Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья посвящена цифровым технологиям, применяемым к видео. Для получения информации о стандартном формате для хранения цифрового видео см. DV . Для использования в других целях, см Цифровое видео (значения) .

Цифровое видео - это электронное представление движущихся визуальных образов ( видео ) в виде закодированных цифровых данных . Это контрастирует с аналоговым видео , которое представляет движущиеся визуальные изображения с аналоговыми сигналами . Цифровое видео представляет собой серию цифровых изображений, отображаемых в быстрой последовательности.

Цифровое видео было впервые коммерчески представлено в 1986 году с форматом Sony D1 [1], который записывал несжатый компонентный видеосигнал стандартной четкости в цифровой форме. В дополнение к несжатым форматам, популярные сегодня сжатые цифровые видеоформаты 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 копируются аналоговые источники, они испытывают потерю генерации . Цифровое видео может храниться на цифровых носителях , таких как Blu-Ray Disc , на хранение компьютерных данных или потоковым над Интернет для конечных пользователей , которые смотрят контент на рабочем столе компьютера или экрана цифровой смарт - ТВ . В повседневной практике цифровой видеоконтент, такой как телешоу и фильмы, также включает звуковую дорожку в цифровом формате .

История [ править ]

Цифровые видеокамеры [ править ]

Дополнительная информация: цифровая кинематография , датчик изображения и видеокамера.

Основой цифровых видеокамер являются металлооксидно-полупроводниковые (МОП) датчики изображения . [2] Первым практическим полупроводниковым датчиком изображения было устройство с зарядовой связью (ПЗС), изобретенное в 1969 году [3], основанное на технологии МОП-конденсаторов . [2] После коммерциализации ПЗС-сенсоров в конце 1970-х - начале 1980-х годов индустрия развлечений в течение следующих двух десятилетий медленно начала переходить на цифровые изображения и цифровое видео. [4] За ПЗС-матрицей последовал датчик с активными пикселями CMOS (CMOS-сенсор ) [5], разработанная в 1990-х годах. [6] [7]

Кодирование цифрового видео [ править ]

Дополнительная информация: Формат кодирования видео § История

Самые ранние формы цифрового видеокодирования начались в 1970-х годах с несжатого видео с импульсно-кодовой модуляцией (PCM), требующего высоких битрейтов от 45 до 140 Мбит / с для контента стандартной четкости (SD). Практическое кодирование цифрового видео в конечном итоге стало возможным благодаря дискретному косинусному преобразованию (DCT), форме сжатия с потерями . [8] Сжатие DCT было впервые предложено Насиром Ахмедом в 1972 году, а затем разработано Ахмедом с Т. Натараджаном и К.Р. Рао в Техасском университете в 1973 году. [9] [10] [11]DCT позже станет стандартом для сжатия цифрового видео с конца 1980-х годов. [8]

Первым стандартом кодирования цифрового видео был H.120 , созданный CCITT (ныне ITU-T) в 1984 году. H.120 был непрактичным из-за низкой производительности. [12] H.120 был основан на дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (DPCM), алгоритме 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 сжатии с векторным квантованием (VQ). Стандарт H.261 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 , разработанный Группой экспертов по кинематографии (MPEG), последовавший за ним в 1991 году, был разработан для сжатия видео качества VHS . Удалось в 1994 году в формате MPEG-2 / H.262 , [12] , который стал стандартом формат видео для DVD и SD цифрового телевидения . [12] За ним последовал MPEG-4 / H.263 в 1999 году, а затем в 2003 году за ним последовал H.264 / MPEG-4 AVC , который стал наиболее широко используемым стандартом кодирования видео. [12]

Производство цифрового видео [ править ]

Начиная с конца 1970-х - начала 1980-х годов было представлено несколько типов оборудования для видеопроизводства , внутреннее функционирование которого было цифровым. К ним относятся корректоры временной развертки (TBC) [a] и блоки цифровых видеоэффектов (DVE). [b] Они работали, взяв стандартный аналоговый композитный видеовход и внутренне оцифровав его. 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, такие как Bosch (через свое подразделение Fernseh ) и Ampex, разработали прототипы цифровых видеомагнитофонов (VTR) в своих исследовательских и опытно-конструкторских лабораториях. В машине Bosch использовалась модифицированная 1-дюймовая кассета типа B и была записана ранняя форма цифрового видео CCIR 601 . В прототипе цифрового видеомагнитофона Ampex использовалась модифицированная 2-дюймовая квадруплексная видеопленка.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 аналоговый звук 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 форматом Sony D1 , который записывал несжатый компонентный видеосигнал стандартной четкости в цифровой форме. Для подключения компонентного видео требовалось 3 кабеля, и большинство телевизионных устройств были подключены к композитному видео NTSC или PAL с помощью одного кабеля. Из-за этой несовместимости, а также из-за стоимости записывающего устройства D1 использовался в основном крупными телевизионными сетями и другими видеостудиями, поддерживающими компонентное видео.

В 1988 году Sony и Ampex совместно разработали и выпустили формат цифровых видеокассет D2 , который записывал видео в цифровом виде без сжатия в формате ITU-601 , как и D1. Но D2 имел 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. Формат D2 был успешным в индустрии телевизионного вещания в конце 80-х и 90-х годах. D2 также широко использовался в ту эпоху как формат мастер-ленты для мастеринга лазерных дисков . [c]

В конечном итоге D1 и D2 будут заменены более дешевыми системами, использующими сжатие видео , в первую очередь Sony Digital Betacam [d], которые были внедрены в телевизионных студиях сети . Другими примерами цифровых видеоформатов, использующих сжатие, были DCT от Ampex (первый, который использовал такие, когда был представлен в 1992 году), отраслевые стандарты DV и MiniDV и их профессиональные варианты, Sony DVCAM и Panasonic DVCPRO и Betacam SX , более дешевый вариант. Digital Betacam с использованием сжатия MPEG-2 . [ необходима цитата ]

Одним из первых цифровых видеопродуктов, запускаемых на персональных компьютерах, был PACo: The PICS Animation Compiler от The Company of Science & Art в Провиденсе, Род-Айленд, который был разработан, начиная с 1990 года и впервые выпущен в мае 1991 года. PACo мог передавать поток неограниченной длины видео с синхронизированным звуком из одного файла (с расширением файла ".CAV" ) на CD-ROM. Для создания требовался Mac; воспроизведение было возможно на Mac, ПК и Sun SPARCstations . [13]

QuickTime , мультимедийный фреймворк Apple Computer, появился в июне 1991 года. Audio Video Interleave от Microsoft последовал в 1992 году. Первоначальные инструменты для создания контента потребительского уровня были примитивными и требовали оцифровки аналогового видеоисточника в компьютерно-читаемый формат. Хотя сначала качество потребительского цифрового видео было низким, качество потребительского цифрового видео быстро увеличивалось, сначала с введением стандартов воспроизведения, таких как MPEG-1 и MPEG-2 (принятые для использования в телевизионных передачах и DVD- носителях), а затем с появлением DV формат ленты, позволяющий передавать записи в формате напрямую в цифровые видеофайлы с помощью FireWireпорт на монтажном компьютере. Это упростило процесс, позволяя дешево и широко развертывать системы нелинейного монтажа (NLE) на настольных компьютерах без необходимости во внешнем оборудовании для воспроизведения или записи.

Широкое распространение цифрового видео и сопутствующих форматов сжатия привело к сокращению полосы пропускания, необходимой для видеосигнала высокой четкости (с HDV и AVCHD , а также с несколькими коммерческими вариантами, такими как DVCPRO -HD, все они используют меньшую полосу пропускания, чем аналоговый сигнал стандартной четкости. ). Эти сбережения увеличили количество каналов , доступных на кабельное телевидение и прямой трансляции спутниковых систем, созданных возможностей для спектра перераспределения в наземных телевизионных частот вещания, сделанные Безленточное видеокамерами на основе флэш - памяти возможно среди других инноваций и эффективности.

Обзор [ править ]

Цифровое видео представляет собой серию цифровых изображений, отображаемых в быстрой последовательности. В контексте видео эти изображения называются кадрами . [e] Скорость отображения кадров называется частотой кадров и измеряется в кадрах в секунду (FPS). Каждый кадр представляет собой ортогональное растровое цифровое изображение и, следовательно, содержит растр пикселей . У пикселей есть только одно свойство - их цвет. Цвет пикселя представлен фиксированным числом бит. Чем больше битов, тем более тонкие вариации цветов могут быть воспроизведены. Это называется глубиной цвета видео.

Переплетение [ править ]

В чересстрочном видео каждый кадр состоит из двух половин изображения. Первая половина содержит только строки с нечетными номерами полного кадра. Вторая половина содержит только четные строки. Эти половинки по отдельности называются полями . 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 скорость полей в секунду с частотой кадров в секунду.

Битрейт и BPP [ править ]

По определению, битрейт - это мера скорости информационного содержания цифрового видеопотока. В случае несжатого видео битрейт напрямую соответствует качеству видео, так как битрейт пропорционален каждому свойству, влияющему на качество видео . Скорость передачи данных является важным свойством при передаче видео, поскольку канал передачи должен поддерживать эту скорость передачи данных. Битрейт также важен при хранении видео, потому что, как показано выше, размер видео пропорционален битрейту и продолжительности. Сжатие видео используется для значительного снижения скорости передачи данных при меньшем влиянии на качество.

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

Постоянный битрейт по сравнению с переменным битрейтом [ править ]

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

Технический обзор [ править ]

Стандартные кинопленки обычно записывают со скоростью 24 кадра в секунду . Для видео существует два стандарта частоты кадров: NTSC , 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 имеют два разных формата захвата изображения: чересстрочную и прогрессивную развертку . 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 полем., а последовательное соединение двух полей противоположной четности называется кадром . 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 потери генерации, что ухудшает качество аналоговых систем. Однако изменение таких параметров, как размер кадра или изменение цифрового формата, может снизить качество видео из-за масштабирования изображения и потерь при перекодировании . Цифровое видео можно обрабатывать и редактировать в системах нелинейного монтажа, которые часто реализуются с использованием стандартного компьютерного оборудования и программного обеспечения.

Цифровое видео имеет значительно меньшую стоимость, чем 35-мм пленка. По сравнению с высокой стоимостью кинопленки , цифровые носители, используемые для цифровой видеозаписи, такие как флэш-память или жесткий диск , используемые для записи цифрового видео, очень недороги. 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 HDTV более высокого качества ) было введено в большинстве развитых стран в начале 2000-х годов. Цифровое видео используется в современных мобильных телефонах и системах видеоконференцсвязи . Цифровое видео используется для интернет - распределения средств массовой информации, в том числе потоковое видео и равный-равному распределению фильмов.

Существует множество типов сжатия видео 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 год максимальное разрешение, продемонстрированное для генерации цифрового видео, составляет 35 мегапикселей (8192 x 4320). Наивысшая скорость достигается в промышленных и научных высокоскоростных камерах , которые способны снимать видео 1024x1024 со скоростью до 1 миллиона кадров в секунду в течение коротких периодов записи.

Свойства [ править ]

Живое цифровое видео потребляет полосу 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 умножением на количество пикселей в изображении. Пропускная способность определяется путем умножения требований к хранению 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 несжатого видео, но из-за относительно высокой скорости передачи несжатого видео широко используется сжатие видео . 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 учитывать средний коэффициент сжатия для всех кадров вместе.

Интерфейсы и кабели [ править ]

Специальные цифровые видеоинтерфейсы

  • Цифровое компонентное видео
  • Цифровой визуальный интерфейс (DVI)
  • DisplayPort
  • HDBaseT
  • Мультимедийный интерфейс высокой четкости (HDMI)
  • Последовательный цифровой интерфейс (SDI)
  • Единый интерфейс дисплея

Универсальные интерфейсы для передачи цифрового видео

  • FireWire (IEEE 1394)
  • Универсальная последовательная шина (USB)

Для передачи сжатого видео MPEG -Transport был разработан следующий интерфейс :

  • DVB - ASI

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

  • Использование RTP в качестве оболочки для видеопакетов, как в SMPTE 2022
  • 1–7 Транспортные пакеты MPEG помещаются непосредственно в пакет UDP.

Другие способы передачи видео по IP

  • Интерфейс сетевого устройства
  • SMPTE 2110

Форматы хранения [ править ]

Кодировка [ править ]

Смотрите также: формат кодирования видео и видео кодек
  • CCIR 601 используется для вещательных станций
  • MPEG-4 хорош для онлайн-распространения больших видео и видеозаписей, записанных на флэш-память
  • MPEG-2 используется для DVD, Super-VCD и многих форматов телевещания.
  • MPEG-1, используемый для видео компакт-дисков
  • H.261
  • H.263
  • H.264, также известный как MPEG-4 Part 10 или AVC , используется для дисков Blu-ray и некоторых форматов телевещания.
  • Теора использовалась для видео в Википедии

Ленты [ править ]

Основная статья: Видеокассета
  • Betacam SX , Betacam IMX , Digital Betacam или DigiBeta - коммерческие видеосистемы от Sony , основанные на оригинальной технологии Betamax
  • D-VHS - данные в формате MPEG-2, записанные на ленту аналогично S-VHS
  • D1 , D2 , D3 , D5 , D9 (также известный как Digital-S) - различные коммерческие стандарты цифрового видео SMPTE
  • Digital8 - данные в формате DV, записанные на Hi8- совместимые кассеты; в основном потребительский формат
  • DV , MiniDV - используются в большинстве современных бытовых видеокамер с видеопленками; разработан для качественного и удобного редактирования; также может записывать данные высокой четкости ( HDV ) в формате MPEG-2
  • DVCAM , DVCPRO - используются в профессиональном вещании; похож на DV, но обычно считается более надежным; хотя эти форматы совместимы с DV, они лучше обрабатывают звук.
  • DVCPRO 50, DVCPRO HD поддерживают более высокую полосу пропускания по сравнению с DVCPRO от Panasonic.
  • HDCAM был представлен Sony как альтернатива DigiBeta высокого разрешения.
  • 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 [ править ]

См. Также: Оптический диск
  • Диск Blu-ray
  • DVD
  • VCD

См. Также [ править ]

  • Цифровое аудио
  • Цифровая кинематография
  • Указатель статей по видео
  • Интернет-видео
  • Платформа онлайн-видео
  • Формат кодирования видео
  • Программное обеспечение для редактирования видео
  • Вебкамера

Заметки [ править ]

  1. ^ Например,цифровой видеопроцессор Thomson-CSF 9100, полностью цифровой полнокадровый TBC, представленный в 1980 году.
  2. ^ Например, Ampex ADO и Nippon Electric Corporation (NEC) DVE.
  3. ^ До D2 большинство лазерных дисков записывалось с использованием аналоговой 1-дюймовой видеокассеты типа C.
  4. ^ Digital Betacam по-прежнему широко используетсяпрофессиональными телевизионными продюсерами в качестве формата записидля электронного полевого производства (EFP).
  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.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Неизвестно (04.12.2013). «Медиа-продакшн: понимание видеотехнологий» . Медиа Производство . Проверено 10 июня 2019 .
  2. ^ a b Уильямс, JB (2017). Революция в электронике: изобретение будущего . Springer. С. 245–8. ISBN 9783319490885.
  3. ^ Джеймс Р. Джейнсик (2001). Научные приборы 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, ДБ (2014). "Обзор закрепленного фотодиода для датчиков изображения CCD и CMOS" . Журнал IEEE Общества электронных устройств . 2 (3): 33–43. DOI : 10,1109 / JEDS.2014.2306412 .
  7. ^ Фоссум, Eric R. (12 июля 1993). 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 . DOI : 10.1117 / 12.148585 . S2CID 10556755 .  
  8. ^ a b 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. DOI : 10.1016 / 1051-2004 (91) 90086-Z .
  10. ^ Ахмед, Насир ; Натараджан, Т .; Рао, КР (январь 1974), "дискретного косинусного преобразования", IEEE Transactions на компьютерах , C-23 (1): 90-93, DOI : 10,1109 / TC.1974.223784
  11. ^ Рао, КР ; Ип П. (1990), Дискретное косинусное преобразование: алгоритмы, преимущества, приложения , Бостон: Academic Press, ISBN 978-0-12-580203-1
  12. ^ a b c d e "История инфографики форматов видеофайлов" . RealNetworks . 22 апреля 2012 . Дата обращения 5 августа 2019 .
  13. ^ «CoSA Lives: история компании, стоящей за After Effects» . Архивировано 27 февраля 2011 года . Проверено 16 ноября 2009 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Форматы DV, DVCAM и DVCPRO - технические подробности, часто задаваемые вопросы и ссылки
  • Стандартные форматы цифрового ТВ и видео.