Цифровое видео — это электронное представление движущихся визуальных изображений ( видео ) в виде закодированных цифровых данных . В этом отличие от аналогового видео , которое представляет движущиеся визуальные изображения в виде аналоговых сигналов . Цифровое видео представляет собой серию цифровых изображений, отображаемых в быстрой последовательности, обычно со скоростью 24, 30 или 60 кадров в секунду . Цифровое видео имеет множество преимуществ, таких как простота копирования, многоадресной рассылки, совместного использования и хранения.
Цифровое видео было впервые коммерчески представлено в 1986 году в формате Sony D1 , который записывал несжатый компонентный видеосигнал стандартной четкости в цифровой форме. Помимо несжатых форматов , популярные сегодня форматы сжатого цифрового видео включают MPEG-2 , H.264 и AV1 . Современные стандарты межсоединения, 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 возникают потери генерации . Цифровое видео можно хранить на цифровых носителях, таких как диски Blu-ray , в компьютерных хранилищах данных или передавать в потоковом режиме через Интернет конечным пользователям , которые смотрят контент на экране персонального компьютера, мобильного устройства или цифрового смарт-телевизора . Сегодня цифровой видеоконтент, такой как телепередачи и фильмы, также включает в себя цифровую звуковую дорожку.
Основой цифровых видеокамер являются датчики изображения металл-оксид-полупроводник (МОП) . [1] Первым практическим полупроводниковым датчиком изображения было устройство с зарядовой связью (ПЗС), изобретенное в 1969 году [2] Уиллардом С. Бойлем, получившим Нобелевскую премию за свои работы в области физики. [3] После коммерциализации ПЗС-сенсоров в конце 1970-х - начале 1980-х годов индустрия развлечений в течение следующих двух десятилетий постепенно начала переходить к цифровому изображению и цифровому видео с аналогового видео. [4] За ПЗС-сенсором последовал CMOS- сенсор с активными пикселями ( CMOS-сенсор ), [5] разработанный в 1990-х годах. [6] [7]
В 2013 году основные фильмы [а] , снятые на цифровое видео, обогнали фильмы, снятые на пленку. С 2016 года более 90% основных фильмов были сняты на цифровое видео. [8] [9] По состоянию на 2017 год [обновлять]92% фильмов снимаются в цифровом формате. [10] Всего 24 крупных фильма, выпущенных в 2018 году, были сняты на 35-мм пленку. [11] Сегодня камеры таких компаний, как Sony , Panasonic , JVC и Canon, предлагают множество возможностей для съемки видео высокой четкости. В верхнем сегменте рынка появились камеры, специально предназначенные для рынка цифрового кино. Эти камеры от Sony, Vision Research , Arri , Silicon Imaging , Panavision , Grass Valley и Red предлагают разрешение и динамический диапазон , которые превосходят традиционные видеокамеры, которые предназначены для ограниченных потребностей вещательного телевидения . [12]
В 1970-х годах импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) привела к рождению цифрового видеокодирования , требующего высоких скоростей передачи данных 45–140 Мбит/с для контента стандартной четкости (SD). К 1980-м годам дискретное косинусное преобразование (DCT) стало стандартом сжатия цифрового видео . [13]
Первым стандартом кодирования цифрового видео был H.120 , созданный (Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии) или CCITT (ныне ITU-T) в 1984 году. H.120 был непрактичен из-за слабых характеристик. [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 векторного квантования (VQ). Стандарт H.261 был разработан на основе сжатия DCT [15] и стал первым практическим стандартом кодирования видео. [14] Начиная с H.261, сжатие DCT было принято всеми последующими основными стандартами кодирования видео. [15]
MPEG-1 , разработанный Группой экспертов по кинематографии (MPEG), появился в 1991 году и предназначался для сжатия видео качества VHS . На смену ему в 1994 году пришел MPEG-2 / H.262 , [14] который стал стандартным видеоформатом для цифрового телевидения DVD и SD . [14] За ним последовал MPEG-4 в 1999 году, а затем в 2003 году за ним последовал H.264/MPEG-4 AVC , который стал наиболее широко используемым стандартом кодирования видео. [16]
Формат кодирования видео 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 широко запатентован, причем большинство патентов принадлежат Samsung Electronics , GE , NTT и JVC Kenwood . [18] В настоящее время ему бросает вызов формат AV1 , имеющий свободную лицензию . По состоянию на 2019 год [обновлять]AVC является наиболее часто используемым форматом для записи, сжатия и распространения видеоконтента, используемым 91% разработчиков видео, за ним следует HEVC, который используется 43% разработчиков. [19]
С конца 1970-х по начало 1980-х годов было представлено оборудование для видеопроизводства , которое было цифровым по своей внутренней работе. К ним относятся корректоры временной развертки (TBC) [b] и блоки цифровых видеоэффектов (DVE). [c] Они действовали, взяв стандартный аналоговый композитный видеовход и оцифровав его внутри компании. Это облегчило корректировку или улучшение видеосигнала, как в случае TBC, или манипулирование и добавление эффектов к видео, как в случае устройства DVE. Оцифрованная и обработанная видеоинформация затем преобразовывалась 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 , в своих научно-исследовательских лабораториях разработали прототипы цифровых видеомагнитофонов (VTR). Машина Боша использовала модифицированную 1-дюймовую видеоленту типа B и записывала раннюю форму цифрового видео CCIR 601 . В прототипе цифрового видеомагнитофона Ampex использовался модифицированный 2-дюймовый квадруплексный видеомагнитофон (Ampex AVR-3), оснащенный специальной цифровой видеоэлектроникой и специальным октаплексным головным колесом с 8 головками (в обычных аналоговых 2-дюймовых счетверенных машинах использовалось только 4 головки). Как и в стандарте, 2-дюймовый четверной звук на прототипе цифровой машины Ampex, прозванной разработчиками « Энни» , по-прежнему записывал 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 было впервые представлено на коммерческой основе в 1986 году в формате Sony D1 , который записывал несжатый компонентный видеосигнал стандартной четкости в цифровой форме. Для подключения компонентного видео требовалось 3 кабеля, но большинство телевизионных устройств были подключены для композитного видео NTSC или PAL с использованием одного кабеля. Из-за этой несовместимости 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 формат цифровой видеокассеты D2 , который записывал видео в цифровом виде без сжатия в формате ITU-601 , очень похоже на D1. Для сравнения, D2 имел основное отличие в кодировании видео в композитной форме от стандарта NTSC, поэтому требовалось только однокабельное соединение композитного видео с видеомагнитофоном D2. Это делало его идеальным для большинства телевизионных установок того времени. D2 был успешным форматом в индустрии телевещания в конце 80-х и 90-х годах. D2 также широко использовался в ту эпоху в качестве формата мастер-ленты для мастеринга лазерных дисков . [д]
D1 и D2 в конечном итоге будут заменены более дешевыми системами, использующими сжатие видео, в первую очередь Digital Betacam от Sony , [e] которые были внедрены в телевизионных студиях сети . Другими примерами форматов цифрового видео, использующих сжатие, были DCT от Ampex (первый, который использовал его, когда он 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 с использованием сжатия MPEG-2. [20]
Одним из первых цифровых видеопродуктов, работавших на персональных компьютерах, был PACo: The PICS Animation Compiler от компании Science & Art в Провиденсе, Род-Айленд. Он был разработан в 1990 году и впервые выпущен в мае 1991 года. PACo могла передавать потоковое видео неограниченной длины с синхронизированным звуком из одного файла (с расширением файла .CAV ) на компакт-диске. Для создания требовался Mac, а воспроизведение было возможно на Mac, ПК и станциях Sun SPARC . [21]
QuickTime , мультимедийная платформа Apple Computer , была выпущена в июне 1991 года. В 1992 году последовала Audio Video Interleave от Microsoft . Первоначальные инструменты создания контента потребительского уровня были грубыми и требовали оцифровки аналогового видеоисточника до формата, читаемого компьютером. Поначалу качество потребительского цифрового видео было низким, но его качество быстро росло, сначала с введением таких стандартов воспроизведения, как MPEG-1 и MPEG-2 (принятых для использования в телевизионных передачах и DVD-носителях), а также с появлением ленты DV . формат, позволяющий передавать записи в этом формате непосредственно в цифровые видеофайлы с помощью порта FireWire на монтажном компьютере. Это упростило процесс, позволив дешево и широко развертывать системы нелинейного монтажа (NLE) на настольных компьютерах без необходимости внешнего оборудования для воспроизведения или записи.
Широкое распространение цифрового видео и сопутствующих форматов сжатия уменьшило полосу пропускания , необходимую для видеосигнала высокой четкости (с HDV и AVCHD , а также с несколькими коммерческими вариантами, такими как DVCPRO -HD, все из которых используют меньшую полосу пропускания, чем аналоговый сигнал стандартной четкости). ). Эта экономия позволила увеличить количество каналов, доступных в кабельном телевидении и спутниковых системах прямого вещания, создать возможности для перераспределения спектра частот наземного телевизионного вещания и сделать возможными безленточные видеокамеры на основе флэш-памяти , а также другие инновации и повышение эффективности.
В культурном отношении цифровое видео позволило видео и фильмам стать широко доступными и популярными, что принесло пользу развлечениям, образованию и исследованиям. [22] Цифровое видео становится все более распространенным в школах, и учащиеся и учителя проявляют интерес к тому, как правильно его использовать. [23] Цифровое видео также применяется в сфере здравоохранения, позволяя врачам отслеживать частоту сердечных сокращений младенцев и уровень кислорода. [24]
Кроме того, переход от аналогового к цифровому видео по-разному повлиял на средства массовой информации, например, на то, как предприятия 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 для экономии места для хранения. [25]
Цифровое телевидение (ЦТВ) — это производство и передача цифрового видео из сетей потребителям. Этот метод использует цифровое кодирование вместо аналоговых сигналов, использовавшихся до 1950-х годов. [26] По сравнению с аналоговыми методами, цифровое телевидение работает быстрее и предоставляет больше возможностей и возможностей для передачи и обмена данными. [27]
Корни цифрового телевидения связаны с доступностью недорогих, высокопроизводительных компьютеров . Лишь в 1990-х годах цифровое телевидение стало реальной возможностью. [28] Раньше цифровое телевидение было практически неосуществимо из-за непрактично высоких требований к пропускной способности несжатого видео , [29] требовалось 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 . [f] Скорость отображения кадров называется частотой кадров и измеряется в кадрах в секунду . Каждый кадр представляет собой цифровое изображение и поэтому включает в себя набор пикселей . Цвет пикселя представлен фиксированным количеством битов этого цвета, где информация о цвете хранится в изображении. [33] Например, 8-битный формат захватывает 256 уровней на канал, а 10-битный — 1024 уровня на канал. [34] Чем больше битов, 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 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, хотя обе части чересстрочного видео, кадры в секунду и поля в секунду — это отдельные числа.
По определению, битрейт — это измерение скорости информационного контента цифрового видеопотока. В случае несжатого видео скорость передачи данных напрямую соответствует качеству видео, поскольку скорость передачи данных пропорциональна каждому свойству, влияющему на качество видео . Скорость передачи данных является важным свойством при передаче видео, поскольку канал передачи должен поддерживать эту скорость передачи данных. 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, практически не влияя на качество. [35]
Биты на пиксель (BPP) — это мера эффективности сжатия. Видео в реальном цвете без сжатия может иметь BPP 24 бита на 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 алгоритмов сжатия видео, таких как MPEG1 , MPEG2 или MPEG4, позволяет использовать дробные значения 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 режиме реального времени без буферизации с фиксированной полосой пропускания (например, в видеоконференциях). Поскольку не все кадры могут быть сжаты на одном уровне, поскольку качество в сценах высокой сложности страдает сильнее, некоторые алгоритмы пытаются постоянно корректировать BPP. Они поддерживают высокое значение BPP при сжатии сложных сцен и низкое для менее требовательных сцен. [36] Таким образом, обеспечивается наилучшее качество при наименьшей средней скорости передачи данных (и наименьшем размере файла соответственно). Этот метод создает переменный битрейт , поскольку отслеживает изменения BPP.
Стандартные пленки 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 имеют два различных формата захвата изображения: чересстрочную и прогрессивную развертку . Камеры с чересстрочной разверткой записывают изображение в чередующихся наборах 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 фреймом . 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 дает немного более четкое изображение, однако движение может быть не таким плавным, как чересстрочное видео.
Цифровое видео можно копировать без потери качества; что ухудшает качество в аналоговых системах. Однако изменение таких параметров, как размер кадра или изменение цифрового формата, может снизить качество видео из-за потерь при масштабировании изображения и перекодировании . Цифровым видео можно манипулировать 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, стоят 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 кассет и кинопленок.
Цифровое телевидение (в том числе HDTV более высокого качества ) появилось в большинстве развитых стран в начале 2000-х годов. Сегодня цифровое видео используется в современных мобильных телефонах и системах видеоконференцсвязи . Цифровое видео используется для распространения мультимедиа через Интернет , включая потоковое видео и одноранговое распространение фильмов.
Существует множество типов сжатия видео для передачи цифрового видео через Интернет и на оптические диски. Размеры файлов цифрового видео, используемые для профессионального монтажа, как правило, непрактичны для этих целей, и видео требует дальнейшего сжатия с помощью кодеков для использования в развлекательных целях.
По состоянию на 2017 год [обновлять]максимальное разрешение изображения , продемонстрированное для создания цифрового видео, составляет 132,7 мегапикселя (15360 x 8640 пикселей). Наибольшая скорость достигается в промышленных и научных высокоскоростных камерах , способных снимать видео разрешением 1024x1024 со скоростью до 1 миллиона кадров в секунду в течение коротких периодов записи.
Живое цифровое видео потребляет полосу пропускания. Записанное цифровое видео занимает много места для хранения данных. Требуемый объем полосы пропускания или хранилища определяется размером кадра, глубиной цвета и частотой кадров. Каждый пиксель потребляет определенное количество битов, определяемое глубиной цвета. Данные, необходимые для представления кадра данных, определяются путем умножения на количество пикселей в изображении. Пропускная способность определяется путем умножения требований к памяти для кадра на частоту кадров. Общие требования к памяти для программы затем можно определить путем умножения пропускной способности на продолжительность 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 для каждого кадра требуется лишь небольшой процент исходных битов. Это снижает потребление данных или пропускной способности в 5–12 раз при использовании сжатия без потерь , но чаще всего используется сжатие с потерями из-за сокращения потребления данных в 20–200 раз. [37] [ не удалось проверить ] что не обязательно, чтобы все кадры были одинаково сжаты на один и тот же процент. Вместо этого рассмотрим средний коэффициент сжатия для всех кадров вместе взятых.
Специально разработанные цифровые видеоинтерфейсы
Интерфейсы общего назначения, используемые для передачи цифрового видео.
Следующий интерфейс был разработан для передачи сжатого видео MPEG -Transport:
Сжатое видео также передается с использованием UDP - IP через Ethernet . Для этого существуют два подхода:
Другие способы передачи видео по IP
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )