Кіріспе
Цифрлық жылжымалы бейнелерді электрондық түрде бейнелеу, бейнеге қолданылатын цифрлық техникалар. Цифрлық бейне – жылжымалы бейнелерді (видео) кодталған цифрлық деректер түрінде электрондық бейнелеу. Бұл аналогты бейнеден өзгеше, ол жылжымалы бейнелерді аналогты сигнал түрінде көрсетеді. Цифрлық бейне – секундына әдетте 24, 30 немесе 60 кадрмен тізбектеп көрсетілетін цифрлық бейнелердің сериясы. Цифрлық бейне оңай көшіру, тарату, бөлісу және сақтау сияқты көптеген артықшылықтарға ие. Цифрлық бейне алғаш рет 1986 жылы Sony D1 форматымен коммерциялық түрде пайда болды, ол қысылмаған стандартты ажыратымдылықтағы компоненттік бейне сигналын цифрлық түрде жазды. Қысылмаған форматтармен қатар, бүгінгі таңда танымал қысылған цифрлық бейне форматтарына MPEG 2, H.264 және AV1 жатады. Цифрлық бейнені ойнатуға арналған қазіргі заманғы қосылым стандарттарына HDMI, DisplayPort, Digital Visual Interface (DVI) және Serial Digital Interface (SDI) кіреді. Цифрлық бейне сапасы төмендемей көшіріліп, қайта өндіріледі. Ал аналогты көздер көшіргенде сапасы төмендеп, сигнал жоғалады. Цифрлық бейне Blu-ray Disc сияқты цифрлық медиада, компьютерлік жадта сақталуы мүмкін, немесе жеке компьютерде, ұялы құрылғы экранында немесе цифрлық смарт-телевизорда контент көретін соңғы пайдаланушыларға Интернет арқылы трансляциялануы мүмкін. Бүгінде телешоулар мен фильмдер сияқты цифрлық бейне контентіне цифрлық аудио саундтрек кіреді.
digital techniques applied to video
Digital video is an electronic representation of moving visual images (video) in the form of encoded digital data. This is in contrast to analog video, which represents moving visual images in the form of analog signals. Digital video comprises a series of digital images displayed in rapid succession, usually at 24, 30, or 60 frames per second. Digital video has many advantages such as easy copying, multicasting, sharing and storage. Digital video was first introduced commercially in 1986 with the Sony D1 format, which recorded an uncompressed standard definition component video signal in digital form. In addition to uncompressed formats, popular compressed digital video formats today include MPEG 2, H.264 and AV1. Modern interconnect standards used for playback of digital video include HDMI, DisplayPort, Digital Visual Interface (DVI) and serial digital interface (SDI). Digital video can be copied and reproduced with no degradation in quality. In contrast, when analog sources are copied, they experience generation loss. Digital video can be stored on digital media such as Blu ray Disc, on computer data storage, or streamed over the Internet to end users who watch content on a personal computer or mobile device screen or a digital smart TV. Today, digital video content such as TV shows and movies also includes a digital audio soundtrack.
Цифрлық видеокамералар
Цифрлық видеокамералардың негізі металл-оксидті жартылай өткізгіш (MOS) бейне сенсорлары болып табылады. Бірінші практикалық жартылай өткізгіштік бейне сенсор 1969 жылы Уиллард С. Бойль ойлап тапқан зарядты қосылған құрылғы (CCD) болды, ол физика саласындағы жұмысы үшін Нобель сыйлығын жеңіп алды. 1970-ші жылдардың соңы мен 1980-ші жылдардың басында CCD сенсорларының коммерциялық өндірісінен кейін, ойын-сауық индустриясы келесі екі онжылдықта аналогты бейнеден цифрлық бейнелеуге және цифрлық бейнеге ақырындап көшуді бастады. CCD-ден кейін 1990 жылдары CMOS белсенді пиксельдік сенсор (CMOS сенсор) әзірленді. 2013 жылы цифрлық бейнеде түсірілген фильмдердің саны, пленкада түсірілген фильмдерден асып түсті. 2016 жылдан бері ірі фильмдердің 90%-дан астамы цифрлық бейнеде түсіріледі. 2017 жылы түсірілген фильмдердің 92% цифрлық форматта болды. 2018 жылы 35 мм пленкада түсірілген бар болғаны 24 ірі фильм жарық көрді. Бүгінде Sony, Panasonic, JVC және Canon сияқты компаниялардың камералары жоғары сапалы бейне түсіру үшін кең таңдау ұсынады. Нарықтың жоғарғы сегментінде цифрлық кино нарығына арналған камералар пайда болды. Sony, Vision Research, Arri, Blackmagic Design, Panavision, Grass Valley және Red компанияларының камералары ажыратымдық және динамикалық диапазон жағынан дәстүрлі бейнекамералардан басымдық танытады, олар теледидарлық хабар таратудың шектеулі қажеттіліктеріне арналған.
Цифрлық бейне кодтау
1970 жылдары импульстік код модуляциясы (PCM) стандартты ажыратымдылықтағы (SD) мазмұн үшін 45 140 Мбит/с жоғары бит жылдамдығын қажет ететін цифрлық бейне кодтаудың тууына ықпал етті. 1980 жылдары дискретті косинус түрлендіруі (DCT) цифрлық бейнелерді сығыстыру стандартына айналды. Алғашқы цифрлық бейне кодтау стандарты – 1984 жылы (Халықаралық телеграф және телефон консультативтік комитеті) немесе CCITT (қазір ITU T) құрған H.120. H.120 нашар өнімділігіне байланысты практикалық емес еді. H.120 дифференциалдық импульстік код модуляциясына (DPCM) негізделген, бұл бейне кодтау үшін тиімсіз сығылу алгоритмі. 1980 жылдардың соңында бірнеше компаниялар бейне кодтау үшін әлдеқайда тиімді сығылу түрі болып табылатын DCT-мен тәжірибе жүргізе бастады. CCITT векторлық кванттау (VQ) сығылуына негізделген бір ұсынысқа қарағанда DCT негізделген бейне сығылу форматтары бойынша 14 ұсыныс алды. H.261 стандарты DCT сығылымына негізделіп жасалды және алғашқы практикалық бейне кодтау стандарты болды. Қазіргі буын бейне кодтау форматы – 2013 жылы ұсынылған HEVC (H.265). AVC 4x4 және 8x8 блок өлшемдерімен бүтін сандық DCT қолданса, HEVC 4x4 және 32x32 арасындағы әртүрлі блок өлшемдерімен бүтін сандық DCT және DST түрлендірулерін қолданады. HEVC көптеген патенттермен қамтылған, олардың көп бөлігі Samsung Electronics, GE, NTT және JVC Kenwood компанияларына тиесілі. Қазіргі уақытта ол тегін лицензияланған AV1 форматымен бәсекелесіп жатыр. 2019 жылғы мәліметтерге сәйкес, AVC бейне мазмұнын жазу, сығыстыру және тарату үшін ең көп қолданылатын формат болып табылады, оны бейне әзірлеушілердің 91% пайдаланады, ал HEVC-ті 43% әзірлеушілер қолданады.
Цифрлық видео өндірісі
1970 жылдардың соңынан бастап 1980 жылдардың басына дейін ішкі жұмысы цифрлық болатын бейне түсіру жабдықтары пайда болды. Олардың қатарында уақыт базасын түзетуге (TBC) арналған құрылғылар мен цифрлық бейне эффектілері (DVE) блогы болды. Олар стандартты аналогтық композиттік бейне сигналды қабылдап, ішкі түрде цифрландырып жұмыс істеді. Бұл TBC құрылғысы сияқты бейне сигналды түзетуді немесе жақсартуды, немесе DVE құрылғысы арқылы бейнеге әсерлер қосуды жеңілдетті. Цифрланған және өңделген бейне ақпараты кейін стандартты аналогтық бейнеге айналдырылып шығарылды. 1970 жылдардың соңында Bosch (Fernseh бөлімшесі арқылы) және Ampex сияқты кәсіби бейне хабар тарату жабдықтарын өндірушілер өз зертханаларында прототиптік цифрлық бейнетілім жазғыштарын (VTR) жасады. Bosch машинасы 1 дюймдік B типті бейне таспасын модификациялап, CCIR 601 цифрлық бейнесінің алғашқы нұсқасын жазды. Ampex прототипінде өзгертілген 2 дюймдік квадроплекс VTR (Ampex AVR 3), арнайы цифрлық бейне электроникасы және 8 басқа арналған октаплекс бас дөңгелегі (әдеттегі аналогтық 2" квад машиналарында 4 бас қолданылды) пайдаланылды. Стандартты 2" квад машинасы сияқты, Ampex прототипіндегі дыбыс, оны әзірлеушілер «Энни» деп атады, таспадағы сызықтық жолдар ретінде аналогтық түрде жазылды. Бұл өндірушілердің машиналарының ешқайсысы коммерциялық мақсатта сатылған жоқ. Цифрлық бейне алғаш рет 1986 жылы Sony D1 форматымен коммерциялық түрде пайда болды, ол қысылмаған стандартты ажыратымдылықтағы компоненттік бейне сигналды цифрлық түрде жазды. Компоненттік бейне қосылымдарына 3 кабель қажет болды, бірақ көптеген теледидар орталықтары бір кабельді пайдаланатын композиттік NTSC немесе PAL бейнесіне қосылған. Бұл үйлесімсіздікке байланысты D1 жазғышын негізінен ірі телеарналар мен компоненттік бейнеге қолдау көрсететін бейне студиялар қолданды. 1988 жылы Sony және Ampex бірлесіп D2 цифрлық бейнекассета форматын әзірледі және шығарды, ол D1 сияқты ITU 601 форматында қысылмастан цифрлық түрде бейне жазды. D2 форматы видеоны NTSC стандартына сәйкес композиттік форматта кодтау арқылы ерекшеленді, сондықтан D2 жазғышына және одан тек бір кабельді композиттік бейне қосылымы қажет болды. Бұл сол кездегі көптеген теледидар орталықтары үшін өте ыңғайлы болды. D2 1980-ші жылдардың соңы мен 1990-шы жылдары теледидар индустриясында сәтті формат болды. D2 сол дәуірде лазерлік дискілерді жасау үшін мастер-таспа форматы ретінде де кеңінен қолданылды. D1 және D2 ақырында видеоны сығымдауды қолданатын арзан жүйелермен алмастырылды, әсіресе Sony Digital Betacam желісінің теледидар студияларына енгізілуі. Сығымдауға арналған цифрлық бейне форматтарының басқа мысалдары: Ampex DCT (1992 жылы енгізілгенде алғаш рет қолданылды), өнеркәсіптік стандарт DV және MiniDV және оның кәсіби түрлері, Sony DVCAM және Panasonic DVCPRO, сондай-ақ MPEG 2 сығымдауын пайдаланатын Digital Betacam-ның арзан нұсқасы Betacam SX. Персоналды компьютерлерде жұмыс істейтін алғашқы цифрлық бейне өнімдерінің бірі PACo болды: The Company of Science & Art (Провиденс, RI) компаниясының PICS Animation Compiler. Ол 1990 жылдан бастап әзірленді және 1991 жылдың мамыр айында алғаш рет жеткізілді. PACo CD-ROM дискісінен бір файлдан (CAV кеңейтімімен) синхронды дыбыспен кез келген ұзақтықтағы бейнені ағынды түрде көрсете алады. Оны жасау үшін Mac қажет болды, ал ойнату Mac, PC және Sun SPARC станцияларында мүмкін болды. Apple Computer компаниясының мультимедиалық құралдары QuickTime 1991 жылдың маусым айында жарық көрді. 1992 жылы Microsoft компаниясы Audio Video Interleave бағдарламасын ұсынды. Алғашқы тұтынушылар деңгейіндегі контент жасау құралдары аналогтық бейне көзін компьютерде оқылатын форматқа цифрландыруды қажет етті. Бастапқыда сапасы төмен болғанмен, тұтынушылық цифрлық бейне сапасы тез өсті, алдымен MPEG 1 және MPEG 2 (теледидарлық хабар тарату және DVD дискілерінде қолдану үшін қабылданған) сияқты ойнату стандарттарын енгізумен, сондай-ақ DV таспа форматын енгізумен, бұл форматтағы жазбаларды редакциялау компьютеріндегі FireWire порты арқылы тікелей цифрлық бейне файлдарына беруге мүмкіндік берді. Бұл процесті жеңілдетіп, сызықтық емес редакциялау жүйелерін (NLE) үстел компьютерлерінде сыртқы ойнату немесе жазу жабдықтары қажетсіз арзан және кеңінен қолдануға мүмкіндік берді. Цифрлық бейне және оны қосатын сығымдау форматтарының кеңінен қолданылуы жоғары ажыратымдылықтағы бейне сигналына қажетті өткізу қабілетін азайтты (HDV және AVCHD, сондай-ақ XDCAM сияқты бірнеше кәсіби форматтар стандартты ажыратымдылықтағы аналогтық сигналдан кем өткізу қабілетін пайдаланды). Бұл үнемдеулер кабельдік теледидар және тікелей спутниктік жүйелердегі арналар санын арттырды, құрлықтағы теледидарлық хабар тарату жиіліктерін қайта бөлуге мүмкіндік берді және басқа да инновациялар мен тиімділіктердің қатарында флэш-жад негізіндегі таспасыз бейнекамераларды жасауға мүмкіндік берді.
Цифрлық бейне және мәдениет
Мәдени тұрғыдан алғанда, цифрлық видео бейне және киноның кеңінен қолжетімді және танымал болуына мүмкіндік берді, бұл ойын-сауық, білім беру және ғылыми зерттеулер үшін пайдалы. Цифрлық видео мектептерде күнделікті қолданысқа еніп, оқушылар мен мұғалімдер оны тиімді пайдалану жолдарын үйренуге қызығушылық танытуда. Цифрлық видео медицинада да қолданылады, дәрігерлерге нәрестелердің жүрек соғысын және оттегі деңгейін қадағалауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, аналогтық видеодан цифрлық видеоға көшу медиаға түрлі әсер етті, мысалы, компаниялар қадағалау камераларын қалай пайдаланатыны өзгерді. Жабық телеарналар (CCTV) цифрлық бейне тіркегіштерге (DVR) ауысып, деректерді жинау үшін жазбаларды қалай сақтау мәселесін тудырды. Бүгінде цифрлық видеоны сақтау кеңістігін үнемдеу үшін сығуға болады.
Цифрлық теледидар
Цифрлық теледидар (DTV) – желілерден тұтынушыларға цифрлық бейнелерді өндіру және тарату процесі. Бұл техника 1950 жылдарға дейін қолданылған аналогты сигналдардың орнына цифрлық кодтауды пайдаланады. Аналогтық әдістермен салыстырғанда, DTV жылдамырақ жұмыс істейді және деректерді тарату мен бөлісу үшін көбірек мүмкіндіктер мен опцияларды ұсынады. Цифрлық теледидардың пайда болуы арзан, жоғары өнімді компьютерлердің қолжетімділігімен тікелей байланысты. 1990 жылдарға дейін цифрлық теледидар іске асыруға болатын нақты мүмкіндік емес еді. Бұрынғыда, қысылмаған бейнелерге қажеттің артық жолақты кеңдігінің жоғары болуына байланысты цифрлық теледидарды іске асыру практикалық тұрғыдан мүмкін емес еді – стандартты сападағы теледидар (SDTV) сигналы үшін шамамен 200 Мбит/с, ал жоғары сападағы теледидар (HDTV) үшін 1 Гбит/с-тан астам жолақты кеңдік қажет болды.