Войти
Цифровое видео - это электронное представление движущихся визуальных изображений (видео ) в виде закодированных цифровых данных. Этим он отличается от аналогового видео, которое представляет движущиеся визуальные изображения с помощью аналоговых сигналов. Цифровое видео представляет собой серию цифровых изображений, отображаемых в быстрой последовательности.
Цифровое видео было впервые коммерчески представлено в 1986 году с форматом Sony D1, который записывал несжатый сигнал стандартной четкости компонентного видео 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, при копировании аналоговых источников они испытывают потерю генерации. Цифровое видео может храниться на цифровых носителях, таких как Blu-ray Disc, на компьютерном хранилище данных или в потоковом режиме через Интернет на конечные пользователи, которые смотрят контент на экране настольного компьютера или цифрового смарт-телевизора. В повседневной практике цифровой видеоконтент, такой как телешоу и фильмы, также включает звуковую дорожку цифровой звук.
Основа для цифровых видеокамер являются датчиками изображения металл-оксид-полупроводник (MOS) . Первым практическим полупроводниковым датчиком изображения было устройство с зарядовой связью (CCD), изобретенное в 1969 году на основе технологии МОП-конденсатора. После коммерциализации ПЗС-сенсоров в конце 1970-х - начале 1980-х годов индустрия развлечений в течение следующих двух десятилетий начала постепенно переходить на цифровое изображение и цифровое видео. За ПЗС-матрицей последовал CMOS датчик с активными пикселями (CMOS-датчик ), разработанный в 1990-х.
Первые формы цифрового кодирования видео начались в 1970-х годах с несжатого импульсно-кодовой модуляции (PCM) видео, требующего высоких битрейтов между 45 –140 Мбит / с для содержимого стандартной четкости (SD). Практическое кодирование цифрового видео в конечном итоге стало возможным благодаря дискретному косинусному преобразованию (DCT), форме сжатия с потерями. 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. DCT позже станет стандартом для цифрового сжатия видео с конца 1980-х.
Первый цифровой Стандарт кодирования видео был H.120, созданный CCITT (ныне ITU-T) в 1984 году. H.120 был непрактичным из-за низкой производительности.. 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. H.261 был первым практическим стандартом кодирования видео. Начиная с H.261, сжатие DCT было принято всеми последующими основными стандартами кодирования видео.
MPEG-1, разработанный группой экспертов по кинофильму (MPEG), а затем в 1991 г., и он был разработан для сжатия видео с качеством VHS. На смену ему в 1994 году пришел MPEG-2 / H.262, который стал стандартным видеоформатом для DVD и SD цифрового телевидения. 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.
Начиная с конца 1970-х до начала 1980-х годов, несколько типов оборудования для производства видео, которое было цифровым в их внутреннюю работу. К ним относятся блоки корректоров временной развертки (TBC) и цифровых видеоэффектов (DVE). 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 годах, производители профессионального оборудования для видеовещания, такие как Bosch (через свое подразделение Fernseh ) и Ampex, разработали прототип цифровые видеомагнитофоны (VTR) в своих научно-исследовательских лабораториях. Машина Bosch использовала модифицированную 1-дюймовую видеоленту типа B и записывала раннюю форму цифрового видео CCIR 601. В прототипе цифрового видеомагнитофона Ampex использовалась модифицированная 2-дюймовая видеокассета Quadruplex VTR (Ampex AVR-3), но снабженная специальной цифровой видеоэлектроникой и специальным восьмиголовым колесом типа «octaplex» (обычный аналоговый 2 дюйма В машинах с четырьмя головками использовалось только 4 головки). Как и в стандартном 2-дюймовом квадроцикле, звук на прототипе 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 сигнал стандартной четкости компонентный видео в цифровой форме.. Для подключения компонентного видео требовалось 3 кабеля, и большинство телевизионных устройств были подключены для композитного 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, очень похожем 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. Формат D2 был успешным в индустрии телевизионного вещания в конце 80-х и 90-х годах. D2 также широко использовался в ту эпоху в качестве основного формата ленты для мастеринга лазерных дисков.
D1 и D2 в конечном итоге были заменены более дешевыми системами, использующими сжатие видео, в первую очередь Sony Digital Betacam., которые были внедрены в телестудии сети. Другими примерами цифровых видеоформатов, использующих сжатие, были Ampex DCT (первый, который использовал такие форматы, когда был представлен в 1992 году), отраслевой стандарт DV и MiniDV и его профессиональные варианты, Sony DVCAM и Panasonic DVCPRO и Betacam SX, более дешевый вариант Digital Betacam, использующий сжатие MPEG-2.
Одним из первых цифровых видеопродуктов, запускаемых на персональных компьютерах, был PACo: The PICS Animation Compiler от компании Science Art в Провиденсе, штат Род-Айленд, который был разработан, начиная с 1990 года и впервые выпущен в мае 1991 года. длительное 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.
QuickTime, мультимедийная структура Apple Computer появилась в июне 1991 года. Audio Video Interleave от Microsoft последовала в 1992 году. Первоначальные средства создания контента потребительского уровня были грубыми и требовали оцифровки аналогового видеоисточника в машиночитаемый формат. Вначале качество потребительского цифрового видео было низким, но качество потребительского цифрового видео быстро увеличивалось, во-первых, с введением таких стандартов воспроизведения, как MPEG-1 и MPEG-2 (принятые для использования в телевизионной передаче и DVD носитель), а затем введение формата ленты DV, позволяющего передавать записи в этом формате напрямую в цифровые видеофайлы с помощью порта FireWire на монтажный компьютер. Это упростило процесс, позволяя дешево и широко развернуть (NLE) на настольных компьютерах без необходимости во внешнем оборудовании для воспроизведения или записи.
Широкое распространение цифрового видео и сопутствующих форматов сжатия уменьшило полосу пропускания, необходимую для сигнала видео высокой четкости (с HDV и AVCHD, а также несколько коммерческих вариантов, таких как DVCPRO -HD, использующих меньшую полосу пропускания, чем аналоговый сигнал стандартной четкости). Эта экономия увеличила количество каналов, доступных в системах кабельного телевидения и спутникового телевидения прямого вещания, создала возможности для перераспределения спектра наземного телевидения частоты вещания, сделавшие безленточные видеокамеры на основе флэш-памяти возможными среди других инноваций и повышения эффективности.
Цифровое видео состоит из серии цифровых изображений, отображаемых в быстрой последовательности. В контексте видео эти изображения называются кадрами. Скорость отображения кадров известна как частота кадров и измеряется в кадрах в секунду (FPS). Каждый кадр является ортогональным растровым цифровым изображением и, следовательно, содержит растр пикселей. 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 глубиной цвета видео.
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 частоту полей в секунду с частотой кадров в секунду.
По своему определению, битовая скорость 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, которое влияет на качество видео . Битовая скорость является важным свойством при передаче видео, поскольку канал передачи должен поддерживать эту скорость. Скорость передачи данных также важна при хранении видео, потому что, 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 битов 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 сжатия jpeg к каждому кадру может уменьшить BPP до 8 или даже 1 бит / пиксель. Применение таких алгоритмов сжатия видео, как MPEG1, MPEG2 или MPEG4, позволяет использовать дробные значения BPP.
BPP представляет собой среднее количество битов на пиксель. Существуют алгоритмы сжатия, которые поддерживают практически постоянное значение BPP на протяжении всей продолжительности 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, 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 создает переменный битрейт , потому что он отслеживает вариации BPP.
Стандартные пленки обычно записывают со скоростью 24 кадров 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: чересстрочный и прогрессивный. 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 потерь масштабирования изображения и перекодирования. Цифровое видео можно обрабатывать и редактировать в системах, которые часто реализуются с использованием серийного компьютерного оборудования и программного обеспечения.
Стоимость цифрового видео значительно ниже, чем у 35-мм пленки. По сравнению с высокой стоимостью кинопленки, цифровые носители, используемые для цифровой видеозаписи, такие как флэш-память или жесткий диск, используемые для записи цифровых 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 качественное HDTV ) 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-распространения мультимедиа, включая потоковое видео и одноранговое распространение 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 создания 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.
Цифровое видео в реальном времени использует 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 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 вычисления точны для несжатого видео, но из-за относительно высокой скорости передачи данных 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.
Специальные цифровые видеоинтерфейсы
Интерфейсы общего назначения, используемые для передачи цифрового видео
Следующий интерфейс был разработан для передачи MPEG -транспорта сжатого видео:
Сжатое видео также передается с использованием UDP -IP через Ethernet. Для этого существует два подхода:
Другие методы передачи видео по IP
