Digitaalinen video

Digitaalinen video  on joukko tekniikoita kuvien ja äänen tallentamiseen, käsittelyyn, siirtämiseen ja tallentamiseen . Suurin ero analogiseen videoon on se, että videosignaali ja ääni koodataan ja lähetetään ei alkuperäisessä muodossaan, vaan analogisesta digitaaliseksi muuntamisen jälkeen video- ja audiodatavirroiksi. Useimmissa tapauksissa digitaalinen video pakataan siirrettävän ja tallennettavan tiedon määrän vähentämiseksi. Digitaalista videota voidaan jakaa erilaisille videomedialle, digitaalisten rajapintojen kautta streamina tai tiedostoina .

Videodatavirran muodostaminen

Komponenttivideo

Optinen kuva muodostetaan käyttämällä linssiä valoherkällä matriisilla , joka koostuu video- ja televisiokameroista , teleprojektoreista , digikameroista , kamerapuhelimista tai tableteista , web-kameroista , videovalvontakameroista ja muista vastaavista laitteista. Eri järjestelmien avulla kuvan värierottelu suoritetaan kolmen päävärin yksiväristen rasterikomponenttien saamiseksi .

Sen jälkeen kun R-, G-, B-signaalien gammakorjaus on tehty, ne muunnetaan luminanssisignaaliksi Y' ja kahdeksi värierosignaaliksi: R'-Y' ja B'-Y'. ITU-R 601 käyttää seuraavia koodauskaavoja komponenttivideon digitoimiseen:

Tällaisia ​​signaaleja lähetettäessä on mahdollista palauttaa alkuperäiset värikomponentit: punainen (R), sininen (B) ja vihreä (G), joita käytetään useimmissa videotietojen näyttöjärjestelmissä, esimerkiksi näytöissä .

Videotasot

Vastaanotetut komponentit Y', Cr , Cb kvantisoidaan 8 tai 10 bitillä . Kaikkia tasoja ei kuitenkaan käytetä luminanssisignaalien lähettämiseen. Esimerkiksi 8-bittisessä koodauksessa 256 käytettävissä olevasta tasosta vain 220 käytetään luminanssisignaalin lähettämiseen (alue 16-235), ja loput käytetään synkronointisignaaleihin. 10-bittisessä koodauksessa käytetään 877 tasoa. Värikomponenttien osalta vain 225 tasoa käytetään 8-bittisessä järjestelmässä ja vain 897 erillistä videotasoa 10-bittisessä järjestelmässä.

Värien alinäytteenotto

Kun näytteistetään videosignaalin Y'-, Cr-, Cb-komponentteja, käytetään ns. värialinäytteistystä bittinopeuden pienentämiseen . Jos jokaista komponenttia näytteistetään samalla taajuudella, tätä kutsutaan nimellä 4:4:4. Käytännössä sitä käytetään kuitenkin harvoin sen redundanssin vuoksi. Digitaalisten videostandardien perussuhde on 4:2:2, mikä tarkoittaa, että värierokomponentit Cr, Cb välitetään vaakasuoralla kirkkaudella , mikä on puolet luminanssisignaalin kirkkaudesta, koska ihmissilmä on herkempi muutoksille kirkkaudessa kuin väreissä. Tässä tapauksessa kirkkaussignaalin Y' näytteenottotaajuus asetetaan arvoon 13,5 MHz , mikä on kaksi kertaa korkeampi kuin värierosignaalien Cr ja Cb - 6,75 MHz.

Värien redundanssin vähentämiseksi edelleen käytetään 4:2:0- ja 4:1:1-suhdemalleja. Jälkimmäisessä tapauksessa värierosignaalien vaakasuora selkeys pienenee neljännekseen luminanssisignaalin täydestä resoluutiosta. Sekä 4:1:1 että 4:2:0 leikkasivat kaistanleveyden puoleen verrattuna ei-alasnäytteistettyyn esitykseen.

HDTV - signaalien osalta suosituksen ITU-R 709-3 osan II mukaan luminanssisignaalien näytteenottotaajuudet ovat 74,25 MHz ja krominanssi 37,125 MHz.

Hajotusstandardit

Digitaaliset videon hajoamisstandardit määrittelevät seuraavat parametrit:

Toinen tärkeä parametri on videokehyksen kuvasuhde . Tyypillisiä videomuotoja ovat standardi 4:3 (1,33:1) tai laajakuva 16:9 (1,77:1). Laajakuva tallennetaan joskus videolle vaakapakkauksella 4:3 asti, ja sitä venytetään toiston aikana. Tätä tekniikkaa kutsutaan digitaaliseksi anamorfismiksi , ja laajakuvaelokuvia nauhoitettaessa se mahdollistaa tehokkaamman normaalitarkkuuden television kehyksen käytön. Koodatun muodon oikea näyttö varmistetaan sen automaattisella tunnistamisella käyttämällä palvelubittiä AR ( Aspect Ratio ) ja WSS ( Wide Screen Signaling ) tai AFD ( Active Format Description )  -paketteja [1] . Kaikki tämä tieto kuvamuodosta ja näyttövälimuistien sijainnista ( eng. Bar Data ) välitetään videovirran kehyksen sammutuspulssin 23. rivillä [2] [3] .    

Digitaalinen koodaus ja pakkausformaatit

Videostream

Videovirta  on tietyn muodon kehysten aikasekvenssi, joka on koodattu bittivirtaan . Pakkaamaton 10-bittinen lomitettu videovirta 4:2:2-värialinäytteenoton vakiotarkkuudella on 270 Mbps. Tällainen virta saadaan lisäämällä kunkin komponentin näytteenottotaajuuden ja bittisyvyyden tulot: 10 × 13,5 + 10 × 6,75 × 2 = 270 Mbps. Pakkaamattoman videovirran sisältävän tiedoston koon laskeminen tapahtuu kuitenkin hieman eri tavalla. Vain aktiivinen osa videorivistä tallennetaan. Y'-, Cr-, Cb-avaruudessa esittämistä varten lasketaan seuraavat komponentit:

Tiedonsiirtonopeuden laskenta:

4:2:2-muotoon BR = BD × (L + 0,5 × L × 2) × K × FR = BD × 2 × L × K × FR 4:1:1-muotoon BR = BD × (L + 0,25 × L × 2) × K × FR = BD × 1,5 × L × K × FR 4:2:0-muotoon BR = BD × (L × K + 0,5 × L × 0,5 × K × 2) × FR = BD × 1,5 × L × K × FR 4:4:4-muotoon BR = BD × 3 × L × K × FR BR - tiedonsiirtonopeus, bit/s, W ja H - kehyksen leveys ja korkeus pikseleinä, BD - kunkin komponentin bittisyvyys, bittiä pikseliä kohden FR - kuvataajuus, fps

Taulukko näyttää pakkaamattoman videon bittinopeuden ja yleisimpien standardien tunnin tallennuksen vaatiman tilan.

Pakkaamattoman videovirran bittinopeus
Kehyksen koko
(pikseliä)		 Värisyvyys
(bittinen)		 Näytteenotto Kuvataajuus
(Hz)		 Bittinopeus
(Mbps)		 Vaadittu
kapasiteetti ( GiB /h)
720×576 kymmenen 4:2:2 25 207 86.9
720×576 kahdeksan 4:1:1, 4:2:0 25 124 52.1
1280×720 kahdeksan 4:2:2 25 369 154,5
1280×720 kahdeksan 4:2:2 viisikymmentä 737 309
1280×720 kymmenen 4:2:2 25 461 193.1
1920×1080 kymmenen 4:2:2 25 1037 434,5

Videon pakkaus

Pakkaamattoman videovirran suhteellisen korkean bittinopeuden vuoksi videon pakkausalgoritmeja käytetään laajalti. Videon pakkaamisen avulla voit vähentää videodatan redundanssia ja vähentää lähetettyä virtaa, mikä mahdollistaa videon siirtämisen viestintäkanavien kautta pienemmällä kaistanleveydellä tai tallentaa videotiedostoja medialle, jonka kapasiteetti on pienempi.

Digitaaliset videomuodot

Seuraavassa taulukossa esitetään useimpien videomuotojen ominaisuudet ja käytetyt värin alinäytteenottotyypit sekä muut asiaan liittyvät parametrit, kuten bittinopeus ja pakkaussuhde.

SD - muodot
Muoto Omistaja Näytteenotto
Värin syvyys		 Bittinopeus
(Mbps) 		Kompressiotyyppi Puristussuhde
_ 		Kehyksen koko
(pikseliä)
DV / MiniDV Useita 4:2:0 (PAL)
4:1:1 (NTSC) 		8-bittinen 25 PrEP 5:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
DVCPRO 25 Panasonic 4:1:1 8-bittinen 25 PrEP 5:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
DVCPRO 50 Panasonic 4:2:2 8-bittinen viisikymmentä PrEP 3.3:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
DVCAM Sony 4:2:0 (PAL)
4:1:1 (NTSC) 		8-bittinen 25 PrEP 5:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
digitaalinen betacam Sony 4:2:2 10 bittiä 90 PrEP 2.3:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
Betacam SX Sony 4:2:2 10 bittiä 18/170 MPEG-2 10:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
MPEG IMX Sony 4:2:2 8-bittinen 30
40
50 		MPEG-2 422P@ML 6:1
4:1
3,3:1 		720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
XDCAM Sony 4:2:0/4:1:1
4:2:2 		8-bittinen 30
40
50 		MPEG-2 6:1
4:1
3,3:1 		720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)

HD-video

Teräväpiirtomuodot ( High -Definition)
Muoto Omistaja Julkaisuvuosi Näytteenotto
Värin syvyys		 Bittinopeus
(Mbps) 		Kompressiotyyppi Puristussuhde
_ 		Kehyksen koko
(pikseliä)
HDCAM Sony 1997 3:1:1 8-bittinen 144 PrEP 7:1 1440×1080
DVCPRO 100 Panasonic 2000 4:2:2 8-bittinen 100 PrEP 6.7:1 1440×1080
960×720
HDCAM SR Sony 2003 4:2:2
4:4:4 		10 bittiä 440
 880 		MPEG-4 4,2:1
2,7:1 		1920×1080
HDV Sony JVC Canon 2003 4:2:0 8-bittinen 19/25 MPEG-2 18:1 1440x1080
1920x1080
1280x720
XDCAM HD Sony 2005 4:2:0 8-bittinen 18/35 MPEG-2 MP@H14/HL 1440×1080
1280×720
AVCHD Panasonic Sony 2006 4:2:0 8-bittinen 18/24 H.264 /MPEG-4 1440x1080
1920x1080
1280x720
ProRes 422 Omena 2007 4:2:2 10 bittiä 147/220 PrEP 1920×1080
AVC-Intra 100 Panasonic 2007 4:2:2 10 bittiä 100 H.264 /MPEG-4 1920×1080
AVC-Intra 50 Panasonic 2007 4:2:0 10 bittiä viisikymmentä H.264 /MPEG-4 1440×1080
1280×720
Dirac Pro (VC-2) BBC:n tutkimus 2008 4:2:2 10 bittiä 50/165 Wavelet 1920×1080
DNxHD (VC-3) Innokas 2008 4:2:2 10-bittinen
8-bittinen 		220
36/145 		PrEP 1920x1080
1280x720
XDCAM HD422 Sony 2008 4:2:2 8-bittinen viisikymmentä MPEG-2 422P@HL 16,5:1 1920x1080
1280x720
CineForm (VC-5) Cinema Form Inc. 2001-2012 4:2:2
4:4:4 		10-bittinen
12-bittinen 		-/320 Wavelet 10:1 - 3,5:1 1920×1080

Digitaaliset videoliitännät

Muistiinpanot

  1. ↑ Telesputnik, 2010 , s. 66.
  2. ↑ Keith Jack. Widescreen Signaling (WSS  ) . Sovellushuomautus AN9716.1 . Intersil (elokuu 1998). Haettu: 3.1.2015.
  3. ↑ Randy Conrod. Demystifying Active Format Description  (englanniksi)  (downlink) . valkoista paperia . Harris Broadcast Communications. Käyttöpäivä: 3. tammikuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 3. tammikuuta 2015.

Kirjallisuus

Linkit

 Videon pakkaus
ITU-T:n suositukset
ISO / IEC- standardit
SMPTE- standardit
MPEG-4 koodekit
Häviötön
Digitaalinen elokuva
Muut koodekit
Katso myös