Digital video

Digital video  är en uppsättning tekniker för inspelning, bearbetning, överföring och lagring av bilder och ljud . Den största skillnaden från analog video är att videosignalen och ljudet kodas och överförs inte i sin ursprungliga form, utan efter analog-till-digital konvertering till video- och ljuddataströmmar. I de flesta fall komprimeras digital video för att minska mängden data som ska överföras och lagras. Digital video kan distribueras på olika videomedia, via digitala gränssnitt som en stream eller som filer .

Bildandet av videodataströmmen

Komponentvideo

En optisk bild skapas med hjälp av en lins på en fotokänslig matris av video- och tv-kameror , telecine-projektorer , digitalkameror , kameratelefoner eller surfplattor , webbkameror , videoövervakningskameror och andra liknande enheter. Med hjälp av olika system utförs färgseparationen av bilden för att erhålla monokroma halvtonskomponenter av de tre primärfärgerna .

Efter applicering av gammakorrigeringen av R, G, B-signalerna omvandlas de för att erhålla luminanssignalen Y' och två färgskillnadssignaler: R'-Y' och B'-Y'. ITU-R 601 använder följande kodningsformler för att digitalisera komponentvideo:

Vid överföring av sådana signaler är det möjligt att återställa de ursprungliga färgkomponenterna: röd (R), blå (B) och grön (G), som används i de flesta videoinformationsdisplaysystem, till exempel i monitorer .

Videonivåer

De mottagna komponenterna Y', Cr , Cb kvantiseras med 8 eller 10 bitar . Alla nivåer används dock inte för att överföra luminanssignaler. Till exempel, för 8-bitars kodning, av 256 tillgängliga nivåer, används endast 220 för att sända luminanssignalen (intervall 16-235), och resten används för synkroniseringssignaler. Med 10-bitars kodning används 877 nivåer. För färgkomponenter används endast 225 nivåer i ett 8-bitarssystem och endast 897 diskreta videonivåer i ett 10-bitarssystem.

Färgsubsampling

Vid sampling av Y', Cr, Cb-komponenterna i videosignalen används den så kallade färgsubsamplingen för att minska bithastigheten . Om varje komponent samplas vid samma frekvens, skulle detta kallas 4:4:4. Det används dock sällan i praktiken på grund av dess redundans. För digitala videostandarder är grundförhållandet 4:2:2, vilket innebär att färgskillnadskomponenterna Cr, Cb sänds med horisontell klarhet , vilket är hälften av klarheten hos luminanssignalen, eftersom det mänskliga ögat är mer känsligt för förändringar i ljusstyrka än färger. I detta fall sätts samplingsfrekvensen för ljusstyrkasignalen Y' till 13,5 MHz , vilket är dubbelt så högt som för färgskillnadssignalerna Cr och Cb - 6,75 MHz.

För att ytterligare minska färgredundansen används 4:2:0 och 4:1:1 förhållanden. I det senare fallet reduceras den horisontella klarheten hos färgskillnadssignalerna till en fjärdedel av luminanssignalens fulla upplösning. Både 4:1:1 och 4:2:0 halverar bandbredden jämfört med den icke-nedsamplade representationen.

För HDTV - signaler , enligt del II av rekommendation ITU-R 709-3, är samplingsfrekvensen för luminanssignaler 74,25 MHz och krominans 37,125 MHz.

Nedbrytningsstandarder

Standarder för digital videonedbrytning definierar följande parametrar:

En annan viktig parameter är bildförhållandet för videoramen. Typiska videoformat är standard 4:3 (1.33:1) eller widescreen 16:9 (1.77:1). Widescreen spelas ibland in på video med horisontell komprimering upp till 4:3 och sträcks ut under uppspelning. Denna teknik kallas digital anamorfism , och vid inspelning av bredbildsfilmer gör den det möjligt att mer effektivt använda ramen för standardupplösnings-tv. Korrekt visning av det kodade formatet säkerställs genom dess automatiska igenkänning med hjälp av servicebiten AR ( Aspect Ratio ) och WSS ( Wide Screen Signaling ) eller AFD ( Active Format Description )  -paketen [1] . All denna information om bildformatet och platsen för skärmcacharna ( eng. Bar Data ) sänds i den 23:e raden av bildsläckningspulsen för videoströmmen [2] [3] .    

Digitala kodnings- och komprimeringsformat

Videoström

En videoström  är en tidssekvens av bildrutor av ett visst format, kodade till en bitström . Den okomprimerade 10-bitars sammanflätade videoströmmen med 4:2:2 färgsubsampling standarddefinition kommer att vara 270 Mbps. En sådan ström erhålls genom att addera produkterna av samplingshastigheten och bitdjupet för varje komponent: 10 × 13,5 + 10 × 6,75 × 2 = 270 Mbps. Men beräkningen av storleken på den resulterande filen som innehåller en okomprimerad videoström görs något annorlunda. Endast den aktiva delen av videolinjen sparas. För representation i Y', Cr, Cb utrymme, beräknas följande komponenter:

Datahastighetsberäkning:

För formatet 4:2:2 BR = BD × (B + 0,5 × B × 2) × H × FR = BD × 2 × B × H × FR För formatet 4:1:1 BR = BD × (B + 0,25 × B × 2) × H × FR = BD × 1,5 × B × H × FR För formatet 4:2:0 BR = BD × (B × H + 0,5 × B × 0,5 × H × 2) × FR = BD × 1,5 × B × H × FR För formatet 4:4:4 BR = BD × 3 × B × H × FR BR - dataöverföringshastighet, bit/s, W och H - rambredd och höjd i pixlar, BD - bitdjup för varje komponent, bitar per pixel FR - bildhastighet, fps

Tabellen visar den okomprimerade videobithastigheten och mängden utrymme som krävs för en timmes inspelning av de vanligaste standarderna.

Bithastighet för okomprimerad videoström
Ramstorlek
(pixlar)		 Färgdjup
(bit)		 Provtagning Bildhastighet
(Hz)		 Bithastighet
(Mbps)		 Erforderlig
kapacitet ( GiB / timme)
720×576 tio 4:2:2 25 207 86,9
720×576 åtta 4:1:1, 4:2:0 25 124 52.1
1280×720 åtta 4:2:2 25 369 154,5
1280×720 åtta 4:2:2 femtio 737 309
1280×720 tio 4:2:2 25 461 193,1
1920×1080 tio 4:2:2 25 1037 434,5

Videokomprimering

På grund av den relativt höga bithastigheten för en okomprimerad videoström används videokomprimeringsalgoritmer i stor utsträckning. Videokomprimering gör att du kan minska redundansen för videodata och minska den överförda strömmen, vilket gör att du kan överföra video över kommunikationskanaler med lägre bandbredd eller spara videofiler på media med lägre kapacitet.

Digitala videoformat

Följande tabell visar egenskaperna för de flesta videoformat och de typer av chroma subsampling som används, såväl som andra relaterade parametrar som bithastighet och komprimeringsförhållande.

Standard definition (SD) format
Formatera Ägare Provtagning Färgdjup
_ 		Bithastighet
(Mbps) 		Kompressionstyp Kompressionsförhållande
_ 		Ramstorlek
(pixlar)
DV / MiniDV Flera 4:2:0 (PAL)
4:1:1 (NTSC) 		8 bitar 25 PrEP 5:1 720×576(PAL)
720×480(NTSC)
DVCPRO 25 Panasonic 4:1:1 8 bitar 25 PrEP 5:1 720×576(PAL)
720×480(NTSC)
DVCPRO 50 Panasonic 4:2:2 8 bitar femtio PrEP 3,3:1 720×576(PAL)
720×480(NTSC)
DVCAM Sony 4:2:0 (PAL)
4:1:1 (NTSC) 		8 bitar 25 PrEP 5:1 720×576(PAL)
720×480(NTSC)
digital betacam Sony 4:2:2 10 bitar 90 PrEP 2,3:1 720×576(PAL)
720×480(NTSC)
Betacam SX Sony 4:2:2 10 bitar 18/170 MPEG-2 10:1 720×576(PAL)
720×480(NTSC)
MPEG IMX Sony 4:2:2 8 bitar 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 bitar 30
40
50 		MPEG-2 6:1
4:1
3,3:1 		720×576(PAL)
720×480(NTSC)

HD-video

Högupplösta format (High-Definition)
Formatera Ägare Utgivningsår Provtagning Färgdjup
_ 		Bithastighet
(Mbps) 		Kompressionstyp Kompressionsförhållande
_ 		Ramstorlek
(pixlar)
HDCAM Sony 1997 3:1:1 8 bitar 144 PrEP 7:1 1440×1080
DVCPRO 100 Panasonic 2000 4:2:2 8 bitar 100 PrEP 6,7:1 1440×1080
960×720
HDCAM SR Sony 2003 4:2:2
4:4:4 		10 bitar 440
880 		MPEG-4 4,2:1
2,7:1 		1920×1080
HDV Sony JVC Canon 2003 4:2:0 8 bitar 19/25 MPEG-2 18:1 1440x1080
1920x1080
1280x720
XDCAM HD Sony 2005 4:2:0 8 bitar 18/35 MPEG-2 MP@H14/HL 1440×1080
1280×720
AVCHD Panasonic Sony 2006 4:2:0 8 bitar 18/24 H.264 /MPEG-4 1440x1080
1920x1080
1280x720
ProRes 422 Äpple 2007 4:2:2 10 bitar 147/220 PrEP 1920×1080
AVC-Intra 100 Panasonic 2007 4:2:2 10 bitar 100 H.264 /MPEG-4 1920×1080
AVC-Intra 50 Panasonic 2007 4:2:0 10 bitar femtio H.264 /MPEG-4 1440×1080
1280×720
Dirac Pro (VC-2) BBC Research 2008 4:2:2 10 bitar 50/165 Vågkomponent 1920×1080
DNxHD (VC-3) Ivrig 2008 4:2:2 10 bitar
8 bitar 		220
36/145 		PrEP 1920x1080
1280x720
XDCAM HD422 Sony 2008 4:2:2 8 bitar femtio MPEG-2 422P@HL 16,5:1 1920x1080
1280x720
CineForm (VC-5) Cinema Form Inc. 2001-2012 4:2:2
4:4:4 		10 bitar
12 bitar 		-/320 Vågkomponent 10:1 - 3,5:1 1920×1080

Digitala videogränssnitt

Anteckningar

  1. ↑ Telesputnik, 2010 , sid. 66.
  2. ↑ Keith Jack. Widescreen-signalering (WSS  ) . Applikationsanmärkning AN9716.1 . Intersil (augusti 1998). Hämtad: 3 januari 2015.
  3. ↑ Randy Conrod. Demystifying Active Format Description  (engelska)  (nedlänk) . vitbok . Harris Broadcast Communications. Tillträdesdatum: 3 januari 2015. Arkiverad från originalet 3 januari 2015.

Litteratur

Länkar

 Videokomprimering
ITU-T- rekommendationer
ISO / IEC standarder
SMPTE- standarder
MPEG-4 codecs
Förlust mindre
Digital bio
Andra codecs
se även