Video digital

Cámara de vídeo digital Sony utilizada para grabar contenido.

Video digital es una representación electrónica de imágenes visuales en movimiento (video) en forma de datos digitales codificados. Esto contrasta con el video analógico, que representa imágenes visuales en movimiento en forma de señales analógicas. El video digital comprende una serie de imágenes digitales que se muestran en rápida sucesión.

El video digital es audio y video que se mezclan para hacer una producción. los datos recopilados se usaron para crear un video, en lugar de una serie de fotos juntas. El video digital tiene muchas ventajas, como la facilidad de copia, multidifusión, fácil uso compartido y almacenamiento. El video grabado en cinta se usa en una computadora en un reproductor multimedia. El video digital está hecho de imágenes que se muestran rápidamente en frecuencias de 15, 24, 30 y 60 fotogramas por segundo.

El video digital se introdujo comercialmente por primera vez en 1986 con el formato Sony D1, que grababa una señal de video componente de definición estándar sin comprimir en forma digital. Además de los formatos sin comprimir, los formatos populares de video digital comprimido en la actualidad incluyen H.264 y MPEG-4. Los estándares de interconexión modernos que se utilizan para la reproducción de video digital incluyen HDMI, DisplayPort, interfaz visual digital (DVI) e interfaz digital en serie (SDI).

El video digital se puede copiar y reproducir sin degradación de la calidad. Por el contrario, cuando se copian fuentes analógicas, experimentan pérdida de generación. El video digital se puede almacenar en medios digitales como Blu-ray Disc, en el almacenamiento de datos de la computadora o transmitir a través de Internet a los usuarios finales que miran el contenido en la pantalla de una computadora de escritorio o en un televisor inteligente digital. Hoy en día, el contenido de video digital, como programas de televisión y películas, también incluye una banda sonora de audio digital.

Historia

Cámaras de vídeo digitales

La base de las cámaras de video digitales son los sensores de imagen de semiconductores de óxido de metal (MOS). El primer sensor de imagen de semiconductores práctico fue el dispositivo de carga acoplada (CCD), inventado en 1969 por Willard S. Boyle, quien ganó un Premio Nobel por su trabajo en física. Luego de la comercialización de sensores CCD a fines de la década de 1970 y principios de la de 1980, la industria del entretenimiento comenzó lentamente la transición a imágenes digitales y video digital en lugar de video analógico durante las próximas dos décadas. El CCD fue seguido por el sensor de píxeles activos CMOS (sensor CMOS), desarrollado en la década de 1990. Los CMOS son beneficiosos debido a su pequeño tamaño, alta velocidad y bajo consumo de energía. Los CMOS se encuentran más comúnmente hoy en día en las cámaras digitales de los iPhones, y se utilizan como censor de imagen para el dispositivo.

Una cámara Betacam SP, desarrollada originalmente en 1986 por Sony.

Codificación de vídeo digital

En la década de 1970, la modulación de código de pulso (PCM) indujo el nacimiento de la codificación de video digital, que exigía altas tasas de bits de 45 a 140 Mbps para contenido de definición estándar (SD). En la década de 1980, la transformada de coseno discreta (DCT) se convirtió en el estándar para la compresión de video digital.

El primer estándar de codificación de video digital fue H.120, creado por el (Comité Consultivo Internacional de Telégrafos y Teléfonos) o CCITT (ahora ITU-T) en 1984. H.120 no era práctico debido a su bajo rendimiento. H.120 se basó en la modulación de código de pulso diferencial (DPCM), un algoritmo de compresión que era ineficiente para la codificación de video. A fines de la década de 1980, varias empresas comenzaron a experimentar con DCT, una forma de compresión mucho más eficiente para la codificación de video. El CCITT recibió 14 propuestas de formatos de compresión de vídeo basados en DCT, frente a una única propuesta basada en la compresión de cuantificación vectorial (VQ). El estándar H.261 se desarrolló en base a la compresión DCT, convirtiéndose en el primer estándar práctico de codificación de video. Desde H.261, la compresión DCT ha sido adoptada por todos los principales estándares de codificación de video que siguieron.

MPEG-1, desarrollado por Motion Picture Experts Group (MPEG), siguió en 1991 y fue diseñado para comprimir video con calidad VHS. Le sucedió en 1994 MPEG-2/H.262, que se convirtió en el formato de vídeo estándar para la televisión digital DVD y SD. Le siguió MPEG-4/H.263 en 1999 y luego, en 2003, le siguió H.264/MPEG-4 AVC, que se ha convertido en el estándar de codificación de vídeo más utilizado.

Producción de vídeo digital

Desde finales de la década de 1970 hasta principios de la de 1980, se introdujeron equipos de producción de video que eran digitales en su funcionamiento interno. Estos incluían correctores de base de tiempo (TBC) y unidades de efectos de video digital (DVE). Operaron tomando una entrada de video compuesto analógico estándar y digitalizándola internamente. Esto hizo que fuera más fácil corregir o mejorar la señal de video, como en el caso de un TBC, o manipular y agregar efectos al video, en el caso de una unidad DVE. La información de video digitalizada y procesada luego se volvió a convertir a video analógico estándar para su salida.

Más tarde, en la década de 1970, los fabricantes de equipos de transmisión de video profesional, como Bosch (a través de su división Fernseh) y Ampex, desarrollaron prototipos de grabadoras de cinta de video digital (VTR) en sus laboratorios de investigación y desarrollo. La máquina de Bosch utilizó un transporte de cinta de video tipo B modificado de 1 pulgada y grabó una forma temprana de video digital CCIR 601. El prototipo de grabadora de video digital de Ampex usaba un VTR de cinta de video cuádruplex modificado de 2 pulgadas (un Ampex AVR-3) equipado con electrónica de video digital personalizada y un "octaplex" especial. Volante de 8 cabezas (las máquinas cuádruples analógicas regulares de 2 & # 34; solo usaban 4 cabezas). Como estándar 2" quad, el audio del prototipo de máquina digital Ampex, apodado por sus desarrolladores como "Annie," todavía grabó el audio en analógico como pistas lineales en la cinta. Ninguna de estas máquinas de estos fabricantes se comercializó jamás.

El video digital se introdujo comercialmente por primera vez en 1986 con el formato Sony D1, que grababa una señal de video componente de definición estándar sin comprimir en forma digital. Las conexiones de video componente requerían 3 cables, pero la mayoría de las instalaciones de televisión estaban cableadas para video compuesto NTSC o PAL usando un cable. Debido a esta incompatibilidad, el costo de la grabadora, D1 fue utilizado principalmente por grandes cadenas de televisión y otros estudios de video con capacidad de video componente.

Un estudio de televisión profesional en Chile.

En 1988, Sony y Ampex desarrollaron y lanzaron conjuntamente el formato de videocassette digital D2, que grababa video digitalmente sin compresión en formato ITU-601, muy parecido a D1. En comparación, D2 tenía la gran diferencia de codificar el video en forma compuesta según el estándar NTSC, por lo que solo requería conexiones de video compuesto de un solo cable hacia y desde una videograbadora D2. Esto lo hizo perfecto para la mayoría de las instalaciones de televisión en ese momento. D2 fue un formato exitoso en la industria de la transmisión de televisión a finales de los 80 y los 90. D2 también se usó ampliamente en esa época como formato de cinta maestra para masterizar discos láser.

D1 &amperio; Eventualmente, D2 sería reemplazado por sistemas más baratos que utilizan compresión de video, más notablemente la Betacam digital de Sony, que se introdujo en los estudios de televisión de la red. Otros ejemplos de formatos de video digital que utilizan compresión fueron el DCT de Ampex (el primero en emplearlo cuando se presentó en 1992), el estándar de la industria DV y MiniDV y sus variaciones profesionales, el DVCAM de Sony y el formato de Panasonic. s DVCPRO y Betacam SX, una variante de menor costo de Digital Betacam que usa compresión MPEG-2.

El logotipo de Sony, creador del Betacam.

Uno de los primeros productos de video digital que se ejecutó en computadoras personales fue PACo: The PICS Animation Compiler de The Company of Science & Arte en Providence, Rhode Island. Fue desarrollado a partir de 1990 y enviado por primera vez en mayo de 1991. PACo podía transmitir videos de duración ilimitada con sonido sincronizado desde un solo archivo (con la extensión de archivo ".CAV") en CD-ROM. La creación requirió una Mac y la reproducción fue posible en Mac, PC y Sun SPARCstations.

QuickTime, el marco multimedia de Apple Computer, se lanzó en junio de 1991. Audio Video Interleave de Microsoft siguió en 1992. Las herramientas iniciales de creación de contenido a nivel de consumidor eran toscas y requerían una fuente de video analógica para ser digitalizada a una computadora. -formato legible. Si bien al principio era de baja calidad, el video digital de consumo aumentó rápidamente en calidad, primero con la introducción de estándares de reproducción como MPEG-1 y MPEG-2 (adoptados para su uso en la transmisión de televisión y DVD), y la introducción de la cinta DV. formato que permite que las grabaciones en el formato se transfieran directamente a archivos de video digital usando un puerto FireWire en una computadora de edición. Esto simplificó el proceso, permitiendo que los sistemas de edición no lineal (NLE) se implementen de manera económica y generalizada en computadoras de escritorio sin necesidad de equipos externos de reproducción o grabación.

La adopción generalizada del video digital y los formatos de compresión que lo acompañan ha reducido el ancho de banda necesario para una señal de video de alta definición (con HDV y AVCHD, así como varias variantes comerciales como DVCPRO-HD, que usan menos ancho de banda que una señal estándar). señal analógica de definición). Estos ahorros han aumentado la cantidad de canales disponibles en la televisión por cable y los sistemas satelitales de transmisión directa, han creado oportunidades para la reasignación de espectro de frecuencias de transmisión de televisión terrestre y han hecho posibles las videocámaras sin cinta basadas en memoria flash, entre otras innovaciones y eficiencias.

Video digital y cultura

Culturalmente, el video digital ha permitido que el video y el cine estén ampliamente disponibles y sean populares, beneficiosos para el entretenimiento, la educación y la investigación. El video digital es cada vez más común en las escuelas, y los estudiantes y maestros se interesan en aprender a usarlo de manera relevante. El video digital también tiene aplicaciones para el cuidado de la salud, lo que permite a los médicos rastrear las frecuencias cardíacas y los niveles de oxígeno de los bebés.

Además, el cambio de video analógico a digital afectó a los medios de varias maneras, por ejemplo, en la forma en que las empresas usan las cámaras para la vigilancia. El circuito cerrado de televisión (CCTV) cambió al uso de videograbadoras digitales (DVR), lo que planteó el problema de cómo almacenar las grabaciones para la recopilación de pruebas. Hoy en día, el video digital se puede comprimir para ahorrar espacio de almacenamiento.

Televisión digital

La televisión digital, también conocida como DTV, es la producción y transmisión de video digital de las redes a los consumidores. Esta técnica utiliza codificación digital en lugar de señales analógicas utilizadas antes de la década de 1950. En comparación con los métodos analógicos, la DTV es más rápida y brinda más capacidades y opciones para que los datos se transmitan y compartan.

Resumen

El vídeo digital comprende una serie de imágenes digitales que se muestran en rápida sucesión. En el contexto del video, estas imágenes se denominan fotogramas. La velocidad a la que se muestran los fotogramas se conoce como velocidad de fotogramas y se mide en fotogramas por segundo (FPS). Cada fotograma es una imagen digital y, por lo tanto, comprende una formación de píxeles. El color de un píxel está representado por un número fijo de bits de ese color donde se almacena la información del color dentro de la imagen. Por ejemplo, 8 bits captura 256 niveles por canal y 10 bits captura 1024 niveles por canal. Cuantos más bits, más sutiles variaciones de colores se pueden reproducir. Esto se denomina profundidad de color, o profundidad de bits, del video.

Entrelazado

En el video entrelazado, cada fotograma se compone de dos mitades de una imagen. La primera mitad contiene solo las líneas impares de un cuadro completo. La segunda mitad contiene solo las líneas pares. Estas mitades se denominan individualmente como campos. Dos campos consecutivos componen un cuadro completo. Si un video entrelazado tiene una velocidad de cuadro de 30 cuadros por segundo, la tasa de campo es de 60 campos por segundo, aunque ambas partes del video entrelazado, los cuadros por segundo y los campos por segundo son números separados.

Una cámara televisiva en el Museo Pavek en Minnesota.

Velocidad de bits y BPP

Por definición, la tasa de bits es una medida de la tasa de contenido de información del flujo de video digital. En el caso de video sin comprimir, la tasa de bits corresponde directamente a la calidad del video porque la tasa de bits es proporcional a cada propiedad que afecta la calidad del video. La tasa de bits es una propiedad importante cuando se transmite video porque el enlace de transmisión debe ser capaz de soportar esa tasa de bits. La tasa de bits también es importante cuando se trata del almacenamiento de video porque, como se muestra arriba, el tamaño del video es proporcional a la tasa de bits y la duración. La compresión de video se usa para reducir en gran medida la tasa de bits y tiene poco efecto en la calidad.

Los bits por píxel (BPP) son una medida de la eficacia de la compresión. Un video de color verdadero sin compresión alguna puede tener un BPP de 24 bits/píxel. El submuestreo de croma puede reducir el BPP a 16 o 12 bits/píxel. La aplicación de compresión jpeg en cada fotograma puede reducir el BPP a 8 o incluso a 1 bit/píxel. La aplicación de algoritmos de compresión de video como MPEG1, MPEG2 o MPEG4 permite que existan valores fraccionarios de BPP.

Velocidad de bits constante frente a velocidad de bits variable

BPP representa los bits promedio por píxel. Existen algoritmos de compresión que mantienen el BPP casi constante durante toda la duración del video. En este caso, también obtenemos salida de video con una tasa de bits constante (CBR). Este video CBR es adecuado para la transmisión de video de ancho de banda fijo, sin búfer y en tiempo real (por ejemplo, en videoconferencias). Dado que no todos los fotogramas se pueden comprimir al mismo nivel, ya que la calidad se ve más afectada en escenas de alta complejidad, algunos algoritmos intentan ajustar constantemente el BPP. Mantienen el BPP alto mientras comprimen escenas complejas y bajo para escenas menos exigentes. De esta manera, proporciona la mejor calidad a la tasa de bits promedio más baja (y el tamaño de archivo más pequeño, en consecuencia). Este método produce una tasa de bits variable porque rastrea las variaciones del BPP.

Resumen técnico

Las películas estándar suelen grabar a 24 fotogramas por segundo. Para video, hay dos estándares de velocidad de cuadros: NTSC, a 30/1,001 (alrededor de 29,97) cuadros por segundo (alrededor de 59,94 campos por segundo) y PAL, 25 cuadros por segundo (50 campos por segundo). Las cámaras de video digitales vienen en dos formatos diferentes de captura de imágenes: barrido entrelazado y progresivo. Las cámaras entrelazadas graban la imagen en conjuntos alternos de líneas: se escanean las líneas impares, luego se escanean las líneas pares, luego se escanean nuevamente las líneas impares, y así sucesivamente.

Un conjunto de líneas pares o impares se denomina campo, y un par consecutivo de dos campos de paridad opuesta se denomina marco. Las cámaras de exploración progresiva registran todas las líneas de cada cuadro como una sola unidad. Por lo tanto, el video entrelazado captura el movimiento de la escena con el doble de frecuencia que el video progresivo para la misma velocidad de fotogramas. El escaneo progresivo generalmente produce una imagen un poco más nítida, sin embargo, el movimiento puede no ser tan suave como el video entrelazado.

El video digital se puede copiar sin pérdida de generación; lo que degrada la calidad en los sistemas analógicos. Sin embargo, un cambio en los parámetros como el tamaño del cuadro o un cambio en el formato digital puede disminuir la calidad del video debido a las pérdidas de escala y transcodificación de la imagen. El video digital se puede manipular y editar en sistemas de edición no lineal.

El video digital tiene un costo significativamente menor que la película de 35 mm. En comparación con el alto costo del material de película, los medios digitales utilizados para la grabación de video digital, como la memoria flash o la unidad de disco duro, son muy económicos. El video digital también permite que las imágenes se vean en el lugar sin el procesamiento químico costoso y lento que requiere la película. La transferencia en red de video digital hace que las entregas físicas de cintas y rollos de película sean innecesarias.

Un diagrama de película de 35 mm utilizado en cámaras Cinemscope.

La televisión digital (incluida la HDTV de mayor calidad) se introdujo en la mayoría de los países desarrollados a principios de la década de 2000. Hoy en día, el video digital se usa en teléfonos móviles modernos y sistemas de videoconferencia. El video digital se utiliza para la distribución de medios por Internet, incluida la transmisión de video y la distribución de películas entre pares.

Existen muchos tipos de compresión de video para servir video digital a través de Internet y en discos ópticos. Los tamaños de archivo de video digital utilizados para la edición profesional generalmente no son prácticos para estos fines, y el video requiere una mayor compresión con códecs para fines recreativos.

A partir de 2017, la resolución de imagen más alta demostrada para la generación de video digital es de 132,7 megapíxeles (15360 x 8640 píxeles). La velocidad más alta se alcanza en cámaras de alta velocidad industriales y científicas que son capaces de filmar video de 1024x1024 a hasta 1 millón de fotogramas por segundo durante breves períodos de grabación.

Propiedades Técnicas

El video digital en vivo consume ancho de banda. El video digital grabado consume almacenamiento de datos. La cantidad de ancho de banda o almacenamiento requerido está determinada por el tamaño del cuadro, la profundidad de color y la velocidad de cuadro. Cada píxel consume una cantidad de bits determinada por la profundidad de color. Los datos necesarios para representar un cuadro de datos se determinan multiplicando por el número de píxeles de la imagen. El ancho de banda se determina multiplicando el requisito de almacenamiento de un cuadro por la velocidad de cuadro. Los requisitos generales de almacenamiento para un programa se pueden determinar multiplicando el ancho de banda por la duración del programa.

Estos cálculos son precisos para video sin comprimir, pero debido a la tasa de bits relativamente alta del video sin comprimir, la compresión de video se usa mucho. En el caso del video comprimido, cada cuadro requiere solo un pequeño porcentaje de los bits originales. Esto reduce el consumo de datos o ancho de banda por un factor de 5 a 12 veces cuando se usa compresión sin pérdida, pero más comúnmente, la compresión con pérdida se usa debido a su reducción del consumo de datos por factores de 20 a 200. Tenga en cuenta que no es necesario que todos los fotogramas se comprimen por igual en el mismo porcentaje. En su lugar, considere el factor de compresión promedio para todos los marcos en conjunto.

Interfaces y cables

Interfaces de video digital especialmente diseñadas

• Video componente digital
• Interfaz visual digital (DVI)
• Visualización Puerto
• HDBaseT
• Interfaz multimedia de alta definición (HDMI)
• Interfaz de visualización unificada

Las interfaces de propósito general se utilizan para transmitir video digital

• FireWire (IEEE 1394)
• Autobús en serie universal (USB)

La siguiente interfaz ha sido diseñada para transportar video comprimido MPEG-Transport:

• DVB-ASI

El video comprimido también se transmite mediante UDP-IP a través de Ethernet. Existen dos enfoques para esto:

• Utilizar RTP como envoltura para paquetes de vídeo como con SMPTE 2022
• 1–7 MPEG Los paquetes de transporte se colocan directamente en el paquete UDP

Otros métodos de transmisión de video a través de IP

• Interfaz de dispositivo de red
• SMPTE 2110

Formatos de almacenamiento

Codificación

• CCIR 601 utilizado para estaciones de radiodifusión
• VC-2 también conocido como Dirac Pro
• MPEG-4 buena para la distribución en línea de grandes videos y vídeo grabados en memoria flash
• MPEG-2 utilizado para DVDs, Super-VCDs, y muchos formatos de televisión
• MPEG-1 utilizado para CDs de vídeo
• H.261
• H.263
• H.264 también conocido como MPEG-4 Parte 10, o como AVC, utilizado para Blu-ray Discs y algunos formatos de televisión
• H.265 también conocido como MPEG-H Parte 2, o como HEVC
• MOV utilizado para Quick Marco temporal
• Theora usada para video en Wikipedia

Cintas

• Betacam SX, Betacam IMX, Digital Betacam o DigiBeta — sistemas de video comerciales de Sony, basados en la tecnología Betamax original
• D-VHS — datos de formato MPEG-2 grabados en una cinta similar a S-VHS
  

  Una cinta de vídeo de formato B archivada utilizada en la radiodifusión danesa.
• D1, D2, D3, D5, D9 (también conocido como Digital-S) — varias normas comerciales de vídeo SMPTE
• Digital8 — DV-format data recorded on Hi8-compatible cassettes; largely a consumer format
• DV, MiniDV - utilizado en la mayoría de las videocámaras de consumo de hoy en día; diseñado para una edición fácil y de alta calidad; también puede grabar datos de alta definición (HDV) en formato MPEG-2
• DVCAM, DVCPRO — utilizado en operaciones de radiodifusión profesional; similar a DV pero generalmente considerado más robusto; aunque compatible con DV, estos formatos tienen mejor manejo de audio.
• DVCPRO50, DVCPROHD soporta anchos de banda más altos en comparación con el DVCPRO de Panasonic.
• HDCAM fue presentado por Sony como una alternativa de alta definición a DigiBeta.
• MicroMV — MPEG-2-format data recorded on a very small, matchbook-sized cassette; obsolete
• ProHD — nombre utilizado por JVC para sus videocámaras profesionales basadas en MPEG-2

Discos

El disco Blu-ray, un tipo de disco óptico utilizado para almacenamiento multimedia.

• Blu-ray Disc
• DVD
• VCD