בנפרד, וכתוצאה מכך אין אבדן של נתונים.

קבצי אחסון (Containers)

דבר נוסף שיש לדבר עליו, למרות שהוא פחות רלוונטי לדחיסה עצמה, אך עדיין חשוב להכרה הוא - קבצי האחסון. תהיתם פעם מה היא המשמעות של כל הסיומות האלו של קבצי הווידאו שאנחנו משתמשים בהם:

raw.

mov.

avi.

mxf.

mkv.

mp4.

mpeg.

הקבצים משמשים למעשה כשטח אחסון, קונטיינרים, לווידאו שלנו. קיימים קבצים שמסוגלים לאחסן רק סוג אחד של קודק, לדוגמה:

סיומת mp4 תאחסן תמיד וידאו שקודד בעזרת MPEG-4 (DivX/XviD, "H.264 , "AVC").

סיומת mpeg תאחסן תמיד וידאו שקודד בעזרת mpeg-1, mpeg-2.

קבצי raw יאחסנו כמובן הקלטת raw.

קבצים כמו mov ו avi משמשים כשמאחסנים כלליים ומסוגלים להכיל את כל (או רוב) סוגי הקודקים, וגם וידאו לא דחוס.

בונוס - לוג (Log)

לעתים מצלמה מסוימת תצלם ב Log. לפעמים הוא ייקרא V-log, C-log או בשמות אחרים, בהתאם ליצרנית המצלמה, אך בפועל זה אותו ה Log. לוג אינו קשור לדחיסת וידאו, כשאר המצלמה מסוגלת להקליט Log, היא מסוגלת לשמר יותר מידע של חשיפה בתמונה. היא עושה זאת ע"י איזון האזורים המוארים והחשוכים שבתמונה עד כמה שניתן. התוצאה שמתקבלת היא תמונה שטוחה ואפרורית, אך בפעול הדבר נותן לנו יותר שליטה על האזורים הלבנים והכהים בעריכה, מבלי לפגוע באיכות הווידאו. לוג למעשה מנסה להתקרב לרמת שימור הפרטים של קובץ RAW, בטווח הדינמי, ושומר תוך כדי על גדלי קבצים סבירים.

לסיכום

במאמר זה דיברנו על דחיסת וידאו, קבצי RAW, קודקים (Codecs), קבצי אחסון וLog. מידע זה רלוונטי ביותר בימינו מפני שהוא מסייע לנו להבין איזה מצלמה תתאים טוב יותר למטרותינו. בסופו של דבר בחירת איכות הדחיסה שנזדקק לה תהיה תלויה באופי הפרויקט עליו אנחנו עובדים. לסיכום הנה רשימה של דחיסות מהאיכותית ביותר ומטה:

RAW

RAW דחוס

וידאו לא דחוס

קודקים (INTRAFRAME)

קודקים (INTERFRAME)

* במצלמה שאינה מסוגלת להקליט RAW, הLog יכול להוות יתרון גדול.