El 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 se introdujo comercialmente por primera vez en 1986 con el formato Sony D1 , [1] que grababa una señal de video componente de definición estándar sin comprimir en forma digital. Además de los formatos sin comprimir, los formatos de vídeo digital comprimido más populares de la actualidad incluyen H.264 y MPEG-4 . Los estándares de interconexión modernos utilizados 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 que se degrade la calidad. Por el contrario, cuando se copian fuentes analógicas, experimentan una pérdida de generación . El video digital puede almacenarse en medios digitales como Blu-ray Disc , en el almacenamiento de datos de la computadora o transmitirse a través de Internet a los usuarios finales que ven contenido en la pantalla de una computadora de escritorio o en un televisor digital inteligente . 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 video digitales
La base de las cámaras de vídeo digitales son los sensores de imagen de semiconductores de óxido de metal (MOS) . [2] El primer sensor de imagen semiconductor práctico fue el dispositivo de carga acoplada (CCD), inventado en 1969 [3] por Willard S. Boyle, quien ganó un premio Nobel por su trabajo en física. [4] basado en tecnología de condensadores MOS . [2] Tras la comercialización de los sensores CCD durante finales de la década de 1970 hasta principios de la de 1980, la industria del entretenimiento comenzó lentamente a realizar una transición hacia la imagen digital y el video digital desde el video analógico durante las siguientes dos décadas. [5] El CCD fue seguido por el sensor CMOS de píxeles activos ( sensor CMOS ), [6] desarrollado en la década de 1990. [7] [8] Los CMOS son beneficiosos debido a su pequeño tamaño, alta velocidad y bajo consumo de energía. Los CMOS se encuentran más comúnmente en la actualidad en las cámaras digitales de los iPhones, que se utilizan como censura de imagen para el dispositivo. [9]
Codificación de video digital
Las primeras formas de codificación de video digital comenzaron en la década de 1970, con video de modulación de código de pulso sin comprimir (PCM), que requería altas tasas de bits entre 45 y 140 Mbps para contenido de definición estándar (SD). La codificación de video digital práctica finalmente fue posible con la transformada de coseno discreta (DCT), una forma de compresión con pérdida . [10] La compresión DCT fue propuesta por primera vez por Nasir Ahmed en 1972, y luego desarrollada por Ahmed con T. Natarajan y KR Rao en la Universidad de Texas en 1973. [11] [12] [13] En la década de 1980, 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 UIT-T) en 1984. H.120 no fue práctico debido a su bajo rendimiento. [14] H.120 se basó en la modulación diferencial de código de impulsos (DPCM), un algoritmo de compresión que era ineficaz 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 video basados en DCT, en contraste con una propuesta única basada en la compresión de cuantificación vectorial (VQ). El estándar H.261 se desarrolló en base a la compresión DCT, [10] convirtiéndose en el primer estándar práctico de codificación de video. [14] Desde H.261, la compresión DCT ha sido adoptada por todos los principales estándares de codificación de video que le siguieron. [10]
MPEG-1 , desarrollado por Motion Picture Experts Group (MPEG), siguió en 1991, y fue diseñado para comprimir video de calidad VHS . Fue sucedido en 1994 por MPEG-2 / H.262 , [14] que se convirtió en el formato de video estándar para DVD y televisión digital SD . [14] 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. [14]
Producción de video 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) [a] y unidades de efectos de video digital (DVE). [b] Funcionaron 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 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 video digitales (VTR) en sus laboratorios de investigación y desarrollo. La máquina de Bosch usó 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 de 2 pulgadas modificado (un Ampex AVR-3) equipado con electrónica de video digital personalizada y un volante especial "octaplex" de 8 cabezales (las máquinas cuádruples analógicas normales de 2 "solo usaban 4 cabezales). Como el quad estándar de 2 ", el audio del prototipo de máquina digital Ampex, apodado por sus desarrolladores como" Annie ", aún grababa el audio en analógico como pistas lineales en la cinta. Ninguna de estas máquinas de estos fabricantes se comercializó nunca.
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 utilizada principalmente por grandes redes de televisión y otros estudios de video con capacidad para video componente.
En 1988, Sony y Ampex desarrollaron y lanzaron conjuntamente el formato de videocasete digital D2 , que grababa video digitalmente sin compresión en formato ITU-601 , muy parecido al D1. En comparación, D2 tenía la principal 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 un VCR D2. Esto lo convirtió en un ajuste perfecto para la mayoría de las instalaciones de televisión en ese momento. D2 fue un formato de éxito en la industria de las retransmisiones televisivas 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 . [C]
D1 y D2 eventualmente serían reemplazados por sistemas más baratos que usaban compresión de video , más notablemente Digital Betacam de Sony , [d] que se introdujeron en los estudios de televisión de la red . Otros ejemplos de formatos de video digital que utilizan compresión fueron DCT de Ampex (el primero en emplearlo cuando se presentó en 1992), DV y MiniDV estándar de la industria y sus variaciones profesionales, DVCAM de Sony y DVCPRO de Panasonic , y Betacam SX , una variante de menor costo. de Betacam Digital usando compresión MPEG-2 . [15]
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 & Art en Providence, RI. Se desarrolló a partir de 1990 y se envió 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 requería una Mac y la reproducción era posible en Mac, PC y estaciones Sun SPARC . [dieciséis]
QuickTime , el marco multimedia de Apple Computer , fue lanzado en junio de 1991. En 1992 siguió Audio Video Interleave de Microsoft . Las herramientas iniciales de creación de contenido a nivel de consumidor eran rudimentarias, requiriendo que una fuente de video analógica se digitalizara a un formato legible por computadora. 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 transmisión de televisión y medios de 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 utilizando un puerto FireWire en una computadora de edición. Esto simplificó el proceso, lo que permitió que los sistemas de edición no lineal (NLE) se implementaran de manera económica y amplia en computadoras de escritorio sin necesidad de equipos externos de reproducción o grabación.
La adopción generalizada de 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, todas usando menos ancho de banda que una señal analógica de definición estándar ). Estos ahorros han aumentado la cantidad de canales disponibles en la televisión por cable y los sistemas de transmisión directa por satélite , han creado oportunidades para la reasignación del espectro de frecuencias de transmisión de televisión terrestre y han hecho posible las videocámaras sin cinta basadas en memoria flash , entre otras innovaciones y eficiencias.
Video y cultura digital
Culturalmente, el video digital ha permitido que el video y las películas se vuelvan ampliamente disponibles y populares, beneficiosos para el entretenimiento, la educación y la investigación. [17] 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. [18] El vídeo digital también tiene aplicaciones sanitarias, lo que permite a los médicos realizar un seguimiento de la frecuencia cardíaca y los niveles de oxígeno de los bebés. [19]
Además, el cambio de video analógico a digital afectó a los medios de diversas maneras, como en la forma en que las empresas usan las cámaras para vigilancia. La televisión de circuito cerrado (CCTV) pasó a utilizar grabadoras de vídeo digitales (DVR), lo que presenta el problema de cómo almacenar grabaciones para la recopilación de pruebas. Hoy en día, el video digital se puede comprimir para ahorrar espacio de almacenamiento. [20]
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. [21] En comparación con los métodos analógicos, la DTV es más rápida y ofrece más capacidades y opciones para que los datos se transmitan y compartan. [22]
Descripción general
El video digital comprende una serie de imágenes digitales que se muestran en rápida sucesión. En el contexto del video, estas imágenes se denominan cuadros . [e] La velocidad a la que se muestran los fotogramas se conoce como frecuencia de fotogramas y se mide en fotogramas por segundo (FPS). Cada cuadro es una imagen digital y, por lo tanto, comprende una formación de píxeles . Los píxeles tienen una sola propiedad, su color. El color de un píxel está representado por un número fijo de bits de ese color. Cuantos más bits, más sutiles variaciones de colores se pueden reproducir. Esto se llama profundidad de color del video.
Entrelazado
En el video entrelazado, cada cuadro se compone de dos mitades de una imagen. La primera mitad contiene solo las líneas impares de un fotograma completo. La segunda mitad contiene solo las líneas pares. Estas mitades se denominan individualmente campos . Dos campos consecutivos componen un fotograma completo. Si un video entrelazado tiene una velocidad de cuadros de 30 cuadros por segundo, la velocidad de campo es de 60 campos por segundo, aunque tanto la parte del video entrelazado como los cuadros por segundo y los campos por segundo son números separados.
Tasa 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 del video sin comprimir, la tasa de bits corresponde directamente a la calidad del video porque la tasa de bits es proporcional a todas las propiedades que afectan 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 sin afectar la calidad.
Bits per pixel (BPP) es una medida de la eficiencia de la compresión. Un video de color verdadero sin ninguna compresión 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 cuadro puede reducir el BPP a 8 o incluso a 1 bits / píxel. La aplicación de algoritmos de compresión de video como MPEG1 , MPEG2 o MPEG4 permite que existan valores de BPP fraccionales.
Tasa de bits constante versus tasa de bits variable
BPP representa el promedio de bits por píxel. Existen algoritmos de compresión que mantienen el BPP casi constante durante toda la duración del video. En este caso, también obtenemos una salida de video con una tasa de bits constante (CBR). Este video CBR es adecuado para transmisión de video de ancho de banda fijo, sin búfer, en tiempo real (por ejemplo, en videoconferencias). Dado que no todos los fotogramas se pueden comprimir al mismo nivel, debido a 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 forma, proporciona la mejor calidad con la tasa de bits promedio más pequeña (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 existencias de películas estándar suelen grabar a 24 fotogramas por segundo . Para el video, hay dos estándares de velocidad de cuadros: NTSC , a 30 / 1.001 (aproximadamente 29.97) cuadros por segundo (aproximadamente 59.94 campos por segundo), y PAL , 25 cuadros por segundo (50 campos por segundo). Las cámaras de video digitales vienen en dos formatos de captura de imágenes diferentes: entrelazado y escaneo progresivo . Las cámaras entrelazadas graban la imagen en conjuntos alternos de líneas: las líneas impares se escanean y luego las líneas pares se escanean, luego las líneas impares se escanean nuevamente, y así sucesivamente.
Un conjunto de líneas pares o impares se denomina campo y un emparejamiento consecutivo de dos campos de paridad opuesta se denomina trama . Las cámaras de barrido progresivo registran todas las líneas de cada fotograma 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; que degrada la calidad en los sistemas analógicos. Sin embargo, un cambio en parámetros como el tamaño del cuadro o un cambio del formato digital puede disminuir la calidad del video debido a la escala de la imagen y las pérdidas de transcodificación . 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 de las películas , 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 ver imágenes en el lugar sin el costoso y lento procesamiento químico que requiere la película. La transferencia de vídeo digital en red hace que las entregas físicas de cintas y rollos de película sean innecesarias.
La televisión digital (incluida 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 utiliza en teléfonos móviles y sistemas de videoconferencia modernos. 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 su uso con fines recreativos.
A partir de 2011[actualizar], la resolución más alta demostrada para la generación de video digital es de 35 megapíxeles (8192 x 4320). 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 cuadros por segundo durante breves períodos de grabación.
Propiedades tecnicas
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 fotograma, la profundidad del color y la velocidad de fotogramas. Cada píxel consume una cantidad de bits determinada por la profundidad del 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 para una trama por la velocidad de trama. 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 ampliamente. En el caso del video comprimido, cada cuadro requiere solo un pequeño porcentaje de los bits originales. Tenga en cuenta que no es necesario que todos los fotogramas estén igualmente comprimidos en el mismo porcentaje. En su lugar, considere el factor de compresión promedio para todos los fotogramas tomados en conjunto.
Interfaces y cables
Interfaces de video digital especialmente diseñadas
- Video de componentes digitales
- Interfaz visual digital (DVI)
- DisplayPort
- HDBaseT
- Interfaz multimedia de alta definición (HDMI)
- Interfaz digital en serie (SDI)
- Interfaz de pantalla unificada
Las interfaces de propósito general se utilizan para transportar video digital.
- FireWire (IEEE 1394)
- Bus serie universal (USB)
La siguiente interfaz ha sido diseñada para transportar vídeo comprimido MPEG -Transport:
- DVB - ASI
El video comprimido también se transmite mediante UDP - IP sobre Ethernet . Existen dos enfoques para esto:
- Uso de RTP como envoltorio para paquetes de video como con SMPTE 2022
- 1–7 paquetes de transporte MPEG 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 emisoras de radiodifusión
- MPEG-4 bueno para la distribución en línea de videos grandes y videos grabados en la memoria flash
- MPEG-2 utilizado para DVD, Super-VCD y muchos formatos de transmisión de televisión
- MPEG-1 utilizado para CD de video
- H.261
- H.263
- H.264 también conocido como MPEG-4 Part 10 , o como AVC , utilizado para discos Blu-ray y algunos formatos de transmisión de televisión
- Theora usada para video en Wikipedia
Cintas
- Betacam SX , Betacam IMX , Betacam digital o DigiBeta: sistemas de video comerciales de Sony , basados en la tecnología Betamax original
- D-VHS : datos en formato MPEG-2 grabados en una cinta similar a S-VHSUna cinta de vídeo de formato B archivada utilizada en la radiodifusión danesa.
- D1 , D2 , D3 , D5 , D9 (también conocido como Digital-S): varios estándares de video digital comercial SMPTE
- Digital8 : datos en formato DV grabados en casetes compatibles con Hi8 ; en gran parte un formato de consumo
- DV , MiniDV : se utiliza en la mayoría de las videocámaras de consumo basadas en cintas de vídeo actuales; diseñado para alta calidad y fácil edición; también puede grabar datos de alta definición ( HDV ) en formato MPEG-2
- DVCAM , DVCPRO : utilizado en operaciones de transmisión profesional; similar a DV pero generalmente considerado más robusto; aunque son compatibles con DV, estos formatos tienen un mejor manejo de audio.
- DVCPRO 50, DVCPRO HD admiten anchos de banda más altos en comparación con DVCPRO de Panasonic.
- Sony presentó HDCAM como una alternativa de alta definición a DigiBeta.
- MicroMV : datos en formato MPEG-2 grabados en un cassette muy pequeño del tamaño de una caja de cerillas; obsoleto
- ProHD : nombre utilizado por JVC para sus videocámaras profesionales basadas en MPEG-2
Discos
- disco de Blu-ray
- DVD
- VCD
Ver también
- Audio digital
- Cinematografía digital
- Índice de artículos relacionados con videos
- Video de Internet
- Plataforma de video online
- Formato de codificación de video
- Software de edición de video
- Cámara web
Notas
- ^ Por ejemplo, elprocesador de vídeo digital Thomson-CSF 9100, un TBC de fotograma completo totalmente digital introducido en 1980.
- ^ Por ejemplo, Ampex ADO y Nippon Electric Corporation (NEC) DVE.
- ^ Antes de D2, la mayoría de los discos láser se dominaban con una cinta de vídeo analógica de tipo C de 1 "
- ^ Digital Betacam todavía se utiliza mucho comoformato de grabación de producción de campo electrónico (EFP) por productores de televisión profesionales
- ^ De hecho, las imágenes fijas corresponden a fotogramas solo en el caso de vídeo de barrido progresivo. En video entrelazado corresponden a campos. Consulte la sección sobre entrelazado para obtener más información.
Referencias
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enlaces externos
- Los formatos DV, DVCAM y DVCPRO: detalles técnicos, preguntas frecuentes y enlaces
- Formatos de video y TV digital estándar.
