Video digital

El video digital  es un conjunto de tecnologías para grabar, procesar, transmitir y almacenar imágenes y sonido . La principal diferencia con el video analógico es que la señal de video y el audio no se codifican y transmiten en su forma original, sino después de la conversión de analógico a digital en flujos de datos de video y audio. En la mayoría de los casos, el video digital se comprime para reducir la cantidad de datos que se transmitirán y almacenarán. El video digital se puede distribuir en varios medios de video, a través de interfaces digitales como una secuencia o como archivos .

Formación del flujo de datos de video

Video componente

Una imagen óptica se forma utilizando una lente en una matriz fotosensible de cámaras de video y televisión , proyectores de telecine , cámaras digitales , teléfonos con cámara o tabletas , cámaras web , cámaras de videovigilancia y otros dispositivos similares. Con la ayuda de varios sistemas, se realiza la separación de color de la imagen para obtener componentes monocromáticos de medios tonos de los tres colores primarios .

Después de aplicar la corrección gamma de las señales R, G, B, se convierten para obtener la señal de luminancia Y' y dos señales de diferencia de color: R'-Y' y B'-Y'. ITU-R 601 utiliza las siguientes fórmulas de codificación para digitalizar video componente:

Al transmitir tales señales, es posible restaurar los componentes de color originales: rojo (R), azul (B) y verde (G), que se utilizan en la mayoría de los sistemas de visualización de información de video, por ejemplo, en monitores .

Niveles de video

Los componentes recibidos Y', Cr , Cb se cuantifican con 8 o 10 bits . Sin embargo, no todos los niveles se utilizan para transmitir señales de luminancia. Por ejemplo, para la codificación de 8 bits, de los 256 niveles disponibles, solo 220 se usan para transmitir la señal de luminancia (rango 16-235), y el resto se usa para señales de sincronización. Con la codificación de 10 bits, se utilizan 877 niveles. Para los componentes de color, solo se usan 225 niveles en un sistema de 8 bits y solo 897 niveles de video discretos en un sistema de 10 bits.

Submuestreo de color

Al muestrear los componentes Y', Cr, Cb de la señal de video, se utiliza el llamado submuestreo de color para reducir la tasa de bits . Si cada componente se muestrea a la misma frecuencia, esto se llamaría 4:4:4. Sin embargo, rara vez se usa en la práctica debido a su redundancia. Para los estándares de video digital, la relación básica es 4:2:2, lo que significa que los componentes de diferencia de color Cr, Cb se transmiten con claridad horizontal , que es la mitad de la claridad de la señal de luminancia, porque el ojo humano es más sensible a los cambios. en brillo que en colores. En este caso, la frecuencia de muestreo para la señal de brillo Y' se establece en 13,5 MHz , que es el doble que para las señales de diferencia de color Cr y Cb - 6,75 MHz.

Para reducir aún más la redundancia de color, se utilizan esquemas de relación 4:2:0 y 4:1:1. En este último caso, la claridad horizontal de las señales de diferencia de color se reduce a una cuarta parte de la resolución total de la señal de luminancia. Tanto 4:1:1 como 4:2:0 reducen el ancho de banda a la mitad en comparación con la representación sin reducción de resolución.

Para señales HDTV , de acuerdo con la Parte II de la Recomendación ITU-R 709-3, las tasas de muestreo para señales de luminancia son 74,25 MHz y crominancia 37,125 MHz.

Estándares de descomposición

Los estándares de descomposición de video digital definen los siguientes parámetros:

Otro parámetro importante es la relación de aspecto del cuadro de video. Los formatos de video típicos son estándar 4:3 (1.33:1) o pantalla ancha 16:9 (1.77:1). La pantalla ancha a veces se graba en video con compresión horizontal de hasta 4: 3 y se estira durante la reproducción. Esta tecnología se denomina anamorfismo digital y, al grabar películas de pantalla panorámica , permite utilizar de forma más eficaz el cuadro de la televisión de definición estándar. La visualización correcta del formato codificado está asegurada por su reconocimiento automático utilizando los paquetes de bits de servicio AR ( Relación de aspecto) y WSS ( Señalización de pantalla ancha ) o AFD ( Descripción de formato activo )  [1] . Toda esta información sobre el formato de la imagen y la ubicación de los cachés de pantalla ( ing. Bar Data ) se transmite en la línea 23 del pulso de borrado de cuadro del flujo de video [2] [3] .    

Codificación digital y formatos de compresión

Transmisión de video

Un flujo de video  es una secuencia de tiempo de fotogramas de un determinado formato, codificados en un flujo de bits . El flujo de video entrelazado de 10 bits sin comprimir con definición estándar de submuestreo de color 4:2:2 será de 270 Mbps. Este flujo se obtiene sumando los productos de la frecuencia de muestreo y la profundidad de bits de cada componente: 10 × 13,5 + 10 × 6,75 × 2 = 270 Mbps. Sin embargo, el cálculo del tamaño del archivo resultante que contiene un flujo de video sin comprimir se realiza de manera algo diferente. Solo se guarda la parte activa de la línea de video. Para la representación en el espacio Y', Cr, Cb, se calculan los siguientes componentes:

Cálculo de la tasa de datos:

Para formato 4:2:2 BR = BD × (An + 0,5 × W × 2) × H × FR = BD × 2 × W × H × FR Para formato 4:1:1 BR = BD × (An + 0,25 × W × 2) × H × FR = BD × 1,5 × W × H × FR Para formato 4:2:0 BR = BD × (An × Al + 0,5 × W × 0,5 × H × 2) × FR = BD × 1,5 × W × H × FR Para formato 4:4:4 BR = BD × 3 × W × H × FR BR - tasa de transferencia de datos, bit/s, W y H - ancho y alto del marco en píxeles, BD: profundidad de bits para cada componente, bits por píxel FR - velocidad de fotogramas, fps

La tabla muestra la tasa de bits de video sin comprimir y la cantidad de espacio requerido para una hora de grabación de los estándares más comunes.

Tasa de bits de transmisión de video sin comprimir
Tamaño de fotograma
(píxeles)		 Profundidad de color
(bit)		 Muestreo Velocidad de fotogramas
(Hz)		 Tasa de bits
(Mbps)
Capacidad requerida ( GiB /h)
720×576 diez 4:2:2 25 207 86,9
720×576 ocho 4:1:1, 4:2:0 25 124 52.1
1280×720 ocho 4:2:2 25 369 154.5
1280×720 ocho 4:2:2 cincuenta 737 309
1280×720 diez 4:2:2 25 461 193.1
1920×1080 diez 4:2:2 25 1037 434.5

Compresión de video

Debido a la tasa de bits relativamente alta de un flujo de video sin comprimir, los algoritmos de compresión de video se usan ampliamente. La compresión de video le permite reducir la redundancia de los datos de video y reducir el flujo transmitido, lo que le permitirá transmitir video a través de canales de comunicación con un ancho de banda más bajo o guardar archivos de video en medios con una capacidad más baja.

Formatos de video digital

La siguiente tabla muestra las características de la mayoría de los formatos de video y los tipos de submuestreo de croma utilizados, así como otros parámetros relacionados, como la tasa de bits y la relación de compresión.

Formatos de definición estándar (SD)
Formato Dueño Muestreo Profundidad de
color 		Tasa de bits
(Mbps) 		Tipo de compresión
Relación de compresión		 Tamaño de fotograma
(píxeles)
DV / MiniDV Varios 4:2:0 (PAL)
4:1:1 (NTSC) 		8 bits 25 Deberes 5:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
DVCPRO 25 panasonic 4:1:1 8 bits 25 Deberes 5:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
DVCPRO 50 panasonic 4:2:2 8 bits cincuenta Deberes 3.3:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
DVCAM sony 4:2:0 (PAL)
4:1:1 (NTSC) 		8 bits 25 Deberes 5:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
cámara beta digital sony 4:2:2 10 bits 90 Deberes 2,3:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
Betacam SX sony 4:2:2 10 bits 18/170 MPEG-2 10:1 720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
MPEG IMX sony 4:2:2 8 bits 30
40
50 		MPEG-2 422P@ML 6:1
4:1
3,3:1 		720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)
XDCAM sony 4:2:0/4:1:1
4:2:2 		8 bits 30
40
50 		MPEG-2 6:1
4:1
3,3:1 		720 × 576 (PAL)
720 × 480 (NTSC)

vídeo de alta definición

Formatos de alta definición (High-Definition)
Formato Dueño año de emisión Muestreo Profundidad de
color 		Tasa de bits
(Mbps) 		Tipo de compresión
Relación de compresión		 Tamaño de fotograma
(píxeles)
Cámara HD sony 1997 3:1:1 8 bits 144 Deberes 7:1 1440×1080
DVCPRO 100 panasonic 2000 4:2:2 8 bits 100 Deberes 6,7:1 1440×1080
960×720
HDCAM SR sony 2003 4:2:2
4:4:4 		10 bits 440
880 		MPEG-4 4,2:1
2,7:1 		1920×1080
HDV Sony JVC Canon 2003 4:2:0 8 bits 19/25 MPEG-2 18:1 1440x1080
1920x1080
1280x720
XDCAM HD sony 2005 4:2:0 8 bits 18/35 MPEG-2 MP@H14/HL 1440×1080
1280×720
AVCHD panasonic sony 2006 4:2:0 8 bits 18/24 H.264 /MPEG-4 1440x1080
1920x1080
1280x720
ProRes 422 Manzana 2007 4:2:2 10 bits 147/220 Deberes 1920×1080
AVC-Intra 100 panasonic 2007 4:2:2 10 bits 100 H.264 /MPEG-4 1920×1080
AVC-Intra 50 panasonic 2007 4:2:0 10 bits cincuenta H.264 /MPEG-4 1440×1080
1280×720
Dirac Pro (VC-2) Investigación de la BBC 2008 4:2:2 10 bits 50/165 ondícula 1920×1080
DNxHD (VC-3) Ávido 2008 4:2:2 10 bits
8 bits 		220
36/145 		Deberes 1920x1080
1280x720
XDCAM HD422 sony 2008 4:2:2 8 bits cincuenta MPEG-2 422P@HL 16,5:1 1920x1080
1280x720
CineForm (VC-5) forma de cine inc. 2001-2012 4:2:2
4:4:4 		10 bits
12 bits 		-/320 ondícula 10:1 - 3,5:1 1920×1080

Interfaces de video digital

Notas

  1. ↑ Telesputnik, 2010 , pág. 66.
  2. ↑ Keith Jack. Señalización de pantalla ancha (WSS  ) . Nota de aplicación AN9716.1 . Intersil (agosto de 1998). Consultado: 3 de enero de 2015.
  3. ↑ Randy Conrod. Desmitificando la descripción del formato activo  (inglés)  (enlace descendente) . papel blanco Comunicaciones de difusión de Harris. Fecha de acceso: 3 de enero de 2015. Archivado desde el original el 3 de enero de 2015.

Literatura

Enlaces

 Compresión de video
Recomendaciones UIT-T
Normas ISO / IEC
estándares SMPTE
Códecs MPEG-4
sin pérdidas
Cine digital
Otros códecs
ver también