Vídeo digital - Digital video

O vídeo digital é uma representação eletrônica de imagens visuais em movimento ( vídeo ) na forma de dados digitais codificados . Isso contrasta com o vídeo analógico , que representa imagens visuais em movimento na forma de sinais analógicos . O vídeo digital compreende uma série de imagens digitais exibidas em rápida sucessão.

O vídeo digital foi introduzido comercialmente em 1986 com o formato Sony D1 , que gravava um sinal de vídeo componente de definição padrão não compactado em formato digital. Além dos formatos não compactados, os formatos de vídeo digital compactado populares hoje incluem H.264 e MPEG-4 . Os padrões de interconexão modernos usados ​​para reprodução de vídeo digital incluem HDMI , DisplayPort , Interface Visual Digital (DVI) e interface digital serial (SDI).

O vídeo digital pode ser copiado e reproduzido sem degradação da qualidade. Em contraste, quando as fontes analógicas são copiadas, elas experimentam perda de geração . O vídeo digital pode ser armazenado em mídia digital como Blu-ray Disc , no armazenamento de dados do computador ou transmitido pela Internet para usuários finais que assistem ao conteúdo na tela de um computador desktop ou em uma smart TV digital . Hoje, o conteúdo de vídeo digital, como programas de TV e filmes, também inclui uma trilha sonora de áudio digital .

História

Câmeras de vídeo digital

A base das câmeras de vídeo digitais são os sensores de imagem de semicondutor de óxido de metal (MOS) . O primeiro sensor de imagem de semicondutor prático foi o dispositivo de carga acoplada (CCD), inventado em 1969 por Willard S. Boyle, que ganhou o Prêmio Nobel por seu trabalho em física. baseado na tecnologia de capacitores MOS . Após a comercialização de sensores CCD durante o final dos anos 1970 até o início dos anos 1980, a indústria do entretenimento começou lentamente a fazer a transição para a imagem digital e o vídeo digital do vídeo analógico nas duas décadas seguintes. O CCD foi seguido pelo sensor de pixel ativo CMOS ( sensor CMOS ), desenvolvido na década de 1990. Os CMOS são benéficos devido ao seu tamanho pequeno, alta velocidade e baixo consumo de energia. CMOS são mais comumente encontrados hoje em câmeras digitais em iPhones, usadas como censor de imagem para o dispositivo.

Uma câmera Betacam SP, desenvolvida originalmente em 1986 pela Sony.

Codificação de vídeo digital

As primeiras formas de codificação de vídeo digital começaram na década de 1970, com vídeo de modulação por código de pulso descompactado (PCM), exigindo altas taxas de bits entre 45-140 Mbps para conteúdo de definição padrão (SD). A codificação prática de vídeo digital acabou sendo possível com a transformada discreta de cosseno (DCT), uma forma de compressão com perdas . A compressão DCT foi proposta pela primeira vez por Nasir Ahmed em 1972 e depois desenvolvida por Ahmed com T. Natarajan e KR Rao na Universidade do Texas em 1973. Na década de 1980, o DCT se tornou o padrão para compressão de vídeo digital .

O primeiro padrão de codificação de vídeo digital foi H.120 , criado pelo (International Telegraph and Telephone Consultative Committee) ou CCITT (agora ITU-T) em 1984. H.120 não era prático devido ao fraco desempenho. O H.120 foi baseado na modulação por código de pulso diferencial (DPCM), um algoritmo de compressão que era ineficiente para codificação de vídeo. No final da década de 1980, várias empresas começaram a fazer experiências com DCT, uma forma muito mais eficiente de compactação para codificação de vídeo. O CCITT recebeu 14 propostas de formatos de compressão de vídeo baseados em DCT, em contraste com uma única proposta baseada em compressão de quantização vetorial (VQ). O padrão H.261 foi desenvolvido com base na compressão DCT, tornando-se o primeiro padrão prático de codificação de vídeo. Desde o H.261, a compressão DCT foi adotada por todos os principais padrões de codificação de vídeo que se seguiram.

MPEG-1 , desenvolvido pelo Motion Picture Experts Group (MPEG), seguido em 1991, e foi projetado para compactar vídeo de qualidade VHS . Foi sucedido em 1994 pelo MPEG-2 / H.262 , que se tornou o formato de vídeo padrão para DVD e televisão digital SD . Ele foi seguido por MPEG-4 / H.263 em 1999 e, em 2003, foi seguido por H.264 / MPEG-4 AVC , que se tornou o padrão de codificação de vídeo mais amplamente usado.

Produção de vídeo digital

Do final da década de 1970 ao início da década de 1980, foram introduzidos equipamentos de produção de vídeo digital em seu funcionamento interno. Estes incluíram corretores de base de tempo (TBC) e unidades de efeitos de vídeo digital (DVE). Eles operavam pegando uma entrada de vídeo composto analógico padrão e digitalizando-a internamente. Isso tornou mais fácil corrigir ou aprimorar o sinal de vídeo, como no caso de um TBC, ou manipular e adicionar efeitos ao vídeo, no caso de uma unidade DVE. As informações de vídeo digitalizadas e processadas foram então convertidas de volta para vídeo analógico padrão para saída.

Mais tarde, na década de 1970, os fabricantes de equipamentos de transmissão de vídeo profissional, como a Bosch (por meio de sua divisão Fernseh ) e a Ampex, desenvolveram protótipos de gravadores de vídeo digital (VTR) em seus laboratórios de pesquisa e desenvolvimento. A máquina da Bosch usou um transporte de fita de vídeo tipo B de 1 polegada modificado e gravou uma forma inicial de vídeo digital CCIR 601 . O protótipo do gravador de vídeo digital da Ampex usou uma fita de vídeo quadruplex de 2 polegadas modificada (um Ampex AVR-3) equipado com eletrônicos de vídeo digital personalizados e um cabeçote "octaplex" especial de 8 cabeças (máquinas quadruplex analógicas regulares de 2 "usavam apenas 4 cabeças). Como o quad padrão de 2 ", o áudio no protótipo de máquina digital Ampex, apelidado por seus desenvolvedores de" Annie ", ainda gravava o áudio em analógico como faixas lineares na fita. Nenhuma dessas máquinas desses fabricantes jamais foi comercializada.

O vídeo digital foi introduzido comercialmente em 1986 com o formato Sony D1 , que gravava um sinal de vídeo componente de definição padrão não compactado em formato digital. As conexões de vídeo componente exigiam 3 cabos, mas a maioria das instalações de televisão eram conectadas para vídeo composto NTSC ou PAL usando um cabo. Devido a esta incompatibilidade com o custo do gravador, D1 foi usado principalmente por grandes redes de televisão e outros estúdios de vídeo com capacidade de vídeo componente.

Um estúdio de televisão profissional situado no Chile.

Em 1988, a Sony e a Ampex co-desenvolveram e lançaram o formato de videocassete digital D2 , que gravava vídeo digitalmente sem compressão no formato ITU-601 , muito parecido com o D1. Em comparação, o D2 tinha a principal diferença de codificar o vídeo na forma composta para o padrão NTSC, exigindo assim apenas conexões de vídeo composto de cabo único de e para um videocassete D2. Isso o tornou um ajuste perfeito para a maioria das instalações de televisão da época. O D2 foi um formato de sucesso na indústria de transmissão de televisão no final dos anos 80 e nos anos 90. O D2 também foi amplamente usado naquela época como o formato de fita master para masterizar discos laser .

D1 e D2 acabariam sendo substituídos por sistemas mais baratos usando compressão de vídeo , mais notavelmente o Digital Betacam da Sony , que foram introduzidos nos estúdios de televisão da rede . Outros exemplos de formatos de vídeo digital que utilizam compressão foram DCT da Ampex (o primeiro a empregá-lo quando lançado em 1992), DV e MiniDV padrão da indústria e suas variações profissionais, DVCAM da Sony e DVCPRO da Panasonic , e Betacam SX , uma variante de baixo custo de Digital Betacam usando compressão MPEG-2 .

O logotipo da Sony, criador do Betacam.

Um dos primeiros produtos de vídeo digital a rodar em computadores pessoais foi o PACo: The PICS Animation Compiler da The Company of Science & Art em Providence, RI. Foi desenvolvido a partir de 1990 e lançado pela primeira vez em maio de 1991. PACo pode transmitir vídeo de duração ilimitada com som sincronizado de um único arquivo (com a extensão de arquivo ".CAV" ) em CD-ROM. A criação exigia um Mac e a reprodução era possível em Macs, PCs e estações Sun SPARC .

QuickTime , a estrutura de multimídia da Apple Computer , foi lançado em junho de 1991. O Audio Video Interleave da Microsoft surgiu em 1992. As ferramentas iniciais de criação de conteúdo para o consumidor eram rudes, exigindo que uma fonte de vídeo analógica fosse digitalizada para um formato legível por computador. Embora de baixa qualidade no início, o vídeo digital para o consumidor aumentou rapidamente em qualidade, primeiro com a introdução de padrões de reprodução como MPEG-1 e MPEG-2 (adotado para uso em transmissão de televisão e mídia de DVD ) e a introdução da fita DV formato permitindo que as gravações no formato sejam transferidas diretamente para arquivos de vídeo digital usando uma porta FireWire em um computador de edição. Isso simplificou o processo, permitindo que sistemas de edição não linear (NLE) fossem implantados de forma mais econômica e ampla em computadores desktop sem a necessidade de reprodução externa ou equipamento de gravação.

A ampla adoção de vídeo digital e formatos de compressão associados reduziu a largura de banda necessária para um sinal de vídeo de alta definição (com HDV e AVCHD , bem como várias variantes comerciais como DVCPRO -HD, todas usando menos largura de banda do que um sinal analógico de definição padrão ) Essas economias aumentaram o número de canais disponíveis na televisão a cabo e nos sistemas de transmissão direta por satélite , criaram oportunidades para realocação de espectro de frequências de transmissão de televisão terrestre e possibilitaram filmadoras sem fita baseadas em memória flash , entre outras inovações e eficiências.

Vídeo Digital e Cultura

Culturalmente, o vídeo digital permitiu que o vídeo e o filme se tornassem amplamente disponíveis e populares, benéficos para o entretenimento, a educação e a pesquisa. O vídeo digital é cada vez mais comum nas escolas, com alunos e professores se interessando em aprender como usá-lo de maneiras relevantes. O vídeo digital também tem aplicativos de saúde, permitindo que os médicos monitorem os batimentos cardíacos e os níveis de oxigênio de bebês.

Além disso, a mudança de vídeo analógico para digital afetou a mídia de várias maneiras, como na forma como as empresas usam as câmeras para vigilância. A televisão em circuito fechado (CCTV) passou a usar gravadores de vídeo digital (DVR), apresentando a questão de como armazenar gravações para coleta de evidências. Hoje, o vídeo digital pode ser compactado para economizar espaço de armazenamento.

Televisão digital

A televisão digital , também conhecida como DTV, é a produção e transmissão de vídeo digital das redes aos consumidores. Essa técnica usa codificação digital em vez de sinais analógicos usados ​​antes da década de 1950. Em comparação com os métodos analógicos, o DTV é mais rápido e oferece mais recursos e opções para os dados serem transmitidos e compartilhados.

Visão geral

O vídeo digital compreende uma série de imagens digitais exibidas em rápida sucessão. No contexto do vídeo, essas imagens são chamadas de quadros . A taxa na qual os quadros são exibidos é conhecida como taxa de quadros e é medida em quadros por segundo (FPS). Cada quadro é uma imagem digital e, portanto, compreende uma formação de pixels . Os pixels têm apenas uma propriedade, sua cor. A cor de um pixel é representada por um número fixo de bits dessa cor. Quanto mais bits, mais variações sutis de cores podem ser reproduzidas. Isso é chamado de profundidade de cor do vídeo.

Entrelaçamento

No vídeo entrelaçado, cada quadro é composto de duas metades de uma imagem. A primeira metade contém apenas as linhas ímpares de um quadro completo. A segunda metade contém apenas as linhas pares. Essas metades são referidas individualmente como campos . Dois campos consecutivos compõem um quadro completo. Se um vídeo entrelaçado tem uma taxa de quadros de 30 quadros por segundo, a taxa de campo é de 60 campos por segundo, embora ambas as partes do vídeo entrelaçado, quadros por segundo e campos por segundo sejam números separados.

Uma câmera de transmissão de televisão no Museu Pavek em Minnesota.

Taxa de bits e BPP

Por definição, a taxa de bits é uma medida da taxa de conteúdo de informação do fluxo de vídeo digital. No caso de vídeo não compactado, a taxa de bits corresponde diretamente à qualidade do vídeo porque a taxa de bits é proporcional a todas as propriedades que afetam a qualidade do vídeo . A taxa de bits é uma propriedade importante ao transmitir vídeo porque o link de transmissão deve ser capaz de suportar essa taxa de bits. A taxa de bits também é importante ao lidar com o armazenamento de vídeo porque, como mostrado acima, o tamanho do vídeo é proporcional à taxa de bits e à duração. A compressão de vídeo é usada para reduzir significativamente a taxa de bits, tendo pouco efeito na qualidade.

Bits por pixel (BPP) é uma medida da eficiência da compressão. Um vídeo true-color sem compressão pode ter um BPP de 24 bits / pixel. A subamostragem de croma pode reduzir o BPP para 16 ou 12 bits / pixel. Aplicar compactação jpeg em cada quadro pode reduzir o BPP para 8 ou até 1 bits / pixel. A aplicação de algoritmos de compressão de vídeo como MPEG1 , MPEG2 ou MPEG4 permite a existência de valores BPP fracionários.

Taxa de bits constante versus taxa de bits variável

BPP representa a média de bits por pixel. Existem algoritmos de compressão que mantêm o BPP quase constante durante toda a duração do vídeo. Nesse caso, também obtemos saída de vídeo com taxa de bits constante (CBR). Este vídeo CBR é adequado para streaming de vídeo em tempo real, sem buffer e com largura de banda fixa (por exemplo, em videoconferência). Como nem todos os quadros podem ser compactados no mesmo nível, porque a qualidade é mais severamente afetada para cenas de alta complexidade, alguns algoritmos tentam ajustar constantemente o BPP. Eles mantêm o BPP alto enquanto comprimem cenas complexas e baixo para cenas menos exigentes. Dessa forma, ele fornece a melhor qualidade na menor taxa de bits média (e o menor tamanho de arquivo, de acordo). Este método produz uma taxa de bits variável porque rastreia as variações do BPP.

Visão geral técnica

Os estoques de filme padrão normalmente gravam a 24 quadros por segundo . Para vídeo, existem dois padrões de taxa de quadros: NTSC , a 30 / 1.001 (cerca de 29,97) quadros por segundo (cerca de 59,94 campos por segundo), e PAL , 25 quadros por segundo (50 campos por segundo). As câmeras de vídeo digital vêm em dois formatos diferentes de captura de imagem: varredura entrelaçada e progressiva . As câmeras entrelaçadas gravam a imagem em conjuntos alternados de linhas: as linhas ímpares são digitalizadas e, em seguida, as linhas pares são digitalizadas, as linhas ímpares são digitalizadas novamente e assim por diante.

Um conjunto de linhas pares ou ímpares é denominado campo e um emparelhamento consecutivo de dois campos de paridade oposta é denominado quadro . Câmeras de varredura progressiva gravam todas as linhas em cada quadro como uma única unidade. Assim, o vídeo entrelaçado captura o movimento da cena duas vezes mais do que o vídeo progressivo para a mesma taxa de quadros. A varredura progressiva geralmente produz uma imagem um pouco mais nítida; no entanto, o movimento pode não ser tão suave quanto o vídeo entrelaçado.

O vídeo digital pode ser copiado sem perda de geração; que degrada a qualidade em sistemas analógicos. No entanto, uma mudança em parâmetros como o tamanho do quadro ou uma mudança no formato digital pode diminuir a qualidade do vídeo devido ao dimensionamento da imagem e perdas de transcodificação . O vídeo digital pode ser manipulado e editado em sistemas de edição não linear .

O vídeo digital tem um custo significativamente menor do que o filme de 35 mm. Em comparação com o alto custo do estoque de filme , a mídia digital usada para gravação de vídeo digital, como memória flash ou disco rígido, é muito barata. O vídeo digital também permite que a filmagem seja visualizada no local, sem o caro e demorado processamento químico exigido pelo filme. A transferência de vídeo digital pela rede torna desnecessária a entrega física de fitas e bobinas de filme.

Um diagrama de filme de 35 mm usado em câmeras Cinemscope.

A televisão digital (incluindo HDTV de qualidade superior ) foi introduzida na maioria dos países desenvolvidos no início dos anos 2000. Hoje, o vídeo digital é usado em telefones celulares modernos e sistemas de videoconferência . O vídeo digital é usado para distribuição de mídia pela Internet , incluindo streaming de vídeo e distribuição de filmes ponto a ponto .

Existem muitos tipos de compressão de vídeo para servir vídeo digital na Internet e em discos ópticos. Os tamanhos de arquivo de vídeo digital usados ​​para edição profissional geralmente não são práticos para esses fins, e o vídeo requer compressão adicional com codecs para ser usado para fins recreativos.

Em 2011, a resolução mais alta demonstrada para geração de vídeo digital é de 35 megapixels (8192 x 4320). A velocidade mais alta é alcançada em câmeras industriais e científicas de alta velocidade que são capazes de filmar vídeo de 1024x1024 a até 1 milhão de quadros por segundo por breves períodos de gravação.

Propriedades Técnicas

O vídeo digital ao vivo consome largura de banda. O vídeo digital gravado consome o armazenamento de dados. A quantidade de largura de banda ou armazenamento necessária é determinada pelo tamanho do quadro, profundidade de cor e taxa de quadros. Cada pixel consome um número de bits determinado pela profundidade da cor. Os dados necessários para representar um quadro de dados são determinados pela multiplicação pelo número de pixels na imagem. A largura de banda é determinada multiplicando o requisito de armazenamento para um quadro pela taxa de quadros. Os requisitos gerais de armazenamento de um programa podem ser determinados multiplicando-se a largura de banda pela duração do programa.

Esses cálculos são precisos para vídeo não compactado , mas devido à taxa de bits relativamente alta do vídeo não compactado, a compactação de vídeo é amplamente utilizada. No caso de vídeo compactado, cada quadro requer apenas uma pequena porcentagem dos bits originais. Observe que não é necessário que todos os quadros sejam igualmente compactados na mesma porcentagem. Em vez disso, considere o fator médio de compressão para todos os quadros juntos.

Interfaces e cabos

Interfaces de vídeo digital específicas

Interfaces de uso geral usadas para transportar vídeo digital

A seguinte interface foi projetada para transportar vídeo compactado de transporte MPEG :

O vídeo compactado também é transportado usando UDP - IP sobre Ethernet . Existem duas abordagens para isso:

Outros métodos de transporte de vídeo sobre IP

Formatos de armazenamento

Codificação

  • CCIR 601 usado para estações de transmissão
  • MPEG-4 bom para distribuição online de vídeos grandes e vídeos gravados na memória flash
  • MPEG-2 usado para DVDs, Super-VCDs e muitos formatos de transmissão de televisão
  • MPEG-1 usado para CDs de vídeo
  • H.261
  • H.263
  • H.264 também conhecido como MPEG-4 Parte 10 ou AVC , usado para discos Blu-ray e alguns formatos de transmissão de televisão
  • Theora usado para vídeo na Wikipedia

Fitas

  • Betacam SX , Betacam IMX , Digital Betacam ou DigiBeta - sistemas de vídeo comerciais da Sony , baseados na tecnologia Betamax original
  • D-VHS - dados de formato MPEG-2 gravados em uma fita semelhante a S-VHS
    Uma fita de vídeo em formato B arquivada usada na transmissão dinamarquesa.
  • D1 , D2 , D3 , D5 , D9 (também conhecido como Digital-S) - vários padrões de vídeo digital comercial SMPTE
  • Digital8 - dados em formato DV gravados em cassetes compatíveis com Hi8 ; em grande parte um formato de consumidor
  • DV , MiniDV - usado na maioria das câmeras de vídeo atuais baseadas em fitas de vídeo; projetado para edição fácil e de alta qualidade; também pode gravar dados de alta definição ( HDV ) no formato MPEG-2
  • DVCAM , DVCPRO - usado em operações de transmissão profissional; semelhante ao DV, mas geralmente considerado mais robusto; embora sejam compatíveis com DV, esses formatos têm melhor manuseio de áudio.
  • DVCPRO 50, DVCPRO HD suportam larguras de banda maiores em comparação com DVCPRO da Panasonic.
  • HDCAM foi apresentado pela Sony como uma alternativa de alta definição ao DigiBeta.
  • MicroMV - dados no formato MPEG-2 gravados em um cassete muito pequeno do tamanho de uma caixa de fósforos; obsoleto
  • ProHD - nome usado pela JVC para suas camcorders profissionais baseadas em MPEG-2

Discos

O disco Blu-ray, um tipo de disco óptico usado para armazenamento de mídia.

Veja também

Notas

Referências

links externos