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.

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).