Реклама

Цифровое видео

Цифровое видео — совокупность технологий записи, обработки, передачи и хранения изображения и звука цифрового телевидения. Основное отличие от аналогового видео заключается в том, что видеосигнал и звук кодируются и передаются не в исходном виде, а после аналогово-цифрового преобразования в потоки видео- и звукоданных. В большинстве случаев цифровое видео подвергается компрессии для уменьшения объёма данных, предназначенных для передачи и хранения. Цифровое видео может распространяться на различных видеоносителях, посредством цифровых интерфейсов в виде потока или файлов.

Формирование потока видеоданных

Компонентное видео

Оптическое изображение формируется с помощью объектива на светочувствительной матрице видео- и телевизионных камер, телекинопроекторов, цифровых фотоаппаратов, камерафонов или планшетов, веб-камер, камер систем видеонаблюдения и других подобных устройств. С помощью различных систем производится цветоделение изображения для получения монохромных полутоновых компонент трёх основных цветов.

Преобразование цветоделённых компонент RGB в Y’CrCb

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 601-й рекомендацией ITU-R 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 зелёной (G), которые используются в большинстве систем отображения видеоинформации, например в мониторах.

Уровни видео

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.

Цветовая субдискретизация

Форматы цветовой субдискретизации

При дискретизации Y', Cr, Cb компонент видеосигнала для сокращения скорости потока применяется так называемая цветовая субдискретизация. Если дискретизация каждого компонента производится с одинаковой частотой, такая схема будет называться 4:4:4. Однако она редко применяется на практике, из-за её избыточности. Для цифровых видеостандартов принято базовое соотношение 4:2:2, которое означает, что цветоразностные компоненты Cr, Cb передаются с горизонтальной чёткостью, в два раза меньшей чёткости яркостного сигнала, потому что человеческий глаз более чувствителен к изменению яркости, чем цвета. При этом частота дискретизации для яркостного сигнала Y' устанавливается равной 13,5 Мегагерц, что в два раза больше, чем для цветоразностных сигналов Cr и Cb — 6,75 Мегагерц.

В целях дальнейшего сокращения избыточности сигналов цветности применяются схемы с соотношением 4:2:0 и 4:1:1. В последнем случае горизонтальная чёткость 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

Основные стандарты разложения

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 цифровым анаморфированием и при записи широкоэкранных фильмов дает возможность более эффективно использовать кадр телевидения стандартной четкости. Корректное отображение закодированного формата обеспечивается его автоматическим распознаванием при помощи служебного бита AR (англ. Aspect Ratio) и пакетов WSS (англ. Wide Screen Signaling) или AFD (англ. Active Format Description)[1]. Вся эта информация о формате изображения и расположении экранных каше (англ. Bar Data) передаётся в 23-й строке кадрового гасящего импульса видеопотока[2][3].

Форматы цифрового кодирования и сжатия

Видеопоток

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 рассчитываются 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.

Скорость передачи несжатого видеопотока
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

Видеокомпрессия

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.

Форматы цифровой видеозаписи

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.

Форматы стандартной чёткости (SD)
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)

HD видео

Форматы высокой чёткости (High-Definition)
Формат Владелец Год выпуска Дискретизация Глубина
цвета
Битрейт
(Мбит/с)
Тип компрессии Степень
сжатия
Размер кадра
(пикселей)
HDCAM Sony 1997 3:1:1 8 бит 144 ДКП 7:1 1440×1080
DVCPRO 100 Panasonic 2000 4:2:2 8 бит 100 ДКП 6,7:1 1440×1080
960×720
HDCAM SR Sony 2003 4:2:2
4:4:4
10 бит 440
880
MPEG-4 4,2:1
2,7:1
1920×1080
HDV Sony JVC Canon 2003 4:2:0 8 бит 19/25 MPEG-2 18:1 1440×1080
1920×1080
1280×720
XDCAM HD Sony 2005 4:2:0 8 бит 18/35 MPEG-2 MP@H14/HL 1440×1080
1280×720
AVCHD Panasonic Sony 2006 4:2:0 8 бит 18/24 H.264/MPEG-4 1440×1080
1920×1080
1280×720
ProRes 422 Apple 2007 4:2:2 10 бит 147/220 ДКП 1920×1080
AVC-Intra 100 Panasonic 2007 4:2:2 10 бит 100 H.264/MPEG-4 1920×1080
AVC-Intra 50 Panasonic 2007 4:2:0 10 бит 50 H.264/MPEG-4 1440×1080
1280×720
Dirac Pro (VC-2) BBC Research 2008 4:2:2 10 бит 50/165 Вейвлет 1920×1080
DNxHD (VC-3) Avid 2008 4:2:2 10 бит
8 бит
220
36/145
ДКП 1920×1080
1280×720
XDCAM HD422 Sony 2008 4:2:2 8 бит 50 MPEG-2 422P@HL 16,5:1 1920×1080
1280×720
CineForm (VC-5) CineForm Inc 2001-2012 4:2:2
4:4:4
10 бит
12 бит
-/320 Вейвлет 10:1 - 3.5:1 1920×1080

Цифровые видеоинтерфейсы

Примечания

  1. Телеспутник, 2010, с. 66.
  2. Keith Jack. Widescreen Signaling (WSS) (англ.). Application Note AN9716.1. Intersil (August 1998). Проверено 3 января 2015.
  3. Randy Conrod. Demystifying Active Format Description (англ.). White Paper. Harris Broadcast Communications. Проверено 3 января 2015.

Литература

Ссылки

Реклама