Цифровое видео - Digital video

Эта статья о цифровых технологиях, применяемых к видео. Стандартный формат для хранения цифрового видео см. DV. Для использования в других целях см. Цифровое видео (значения).

Цифровое видео электронное представление движущихся визуальных образов (видео ) в виде закодированных цифровые данные. Это в отличие от аналоговое видео, который представляет движущиеся визуальные изображения с аналоговые сигналы. Цифровое видео состоит из серии цифровые изображения отображаются в быстрой последовательности.

Цифровое видео было впервые коммерчески представлено в 1986 году с Sony D1 формат,[1] записал несжатый Стандартное определение компонентное видео сигнал в цифровом виде. Помимо несжатых форматов, популярные сжатый цифровые видеоформаты сегодня включают H.264 и MPEG-4. Современные стандарты межсоединений для цифрового видео включают: HDMI, DisplayPort, Цифровой визуальный интерфейс (DVI) и последовательный цифровой интерфейс (SDI).

Цифровое видео можно копировать без ухудшения качества. Напротив, когда аналоговые источники копируются, они испытывают потеря поколения. Цифровое видео можно хранить на цифровых носителях, таких как Blu-ray Disc, на компьютерное хранилище данных или же потоковое над Интернет к конечные пользователи кто смотрит контент на настольный компьютер экран или цифровой Smart TV. В повседневной практике цифровой видеоконтент, такой как ТВ шоу и фильмы также включает цифровой звук саундтрек.

История

Цифровые видеокамеры

Дальнейшая информация: Цифровая кинематография, Датчик изображений, и Видеокамера

Основа для цифровые видеокамеры находятся металл-оксид-полупроводник (MOS) датчики изображения.[2] Первый практический полупроводник датчик изображения был устройство с зарядовой связью (CCD), изобретенный в 1969 г.,[3] на основе МОП конденсатор технологии.[2] После коммерциализации ПЗС-сенсоров в конце 1970-х - начале 1980-х гг. индустрия развлечений медленно начал переходить на цифровое изображение и цифровое видео в ближайшие два десятилетия.[4] За ПЗС последовала CMOS датчик с активным пикселем (CMOS сенсор ),[5] разработан в 1990-х гг.[6][7]

Кодирование цифрового видео

Дальнейшая информация: Формат кодирования видео § История

Самые ранние формы цифровых кодирование видео началось в 1970-х годах с несжатого импульсно-кодовая модуляция (PCM) видео, требующее высоких битрейты между 45–140 Мбит / с за Стандартное определение (SD) контент. Практическое кодирование цифрового видео в конечном итоге стало возможным с дискретное косинусное преобразование (DCT), форма сжатие с потерями.[8] Сжатие DCT было впервые предложено Насир Ахмед в 1972 г., а затем разработали Ахмед с Т. Натараджаном и К. Р. Рао на Техасский университет в 1973 г.[9][10][11] DCT позже станет стандартом для цифровых сжатие видео с конца 1980-х гг.[8]

Первый цифровой стандарт кодирования видео был H.120, созданный CCITT (ныне ITU-T) в 1984 году. H.120 не применялся на практике из-за слабой производительности.[12] H.120 был основан на дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (DPCM), алгоритм сжатия без потерь, который был неэффективен для кодирования видео. В конце 1980-х годов ряд компаний начали экспериментировать с DCT, гораздо более эффективной формой сжатия для кодирования видео. CCITT получил 14 предложений по форматам сжатия видео на основе DCT, в отличие от одного предложения, основанного на векторное квантование (VQ) сжатие. В H.261 Стандарт был разработан на основе сжатия DCT.[8] H.261 был первым практическим стандартом кодирования видео.[12] Начиная с H.261, сжатие DCT было принято всеми последующими основными стандартами кодирования видео.[8]

MPEG-1, разработанная Группа экспертов по киноискусству (MPEG), последовавший в 1991 году, и он был разработан для сжатия VHS -качественное видео. Его сменил в 1994 г. MPEG-2 /H.262,[12] который стал стандартным видеоформатом для DVD и SD цифровое телевидение.[12] За этим последовало MPEG-4 /H.263 в 1999 г., а затем в 2003 г. H.264 / MPEG-4 AVC, который стал наиболее широко используемым стандартом кодирования видео.[12]

Производство цифрового видео

Начиная с конца 1970-х до начала 1980-х годов, несколько типов видеопродукция было внедрено оборудование, которое было цифровым в своей внутренней работе. К ним относятся корректоры временной развертки (TBC)[а] и цифровые видеоэффекты (DVE) единиц.[b] Работали они взяв стандартный аналог композитное видео ввод и оцифровка внутри. Это упростило исправление или улучшение видеосигнала, как в случае TBC, или манипулирование и добавление эффектов к видео в случае устройства DVE. Оцифрованная и обработанная видеоинформация затем конвертировалась обратно в стандартное аналоговое видео для вывода.

Позже, в 1970-х, производители профессионального оборудования для видеовещания, например Bosch (через их Fernseh деление) и Ampex разработан прототип цифрового видеомагнитофоны (VTR) в своих научно-исследовательских лабораториях. Машина Bosch использовала модифицированную 1-дюймовая видеокассета типа B транспорт и записал раннюю форму CCIR 601 цифровое видео. В прототипе цифрового видеомагнитофона Ampex использовалась модифицированная 2-дюймовая четырехъядерная видеокассета Видеомагнитофон (Ampex AVR-3), но оснащенный специальной цифровой видеоэлектроникой и особым штурвалом с 8 головками «октаплекс» (в обычных аналоговых 2-дюймовых квадроциклах использовались только 4 головки). Прототип цифровой машины Ampex, прозванный разработчиками как «Энни», по-прежнему записывал звук в аналоговом виде в виде линейных дорожек на ленту. Ни одна из этих машин этих производителей никогда не продавалась на рынке.

Цифровое видео было впервые коммерчески представлено в 1986 году с Sony. D1 формат, в котором записан несжатый Стандартное определение компонентное видео сигнал в цифровом виде. Для подключения компонентного видео требуется 3 кабеля и больше всего телевидение средства были подключены для композитного видео NTSC или PAL с помощью одного кабеля. Из-за этой несовместимости, а также из-за стоимости рекордера D1 использовался в основном крупными телевизионные сети и другие видеостудии с поддержкой компонентного видео.

В 1988 году Sony и Ampex совместно разработали и выпустили D2 цифровой формат видеокассеты, который записывает видео в цифровом виде без сжатия в ITU-601 формат, очень похожий на D1. Но у D2 было главное отличие кодирования видео в композитной форме от стандарта NTSC, поэтому требовалось только однокабельное соединение композитного видео с видеомагнитофоном D2 и от него, что делало его идеальным для большинства телевизионных объектов в то время. D2 был успешным форматом в телетрансляция промышленность в конце 80-х и 90-х. D2 также широко использовался в то время в качестве основного формата ленты для мастеринга. лазерные диски.[c]

D1 и D2 в конечном итоге будут заменены более дешевыми системами, использующими сжатие видео, в первую очередь Sony Цифровая Betacam[d] которые были введены в сеть телестудии. Другими примерами цифровых видеоформатов, использующих сжатие, были Ampex's DCT (первый, кто использовал такие, когда был введен в 1992 г.), DV и MiniDV и его профессиональные варианты, Sony DVCAM и Panasonic DVCPRO, и Betacam SX, более дешевый вариант Digital Betacam, использующий MPEG-2 сжатие.[нужна цитата ]

Одним из первых цифровых видеопродуктов, запускаемых на персональных компьютерах, был PACo: Компилятор анимации PICS от компании Science & Art в Провиденсе, штат Род-Айленд, которая была разработана, начиная с 1990 года и впервые поставлена ​​в мае 1991 года. PACo мог передавать потоковое видео неограниченной длины с синхронизированным звуком из одного файла (с расширением ".CAV") расширение файла ) на CD-ROM. Для создания требовался Mac; воспроизведение было возможно на Mac, ПК и Sun SPARCstations.[13]

QuickTime, Компьютер Apple Мультимедийный фреймворк появился в июне 1991 года. Аудио видео чередование из Microsoft последовал за ним в 1992 году. Первоначальные инструменты создания контента потребительского уровня были примитивными, требовавшими преобразования аналогового видеоисточника в компьютерно-читаемый формат. Качество потребительского цифрового видео вначале было низким, но качество быстро увеличивалось, во-первых, с появлением таких стандартов воспроизведения, как MPEG-1 и MPEG-2 (принят для использования в телевизионных передачах и DVD СМИ), а затем введение DV формат ленты, позволяющий передавать записи в формате непосредственно в цифровые видеофайлы с помощью FireWire порт на монтажном компьютере. Это упростило процесс, позволив системы нелинейного монтажа (NLE) для дешевого и широкого развертывания на настольные компьютеры без необходимости внешнего устройства для воспроизведения или записи.

Широкое распространение цифрового видео и сопутствующих форматов сжатия сократило полосу пропускания, необходимую для видео высокой четкости сигнал (с HDV и AVCHD, а также несколько коммерческих вариантов, таких как DVCPRO -HD, все используют меньшую полосу пропускания, чем аналоговый сигнал стандартной четкости). Эта экономия увеличила количество каналов, доступных на кабельное телевидение и спутник прямого вещания системы, создали возможности для перераспределение спектра из наземное телевидение частоты вещания, сделанные безленточные видеокамеры на основе флэш-память возможно среди других нововведений и эффективности.

Обзор

Цифровое видео состоит из серии цифровые изображения отображаются в быстрой последовательности. В контексте видео эти изображения называются кадры.[e] Скорость, с которой отображаются кадры, называется частота кадров и измеряется в кадрах в секунду (FPS). Каждый кадр представляет собой ортогональное растровое цифровое изображение и поэтому содержит растр пиксели. У пикселей есть только одно свойство - их цвет. Цвет пикселя представлен фиксированным количеством бит. Чем больше битов, тем более тонкие вариации цветов могут быть воспроизведены. Это называется глубина цвета видео.

Переплетение

В чересстрочное видео каждый Рамка состоит из двух половин изображения. Первая половина содержит только нечетные строки полного кадра. Вторая половина содержит только четные строки. Эти половины именуются индивидуально как поля. Два последовательных поля составляют полный кадр. Если чересстрочное видео имеет частоту кадров 30 кадров в секунду, частота полей составляет 60 полей в секунду. Все обсуждаемые здесь свойства в равной степени применимы к чересстрочному видео, но следует быть осторожным, чтобы не путать частоту полей в секунду с частотой кадров в секунду.

Битрейт и BPP

По его определению, битрейт является мерой скорости информационного содержания цифрового видеопотока. В случае несжатого видео скорость передачи данных прямо соответствует качеству видео, поскольку скорость передачи данных пропорциональна каждому свойству, влияющему на качество видео. качество видео. Битовая скорость является важным свойством при передаче видео, потому что канал передачи должен поддерживать эту скорость. Скорость передачи данных также важна при хранении видео, поскольку, как показано выше, размер видео пропорционален скорости передачи данных и продолжительности. Сжатие видео используется для значительного снижения скорости передачи данных при меньшем влиянии на качество.

Число бит на пиксель (BPP) - это показатель эффективности сжатия. Видео с истинным цветом без сжатия может иметь BPP 24 бит / пиксель. Подвыборка цветности может уменьшить BPP до 16 или 12 бит / пиксель. Применение jpeg сжатие каждого кадра может снизить BPP до 8 или даже 1 бит / пиксель. Применение таких алгоритмов сжатия видео, как MPEG1, MPEG2 или же MPEG4 позволяет использовать дробные значения BPP.

Постоянная скорость передачи по сравнению с переменной скоростью передачи

BPP представляет собой средний бит на пиксель. Существуют алгоритмы сжатия, которые поддерживают практически постоянное значение BPP на протяжении всей продолжительности видео. В этом случае мы также получаем видеовыход с постоянный битрейт (ЦБ РФ). Это видео CBR подходит для потоковой передачи видео в реальном времени без буферизации с фиксированной полосой пропускания (например, при видеоконференцсвязи). Поскольку не все кадры могут быть сжаты на одном уровне, поскольку качество более сильно ухудшается для сцен высокой сложности, некоторые алгоритмы пытаются постоянно корректировать BPP. Они поддерживают его на высоком уровне при сжатии сложных сцен и низком уровне для менее требовательных сцен. Таким образом достигается наилучшее качество при наименьшей средней скорости передачи данных (и наименьшем размере файла, соответственно). Этот метод дает переменный битрейт потому что он отслеживает вариации BPP.

Технический обзор

Стандарт запасы пленки обычно записывают на 24 кадров в секунду. Для видео существует два стандарта частоты кадров: NTSC, при 30 / 1,001 (около 29,97) кадров в секунду (около 59,94 поля в секунду), и PAL, 25 кадров в секунду (50 полей в секунду). Цифровые видеокамеры бывают двух разных форматов захвата изображения: переплетенный и прогрессивная развертка. Камеры с чересстрочной разверткой записывают изображение в виде чередующихся наборов строк: сканируются строки с нечетными номерами, затем сканируются строки с четными номерами, затем снова сканируются строки с нечетными номерами и так далее. Один набор нечетных или четных строк называется поле, а последовательное соединение двух полей противоположной четности называется Рамка. Камеры с прогрессивной разверткой записывают все строки в каждом кадре как единое целое. Таким образом, чересстрочное видео захватывает образцы движения сцены в два раза чаще, чем прогрессивное видео, при той же частоте кадров. Прогрессивная развертка обычно дает немного более четкое изображение. Однако движение может быть не таким плавным, как чересстрочное видео.

Цифровое видео можно копировать без потерь поколения, что ухудшает качество аналоговых систем. Однако изменение таких параметров, как размер кадра или изменение цифрового формата, может снизить качество видео из-за масштабирование изображения и перекодирование убытки. Цифровое видео можно обрабатывать и редактировать на нелинейное редактирование системы часто реализуются с использованием серийного компьютерного оборудования и программного обеспечения.

Цифровое видео имеет значительно меньшую стоимость, чем 35-мм пленка. По сравнению с дороговизной кинопленка, цифровой носитель, используемый для цифровой видеозаписи, например флэш-память или же привод жесткого диска, используемый для записи цифрового видео, стоит очень недорого. Цифровое видео также позволяет просматривать отснятый материал на месте без дорогостоящей и трудоемкой химической обработки, необходимой для пленки. Передача цифрового видео по сети делает ненужной физическую доставку лент и кинопленок.

Цифровое телевидение (включая более высокое качество HDTV ) был введен в большинстве развитых стран в начале 2000-х годов. Цифровое видео используется в современных мобильные телефоны и видео-конференция системы. Цифровое видео используется для Интернет распространение СМИ, в том числе потоковое видео и пиринговый распространение фильмов.

Многие виды сжатие видео существуют для обслуживания цифрового видео через Интернет и на оптических дисках. Размеры файлов цифрового видео, используемого для профессионального редактирования, обычно не подходят для этих целей, и видео требует дальнейшего сжатия с помощью кодеков.

По состоянию на 2011 г., максимальное разрешение, продемонстрированное для генерации цифрового видео, составляет 35 мегапикселей (8192 х 4320). Наивысшая скорость достигается в промышленных и научных целях. высокоскоростные камеры которые способны снимать видео 1024x1024 со скоростью до 1 миллиона кадров в секунду в течение коротких периодов записи.

Характеристики

Живое цифровое видео требует полосы пропускания. Записанное цифровое видео требует хранения данных. Требуемый объем полосы пропускания или хранилища определяется размером кадра, глубиной цвета и частотой кадров. Каждый пиксель потребляет количество битов, определяемое глубиной цвета. Данные, необходимые для представления кадра данных, определяются путем умножения на количество пикселей в изображении. Полоса пропускания определяется путем умножения требований к объему памяти для кадра на частоту кадров. Общие требования к памяти для программы затем могут быть определены умножением пропускной способности на продолжительность программы.

Эти расчеты точны для несжатое видео но из-за относительно высокой скорости передачи несжатого видео, сжатие видео широко используется. В случае сжатого видео каждый кадр требует небольшого процента исходных битов. Обратите внимание, что не обязательно, чтобы все кадры были одинаково сжаты на один и тот же процент. На практике это не так, поэтому полезно рассмотреть средний коэффициент сжатия для все кадры вместе.

Интерфейсы и кабели

Специальные цифровые видеоинтерфейсы

Универсальные интерфейсы для передачи цифрового видео

Следующий интерфейс был разработан для переноса MPEG -Транспорт сжатого видео:

Сжатое видео также передается с использованием UDP -IP над Ethernet. Для этого существует два подхода:

Другие способы передачи видео по IP

Форматы хранения

Кодирование

Смотрите также: Формат кодирования видео и Видео кодек
  • CCIR 601 используется для вещательных станций
  • MPEG-4 подходит для онлайн-распространения больших видео и видеозаписей, записанных на флэш-память
  • MPEG-2 используется для DVD, Super-VCD и многих форматов телевещания
  • MPEG-1 используется для видео компакт-дисков
  • H.261
  • H.263
  • H.264 также известен как MPEG-4, часть 10, или как AVC, используется для Диски Blu-ray и некоторые форматы телевещания
  • Теора используется для видео в Википедии

Ленты

Основная статья: Видеокассета
  • Betacam SX, Betacam IMX, Цифровая Betacam, или DigiBeta - коммерческие видеосистемы от Sony, на основе оригинального Бетамакс технологии
  • D-VHS - Данные формата MPEG-2, записанные на ленту аналогично S-VHS
  • D1, D2, D3, D5, D9 (также известный как Digital-S) - различные SMPTE стандарты коммерческого цифрового видео
  • Цифровой8 - данные в формате DV, записанные на Hi8 -совместимые кассеты; в основном потребительский формат
  • DV, MiniDV - используется в большинстве современных бытовых видеокамер с видеолентой; разработан для качественного и удобного редактирования; также может записывать данные высокой четкости (HDV ) в формате MPEG-2
  • DVCAM, DVCPRO - используется в профессиональных вещательных операциях; похож на DV, но обычно считается более надежным; хотя эти форматы совместимы с DV, они лучше обрабатывают звук.
  • DVCPRO 50, DVCPRO HD поддерживает более высокую пропускную способность по сравнению с Panasonic DVCPRO.
  • HDCAM был представлен Sony как альтернатива DigiBeta с высоким разрешением.
  • MicroMV - данные в формате MPEG-2, записанные на очень маленькую кассету размером со спичечный коробок; устаревший
  • ProHD - название, используемое JVC для своих профессиональных видеокамер на базе MPEG-2.

Диски

Смотрите также: Оптический диск

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Например, Томсон-CSF 9100 Digital Video Processor, полностью цифровой полнокадровый процессор TBC, представленный в 1980 году.
  2. ^ Например, Ampex ADO и Nippon Electric Corporation (NEC) DVE.
  3. ^ До D2 большинство лазерных дисков мастерилось с использованием аналоговых 1-дюймовая видеокассета типа C
  4. ^ Digital Betacam все еще широко используется в качестве электронное производство (EFP) формат записи профессиональных телевизионных продюсеров
  5. ^ Фактически неподвижные изображения соответствуют кадрам только в случае видео с прогрессивной разверткой. В чересстрочном видео они соответствуют полям. См. Пояснения в разделе о чересстрочной развертке.

Рекомендации

  1. ^ Неизвестно (04.12.2013). «Медиа-продакшн: понимание видеотехнологий». Производство средств массовой информации. Получено 2019-06-10.
  2. ^ а б Уильямс, Дж. Б. (2017). Революция в электронике: изобретая будущее. Springer. С. 245–8. ISBN  9783319490885.
  3. ^ Джеймс Р. Джейнсик (2001). Научные устройства с зарядовой связью. SPIE Press. С. 3–4. ISBN  978-0-8194-3698-6.
  4. ^ Пень, Дэвид (2014). Цифровая кинематография: основы, инструменты, методы и рабочие процессы. CRC Press. С. 83–5. ISBN  978-1-136-04042-9.
  5. ^ Пень, Дэвид (2014). Цифровая кинематография: основы, инструменты, методы и рабочие процессы. CRC Press. С. 19–22. ISBN  978-1-136-04042-9.
  6. ^ Фоссум, Эрик Р.; Хондонгва, Д. Б. (2014). "Обзор закрепленного фотодиода для датчиков изображения CCD и CMOS". Журнал IEEE Общества электронных устройств. 2 (3): 33–43. Дои:10.1109 / JEDS.2014.2306412.
  7. ^ Фоссум, Эрик Р. (12 июля 1993 г.). Блуке, Морли М. (ред.). «Активные пиксельные сенсоры: динозавры ли ПЗС?». Труды SPIE, том. 1900: Устройства с зарядовой связью и твердотельные оптические датчики III. Международное общество оптики и фотоники. 1900: 2–14. Bibcode:1993SPIE.1900 .... 2F. CiteSeerX  10.1.1.408.6558. Дои:10.1117/12.148585. S2CID  10556755.
  8. ^ а б c d Ганбари, Мохаммед (2003). Стандартные кодеки: от сжатия изображений до расширенного кодирования видео. Институт инженерии и технологий. С. 1–2. ISBN  9780852967102.
  9. ^ Ахмед, Насир (Январь 1991 г.). "Как я пришел к дискретному косинусному преобразованию". Цифровая обработка сигналов. 1 (1): 4–5. Дои:10.1016 / 1051-2004 (91) 90086-Z.
  10. ^ Ахмед, Насир; Натараджан, Т .; Рао, К. Р. (январь 1974 г.), "Дискретное косинусное преобразование", Транзакции IEEE на компьютерах, С-23 (1): 90–93, Дои:10.1109 / T-C.1974.223784
  11. ^ Рао, К.; Ип, П. (1990), Дискретное косинусное преобразование: алгоритмы, преимущества, приложения, Бостон: Academic Press, ISBN  978-0-12-580203-1
  12. ^ а б c d е "История инфографики форматов видеофайлов". RealNetworks. 22 апреля 2012 г.. Получено 5 августа 2019.
  13. ^ «CoSA Lives: история компании, стоящая за After Effects». В архиве из оригинала от 27.02.2011. Получено 2009-11-16.

внешняя ссылка