Wideo - Video

Na filmie członkowie zespołu dzielą się wyzwaniami ostatnich minut Mars Science Laboratory ( Curiosity ) przed lądowaniem na powierzchni Marsa .

Wideo jest elektronicznym medium do nagrywania, kopiowania , odtwarzania, nadawania i wyświetlania ruchomych mediów wizualnych . Film ten został opracowany dla mechanicznych telewizyjnych systemów, które szybko zastępowane przez kineskop (CRT), systemy, które później zostały zastąpione przez płaskich ekranów o różnych typów.

Systemy wideo różnią się rozdzielczością wyświetlania , współczynnikiem proporcji , częstotliwością odświeżania , możliwościami kolorów i innymi cechami. Istnieją warianty analogowe i cyfrowe, które mogą być przenoszone na różnych nośnikach, w tym w audycjach radiowych , taśmach magnetycznych , dyskach optycznych , plikach komputerowych i sieciowej transmisji strumieniowej .

Historia

Wideo analogowe

Złożony sygnał wideo NTSC (analogowy)

Technologia wideo został opracowany dla mechanicznych telewizyjnych systemów, które zostały szybko zastąpione przez kineskopu (CRT) telewizyjnych systemów, ale kilka nowych technologii wideo urządzeniami wyświetlającymi zostały już wymyślone. Wideo było pierwotnie technologią wyłącznie na żywo . Charles Ginsburg kierował zespołem badawczym Ampex opracowującym jeden z pierwszych praktycznych magnetowidów (VTR). W 1951 roku pierwszy magnetowid rejestrował obraz na żywo z kamer telewizyjnych , zapisując sygnał elektryczny kamery na magnetycznej taśmie wideo .

W 1956 roku magnetowidy sprzedano za 50 000 USD, a kasety wideo kosztowały 300 USD za godzinną szpulę. Jednak z biegiem lat ceny stopniowo spadały; w 1971 roku, firma Sony rozpoczęła sprzedaż magnetowid (VCR) pokłady i taśmy na rynku konsumenckim .

Wideo cyfrowe

Wykorzystanie technik cyfrowych w tworzeniu wideo cyfrowego wideo . Początkowo nie mógł konkurować z wideo analogowym, ponieważ wczesne nieskompresowane wideo cyfrowe wymagało niepraktycznie wysokich przepływności . Praktyczne cyfrowe wideo stało się możliwe dzięki kodowaniu dyskretnej transformacji kosinusowej (DCT), procesowi kompresji stratnej opracowanemu na początku lat 70. XX wieku. Kodowanie DCT zostało przystosowane do kompresji wideo DCT z kompensacją ruchu w późnych latach 80-tych, począwszy od H.261 , pierwszego praktycznego standardu kodowania cyfrowego wideo .

Cyfrowe wideo było później w stanie uzyskać wyższą jakość i ostatecznie znacznie niższe koszty niż wcześniejsza technologia analogowa. Po wynalezieniu DVD w 1997 roku, a później Blu-ray Disc w 2006 roku, sprzedaż kaset wideo i sprzętu nagrywającego gwałtownie spadła. Postępy w technologii komputerowej umożliwiają nawet niedrogim komputerom osobistym i smartfonom przechwytywanie, przechowywanie, edycję i przesyłanie cyfrowego wideo, co dodatkowo obniża koszty produkcji wideo , umożliwiając programistom i nadawcom przejście na produkcję beztaśmową . Pojawienie się nadawania cyfrowego, a następnie przejście na telewizję cyfrową jest w trakcie sprowadzania analogowego wideo do statusu technologii odziedziczonej w większości części świata. Począwszy od 2015 r., wraz z rosnącym wykorzystaniem kamer wideo o wysokiej rozdzielczości z ulepszonym zakresem dynamiki i gamami kolorów oraz cyfrowych formatów danych pośrednich o wysokim zakresie dynamicznym z ulepszoną głębią kolorów , nowoczesna cyfrowa technologia wideo zbiega się z technologią filmu cyfrowego .

Charakterystyka strumieni wideo

Liczba klatek na sekundę

Szybkość klatek , liczba zdjęć na jednostkę czasu wideo, waha się od sześciu lub ośmiu klatek na sekundę ( klatka/s ) w przypadku starych kamer mechanicznych do 120 lub więcej klatek na sekundę w przypadku nowych profesjonalnych kamer. Standardy PAL (Europa, Azja, Australia itp.) oraz SECAM (Francja, Rosja, część Afryki itp.) określają 25 klatek/s, podczas gdystandardy NTSC (USA, Kanada, Japonia itp.) określają 29,97 klatek/s. Film jest kręcony z mniejszą szybkością 24 klatek na sekundę, co nieco komplikuje proces przenoszenia filmu kinowego na wideo. Minimalna liczba klatek na sekundę zapewniająca wygodną iluzję ruchomego obrazu to około szesnaście klatek na sekundę.

Z przeplotem vs progresywny

Wideo może być z przeplotem lub progresywne . W systemach skanowania progresywnego każdy okres odświeżania aktualizuje kolejno wszystkie linie skanowania w każdej ramce. Podczas wyświetlania natywnie progresywnego sygnału telewizyjnego lub nagranego, wynikiem jest optymalna rozdzielczość przestrzenna zarówno nieruchomej, jak i ruchomej części obrazu. Przeplot został wynaleziony jako sposób na zmniejszenie migotania we wczesnych mechanicznych i CRT wyświetlaczach wideo bez zwiększania liczby pełnych klatek na sekundę . Przeplot zachowuje szczegóły, jednocześnie wymagając mniejszej przepustowości w porównaniu ze skanowaniem progresywnym.

W wideo z przeplotem poziome linie skanowania każdej pełnej klatki są traktowane tak, jakby były numerowane kolejno i przechwytywane jako dwa pola : pole nieparzyste (pole górne) składające się z linii o numerach nieparzystych i pole parzyste (pole dolne) składające się z linie parzyste. Analogowe urządzenia wyświetlające odtwarzają każdą klatkę, skutecznie podwajając liczbę klatek na sekundę, jeśli chodzi o odczuwalne ogólne migotanie. Gdy urządzenie do przechwytywania obrazu rejestruje pola pojedynczo, zamiast dzielić całą klatkę po jej przechwyceniu, liczba klatek na sekundę dla ruchu jest również skutecznie podwajana, co zapewnia płynniejszą, bardziej realistyczną reprodukcję szybko poruszających się części obrazu podczas oglądania na wyświetlaczu CRT z przeplotem.

NTSC, PAL i SECAM to formaty z przeplotem. Skrócone specyfikacje rozdzielczości wideo często zawierają i, aby wskazać przeplot. Na przykład format wideo PAL jest często opisywany jako 576i50 , gdzie 576 oznacza całkowitą liczbę poziomych linii skanowania, i oznacza przeplot, a 50 oznacza 50 pól (pół-klatek) na sekundę.

Podczas wyświetlania sygnału z natywnym przeplotem na urządzeniu ze skanowaniem progresywnym ogólna rozdzielczość przestrzenna jest degradowana przez proste podwojenie linii — artefakty, takie jak migotanie lub efekty „grzebienia” w ruchomych częściach obrazu, które pojawiają się, chyba że specjalne przetwarzanie sygnału je eliminuje. Procedura znana jako usuwanie przeplotu może zoptymalizować wyświetlanie sygnału wideo z przeplotem ze źródła analogowego, DVD lub satelitarnego na urządzeniu ze skanowaniem progresywnym, takim jak telewizor LCD , cyfrowy projektor wideo lub panel plazmowy. Usuwanie przeplotu nie może jednak zapewnić jakości wideo odpowiadającej prawdziwemu materiałowi źródłowemu ze skanowaniem progresywnym.

Współczynnik proporcji

Porównanie popularnych kinematografii i tradycyjnych proporcji telewizyjnych (zielonych)

Współczynnik proporcji opisuje proporcjonalną relację między szerokością i wysokością ekranów wideo a elementami obrazu wideo. Wszystkie popularne formaty wideo są prostokątne i dlatego można je opisać stosunkiem szerokości do wysokości. Stosunek szerokości do wysokości dla tradycyjnego ekranu telewizyjnego wynosi 4:3, czyli około 1,33:1. Telewizory wysokiej rozdzielczości używają proporcji 16:9, czyli około 1,78:1. Współczynnik proporcji pełnej klatki filmu 35 mm ze ścieżką dźwiękową (znany również jako współczynnik Akademii ) wynosi 1,375:1.

Piksele na monitorach komputerowych są zwykle kwadratowe, ale piksele używane w cyfrowym wideo często mają niekwadratowe proporcje, takie jak te używane w wariantach PAL i NTSC standardu cyfrowego wideo CCIR 601 oraz odpowiadające im anamorficzne formaty szerokoekranowe. 720 x 480 pikseli rastrowego wykorzystuje cienkich pikseli na 4: 3 współczynnik wyświetlania obrazu i tłuszcz piksele 16: 9 ekranu.

Popularność oglądania wideo na telefonach komórkowych doprowadziła do rozwoju wideo w pionie . Mary Meeker, partner w firmie venture capital Kleiner Perkins Caufield & Byers z Doliny Krzemowej , podkreśliła wzrost oglądalności filmów wideo w pionie w swoim Raporcie Trendów w Internecie 2015 – wzrost z 5% oglądalności wideo w 2010 r. do 29% w 2015 r. Pionowe reklamy wideo, takie jak Snapchaty są oglądane w całości dziewięć razy częściej niż reklamy wideo w orientacji poziomej.

Model koloru i głębia

Przykład płaszczyzny kolorów UV, wartość Y=0,5

Kolor modelowania reprezentacji wideo kolorów i mapuje zakodowane wartości kolorów widocznych kolorach powielana przez system. W powszechnym użyciu jest kilka takich reprezentacji: zwykle YIQ jest używany w telewizji NTSC, YUV jest używany w telewizji PAL, YDbDr jest używany przez telewizję SECAM, a YCbCr jest używany do cyfrowego wideo.

Liczba różnych kolorów, jakie może reprezentować piksel, zależy od głębi koloru wyrażonej liczbą bitów na piksel. Typowym sposobem zmniejszenia ilości danych wymaganych w cyfrowym wideo jest podpróbkowanie chrominancji (np. 4:4:4, 4:2:2 itd.). Ponieważ ludzkie oko jest mniej wrażliwe na szczegóły koloru niż jasność, dane luminancji dla wszystkich pikseli są zachowywane, podczas gdy dane chrominancji są uśredniane dla liczby pikseli w bloku i ta sama wartość jest używana dla wszystkich z nich. Na przykład skutkuje to 50% redukcją danych chrominancji przy użyciu bloków 2-pikselowych (4:2:2) lub 75% przy użyciu bloków 4-pikselowych (4:2:0). Ten proces nie zmniejsza liczby możliwych wartości kolorów, które można wyświetlić, ale zmniejsza liczbę odrębnych punktów, w których zmienia się kolor.

Jakość wideo

Jakość wideo można mierzyć za pomocą formalnych wskaźników, takich jak szczytowy stosunek sygnału do szumu (PSNR) lub poprzez subiektywną ocenę jakości wideo z wykorzystaniem obserwacji ekspertów. Wiele subiektywne metody jakości wideo są opisane w ITU-T zalecenie BT.500 . Jedną ze standaryzowanych metod jest Skala Uszkodzenia Podwójnego Bodźca (DSIS). W DSIS każdy ekspert ogląda nienaruszony film referencyjny, a następnie uszkodzoną wersję tego samego filmu. Ekspert ocenia następnie uszkodzony obraz wideo w skali od „upośledzenia są niezauważalne” do „upośledzenia są bardzo irytujące”.

Metoda kompresji wideo (tylko cyfrowa)

Nieskompresowane wideo zapewnia najwyższą jakość, ale z bardzo dużą szybkością transmisji danych . Do kompresji strumieni wideo stosuje się różne metody, z których najskuteczniejsze to grupa obrazów (GOP) w celu zmniejszenia nadmiarowości przestrzennej i czasowej . Mówiąc ogólnie, nadmiarowość przestrzenna jest redukowana poprzez rejestrowanie różnic pomiędzy częściami pojedynczej ramki; to zadanie jest znane jako kompresja intraframe i jest ściśle związane z kompresją obrazu . Podobnie nadmiarowość czasową można zredukować, rejestrując różnice między ramkami; to zadanie jest znane jako kompresja międzyramkowa , w tym kompensacja ruchu i inne techniki. Najpopularniejszymi współczesnymi standardami kompresji są MPEG-2 , używany do DVD , Blu-ray i telewizji satelitarnej oraz MPEG-4 , używany do AVCHD , telefonów komórkowych (3GP) i Internetu.

Stereoskopowy

Stereoskopowe wideo do filmu 3D i innych aplikacji można wyświetlać za pomocą kilku różnych metod:

  • Dwa kanały: prawy kanał dla prawego oka i lewy kanał dla lewego oka. Oba kanały mogą być oglądane jednocześnie przy użyciu filtrów polaryzujących światło znajdujących się pod kątem 90 stopni względem siebie na dwóch projektorach wideo. Te oddzielnie spolaryzowane kanały są oglądane w okularach z dopasowanymi filtrami polaryzacyjnymi.
  • Anaglyph 3D, w którym jeden kanał jest nałożony na dwie warstwy oznaczone kolorami. Ta technika warstwy lewej i prawej jest czasami używana do transmisji sieciowych lub ostatnich anaglifowych wydań filmów 3D na DVD. Proste czerwone/cyjanowe okulary z tworzywa sztucznego zapewniają środki do dyskretnego oglądania obrazów w celu utworzenia stereoskopowego widoku treści.
  • Jeden kanał z naprzemiennie lewą i prawą ramką dla odpowiedniego oka, wykorzystujący okulary migawkowe LCD, które synchronizują się z wideo, aby naprzemiennie blokować obraz dla każdego oka, tak aby odpowiednie oko widziało właściwą ramkę. Ta metoda jest najczęściej stosowana w komputerowych aplikacjach wirtualnej rzeczywistości , takich jak Cave Automatic Virtual Environment , ale zmniejsza efektywną liczbę klatek na sekundę o współczynnik dwa.

Formaty

Różne warstwy transmisji i przechowywania wideo zapewniają własny zestaw formatów do wyboru.

Do transmisji służy fizyczne złącze i protokół sygnałowy (patrz Lista złączy wideo ). Dane łącze fizyczne może przenosić określone standardy wyświetlania, które określają określoną częstotliwość odświeżania, rozdzielczość wyświetlania i przestrzeń kolorów .

W użyciu jest wiele analogowych i cyfrowych formatów nagrywania , a cyfrowe klipy wideo mogą być również przechowywane w komputerowym systemie plików jako pliki, które mają swoje własne formaty. Oprócz fizycznego formatu używanego przez urządzenie do przechowywania danych lub nośnik transmisji, przesyłany strumień jedynek i zer musi mieć określony cyfrowy format kodowania wideo , którego liczba jest dostępna (patrz Lista formatów kodowania wideo ).

Wideo analogowe

Wideo analogowe to sygnał wideo reprezentowany przez jeden lub więcej sygnałów analogowych . Analogowe kolorowe sygnały wideo obejmują luminancję , jasność (Y) i chrominancję (C). Po połączeniu w jeden kanał, tak jak ma to miejsce m.in. w NTSC , PAL i SECAM , nazywa się to composite video . Wideo analogowe może być przesyłane w osobnych kanałach, tak jak w dwukanałowych formatach S-Video (YC) i wielokanałowych komponentowych formatach wideo .

Wideo analogowe jest wykorzystywane w zastosowaniach produkcji telewizyjnej zarówno konsumenckiej, jak i profesjonalnej .

Wideo cyfrowe

Przyjęto cyfrowe formaty sygnału wideo, w tym szeregowy interfejs cyfrowy (SDI), cyfrowy interfejs wizualny (DVI), interfejs multimedialny wysokiej rozdzielczości (HDMI) oraz interfejs DisplayPort .

Środek transportu

Wideo może być przesyłane lub przesyłane na różne sposoby, w tym bezprzewodową telewizję naziemną jako sygnał analogowy lub cyfrowy, kabel koncentryczny w systemie zamkniętym jako sygnał analogowy. Kamery nadawcze lub studyjne wykorzystują system pojedynczego lub podwójnego kabla koncentrycznego z wykorzystaniem szeregowego interfejsu cyfrowego (SDI). Zobacz Lista złączy wideo, aby uzyskać informacje o fizycznych złączach i powiązanych standardach sygnału.

Wideo może być przesyłane przez sieci i inne współdzielone cyfrowe łącza komunikacyjne z wykorzystaniem, na przykład, strumienia transportowego MPEG , SMPTE 2022 i SMPTE 2110 .

Standardy wyświetlania

Telewizja cyfrowa

Transmisje telewizji cyfrowej wykorzystują format MPEG-2 i inne formaty kodowania wideo i obejmują:

Telewizja analogowa

Standardy transmisji telewizji analogowej obejmują:

Analogowy format wideo zawiera więcej informacji niż widoczna zawartość klatki. Przed i za obrazem znajdują się linie i piksele zawierające metadane i informacje o synchronizacji. Ten otaczający margines jest znany jako interwał wygaszania lub obszar wygaszania ; poziomy i pionowy ganek przedni i ganek tylny są elementami budulcowymi przedziału wygaszania.

Wyświetlacze komputerowe

Standardy wyświetlania komputerowego określają kombinację proporcji, rozmiaru wyświetlacza, rozdzielczości wyświetlacza, głębi kolorów i częstotliwości odświeżania. Dostępna jest lista powszechnych uchwał .

Nagranie

VHS kaseta wideo.

Wczesna telewizja była prawie wyłącznie medium na żywo, z niektórymi programami nagrywanymi do filmu w celach historycznych za pomocą Kineskopu . Magnetowid analogowy został wprowadzony na rynek w 1951 roku. W przybliżonym porządku chronologicznym. Wszystkie wymienione formaty zostały sprzedane i wykorzystane przez nadawców, producentów wideo lub konsumentów; lub były ważne historycznie (VERA).

Cyfrowe magnetowidy oferują lepszą jakość w porównaniu do rejestratorów analogowych.

Optyczne nośniki danych stanowiły alternatywę, zwłaszcza w zastosowaniach konsumenckich, dla nieporęcznych formatów taśm.

Cyfrowe formaty kodowania

Zobacz też

Ogólny
Format wideo
Wykorzystanie wideo
Oprogramowanie do nagrywania ekranu wideo

Bibliografia

Zewnętrzne linki