Цифровое видео — совокупность технологий записи, обработки, передачи и хранения изображения и звука . 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 .

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:

${\displaystyle {\begin{aligned}Y'&=&0.299\cdot R'&+0.587\cdot G'+0.114\cdot B'\\C_{R}&=&0.713\cdot (R'&-Y')\\C_{B}&=&0.564\cdot (B'&-Y')\end{aligned}}}$

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

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

Стандарты разложения цифрового видео определяют следующие параметры:

• количество видимых строк. Для записи и передачи цифрового видео, также как и аналогового, применяют разложение его на отдельные строки, то есть последовательное сканирование и передача элементов каждой горизонтальной строки. Для видео и телевидения стандартной чёткости эти значения равны 480 или 576 строк, с повышенной четкостью — 720. Для видео высокой чёткости ( англ. HD) — 1080.
• режим развёртки («p» или «i»). Для сокращения передаваемого потока вдвое применяется чересстрочная развёртка , при которой каждый кадр передается двумя последовательными полукадрами — полями . Поле состоит из телевизионных строк. Одно поле содержит чётные строки, второе — нечётные. Такой режим развёртки обозначается значком «i» от англ. interlace . Такой режим был разработан в эпоху аналогового телевидения, когда не было возможности передавать сигналы с широкой полосой пропускания. Также первые цифровые форматы и даже HD использовали этот режим для уменьшения видеопотока. Недостатком такого режима является наличие эффекта «гребёнки» на движущихся объектах при воспроизведении на устройствах отображения с прогрессивной (построчной) развёрткой , для устранения которого применяют деинтерлейсинг . При построчной передаче всего кадра таких проблем не возникает, однако ширина полосы пропускания или поток такого видеосигнала будет вдвое большими. При прогрессивной развертке частоты дискретизации для схемы 4:2:2 будут равными для Y' — 27 МГц, для Сr/Сb — 13,5 МГц.
• частота кадров — частота смены кадров за единицу времени, как правило, за секунду. Из-за различных стандартов, принятых в разных странах, в телевизионном вещании, кино и видео производстве появилось значительное число различных стандартов, которые могут частично или полностью поддерживать различные видеоустройства. Основными являются:
  • на основе форматов семейства PAL : 50i, 25p, 50p
  • на основе форматов семейства NTSC : 60i, 29.97p, 30p, 59.94p, 60p
  • киноформаты: 23.98p, 24p

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) . Вся эта информация о формате изображения и расположении экранных каше ( англ. Bar Data) передаётся в 23-й строке кадрового гасящего импульса видеопотока .

Форматы цифрового кодирования и сжатия

Видеопоток

Видеопоток — это временна́я последовательность кадров определённого 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:

• количество пикселей в кадре для яркостной компоненты = 720 × 576 = 414 720
• количество пикселей в кадре для каждой цветностной компоненты = 360 × 576 = 207 360
• число битов в кадре = 10 × 414 720 + 10 × 207 360 × 2 = 8294400 = 8,29 Мбит
• скорость передачи данных (BR) = 8,29 × 25 = 207,36 Мбит / сек
• размер видео = 207,36 Мбит / сек * 3600 сек = 746 496 Мбит = 93 312 Мбайт = 93,31 Гбайт = 86,9 ГиБ

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

• SDI и HD-SDI
• HDMI (видео и аудио без сжатия). Обязательно HDCP .
• IEEE 1394
• DVI (только видео без сжатия). Возможно HDCP .
• DisplayPort (видео и аудио без сжатия). Поддерживает DPCP , планируется как улучшенная полная замена HDMI.
• DVB - ASI — для передачи транспортного потока MPEG-TS

Примечания

Литература

• Дмитрий Кашин, Дмитрий Малашонок. (рус.) // «Телеспутник» : журнал. — 2010. — № 9 . — С. 66—68 . 24 сентября 2015 года.

Ссылки