Цифровое видео — это электронное представление движущихся визуальных изображений ( видео ) в виде закодированных цифровых данных . Это отличается от аналогового видео , которое представляет движущиеся визуальные изображения в виде аналоговых сигналов . Цифровое видео состоит из серии цифровых изображений, отображаемых в быстрой последовательности, обычно со скоростью 24, 25, 30 или 60 кадров в секунду . Цифровое видео имеет много преимуществ, таких как простота копирования, многоадресной передачи, совместного использования и хранения.
Цифровое видео впервые было представлено коммерчески в 1986 году с форматом Sony D1 , который записывал несжатый компонентный видеосигнал стандартной четкости в цифровом виде. В дополнение к несжатым форматам , популярные сжатые цифровые видеоформаты сегодня включают MPEG-2 , H.264 и AV1 . Современные стандарты межсоединений, используемые для воспроизведения цифрового видео, включают HDMI , DisplayPort , цифровой визуальный интерфейс (DVI) и последовательный цифровой интерфейс (SDI).
Цифровое видео можно копировать и воспроизводить без ухудшения качества. Напротив, при копировании аналоговых источников происходит потеря генерации . Цифровое видео можно хранить на цифровых носителях, таких как Blu-ray Disc , на компьютерных хранилищах данных или транслировать через Интернет конечным пользователям , которые смотрят контент на экране персонального компьютера или мобильного устройства или цифрового смарт-телевизора . Сегодня цифровой видеоконтент, такой как телешоу и фильмы, также включает в себя цифровую звуковую дорожку.
Основой цифровых видеокамер являются датчики изображения на основе металл-оксид-полупроводника (МОП) . [1] Первым практическим полупроводниковым датчиком изображения был прибор с зарядовой связью (ПЗС), изобретенный в 1969 году [2] Уиллардом С. Бойлом, который получил Нобелевскую премию за свою работу в области физики. [3] После коммерциализации ПЗС-датчиков в конце 1970-х — начале 1980-х годов индустрия развлечений медленно начала переходить к цифровым изображениям и цифровому видео с аналогового видео в течение следующих двух десятилетий. [4] За ПЗС последовал датчик с активными пикселями КМОП ( датчик КМОП ), [5] разработанный в 1990-х годах. [6] [7]
Крупные фильмы [a], снятые на цифровое видео, обогнали снятые на пленку в 2013 году. С 2016 года более 90% крупных фильмов были сняты на цифровое видео. [8] [9] По состоянию на 2017 год [обновлять]92% фильмов сняты на цифру. [10] Только 24 крупных фильма, выпущенных в 2018 году, были сняты на 35 мм. [11] Сегодня камеры таких компаний, как Sony , Panasonic , JVC и Canon, предлагают широкий выбор для съемки видео высокой четкости. В верхнем сегменте рынка появились камеры, нацеленные специально на рынок цифрового кино. Эти камеры от Sony , Vision Research , Arri , Blackmagic Design , Panavision , Grass Valley и Red предлагают разрешение и динамический диапазон , которые превосходят разрешение и динамический диапазон традиционных видеокамер, которые предназначены для ограниченных потребностей вещательного телевидения . [12]
В 1970-х годах импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) побудила к рождению цифрового видеокодирования , требуя высоких скоростей передачи данных 45-140 Мбит/с для контента стандартной четкости (SD). К 1980-м годам дискретное косинусное преобразование (ДКП) стало стандартом для сжатия цифрового видео . [13]
Первым стандартом цифрового кодирования видео был H.120 , созданный (Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии) или CCITT (теперь ITU-T) в 1984 году. H.120 не был практичным из-за слабой производительности. [14] H.120 был основан на дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (DPCM), алгоритме сжатия, 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, [15] став первым практическим стандартом кодирования видео. [14] Начиная с H.261, сжатие DCT было принято всеми основными стандартами кодирования видео, которые последовали за ним. [15]
MPEG-1 , разработанный Motion Picture Experts Group (MPEG), последовал в 1991 году и был разработан для сжатия видео VHS -качества. В 1994 году ему на смену пришел MPEG-2 / H.262 , [14] который стал стандартным видеоформатом для DVD и цифрового телевидения SD . [14] За ним в 1999 году последовал MPEG-4 , а затем в 2003 году за ним последовал H.264/MPEG-4 AVC , который стал наиболее широко используемым стандартом кодирования видео. [16]
Формат видеокодирования текущего поколения — HEVC (H.265), представленный в 2013 году. В то время как AVC использует целочисленное DCT с размерами блоков 4x4 и 8x8, HEVC использует целочисленные преобразования DCT и DST с различными размерами блоков от 4x4 до 32x32. [17] HEVC сильно запатентован, причем большинство патентов принадлежит Samsung Electronics , GE , NTT и JVC Kenwood . [18] В настоящее время ему бросает вызов формат AV1 , нацеленный на свободное лицензирование . По состоянию на 2019 год [обновлять]AVC является наиболее часто используемым форматом для записи, сжатия и распространения видеоконтента, его используют 91% разработчиков видео, за ним следует HEVC, который используют 43% разработчиков. [19]
Начиная с конца 1970-х и до начала 1980-х годов было представлено оборудование для видеопроизводства , которое было цифровым по своей внутренней работе. К ним относились корректоры временной развертки (TBC) [b] и блоки цифровых видеоэффектов (DVE). [c] Они работали, принимая стандартный аналоговый композитный видеовход и оцифровывая его внутри. Это упрощало либо исправление, либо улучшение видеосигнала, как в случае TBC, либо манипулирование и добавление эффектов к видео, в случае блока DVE. Оцифрованная и обработанная видеоинформация затем преобразовывалась обратно в стандартное аналоговое видео для вывода.
Позже, в 1970-х годах, производители профессионального видеовещательного оборудования, такие как Bosch (через свое подразделение Fernseh ) и Ampex, разработали прототипы цифровых видеомагнитофонов (VTR) в своих научно-исследовательских лабораториях. Машина Bosch использовала модифицированный 1-дюймовый транспорт видеоленты типа B и записывала раннюю форму цифрового видео CCIR 601. Прототип цифрового видеомагнитофона Ampex использовал модифицированный 2-дюймовый квадруплексный видеомагнитофон (Ampex AVR-3), оснащенный специальной цифровой видеоэлектроникой и специальным октаплексным 8-головочным колесом (обычные аналоговые 2-дюймовые квадромашины использовали только 4 головки). Как и стандартная 2-дюймовая квадромашина, аудио на прототипе цифровой машины Ampex, прозванной разработчиками «Энни» , по-прежнему записывало звук в аналоговом виде в виде линейных дорожек на ленте. Ни одна из этих машин этих производителей никогда не продавалась на коммерческой основе.
Цифровое видео впервые было представлено коммерчески в 1986 году с форматом Sony D1 , который записывал несжатый компонентный видеосигнал стандартной четкости в цифровом виде. Для компонентных видеоподключений требовалось 3 кабеля, но большинство телевизионных установок были подключены для композитного видео NTSC или PAL с использованием одного кабеля. Из-за этой несовместимости и стоимости рекордера, D1 использовался в основном крупными телевизионными сетями и другими видеостудиями, поддерживающими компонентное видео.
В 1988 году Sony и Ampex совместно разработали и выпустили цифровой видеоформат D2 , который записывал видео в цифровом виде без сжатия в формате ITU-601 , во многом похожем на D1. Для сравнения, D2 имел главное отличие в кодировании видео в композитной форме в стандарте NTSC, тем самым требуя только однокабельного композитного видеоподключения к и от видеомагнитофона D2. Это сделало его идеальным для большинства телевизионных объектов того времени. D2 был успешным форматом в индустрии телевизионного вещания в конце 80-х и 90-х годах. D2 также широко использовался в ту эпоху в качестве формата мастер-ленты для мастеринга лазерных дисков . [d]
D1 и D2 в конечном итоге были заменены более дешевыми системами, использующими сжатие видео, в первую очередь Digital Betacam от Sony, которые были введены в телевизионные студии сети . Другими примерами цифровых видеоформатов, использующих сжатие, были DCT от Ampex (первый, использовавший такое, когда был представлен в 1992 году), отраслевые стандарты DV и MiniDV и их профессиональные вариации, DVCAM от Sony и DVCPRO от Panasonic , а также Betacam SX , более дешевый вариант Digital Betacam, использующий сжатие MPEG-2. [20]
Одним из первых цифровых видеопродуктов, работавших на персональных компьютерах, был PACo: The PICS Animation Compiler от The Company of Science & Art в Провиденсе, Род-Айленд. Он разрабатывался с 1990 года и впервые был поставлен в мае 1991 года. PACo мог транслировать видео неограниченной длины с синхронизированным звуком из одного файла (с расширением файла .CAV ) на CD-ROM. Для создания требовался Mac, а воспроизведение было возможно на Mac, PC и Sun SPARCstations . [21]
QuickTime , мультимедийная платформа Apple Computer , была выпущена в июне 1991 года. Audio Video Interleave от Microsoft последовал в 1992 году. Первоначальные инструменты создания контента на уровне потребителя были грубыми, требуя оцифровки аналогового видеоисточника в формат, читаемый компьютером. Хотя поначалу качество было низким, качество потребительского цифрового видео быстро росло, сначала с введением стандартов воспроизведения, таких как MPEG-1 и MPEG-2 (принятых для использования в телевизионных передачах и на DVD-носителях), и введением формата ленты DV , позволяющего переносить записи в этом формате непосредственно в цифровые видеофайлы с помощью порта FireWire на компьютере для редактирования. Это упростило процесс, позволив дешево и широко развернуть системы нелинейного монтажа (NLE) на настольных компьютерах без необходимости внешнего оборудования для воспроизведения или записи.
Широкое распространение цифрового видео и сопутствующих форматов сжатия сократило полосу пропускания, необходимую для видеосигнала высокой четкости (с HDV и AVCHD , а также несколькими профессиональными форматами, такими как XDCAM , все они используют меньшую полосу пропускания, чем аналоговый сигнал стандартной четкости). Эта экономия увеличила количество каналов, доступных на кабельном телевидении и системах спутникового вещания , создала возможности для перераспределения спектра частот наземного телевизионного вещания и сделала возможными безленточные видеокамеры на основе флэш-памяти , среди других инноваций и повышения эффективности.
В культурном плане цифровое видео позволило видео и фильмам стать широкодоступными и популярными, полезными для развлечений, образования и исследований. [22] Цифровое видео становится все более распространенным в школах, и ученики и учителя проявляют интерес к изучению того, как использовать его соответствующим образом. [23] Цифровое видео также имеет применение в здравоохранении, позволяя врачам отслеживать частоту сердечных сокращений у младенцев и уровень кислорода. [24]
Кроме того, переход с аналогового на цифровое видео повлиял на медиа различными способами, например, на то, как компании используют камеры для наблюдения. Замкнутое телевидение (CCTV) перешло на использование цифровых видеорегистраторов (DVR), что поставило вопрос о том, как хранить записи для сбора доказательств. Сегодня цифровое видео можно сжимать , чтобы экономить место на диске. [25]
Цифровое телевидение (DTV) — это производство и передача цифрового видео из сетей потребителям. Эта технология использует цифровое кодирование вместо аналоговых сигналов, которые использовались до 1950-х годов. [26] По сравнению с аналоговыми методами, DTV быстрее и предоставляет больше возможностей и вариантов для передачи и распространения данных. [27]
Корни цифрового телевидения связаны с доступностью недорогих, высокопроизводительных компьютеров . Только в 1990-х годах цифровое телевидение стало реальной возможностью. [28] Ранее цифровое телевидение было практически неосуществимо из-за непрактично высоких требований к полосе пропускания несжатого видео , [29] требуя около 200 Мбит/с для сигнала телевидения стандартной четкости (SDTV), [30] [31] и более 1 Гбит/с для телевидения высокой четкости (HDTV). [29] [32]
Цифровое видео состоит из серии цифровых изображений, отображаемых в быстрой последовательности. В контексте видео эти изображения называются кадрами . [e] Скорость, с которой отображаются кадры, известна как частота кадров и измеряется в кадрах в секунду . Каждый кадр является цифровым изображением и, таким образом, включает формирование пикселей . Цвет пикселя представлен фиксированным числом бит этого цвета, где информация о цвете хранится в изображении. [33] Например, 8-битный захватывает 256 уровней на канал, а 10-битный захватывает 1024 уровня на канал. [34] Чем больше бит, тем более тонкие вариации цветов могут быть воспроизведены. Это называется глубиной цвета или битовой глубиной видео.
В чересстрочном видео каждый кадр состоит из двух половин изображения. Первая половина содержит только нечетные строки полного кадра. Вторая половина содержит только четные строки. Эти половины 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, хотя обе части чересстрочного видео, кадры в секунду и поля в секунду, являются отдельными числами.
По определению, битрейт — это измерение скорости информационного содержания из цифрового видеопотока. В случае несжатого видео битрейт напрямую соответствует качеству видео, поскольку битрейт пропорционален каждому свойству, которое влияет на качество видео . Битрейт является важным свойством при передаче видео, поскольку канал передачи должен быть способен поддерживать этот битрейт. Битрейт также важен при хранении видео, поскольку, как показано выше, размер видео пропорционален битрейту и продолжительности. Сжатие видео используется для значительного снижения битрейта, при этом оказывая незначительное влияние на качество. [35]
Биты на пиксель (BPP) — это мера 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 уменьшить BPP до 8 или даже 1 бит/пиксель. Применение алгоритмов сжатия видео, таких как MPEG1 , MPEG2 или MPEG4, позволяет существовать дробным значениям BPP.
BPP представляет собой среднее количество бит на пиксель. Существуют алгоритмы сжатия, которые поддерживают BPP практически постоянным 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 видеоконференциях). Поскольку не все кадры могут быть сжаты на одном уровне, поскольку качество сильнее страдает для сцен высокой сложности, некоторые алгоритмы пытаются постоянно регулировать BPP. Они поддерживают BPP высоким при сжатии сложных сцен и низким для менее требовательных сцен. [36] Таким образом, он обеспечивает наилучшее качество при наименьшей средней скорости передачи данных (и наименьшем размере файла, соответственно). Этот метод создает переменный битрейт , поскольку он отслеживает изменения BPP.
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 полей в секунду), и PAL , 25 кадров в секунду (50 полей в секунду). Цифровые видеокамеры выпускаются в двух различных форматах захвата изображения: с чересстрочной и прогрессивной разверткой . Чересстрочные камеры записывают изображение в чередующихся наборах строк: сканируются нечетные строки, затем сканируются четные строки, затем снова сканируются нечетные строки и т. д.
Один набор нечетных или четных строк называется полем , а последовательное спаривание двух полей противоположной четности называется кадром . Камеры с прогрессивной разверткой записывают все строки в каждом кадре как единое целое. Таким образом, чересстрочное видео фиксирует движение сцены в два раза чаще, чем прогрессивное видео при той же частоте кадров. Прогрессивная развертка обычно создает немного более четкое изображение, однако движение может быть не таким плавным, как у чересстрочного видео.
Цифровое видео можно копировать без потери генерации; что ухудшает качество в аналоговых системах. Однако изменение параметров, таких как размер кадра, или изменение цифрового формата может ухудшить качество видео из-за потерь масштабирования изображения и транскодирования . Цифровое видео можно обрабатывать и редактировать в системах нелинейного монтажа .
Цифровое видео имеет значительно более низкую стоимость, чем 35-мм пленка. По сравнению с высокой стоимостью кинопленки , цифровые носители, используемые для цифровой видеозаписи, такие как флэш-память или жесткий диск , очень недороги. Цифровое видео также позволяет просматривать отснятый материал на месте без дорогостоящей и длительной химической обработки, необходимой для пленки. Сетевая передача цифрового видео делает ненужной физическую доставку лент и катушек с пленкой.
Цифровое телевидение (включая более качественное HDTV ) было представлено в большинстве развитых стран в начале 2000-х годов. Сегодня цифровое видео используется в современных мобильных телефонах и системах видеоконференций . Цифровое видео используется для распространения медиа в Интернете , включая потоковое видео и пиринговое распространение фильмов.
Существует множество типов сжатия видео для обслуживания цифрового видео через Интернет и на оптических дисках. Размеры файлов цифрового видео, используемых для профессионального редактирования, как правило, непрактичны для этих целей, и видео требует дальнейшего сжатия кодеками для использования в развлекательных целях.
По состоянию на 2017 год [обновлять], самое высокое разрешение изображения , продемонстрированное для цифрового видео, составляет 132,7 мегапикселя (15360 x 8640 пикселей). Самая высокая 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 потребляет полосу пропускания. Записанное цифровое видео потребляет хранилище данных. Объем требуемой полосы пропускания или хранилища определяется размером кадра, глубиной цвета и частотой кадров. Каждый пиксель потребляет количество бит, определяемое глубиной цвета. Данные, необходимые для представления кадра данных, определяются путем умножения на количество пикселей в изображении. Полоса пропускания определяется путем умножения требования к хранению для кадра на частоту кадров. Общие требования к хранению для программы затем можно определить путем умножения полосы пропускания на длительность программы.
Эти расчеты 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 лишь небольшой процент исходных битов. Это снижает потребление данных или полосы пропускания в 5–12 раз при использовании сжатия без потерь , но чаще используется сжатие с потерями из-за снижения потребления данных в 20–200 раз. [37] [ не удалось проверить ] Обратите внимание, что не обязательно, чтобы все кадры были одинаково сжаты на один и тот же процент. Вместо этого рассмотрите средний коэффициент сжатия для всех кадров, взятых вместе.
Специализированные цифровые видеоинтерфейсы
Интерфейсы общего назначения, используемые для передачи цифрового видео
Для передачи сжатого видео MPEG -Transport был разработан следующий интерфейс :
Сжатое видео также передается с использованием UDP - IP через Ethernet . Для этого существуют два подхода:
Другие методы передачи видео по IP
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )