Кадр видео и видеоряд¶
Кадр видео — это отдельное неподвижное изображение, из последовательности которых формируется движущееся изображение в кино, на телевидении и в цифровых видеофайлах. В широком смысле под кадром понимают как единичное изображение (фотограмма), так и определённый фрагмент фильма, ограниченный монтажными склейками. Совокупность следующих друг за другом кадров, демонстрируемых с определённой частотой, создаёт у зрителя иллюзию непрерывного движения.
¶Физические основы восприятия
Движущееся изображение строится на инерции зрительного восприятия человека. Если неподвижные изображения сменяют друг друга достаточно быстро, мозг объединяет их в плавный поток. Минимальная частота, при которой смена кадров воспринимается как непрерывное движение, составляет около 16 кадров в секунду; стандартом кинематографа долгое время была частота 24 кадра в секунду, а для телевидения приняты 25 (PAL, SECAM) и 29,97 (NTSC) кадра в секунду.
¶Частота кадров
Частота кадров (frame rate) — ключевая характеристика видеоматериала, измеряемая в кадрах в секунду (fps, frames per second).
| Частота | Применение |
|---|---|
| 24 fps | классический кинематограф |
| 25 fps | телевидение PAL/SECAM, видео в России и Европе |
| 29,97 fps | телевидение NTSC |
| 30 fps | интернет-видео, запись с экрана |
| 50–60 fps | спортивные трансляции, игровой контент |
| 120 fps и выше | замедленная съёмка, научные исследования |
Повышение частоты делает движение более плавным, но увеличивает объём данных. Понижение, напротив, придаёт изображению прерывистость, которая иногда используется как художественный приём.
¶Разрешение кадра
Разрешение определяет количество пикселей в одном кадре по горизонтали и вертикали. Исторически сложились стандарты:
- SD (Standard Definition) — 720×576 (PAL) или 720×480 (NTSC);
- HD — 1280×720 (720p) и 1920×1080 (1080p);
- 4K UHD — 3840×2160;
- 8K UHD — 7680×4320.
Чем выше разрешение, тем больше деталей содержит каждый отдельный кадр, но тем выше требования к пропускной способности канала и вычислительным ресурсам.
¶Кадр в кино и на телевидении
В кинопроизводстве термин «кадр» имеет два значения. Во-первых, это фотографический кадр на киноплёнке — одно изображение, получаемое за один цикл работы обтюратора. Во-вторых, это монтажный кадр — непрерывный отрезок плёнки между двумя склейками, снятый одним планом. Режиссёр выстраивает композицию кадра, выбирает крупность плана (общий, средний, крупный), ракурс и движение камеры.
Крупность плана — важнейшее выразительное средство:
- дальний и общий план показывают место действия и персонажа целиком;
- средний план охватывает человека до пояса;
- крупный план концентрирует внимание на лице или детали;
- деталь выделяет отдельный предмет.
¶Цифровое представление
В цифровом видео каждый кадр представляет собой растровое изображение, разбитое на пиксели. Цвет пикселя кодируется в одной из цветовых моделей — чаще всего YCbCr, где яркость (Y) отделена от цветоразностных компонент (Cb, Cr). Такое разделение позволяет эффективнее сжимать данные, поскольку человеческий глаз менее чувствителен к цветовым деталям, чем к яркостным.
¶Сжатие и межкадровое кодирование
Хранение всех кадров в несжатом виде требует огромных объёмов памяти. Поэтому в видеокодеках (H.264, H.265, VP9, AV1) применяется сжатие с использованием избыточности как внутри кадра, так и между кадрами. Выделяют три основных типа кадров:
- I-кадр (intra, ключевой) — сжимается независимо, содержит полное изображение;
- P-кадр (predicted) — предсказывается по предыдущим кадрам;
- B-кадр (bidirectional) — предсказывается как по предыдущим, так и по последующим кадрам.
Ключевые кадры служат опорными точками: с них начинается декодирование и по ним выполняется перемотка. Частота их следования влияет на качество и размер файла.
¶Кадр как единица монтажа и анализа
В монтаже кадр — минимальная единица построения сцены. Последовательность кадров, объединённых единством места, времени и действия, образует сцену; сцены складываются в эпизоды, а те — в фильм. Теоретики кино (Лев Кулешов, Сергей Эйзенштейн, Всеволод Пудовкин) разработали учение о монтаже, показав, что смысл возникает из сопоставления кадров. Эффект Кулешова демонстрирует, что одно и то же лицо воспринимается по-разному в зависимости от следующего за ним кадра.
¶Извлечение и использование кадров
Из видеофайла можно извлечь отдельные кадры — эта операция называется экстракцией. Она применяется для:
- создания превью и миниатюр (thumbnail);
- раскадровки (storyboard) и анализа монтажа;
- судебной и технической экспертизы видеозаписей;
- машинного зрения и обучения нейросетей;
- реставрации и архивирования киноматериалов.
Для извлечения кадров используются программы видеомонтажа, консольные утилиты (например, FFmpeg) и специализированные библиотеки (OpenCV).
¶Смежные понятия
С кадром тесно связаны понятия видеопотока (последовательность кадров во времени), таймкода (точная привязка кадра к моменту времени), интерлейсинга (чересстрочной развёртки, при которой кадр делится на два поля) и прогрессивной развёртки. В аналоговом телевидении кадр состоял из двух полукадров (полей), что позволяло вдвое повысить частоту обновления без расширения полосы канала.
¶Значение
Кадр — базовая единица любого экранного произведения. От качества отдельного кадра, его композиции, резкости и цветопередачи зависит восприятие всего видеоматериала. В цифровую эпоху понятие кадра сохранило центральное место в производстве, обработке, хранении и анализе видео, а также стало ключевым для алгоритмов компьютерного зрения и систем автоматического распознавания изображений.
Источники: учебные пособия по кино- и видеотехнике, стандарты MPEG и ITU-T по видеокодированию, техническая документация FFmpeg, работы по теории киномонтажа Л. Кулешова и С. Эйзенштейна.