Введение
Цифровое электронное представление движущихся визуальных изображений – это применение цифровых технологий к видео. Цифровое видео представляет собой электронное представление движущихся визуальных изображений (видео) в виде закодированных цифровых данных. Это отличается от аналогового видео, которое представляет движущиеся визуальные изображения в виде аналоговых сигналов. Цифровое видео состоит из последовательности цифровых изображений, отображаемых с высокой скоростью, обычно 24, 30 или 60 кадров в секунду. Цифровое видео обладает множеством преимуществ, таких как простота копирования, мультивещание, обмен и хранение. Первое коммерческое использование цифрового видео произошло в 1986 году с форматом Sony D1, который записывал несжатый видеосигнал стандартной четкости в цифровом виде. Помимо несжатых форматов, популярные сжатые цифровые видеоформаты сегодня включают MPEG 2, H.264 и AV1. Современные интерфейсы, используемые для воспроизведения цифрового видео, включают HDMI, DisplayPort, Digital Visual Interface (DVI) и последовательный цифровой интерфейс (SDI). Цифровое видео можно копировать и воспроизводить без потери качества. В отличие от него, при копировании аналоговых источников происходит потеря качества каждого поколения. Цифровое видео можно хранить на цифровых носителях, таких как Blu-ray Disc, на компьютерных устройствах хранения данных или передавать по сети Интернет конечным пользователям для просмотра на экране персонального компьютера, мобильного устройства или цифрового смарт-телевизора. Сегодня цифровой видеоконтент, такой как телепередачи и фильмы, также включает в себя цифровую звуковую дорожку.
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.
Цифровые видеокамеры
Основой для цифровых видеокамер являются металл-оксид-полупроводниковые (MOS) сенсоры изображения. Первым практическим полупроводниковым датчиком изображения был прибор с зарядовой связью (CCD), изобретенный в 1969 году Уиллардом С. Бойлом, получившим Нобелевскую премию за свою работу в области физики. После коммерциализации датчиков CCD в конце 1970-х – начале 1980-х годов индустрия развлечений постепенно начала переход к цифровой съемке и цифровому видео из аналогового видео в течение следующих двух десятилетий. За CCD последовал CMOS активный пиксельный сенсор (CMOS-сенсор), разработанный в 1990-х годах. Количество крупных фильмов, снятых на цифровом видео, превысило количество фильмов, снятых на пленку, в 2013 году. С 2016 года более 90% крупных фильмов снимаются на цифровом видео. По состоянию на 2017 год 92% фильмов снимались в цифровом формате. Только 24 крупных фильма, выпущенных в 2018 году, были сняты на 35-миллиметровую пленку. Сегодня камеры таких компаний, как Sony, Panasonic, JVC и Canon, предлагают широкий выбор для съемки видео высокой четкости. В верхнем сегменте рынка появились камеры, специально предназначенные для рынка цифрового кино. Эти камеры от Sony, Vision Research, Arri, Blackmagic Design, Panavision, Grass Valley и Red обеспечивают разрешение и динамический диапазон, превосходящие возможности традиционных видеокамер, разработанных для ограниченных потребностей телевизионного вещания.
Цифровая видеокодировка
В 1970-х годах импульсно-кодовая модуляция (PCM) положила начало цифровому кодированию видео, требуя высоких битрейтов в 45 140 Мбит/с для контента стандартной четкости (SD). К 1980-м годам дискретное косинусное преобразование (DCT) стало стандартом для сжатия цифрового видео. Первым стандартом цифрового кодирования видео был H.120, разработанный (Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефону) или CCITT (ныне ITU-T) в 1984 году. H.120 оказался непрактичным из-за низкой производительности. H.120 был основан на дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (DPCM) – алгоритме сжатия, неэффективном для кодирования видео. В конце 1980-х годов ряд компаний начали экспериментировать с DCT, гораздо более эффективным методом сжатия для видеокодирования. CCITT получил 14 предложений по форматам сжатия видео на основе DCT, в то время как предложений, основанных на векторной квантизации (VQ), было всего одно. Стандарт H.261 был разработан на основе сжатия DCT и стал первым практичным стандартом кодирования видео. Современный формат кодирования видео – HEVC (H.265), представленный в 2013 году. В то время как AVC использует целочисленное DCT с размерами блоков 4x4 и 8x8, HEVC использует целочисленные DCT и DST-преобразования с различными размерами блоков от 4x4 до 32x32. HEVC обременен большим количеством патентов, большая часть которых принадлежит компаниям Samsung Electronics, GE, NTT и JVC Kenwood. В настоящее время ему бросает вызов формат AV1, стремящийся к свободному лицензированию. По состоянию на 2019 год AVC является наиболее распространенным форматом для записи, сжатия и распространения видеоконтента, используемым 91% разработчиков видео, за ним следует HEVC, который используется 43% разработчиков.
Производство цифрового видео
Начиная с конца 1970-х и начала 1980-х годов, было введено оборудование для видеопроизводства, работающее на цифровой основе. К нему относились корректоры временной базы (ТВК) и цифровые видеоэффекты (ДВЭ). Они функционировали, принимая стандартный аналоговый композитный видеосигнал и оцифровывая его внутренне. Это упрощало коррекцию или улучшение видеосигнала, как в случае с ТВК, или манипулирование и добавление эффектов к видео, как в случае с устройством ДВЭ. Оцифрованная и обработанная видеоинформация затем преобразовывалась обратно в стандартный аналоговый видеосигнал для вывода. Позже, в 1970-х годах, производители профессионального оборудования для видеовещания, такие как Bosch (через подразделение Fernseh) и Ampex, разработали прототипы цифровых видеомагнитофонов (VTR) в своих научно-исследовательских лабораториях. Машина Bosch использовала модифицированный 1-дюймовый видеомагнитофон типа B и записывала раннюю версию цифрового видео CCIR 601. Прототип цифрового видеорегистратора Ampex использовал модифицированный 2-дюймовый квадроплексный видеомагнитофон (Ampex AVR 3), оснащенный специализированной цифровой видеоэлектроникой и специальной восьмиголовочной головкой (стандартные аналоговые квадроплексные машины использовали только 4 головки). Как и в случае со стандартным 2" квад, аудио на прототипе цифровой машины Ampex, получившей прозвище Энни от своих разработчиков, по-прежнему записывалось в аналоговом виде в виде линейных дорожек на ленте. Ни одна из этих машин от этих производителей так и не была выпущена в коммерческую продажу. Цифровое видео впервые было представлено в коммерческой продаже в 1986 году с форматом Sony D1, который записывал несжатый видеосигнал стандартной четкости в цифровой форме. Для компонентных видеосоединений требовалось 3 кабеля, но большинство телевизионных студий были подключены для композитного видео NTSC или PAL с использованием одного кабеля. Из-за этой несовместимости и стоимости оборудования, D1 использовался в основном крупными телевизионными сетями и другими видеостудиями, способными работать с компонентным видео. В 1988 году Sony и Ampex совместно разработали и выпустили цифровой формат видеокассеты D2, который записывал видео в цифровом виде без сжатия в формате ITU 601, аналогично D1. В отличие от D1, D2 кодировал видео в композитной форме по стандарту NTSC, что требовало только одного кабеля для композитных видеосоединений с D2 VCR. Это делало его идеальным для большинства телевизионных студий того времени. D2 был успешным форматом в индустрии телевизионного вещания на протяжении конца 80-х и 90-х годов. D2 также широко использовался в ту эпоху в качестве мастер-ленты для создания лазерных дисков. D1 и D2 в конечном итоге были заменены более дешевыми системами с использованием сжатия видео, в частности Digital Betacam от Sony, которые были внедрены в телевизионные студии сетей. Другими примерами цифровых видеоформатов, использующих сжатие, были DCT от Ampex (первый, который использовал его при представлении в 1992 году), отраслевой стандарт DV и MiniDV и его профессиональные варианты, DVCAM от Sony и DVCPRO от Panasonic, а также Betacam SX, более дешевый вариант Digital Betacam с использованием сжатия MPEG 2. Одним из первых цифровых видеопродуктов, работающих на персональных компьютерах, был PACo: The PICS Animation Compiler от The Company of Science & Art в Провиденсе, штат Род-Айленд. Он был разработан, начиная с 1990 года, и впервые выпущен в мае 1991 года. PACo мог транслировать видео неограниченной длины с синхронизированным звуком из одного файла (с расширением .CAV) на CD-ROM. Для создания требовался Mac, а воспроизведение было возможно на Mac, PC и Sun SPARCstations. QuickTime, мультимедийный фреймворк Apple Computer, был выпущен в июне 1991 года. В 1992 году последовал Audio Video Interleave от Microsoft. Первоначальные инструменты для создания контента на потребительском уровне были примитивными и требовали оцифровки аналогового видеоисточника в формат, читаемый компьютером. Хотя качество поначалу было низким, потребительское цифровое видео быстро улучшилось, сначала с появлением стандартов воспроизведения, таких как MPEG 1 и MPEG 2 (принятых для использования в телевизионном вещании и на DVD-носителях), а также с появлением формата DV-ленты, позволяющего передавать записи в этом формате непосредственно в цифровые видеофайлы с использованием порта FireWire на компьютере для редактирования. Это упростило процесс, позволив широко и недорого развертывать нелинейные системы редактирования (NLE) на настольных компьютерах без необходимости внешнего оборудования для воспроизведения или записи. Широкое распространение цифрового видео и сопутствующих форматов сжатия снизило полосу пропускания, необходимую для видеосигнала высокой четкости (HDV и AVCHD, а также несколько профессиональных форматов, таких как XDCAM, использовали меньшую полосу пропускания, чем стандартный аналоговый сигнал стандартной четкости). Эта экономия увеличила количество каналов, доступных на кабельном телевидении и системах спутникового прямого вещания, создала возможности для перераспределения частот эфирного телевизионного вещания и сделала возможными безкассетные видеокамеры на основе флэш-памяти, среди прочих инноваций и повышений эффективности.
Цифровое видео и культура
В культурном плане цифровое видео сделало видео и фильмы широко доступными и популярными, что полезно для развлечений, образования и научных исследований. Цифровое видео все чаще используется в школах, и ученики с учителями проявляют интерес к освоению его возможностей в соответствующих областях. Цифровое видео также находит применение в здравоохранении, позволяя врачам отслеживать частоту сердечных сокращений и уровень кислорода у младенцев. Кроме того, переход от аналогового к цифровому видео оказал влияние на медиа в различных аспектах, например, на то, как компании используют камеры для видеонаблюдения. Системы видеонаблюдения (CCTV) перешли на использование цифровых видеорегистраторов (DVR), что породило вопрос о хранении записей для сбора доказательств. Сегодня цифровое видео можно сжимать для экономии места на хранилище.
Цифровое телевидение
Цифровое телевидение (DTV) – это создание и передача цифрового видео от сетей потребителям. Эта технология использует цифровое кодирование вместо аналоговых сигналов, применяемых до 1950-х годов. По сравнению с аналоговыми методами, DTV обеспечивает более высокую скорость и расширенные возможности для передачи и обмена данными. Развитие цифрового телевидения неразрывно связано с появлением доступных и высокопроизводительных компьютеров. Лишь в 1990-х годах цифровое телевидение стало реально осуществимым. Ранее практическая реализация цифрового телевидения была затруднена из-за чрезмерно высоких требований к полосе пропускания для несжатого видео, которому требовалось около 200 Мбит/с для сигнала стандартной четкости (SDTV) и более 1 Гбит/с для высокой четкости (HDTV).