Digitální video

Digitální video  je soubor technologií pro záznam, zpracování, přenos a ukládání obrazu a zvuku . Hlavní rozdíl od analogového videa je v tom, že video signál a zvuk nejsou kódovány a přenášeny ve své původní podobě, ale po analogově-digitální konverzi na video a audio datové toky. Ve většině případů je digitální video komprimováno , aby se snížilo množství přenášených a uložených dat. Digitální video lze distribuovat na různých video médiích prostřednictvím digitálních rozhraní jako stream nebo jako soubory .

Vytvoření datového toku videa

Komponentní video

Optický obraz se vytváří pomocí čočky na fotocitlivé matrici video a televizních kamer , televizních projektorů , digitálních fotoaparátů , telefonů s fotoaparátem nebo tabletů , webových kamer , kamer a dalších podobných zařízení. Pomocí různých systémů se provádí separace barev obrazu, aby se získaly monochromatické polotónové složky tří základních barev .

Po aplikaci gama korekce signálů R, G, B jsou signály převedeny na jasový signál Y' a dva signály barevného rozdílu: R'-Y' a B'-Y'. ITU-R 601 používá k digitalizaci komponentního videa následující kódovací vzorce:

Při přenosu takových signálů je možné obnovit původní barevné složky: červenou (R), modrou (B) a zelenou (G), které se používají ve většině systémů zobrazování videoinformací, například v monitorech .

Video Levels

Přijímané složky Y', Cr , Cb jsou kvantovány s 8 nebo 10 bity . Ne všechny úrovně se však používají k přenosu jasových signálů. Například pro 8bitové kódování je z 256 dostupných úrovní pouze 220 použito pro přenos jasového signálu (rozsah 16-235) a zbytek je použit pro synchronizační signály. Při 10bitovém kódování se používá 877 úrovní. Pro barevné složky se v 8bitovém systému používá pouze 225 úrovní a v 10bitovém systému pouze 897 úrovní diskrétního videa.

Podvzorkování barev

Při vzorkování složek Y', Cr, Cb videosignálu se pro snížení přenosové rychlosti používá tzv. barevné podvzorkování . Pokud je každá složka vzorkována na stejné frekvenci, nazývá se to 4:4:4. V praxi se však pro svou redundanci používá jen zřídka. Pro standardy digitálního videa je základní poměr 4:2:2, což znamená, že složky barevného rozdílu Cr, Cb jsou přenášeny s horizontální čistotou , což je poloviční jasnost jasového signálu, protože lidské oko je citlivější na změny. v jasu než v barvách. V tomto případě je vzorkovací frekvence pro signál jasu Y' nastavena na 13,5 MHz , což je dvakrát více než pro signály rozdílu barev Cr a Cb - 6,75 MHz.

Pro další snížení redundance barev se používají schémata poměru 4:2:0 a 4:1:1. V druhém případě je horizontální jasnost signálů rozdílu barev snížena na čtvrtinu plného rozlišení jasového signálu. Jak 4:1:1, tak 4:2:0 zkrátí šířku pásma na polovinu ve srovnání s reprezentací bez převzorkování.

Pro signály HDTV jsou podle části II doporučení ITU-R 709-3 vzorkovací frekvence pro signály jasu 74,25 MHz a barvonosné 37,125 MHz.

Dekompoziční standardy

Standardy digitálního rozkladu videa definují následující parametry:

Dalším důležitým parametrem je poměr stran snímku videa. Typické video formáty jsou standardní 4:3 (1,33:1) nebo širokoúhlý 16:9 (1,77:1). Širokoúhlá obrazovka se někdy nahrává na video s horizontální kompresí až 4:3 a během přehrávání se roztáhne. Tato technologie se nazývá digitální anamorfismus a při natáčení širokoúhlých filmů umožňuje efektivněji využívat rámec televizního vysílání ve standardním rozlišení. Správné zobrazení kódovaného formátu zajišťuje jeho automatické rozpoznání pomocí balíčků servisního bitu AR ( Aspect Ratio ) a WSS ( Wide Screen Signaling ) nebo AFD ( Active Format Description )  [1] . Všechny tyto informace o formátu obrazu a umístění mezipaměti obrazovky ( angl. Bar Data ) jsou přenášeny ve 23. řádku pulsu zatemnění snímku video streamu [2] [3] .    

Digitální kódování a kompresní formáty

Video stream

Video stream  je časová posloupnost snímků určitého formátu, zakódovaná do bitstreamu . Nekomprimovaný 10bitový prokládaný tok videa se standardním rozlišením barevného podvzorkování 4:2:2 bude mít rychlost 270 Mb/s . Takový tok se získá sečtením součinů vzorkovací rychlosti a bitové hloubky každé složky: 10 × 13,5 + 10 × 6,75 × 2 = 270 Mbps. Výpočet velikosti výsledného souboru obsahujícího nekomprimovaný video stream se však provádí poněkud jinak. Uloží se pouze aktivní část videořádku. Pro reprezentaci v prostoru Y', Cr, Cb se vypočítají následující složky:

Výpočet rychlosti přenosu dat:

Pro formát 4:2:2 BR = BD × (Š + 0,5 × Š × 2) × V × FR = BD × 2 × Š × V × FR Pro formát 4:1:1 BR = BD × (Š + 0,25 × Š × 2) × V × FR = BD × 1,5 × Š × V × FR Pro formát 4:2:0 BR = BD × (Š × V + 0,5 × Š × 0,5 × V × 2) × FR = BD × 1,5 × Š × V × FR Pro formát 4:4:4 BR = BD × 3 × Š × V × FR BR - rychlost přenosu dat, bit/s, Š a V - šířka a výška rámu v pixelech, BD - bitová hloubka pro každou komponentu, bity na pixel FR - snímková frekvence, fps

Tabulka ukazuje bitovou rychlost nekomprimovaného videa a množství místa potřebného pro hodinový záznam nejběžnějších standardů.

Bitová rychlost nekomprimovaného video streamu
Velikost rámu
(pixely)		 Barevná hloubka
(bit)		 Vzorkování Snímková
frekvence (Hz)		 Bitová rychlost
(Mbps)		 Požadovaná
kapacita ( GiB /h)
720 × 576 deset 4:2:2 25 207 86,9
720 × 576 osm 4:1:1, 4:2:0 25 124 52.1
1280×720 osm 4:2:2 25 369 154,5
1280×720 osm 4:2:2 padesáti 737 309
1280×720 deset 4:2:2 25 461 193,1
1920×1080 deset 4:2:2 25 1037 434,5

Komprese videa

Vzhledem k relativně vysoké bitové rychlosti nekomprimovaného toku videa se široce používají algoritmy komprese videa. Komprese videa umožňuje snížit redundanci video dat a snížit přenášený tok, což vám umožní přenášet video přes komunikační kanály s nižší šířkou pásma nebo ukládat video soubory na média s nižší kapacitou.

Digitální video formáty

Následující tabulka ukazuje charakteristiky většiny video formátů a typy použitého barevného podvzorkování, stejně jako další související parametry, jako je přenosová rychlost a kompresní poměr.

Formáty standardního rozlišení (SD) .
Formát Majitel Vzorkování
Barevná hloubka		 Bitová rychlost
(Mbps) 		Typ komprese Kompresní
poměr 		Velikost rámu
(pixely)
DV / MiniDV Několik 4:2:0 (PAL)
4:1:1 (NTSC) 		8 bitů 25 Přípravka 5:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
DVCPRO 25 Panasonic 4:1:1 8 bitů 25 Přípravka 5:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
DVCPRO 50 Panasonic 4:2:2 8 bitů padesáti Přípravka 3,3:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
DVCAM Sony 4:2:0 (PAL)
4:1:1 (NTSC) 		8 bitů 25 Přípravka 5:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
digitální betacam Sony 4:2:2 10 bitů 90 Přípravka 2,3:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
Betacam SX Sony 4:2:2 10 bitů 18/170 MPEG-2 10:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
MPEG IMX Sony 4:2:2 8 bitů 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 bitů 30
40
50 		MPEG-2 6:1
4:1
3,3:1 		720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)

HD video

Formáty s vysokým rozlišením (High-Definition)
Formát Majitel Rok vydání Vzorkování
Barevná hloubka		 Bitová rychlost
(Mbps) 		Typ komprese Kompresní
poměr 		Velikost rámu
(pixely)
HDCAM Sony 1997 3:1:1 8 bitů 144 Přípravka 7:1 1440×1080
DVCPRO 100 Panasonic 2000 4:2:2 8 bitů 100 Přípravka 6,7:1 1440×1080
960×720
HDCAM SR Sony 2003 4:2:2
4:4:4 		10 bitů 440
880 		MPEG-4 4,2:1
2,7:1 		1920×1080
HDV Sony JVC Canon 2003 4:2:0 8 bitů 19/25 MPEG-2 18:1 1440x1080
1920x1080
1280x720
XDCAM HD Sony 2005 4:2:0 8 bitů 18/35 MPEG-2 MP@H14/HL 1440×1080
1280×720
AVCHD Panasonic Sony 2006 4:2:0 8 bitů 18/24 H.264 /MPEG-4 1440x1080
1920x1080
1280x720
ProRes 422 Jablko 2007 4:2:2 10 bitů 147/220 Přípravka 1920×1080
AVC-Intra 100 Panasonic 2007 4:2:2 10 bitů 100 H.264 /MPEG-4 1920×1080
AVC-Intra 50 Panasonic 2007 4:2:0 10 bitů padesáti H.264 /MPEG-4 1440×1080
1280×720
Dirac Pro (VC-2) Výzkum BBC 2008 4:2:2 10 bitů 50/165 Wavelet 1920×1080
DNxHD (VC-3) Zanícený 2008 4:2:2 10 bit
8 bit 		220
36/145 		Přípravka 1920x1080
1280x720
XDCAM HD422 Sony 2008 4:2:2 8 bitů padesáti MPEG-2 422P@HL 16,5:1 1920x1080
1280x720
CineForm (VC-5) Společnost Cinema Form Inc. 2001-2012 4:2:2
4:4:4 		10 bit
12 bit 		-/320 Wavelet 10:1 - 3,5:1 1920×1080

Digitální video rozhraní

Poznámky

  1. ↑ Telesputnik, 2010 , s. 66.
  2. ↑ Keith Jack. Širokoúhlá signalizace (WSS  ) . Aplikační poznámka AN9716.1 . Intersil (srpen 1998). Staženo: 3. ledna 2015.
  3. ↑ Randy Conrod. Demystifikování Active Format Description  (anglicky)  (downlink) . whitepaper . Harris Broadcast Communications. Datum přístupu: 3. ledna 2015. Archivováno z originálu 3. ledna 2015.

Literatura

Odkazy

 Komprese videa
Doporučení ITU-T
normy ISO / IEC
standardy SMPTE
MPEG-4 kodeky
Bezztrátový
Digitální kino
Jiné kodeky
viz také