Цифровое видео — множество технологий записи, обработки, передачи, хранения и воспроизведения визуального или аудиовизуального материала в цифровом представлении. Основное отличие от аналогового видео в том, что видеосигналы кодируются и передаются в виде последовательности бит. Цифровое видео может распространяться на различных видеоносителях, посредством цифровых видеоинтерфейсов в виде потока или файлов.
Не стоит путать понятие цифровое видео с цифровым телевидением. Цифровое телевидение определяет стандарты передачи видео- и аудиосигнала от передатчика к телеприемнику, используя при этом цифровую модуляцию, то есть предполагает передачу цифрового видео на расстояние посредством спутниковых, наземных, мобильных или кабельных сетей.
Также отличается технология цифрового кинематографа, в которой используются свои стандарты разрешения, соотношения сторон кадра и кадровой частоты, заимствованные у традиционного пленочного кинематографа.
Содержание |
Оптическое изображение формируется с помощью объектива на светочувствительной матрице современных видео- и телевизионных камер, цифровых фотоаппаратов, фотовидеокамер мобильных телефонов, смартфонов или планшетов, веб-камер, камер систем видеонаблюдения и многих других устройств. С помощью различных систем производится цветоделение светового потока для получения монохромных полутоновых компонент трех основных цветов.
Видеосигнал формируется из последовательности кадров — отдельных изображений, элементы которого считываются с светочувствительного элемента камеры (ПЗС или КМОП-матрица). Для получения цветного видеоизображения применяют специальную RGB-фильтрацию элементов изображения, чтобы на каждый отдельный элемент (пиксель) приходилось по три значения цвета — красного, зеленого и синего. Такой метод применяется в недорогих одноматричных видеокамерах, во всех цифровых фотоаппаратах с поддержкой видеозаписи и других видах устройств, где к качеству видеозаписи не предъявляются повышенные требования.
Как правило, для профессиональной видеосъёмки применяются более сложные трёхматричные системы, где оптическое цветоделение производится при помощи дихроичной призмы. Каждое из цветоделённых изображений попадает на отдельную матрицу, с которой считываются элементы кадра, затем формируется видеосигнал отдельной компоненты.
После применения гамма-коррекции сигналов R, G, B производится их преобразование для получения сигнала яркости Y' и двух цветоразностных сигналов: R'-Y' и B'-Y'. В соответствии с рекомендациями ITU-R 601 применяется кодирование по следующим формулам для перевода компонентного видеосигнала в цифровую форму :
При передаче таких сигналов, возможно восстановление исходных составляющих цветов: красной (R), синей (B) и зеленой (G), которые используются в большинстве систем отображения видеоинформации, например в мониторах.
Полученные компоненты Y', Cr, Cb квантуются с разрядностью 8 или 10 бит. Однако не все уровни используются для передачи сигналов яркости. Например, для 8 битного кодирования из 256 доступных уровней только 220 используются для передачи сигнала яркости (диапазон 16-235), а остальные - для сигналов синхронизации. При 10-битном кодировании - используется 877 уровней. Для цветовых компонент используется только 225 уровней в 8-битной системе и только 897 дискретных уровней видео в 10-битной системе.
При дискретизации Y', Cr, Cb компонент видеосигнала для сокращения скорости потока применяется так называемая цветовая субдискретизация. Если дискретизация каждой компоненты производится с одинаковой частотой, такая схема будет называться 4:4:4. Однако она редко применяется на практике, из-за ее избыточности. Для цифровых видеостандартов принято базовое соотношение 4:2:2, которое означает, что цветоразностные компоненты Cr, Cb передаются с пространственным разрешением, в два раза меньшим разрешения по яркостному сигналу, потому что человеческий глаз более чувствителен к изменению яркости, чем цвета. При этом частота дискретизации для яркостного сигнала Y' устанавливается равной 13,5 МГц, что в два раза больше, чем для цветоразностных сигналов Cr и Cb — 6,75 МГц.
В целях дальнейшего сокращения избыточности сигналов цветности применяются схемы с соотношением 4:2:0 и 4:1:1. В последнем случае горизонтальное разрешение цветоразностных сигналов снижается до четверти от полного разрешения сигнала яркости. Оба варианта 4:1:1 и 4:2:0 вдвое сокращают пропускную способность по сравнению с представлением без субдискретизации.
Для сигналов ТВЧ согласно части II Рекомендации ITU-R 709-3 установлены частоты дискретизации сигналов яркости 74,25 МГц и цветности 37,125 МГц.
Стандарты разложения цифрового видео определяют следующие параметры:
Также немаловажным параметром является соотношение сторон кадра видеоизображения. Типичными форматами для видео являются стандартный 4:3 (1,33:1) или широкоэкранный — 16:9 (1,77:1). Широкоэкранный режим иногда записывается на видео со сжатием по горизонтали до 4:3, а при воспроизведении растягивается. Такая технология называется анаморфирование видеозаписи и при записи широкоформатных фильмов дает возможность полнее использовать кадр телевидения стандартной четкости.
Видеопоток - это временна́я последовательность кадров определенного формата, закодированная в битовый поток. Скорость передачи несжатого видеопотока с чересстрочной разверткой разрядностью 10 бит и цветовой субдискретизацией 4:2:2 стандартной четкости будет составлять 270 Мбит/с. Такой поток получается если сложить произведения частоты дискретизации на разрядность каждой компоненты: 10 × 13,5 + 10 × 6,75 × 2 = 270 Мбит/с. Однако, расчет размера получаемого файла, содержащего несжатый видеопоток, производится несколько иначе. Сохраняется только активная часть строки видеосигнала. Для представления в пространстве Y', Cr, Cb расчитываются следующие составляющие:
Расчёт скорости передачи данных:
Для формата 4:2:2 BR = BD × (W + 0,5 × W × 2) × H × FR = BD × 2 × W × H × FR Для формата 4:1:1 BR = BD × (W + 0,25 × W × 2) × H × FR = BD × 1,5 × W × H × FR Для формата 4:2:0 BR = BD × (W × H + 0,5 × W × 0,5 × H × 2) × FR = BD × 1,5 × W × H × FR Для формата 4:4:4 BR = BD × 3 × W × H × FR BR - скорость передачи данных, бит/с, W и H - ширина и высота кадра в пикселях, BD - разрядность для каждой компоненты, бит на пиксель FR - кадровая частота, кадров/с
В таблице приведены скорость передачи несжатого видеопотока и размер требуемого пространства для часовой записи наиболее распространенных стандартов.
Размер кадра (пикселей) |
Глубина цвета(бит) |
Дискретизация | Кадровая частота (Гц) |
Битрейт (Мбит/с) |
Требуемая ёмкость (ГиБ/час) |
---|---|---|---|---|---|
720 × 576 | 10 | 4:2:2 | 25 | 207 | 86.9 |
720 × 576 | 8 | 4:1:1, 4:2:0 | 25 | 124 | 52.1 |
1280 × 720 | 8 | 4:2:2 | 25 | 369 | 154.5 |
1280 × 720 | 8 | 4:2:2 | 50 | 737 | 309 |
1280 × 720 | 10 | 4:2:2 | 25 | 461 | 193.1 |
1920 × 1080 | 10 | 4:2:2 | 25 | 1037 | 434.5 |
Из-за относительно высокой скорости передачи несжатого видеопотока широко используются алгоритмы видеокомпрессии. Видеокомпрессия позволяет сократить избыточность видеоданных и уменьшить передаваемый поток, что позволит передавать видео по каналам связи с меньшей пропускной способностью или сохранять видеофайлы на носителях с меньшей ёмкостью.
Следующая таблица показывает характеристики большинства видеоформатов и типов применяемой субдискретизации цветоразностных компонент, а также другие связанные с ними параметры, такие как скорость передачи данных и степень сжатия.
Формат | Владелец | Дискретизация | Глубина цвета |
Битрейт (Мбит/с) |
Тип компрессии | Степень сжатия |
Размер кадра (пикселей) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
DV/MiniDV | Несколько | 4:2:0 (PAL) 4:1:1 (NTSC) |
8 бит | 25 | ДКП | 5:1 | 720×576(PAL) 720×480(NTSC) |
DVCPRO 25 | Panasonic | 4:1:1 | 8 бит | 25 | ДКП | 5:1 | 720×576(PAL) 720×480(NTSC) |
DVCPRO 50 | Panasonic | 4:2:2 | 8 бит | 50 | ДКП | 3,3:1 | 720×576(PAL) 720×480(NTSC) |
DVCAM | Sony | 4:2:0 (PAL) 4:1:1 (NTSC) |
8 бит | 25 | ДКП | 5:1 | 720×576(PAL) 720×480(NTSC) |
Digital Betacam | Sony | 4:2:2 | 10 бит | 90 | ДКП | 2,3:1 | 720×576(PAL) 720×480(NTSC) |
Betacam SX | Sony | 4:2:2 | 10 бит | 18/170 | MPEG-2 | 10:1 | 720×576(PAL) 720×480(NTSC) |
MPEG IMX | Sony | 4:2:2 | 8 бит | 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 бит | 30 40 50 |
MPEG-2 | 6:1 4:1 3,3:1 |
720×576(PAL) 720×480(NTSC) |
Формат | Владелец | Дискретизация | Глубина цвета |
Битрейт (Мбит/с) |
Тип компрессии | Степень сжатия |
Размер кадра (пикселей) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
DVCPRO 100 | Panasonic | 4:2:2 | 8 бит | 100 | ДКП | 6,7:1 | 1440×1080 960×720 |
HDCAM | Sony | 3:1:1 | 8 бит | 144 | MPEG-4 | 4:1 | 1440×1080 |
HDCAM SR | Sony | 4:2:2 4:4:4 |
10 бит | 440 880 |
MPEG-4 | 4,2:1 2,7:1 |
1920×1080 |
HDV | Sony JVC Canon | 4:2:0 | 8 бит | 19/25 | MPEG-2 | 18:1 | 1440×1080 1920×1080 1280×720 |
AVCHD | Panasonic Sony | 4:2:0 | 8 бит | 18/24 | H.264/MPEG-4 | 1440×1080 1920×1080 1280×720 |
|
XDCAM HD | Sony | 4:2:0 | 8 бит | 18/35 | MPEG-2 MP@H14/HL | 1440×1080 1280×720 |
|
XDCAM HD422 | Sony | 4:2:2 | 8 бит | 50 | MPEG-2 422P@HL | 16,5:1 | 1920×1080 1280×720 |
Dirac Pro (VC-2) | BBC Research | 4:2:2 | 10 бит | 50/165 | Вейвлет | 1920×1080 | |
DNxHD (VC-3) | Avid | 4:2:2 | 10 бит 8 бит |
220 36/145 |
ДКП | 1920×1080 1280×720 |
|
ProRes 422 | Apple | 4:2:2 | 10 бит | 147/220 | ДКП | 1920×1080 | |
CineForm | CineForm Inc | 4:2:2 4:4:4 |
10 бит 12 бит |
Вейвлет | 10:1 - 3.5:1 | 1920×1080 |
Медиаконтейнеры | |
---|---|
Видео/аудио | |
Аудио | |
Графические форматы (сжатие) | |
Растровые | |
Векторные | |
Комплексные |
Видеоносители и видеостандарты | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Магнитная лента |
|
||||||
Видеодиски |
|
||||||
Цифровое видео |
|
Сжатие видео | |
---|---|
Рекомендации ITU-T | |
Стандарты ИСО/МЭК | |
Стандарты SMPTE | |
Кодеки MPEG-4 | |
Без потерь |
CorePNG • FFV1 • Huffyuv • Lagarith • MSU Lossless • SheerVideo |
Прочие кодеки | |
См. также |
Цифровое видео.