デジタルビデオ

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デジタルビデオは、エンコードされたデジタルデータの形式で動画ビデオ)を電子的に表現したものですこれは、アナログ信号の形式で動画を表すアナログビデオとは対照的です。デジタルビデオは、連続して表示される一連のデジタル画像で構成されます。

デジタルビデオは、1986年にSony D1フォーマット[1]最初に商業的に導入され、非圧縮の標準解像度 コンポーネントビデオ信号をデジタル形式で記録しました。非圧縮形式に加えて、今日人気のある圧縮デジタルビデオ形式にはH.264MPEG-4が含まれます。デジタルビデオの再生に使用される最新の相互接続規格には、HDMIDisplayPortデジタルビジュアルインターフェイス(DVI)、シリアルデジタルインターフェイス(SDI)が含まれます。

デジタルビデオは、品質を低下させることなくコピーおよび再生できます。対照的に、アナログソースをコピーすると、ジェネレーションロスが発生しますデジタルビデオのようなデジタルメディアに保存することができるのBlu-rayディスクに、記憶装置、またはストリーミング経由のインターネットをするために、ユーザーエンドでコンテンツを見るデスクトップコンピュータの画面やデジタルスマートテレビを現在、テレビ番組映画などのデジタルビデオコンテンツには、デジタルオーディオサウンドトラックも含まれています。

歴史

デジタルビデオカメラ

デジタルビデオカメラの基本は、金属酸化物半導体(MOS)イメージセンサーです。[2]最初の実用的な半導体イメージセンサーは、1969年に物理学でノーベル賞を受賞したウィラードS.ボイルによって発明され電荷結合デバイス(CCD)でした[3][4] MOSコンデンサ技術に基づいています。[2] 1970年代後半から1980年代初頭にかけて、CCDセンサーが商業化された後、エンターテインメント業界は、次の20年間で、アナログビデオからデジタルイメージングおよびデジタルビデオへの移行を徐々に開始しました[5] CCDの後には、1990年代に開発されたCMOS アクティブピクセルセンサー CMOSセンサー [6]が続きました[7] [8] CMOSは、サイズが小さく、高速で、消費電力が少ないため、有益です。CMOSは、今日iPhoneのデジタルカメラで最も一般的に使用されており、デバイスの画像検閲として使用されています。[9]

1986年にソニーが開発したBetacamSPカメラ。

デジタルビデオコーディング

デジタルの最も初期の形態のビデオ符号化は、圧縮されていないと、1970年代に始まったパルス符号変調高い要求、(PCM)ビデオビットレートを45から140件の間Mbpsのための標準解像度(SD)コンテンツ。実用的なデジタルビデオコーディングは非可逆圧縮の形式である離散コサイン変換(DCT)によって最終的に可能になりました[10] DCT圧縮を最初に提案したナシルアーメド1972年、その後T. Natarajanとを有するアーメドによって開発されたKRラオテキサス大学1973年[11] [12] [13]1980年代までに、DCTはデジタルビデオ圧縮の標準になりました

初のデジタルビデオ符号化規格はでしたH.120(国際電信電話諮問委員会)などにより作成され、CCITT 1984年H.120に(今ITU-T)の弱いパフォーマンスのために実用的ではなかったです。[14] H.120は、ビデオコーディングには非効率的な圧縮アルゴリズムである差分パルス符号変調(DPCM)に基づいていました。 1980年代後半、多くの企業がDCTの実験を開始しました。これは、ビデオコーディング用のはるかに効率的な圧縮形式です。 CCITTは、ベクトル量子化(VQ)圧縮に基づく単一の提案とは対照的に、DCTベースのビデオ圧縮形式に関する14の提案を受け取りましたH.261標準はDCT圧縮に基づいて開発され、[10]最初の実用的なビデオコーディング標準になりました。[14] H.261以降、DCT圧縮は、その後のすべての主要なビデオコーディング標準で採用されています。[10]

Motion Picture Experts Group(MPEG)によって開発されたMPEG-1は1991年に続き、VHS品質のビデオを圧縮するように設計されましたこれは、1994年に成功したMPEG-2 / H.262[14]の標準的なビデオフォーマットになったDVDSD デジタルテレビ[14]それは続いたMPEG-4 / H.263、1999年に、その後2003年にはそれが続いたH.264 / MPEG-4 AVC最も広く使用されているビデオ符号化標準となっています。[14]

デジタルビデオ制作

1970年代後半から1980年代初頭にかけて、内部でデジタル化されたビデオ制作機器が導入されました。これらには、タイムベースコレクター(TBC)[a]およびデジタルビデオエフェクト(DVE)ユニットが含まれていました。[b]彼らは、標準的なアナログコンポジットビデオ入力を取得し、それを内部でデジタル化することによって動作しました。これにより、TBCの場合のようにビデオ信号を修正または強化したり、DVEユニットの場合にビデオを操作してエフェクトを追加したりすることが容易になりました。次に、デジタル化および処理されたビデオ情報は、出力用に標準のアナログビデオに変換されました。

1970年代後半、BoschFernseh部門を通じて)やAmpexなどのプロ用ビデオ放送機器のメーカーは、研究開発ラボでプロトタイプのデジタルビデオテープレコーダー(VTR)を開発しました。ボッシュのマシンは、修正された1インチのタイプBビデオテープトランスポートを使用し、CCIR601デジタルビデオの初期の形式を記録しました。 Ampexのプロトタイプデジタルビデオレコーダーは、変更された2インチ4インチビデオテープを使用していましたカスタムデジタルビデオエレクトロニクスと特別な「オクタプレックス」8ヘッドヘッドホイールを搭載したVTR(Ampex AVR-3)(通常のアナログ2 "クワッドマシンは4ヘッドのみを使用)。標準の2"クワッドと同様に、Ampexプロトタイプデジタルのオーディオ開発者によって「アニー」と呼ばれるこのマシンは、オーディオをアナログでリニアトラックとしてテープに録音しました。これらのメーカーのこれらのマシンはいずれも、商業的に販売されたことはありません。

デジタルビデオは、1986年にSony D1フォーマットで最初に商業的に導入されました。SonyD1フォーマットは、非圧縮の標準解像度 コンポーネントビデオ信号をデジタル形式で記録しましたコンポーネントビデオ接続には3本のケーブルが必要でしたが、ほとんどのテレビ設備は1本のケーブルを使用して複合NTSCまたはPALビデオ用に配線されていました。この非互換性のため、レコーダーのコストが原因で、D1は主に大規模なテレビネットワークやその他のコンポーネントビデオ対応のビデオスタジオで使用されていました。

チリを舞台にしたプロのテレビスタジオ。

1988年、ソニーとAmpexは、D1と同様ITU-601形式で圧縮せずにビデオをデジタルで記録するD2デジタルビデオカセット形式を共同開発してリリースしました。比較すると、D2にはコンポジット形式のビデオをNTSC標準にエンコードするという大きな違いがあり、それによってD2VCRとの間のシングルケーブルコンポジットビデオ接続のみが必要でした。これにより、当時のほとんどのテレビ施設に完全に適合しました。 D2は、80年代後半から90年代にかけてテレビ放送業界で成功したフォーマットでした。 D2は、その時代にレーザーディスクをマスタリングするためのマスターテープフォーマットとしても広く使用されていました[NS]

D1&D2は、最終的に使用して安価なシステムに置き換えられるビデオ圧縮を、最も有名なソニーのデジタルベータカム[D]ネットワークの中に導入されたテレビスタジオ圧縮を利用したデジタルビデオフォーマットの他の例は、AmpexのDCT(1992年に導入されたときに最初に採用された)、業界標準のDVおよびMiniDVとそのプロフェッショナルバリエーション、SonyのDVCAMおよびPanasonicのDVCPRO、および低コストのバリアントであるBetacamSXでした。MPEG-2圧縮を使用したデジタルベータカムの開発[15]

Betacamの作成者であるSonyのロゴ。

パーソナルコンピュータで実行された最初のデジタルビデオ製品の1つは、ロードアイランド州プロビデンスにあるThe Company of Science&ArtのPICSアニメーションコンパイラであるPACoでした。 1990年に開発され、1991年5月に最初に出荷されました。PACoは、CD-ROM上の単一ファイル(「.CAV」ファイル拡張子から、同期されたサウンドで無制限の長さのビデオをストリーミングできました。作成は、Macを必要とし、再生はマック、パソコン、およびSunに可能であったのSPARCstations[16]

QuickTimeのアップルコンピュータ社のマルチメディアフレームワークは、1991年6月にリリースされたオーディオビデオインターリーブから、Microsoftが1992年最初の消費者レベルコンテンツ作成ツールに続き、コンピュータ読み取り可能なフォーマットにデジタル化されるアナログビデオソースを必要とする、粗製のでした。最初は低品質でしたが、消費者向けデジタルビデオの品質は急速に向上しました。最初は、MPEG-1MPEG-2(テレビ伝送やDVDメディアでの使用に採用)などの再生規格の導入、およびDVテープの導入です。この形式の記録をFireWireを使用してデジタルビデオファイルに直接転送できる形式編集コンピュータのポート。これによりプロセスが簡素化され、外部の再生または記録機器を必要とせずにノンリニア編集システム(NLE)をデスクトップコンピューターに安価かつ広く展開できるようになりました

デジタルビデオとそれに付随する圧縮フォーマットの普及により、高解像度ビデオ信号(HDVAVCHDおよびDVCPRO -HDなどのいくつかの商用バリアントを使用)に必要な帯域幅が減少しました。これらはすべて、標準解像度のアナログ信号よりも少ない帯域幅を使用します。 )。これらの節約により、ケーブルテレビおよび直接放送衛星システムで利用可能なチャネル数が増加し、地上波テレビ放送周波数のスペクトル再割り当て機会が生まれフラッシュメモリに基づくテープレスカムコーダーが作成されました。 他の革新と効率の中でも、可能です。

デジタルビデオと文化

文化的に、デジタルビデオは、ビデオと映画が広く利用可能で人気があり、娯楽、教育、および研究に有益になることを可能にしました。[17]デジタルビデオは学校でますます一般的になり、学生と教師は関連する方法でデジタルビデオを使用する方法を学ぶことに興味を持っています。[18]デジタルビデオにはヘルスケアアプリケーションもあり、医師は乳児の心拍数と酸素レベルを追跡できます。[19]

さらに、アナログビデオからデジタルビデオへの切り替えは、企業が監視のためにカメラを使用する方法など、さまざまな方法でメディアに影響を与えました。閉回路テレビ(CCTV)が使用に切り替えデジタルビデオレコーダー証拠収集のためにレコーディングを保存する方法の問題を提示し、(DVR)を。今日、デジタルビデオはストレージスペースを節約するために圧縮することができます。[20]

デジタルテレビ

DTVとしても知られるデジタルテレビは、ネットワークから消費者へのデジタルビデオの制作と送信です。この手法では、1950年代以前に使用されていたアナログ信号の代わりにデジタルエンコーディングを使用します。[21]アナログ方式と比較して、DTVはより高速であり、データを送信および共有するためのより多くの機能とオプションを提供します。[22]

概要

デジタルビデオは、連続して表示される一連のデジタル画像で構成されます。ビデオのコンテキストでは、これらの画像はフレームと呼ばれます。[e]フレームが表示されるレートフレームレート呼ばれ、1秒あたりのフレーム数(FPS)で測定されます。すべてのフレームはデジタル画像であるため、ピクセルの形成で構成されます。ピクセルには、色という1つのプロパティしかありません。ピクセルの色は、その色の固定数のビットで表されます。ビットが多いほど、色の微妙なバリエーションを再現できます。これは、ビデオの色深度と呼ばれます。

インターレース

インターレース・ビデオの各フレームは、画像の二つの部分から構成されています。前半には、フルフレームの奇数行のみが含まれています。後半は偶数行のみです。これらの半分は、個別にフィールドと呼ばれます2つの連続するフィールドがフルフレームを構成します。インターレースビデオのフレームレートが30フレーム/秒の場合、フィールドレートは60フィールド/秒ですが、インターレースビデオの両方の部分、1秒あたりのフレーム数、および1秒あたりのフィールド数は別々の数値です。

ミネソタ州のパベック博物館にあるテレビ放送用カメラ。

ビットレートとBPP

定義上、ビットレートは、デジタルビデオストリームからの情報コンテンツのレートの測定値です。非圧縮ビデオの場合、ビットレートはビデオ品質に影響を与えるすべてのプロパティに比例するため、ビットレートはビデオの品質に直接対応します。送信リンクはそのビットレートをサポートできる必要があるため、ビットレートはビデオを送信する際の重要なプロパティです。上に示したように、ビデオサイズはビットレートと期間に比例するため、ビデオのストレージを処理する場合はビットレートも重要です。ビデオ圧縮は、品質にほとんど影響を与えずにビットレートを大幅に下げるために使用されます。

ピクセルあたりのビット数(BPP)は、圧縮の効率の尺度です。圧縮がまったくないトゥルーカラービデオのBPPは24ビット/ピクセルである可能性があります。クロマサブサンプリングは、BPPを16または12ビット/ピクセルに減らすことができます。すべてのフレームにjpeg圧縮を適用すると、BPPを8ビット/ピクセルまたは1ビット/ピクセルにまで減らすことができます。MPEG1MPEG2MPEG4などのビデオ圧縮アルゴリズムを適用すると、小数のBPP値が存在するようになります。

固定ビットレートと可変ビットレート

BPPは、ピクセルあたり平均ビット数を表します。ビデオの全期間を通じてBPPをほぼ一定に保つ圧縮アルゴリズムがあります。この場合、固定ビットレート(CBR)のビデオ出力も取得します。このCBRビデオは、リアルタイムのバッファなしの固定帯域幅ビデオストリーミング(ビデオ会議など)に適しています。すべてのフレームを同じレベルで圧縮できるわけではないため、複雑度の高いシーンでは品質への影響が大きくなるため、一部のアルゴリズムではBPPを常に調整しようとします。複雑なシーンを圧縮している間はBPPを高く保ち、要求の少ないシーンでは低く保ちます。このようにして、最小の平均ビットレート(およびそれに応じて最小のファイルサイズ)で最高の品質を提供します。このメソッドは可変ビットレートを生成します BPPの変動を追跡するためです。

技術概要

標準のフィルムストックは通常、毎秒24フレームで記録されます。ビデオの場合、2つのフレームレート標準があります。NTSC、30 / 1.001(約29.97)フレーム/秒(約59.94フィールド/秒)、およびPAL、25フレーム/秒(50フィールド/秒)です。デジタルビデオカメラには、インターレーススキャンプログレッシブスキャンの2つの異なる画像キャプチャ形式がありますインターレースカメラは、画像を交互の線のセットで記録します。奇数の線がスキャンされ、次に偶数の線がスキャンされ、次に奇数の線が再度スキャンされます。

奇数または偶数ラインの1組と呼ばれるフィールド、反対パリティの二つのフィールドの連続したペアリングが呼び出されたフレーム。プログレッシブスキャンカメラは、各フレームのすべての行を1つのユニットとして記録します。したがって、インターレースビデオは、同じフレームレートでプログレッシブビデオの2倍の頻度でシーンの動きをキャプチャします。プログレッシブスキャンは通常、わずかに鮮明な画像を生成しますが、動きはインターレースビデオほどスムーズではない場合があります。

Digital video can be copied with no generation loss; which degrades quality in analog systems. However, a change in parameters like frame size, or a change of the digital format can decrease the quality of the video due to image scaling and transcoding losses. Digital video can be manipulated and edited on non-linear editing systems.

Digital video has a significantly lower cost than 35 mm film. In comparison to the high cost of film stock, the digital media used for digital video recording, such as flash memory or hard disk drive is very inexpensive. Digital video also allows footage to be viewed on location without the expensive and time-consuming chemical processing required by film. Network transfer of digital video makes physical deliveries of tapes and film reels unnecessary.

An diagram of 35 mm film as used in Cinemscope cameras.

Digital television (including higher quality HDTV) was introduced in most developed countries in early 2000s. Today, digital video is used in modern mobile phones and video conferencing systems. Digital video is used for Internet distribution of media, including streaming video and peer-to-peer movie distribution.

Many types of video compression exist for serving digital video over the internet and on optical disks. The file sizes of digital video used for professional editing are generally not practical for these purposes, and the video requires further compression with codecs to be used for recreational purposes.

As of 2011, the highest resolution demonstrated for digital video generation is 35 megapixels (8192 x 4320). The highest speed is attained in industrial and scientific high speed cameras that are capable of filming 1024x1024 video at up to 1 million frames per second for brief periods of recording.

Technical Properties

ライブデジタルビデオは帯域幅を消費します。録画されたデジタルビデオはデータストレージを消費します。必要な帯域幅またはストレージの量は、フレームサイズ、色深度、およびフレームレートによって決まります。各ピクセルは、色深度によって決定されるビット数を消費します。データのフレームを表すために必要なデータは、画像のピクセル数を掛けることによって決定されます。帯域幅は、フレームのストレージ要件にフレームレートを掛けることによって決定されます。プログラムの全体的なストレージ要件は、帯域幅にプログラムの期間を掛けることによって決定できます。

These calculations are accurate for uncompressed video, but due to the relatively high bit rate of uncompressed video, video compression is extensively used. In the case of compressed video, each frame requires only a small percentage of the original bits. Note that it is not necessary that all frames are equally compressed by the same percentage. Instead, consider the average factor of compression for all the frames taken together.

Interfaces and cables

Purpose-built digital video interfaces

General-purpose interfaces use to carry digital video

The following interface has been designed for carrying MPEG-Transport compressed video:

Compressed video is also carried using UDP-IP over Ethernet. Two approaches exist for this:

Other methods of carrying video over IP

Storage formats

エンコーディング

  • 放送局に使用されるCCIR601
  • MPEG-4は、大きなビデオやフラッシュメモリに記録されたビデオのオンライン配信に適しています
  • DVD、Super-VCD、および多くのテレビ放送フォーマットに使用されるMPEG-2
  • ビデオCDに使用されるMPEG-1
  • H.261
  • H.263
  • H.264MPEG-4Part 10、またはAVCも呼ばれBlu-rayディスクや一部のテレビ放送フォーマットに使用されます。
  • ウィキペディアのビデオに使用されるTheora

テープ

  • Betacam SX, Betacam IMX, Digital Betacam, or DigiBeta — commercial video systems by Sony, based on original Betamax technology
  • D-VHS — MPEG-2 format data recorded on a tape similar to S-VHS
    An archived B-format video tape used in Danish broadcasting.
  • D1, D2, D3, D5, D9 (also known as Digital-S) — various SMPTE commercial digital video standards
  • Digital8 — DV-format data recorded on Hi8-compatible cassettes; largely a consumer format
  • DV, MiniDV — used in most of today's videotape-based consumer camcorders; designed for high quality and easy editing; can also record high-definition data (HDV) in MPEG-2 format
  • DVCAM, DVCPRO — used in professional broadcast operations; similar to DV but generally considered more robust; though DV-compatible, these formats have better audio handling.
  • DVCPRO50, DVCPROHD support higher bandwidths as compared to Panasonic's DVCPRO.
  • HDCAM was introduced by Sony as a high-definition alternative to DigiBeta.
  • MicroMV — MPEG-2-format data recorded on a very small, matchbook-sized cassette; obsolete
  • ProHD — name used by JVC for its MPEG-2-based professional camcorders

Discs

The Blu-ray disc, a type of optical disc used for media storage.

See also

Notes

  1. ^ For example the Thomson-CSF 9100 Digital Video Processor, an internally all-digital full-frame TBC introduced in 1980.
  2. ^ For example the Ampex ADO, and the Nippon Electric Corporation (NEC) DVE.
  3. ^ Prior to D2, most laserdiscs were mastered using analog 1" Type C videotape
  4. ^ Digital Betacam is still heavily used as an electronic field production (EFP) recording format by professional television producers
  5. ^ In fact the still images correspond to frames only in the case of progressive scan video. In interlaced video they correspond to fields. See section about interlacing for clarification.

References

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外部リンク