Vídeo digital

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Câmera de vídeo digital da Sony usada para gravar conteúdo.

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, geralmente a 24 quadros por segundo. O vídeo digital tem muitas vantagens, como fácil cópia, multicasting, compartilhamento e armazenamento.

O vídeo digital foi introduzido comercialmente pela primeira vez 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 populares de vídeo digital compactado hoje incluem H.264 e MPEG-4. 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 sofrem perda de geração. O vídeo digital pode ser armazenado em mídia digital, como disco Blu-ray, 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 digitais

A base para câmeras de vídeo digital são sensores de imagem de óxido de metal-semicondutor (MOS). O primeiro sensor de imagem 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. 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. Os CMOS são mais comumente encontrados hoje nas câmeras digitais dos iPhones, usados como o censor de imagem do dispositivo.

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

Codificação de vídeo digital

Na década de 1970, a modulação por código de pulso (PCM) induziu o nascimento da codificação de vídeo digital, exigindo altas taxas de bits de 45-140 Mbps para conteúdo de definição padrão (SD). Na década de 1980, a transformada discreta de cosseno (DCT) tornou-se o padrão para compressão de vídeo digital.

O primeiro padrão de codificação de vídeo digital foi o H.120, criado pelo (International Telegraph and Telephone Consultative Committee) ou CCITT (agora ITU-T) em 1984. O H.120 não era prático devido ao fraco desempenho. H.120 foi baseado na modulação de 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 experimentar o 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 com qualidade VHS. Ele 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 pelo MPEG-4/H.263 em 1999 e, em 2003, foi seguido pelo H.264/MPEG-4 AVC, que se tornou o padrão de codificação de vídeo mais usado.

Produção de vídeo digital

A partir do final dos anos 1970 até o início dos anos 1980, foram introduzidos equipamentos de produção de vídeo que eram digitais em seu funcionamento interno. Isso incluía corretores de base de tempo (TBC) e unidades de efeitos de vídeo digital (DVE). Eles operavam pegando uma entrada de vídeo composto analógica 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, fabricantes de equipamentos profissionais de transmissão de vídeo, como a Bosch (através de sua divisão Fernseh) e a Ampex desenvolveram protótipos de gravadores de fita de vídeo digital (VTR) em seus laboratórios de pesquisa e desenvolvimento. A máquina da Bosch usava um transporte de fita de vídeo tipo B modificado de 1 polegada e gravava uma forma inicial de vídeo digital CCIR 601. O protótipo de gravador de vídeo digital da Ampex usou um VTR de fita de vídeo quadruplex modificado de 2 polegadas (um Ampex AVR-3) equipado com eletrônica de vídeo digital personalizada e um sistema especial "octaplex" Volante de cabeça de 8 cabeças (máquinas quádruplas analógicas regulares de 2" usavam apenas 4 cabeças). Como padrão 2" quad, o áudio do protótipo da máquina digital Ampex, apelidado por seus desenvolvedores de "Annie" ainda gravou o áudio em analógico como faixas lineares na fita. Nenhuma dessas máquinas desses fabricantes foi comercializada.

O vídeo digital foi introduzido comercialmente pela primeira vez 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 essa incompatibilidade de custo do gravador, o 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 desenvolveram e lançaram em conjunto 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 teve a principal diferença de codificar o vídeo em formato composto para o padrão NTSC, exigindo apenas conexões de vídeo composto de cabo único de e para um VCR D2. Isso o tornava perfeito para a maioria das instalações de televisão da época. D2 foi um formato de sucesso na indústria de transmissão de televisão no final dos anos 80 e 90. D2 também foi amplamente utilizado naquela época como o formato de fita master para masterizar laserdiscs.

D1 & O D2 acabaria sendo substituído por sistemas mais baratos usando compressão de vídeo, principalmente o Betacam Digital da Sony, que foi introduzido nos estúdios de televisão da rede. Outros exemplos de formatos de vídeo digital que utilizam compressão foram o DCT da Ampex (o primeiro a empregá-lo quando lançado em 1992), o padrão da indústria DV e MiniDV e suas variações profissionais, DVCAM da Sony e Panasonic's. s DVCPRO e Betacam SX, uma variante de baixo custo da 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 & Arte em Providence, RI. Foi desenvolvido a partir de 1990 e lançado pela primeira vez em maio de 1991. O PACo podia 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 Sun SPARCstations.

O QuickTime, a estrutura multimídia da Apple Computer, foi lançado em junho de 1991. O Audio Video Interleave da Microsoft foi lançado em 1992. As ferramentas iniciais de criação de conteúdo para o consumidor eram rudimentares, exigindo que uma fonte de vídeo analógico fosse digitalizada em um computador - formato legível. Embora inicialmente de baixa qualidade, o vídeo digital de consumo aumentou rapidamente em qualidade, primeiro com a introdução de padrões de reprodução como MPEG-1 e MPEG-2 (adotados para uso em transmissão de televisão e mídia de DVD) e a introdução da fita DV formato que permite 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 os sistemas de edição não lineares (NLE) fossem implantados de forma barata e ampla em computadores de mesa sem a necessidade de equipamentos externos de reprodução ou gravação.

A ampla adoção de vídeo digital e formatos de compactação que o acompanham 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 padrão sinal analógico de definição). 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 vídeos e filmes se tornassem amplamente disponíveis e populares, benéficos para entretenimento, educação e pesquisa. O vídeo digital é cada vez mais comum nas escolas, com alunos e professores interessados em aprender a usá-lo de maneira relevante. O vídeo digital também tem aplicações na área da saúde, permitindo que os médicos rastreiem os batimentos cardíacos infantis e os níveis de oxigênio.

Além disso, a mudança do vídeo analógico para o digital impactou a mídia de várias maneiras, como em como as empresas usam câmeras para vigilância. Circuito fechado de televisão (CCTV) passou a usar gravadores de vídeo digital (DVR), apresentando a questão de como armazenar gravações para coleta de provas. 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, a DTV é mais rápida e oferece mais recursos e opções para que os dados sejam 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. A cor de um pixel é representada por um número fixo de bits dessa cor onde a informação da cor é armazenada dentro da imagem. Por exemplo, 8 bits captura 256 níveis por canal e 10 bits captura 1.024 níveis por canal. Quanto mais bits, mais variações sutis de cores podem ser reproduzidas. Isso é chamado de profundidade de cor ou profundidade de bits do vídeo.

Entrelaçado

No vídeo entrelaçado, cada frame é composto por 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 chamadas individualmente de campos. Dois campos consecutivos compõem um quadro completo. Se um vídeo entrelaçado tiver uma taxa de quadros de 30 quadros por segundo, a taxa de campo será de 60 campos por segundo, embora ambos façam parte do vídeo entrelaçado, os quadros por segundo e os campos por segundo sejam números separados.

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

Taxa de bits e BPP

Por definição, a taxa de bits é uma medida da taxa de conteúdo de informações 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 na transmissão de 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 compactação de vídeo é usada para reduzir bastante a taxa de bits, tendo pouco efeito na qualidade.

Bits por pixel (BPP) é uma medida da eficiência da compactação. Um vídeo em cores reais sem compactação 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 bit/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, pois a qualidade é mais 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 com a menor taxa de bits média (e o menor tamanho de arquivo, consequentemente). Este método produz uma taxa de bits variável porque rastreia as variações do BPP.

Visão geral técnica

Os estoques de filmes padrão geralmente 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 escaneadas, e então as linhas pares são escaneadas, então as linhas ímpares são escaneadas novamente, e assim por diante.

Um conjunto de linhas pares ou ímpares é chamado de campo, e um emparelhamento consecutivo de dois campos de paridade oposta é chamado de quadro. As 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 alteração em parâmetros como tamanho do quadro ou uma alteração 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 lineares.

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 unidade de disco rígido, é muito barata. O vídeo digital também permite que a filmagem seja visualizada no local sem o processamento químico caro e demorado exigido pelo filme. A transferência de rede de vídeo digital torna desnecessárias as entregas físicas de fitas e rolos de filme.

Uma sequência de vídeo curta em 16K nativo.
Um diagrama de filme de 35 mm como usado em câmeras Cinemscope.

A televisão digital (incluindo HDTV de alta qualidade) 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 compactação de vídeo para exibição de 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 propósitos, e o vídeo requer maior compactação com codecs para ser usado para fins recreativos.

A partir de 2017, a resolução de imagem mais alta demonstrada para geração de vídeo digital é de 132,7 megapixels (15360 x 8640 pixels). A maior velocidade é alcançada em câmeras industriais e científicas de alta velocidade que são capazes de filmar vídeo 1024x1024 em 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 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 de 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 de um quadro pela taxa de quadros. Os requisitos gerais de armazenamento para um programa podem ser determinados multiplicando a largura de banda pela duração do programa.

Esses cálculos são precisos para vídeo não compactado, mas devido à taxa de bits relativamente alta de vídeo não compactado, a compactação de vídeo é amplamente usada. No caso de vídeo compactado, cada quadro requer apenas uma pequena porcentagem dos bits originais. Isso reduz o consumo de dados ou largura de banda em um fator de 5 a 12 vezes ao usar a compactação sem perdas, mas, mais comumente, a compactação com perdas é usada devido à redução do consumo de dados em fatores de 20 a 200. Observe que não é necessário que todos os quadros são igualmente compactados pela mesma porcentagem. Em vez disso, considere o fator de compressão médio para todos os quadros juntos.

Interfaces e cabos

Interfaces de vídeo digital específicas

Interfaces de uso geral usadas para transportar vídeo digital

A interface a seguir foi projetada para transportar vídeo compactado MPEG-Transport:

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

Fitas

Discos

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