Vidéo numérique - Digital video

La vidéo numérique est une représentation électronique d' images visuelles animées ( vidéo ) sous forme de données numériques codées . Cela contraste avec la vidéo analogique , qui représente des images visuelles animées sous forme de signaux analogiques . La vidéo numérique comprend une série d' images numériques affichées en succession rapide.

La vidéo numérique a été introduite commercialement pour la première fois en 1986 avec le format Sony D1 , qui enregistrait un signal vidéo composante de définition standard non compressé sous forme numérique. En plus des formats non compressés, les formats vidéo numériques compressés populaires incluent aujourd'hui H.264 et MPEG-4 . Les normes d'interconnexion modernes utilisées pour la lecture de vidéo numérique incluent HDMI , DisplayPort , Digital Visual Interface (DVI) et Serial Digital Interface (SDI).

La vidéo numérique peut être copiée et reproduite sans dégradation de la qualité. En revanche, lorsque des sources analogiques sont copiées, elles subissent une perte de génération . La vidéo numérique peut être stockée sur des supports numériques tels qu'un disque Blu-ray , sur un stockage de données informatiques ou diffusée en continu sur Internet pour les utilisateurs finaux qui regardent du contenu sur un écran d'ordinateur de bureau ou un téléviseur intelligent numérique . Aujourd'hui, les contenus vidéo numériques tels que les émissions de télévision et les films incluent également une bande-son audio numérique .

Histoire

Caméras vidéo numériques

La base des caméras vidéo numériques est constituée de capteurs d'image à oxyde métallique et semi-conducteur (MOS) . Le premier capteur d'image à semi-conducteur pratique était le dispositif à couplage de charge (CCD), inventé en 1969 par Willard S. Boyle, qui a remporté un prix Nobel pour ses travaux en physique. basé sur la technologie des condensateurs MOS . Suite à la commercialisation des capteurs CCD de la fin des années 1970 au début des années 1980, l' industrie du divertissement a lentement commencé à passer à l'imagerie numérique et à la vidéo numérique plutôt qu'à la vidéo analogique au cours des deux décennies suivantes. Le CCD a été suivi par le capteur à pixels actifs CMOS ( capteur CMOS ), développé dans les années 1990. Les CMOS sont avantageux en raison de leur petite taille, de leur vitesse élevée et de leur faible consommation d'énergie. Les CMOS sont le plus souvent trouvés aujourd'hui dans les appareils photo numériques des iPhones, utilisés comme censeur d'image pour l'appareil.

Une caméra Betacam SP, développée à l'origine en 1986 par Sony.

Codage vidéo numérique

Les premières formes de codage vidéo numérique ont commencé dans les années 1970, avec la vidéo à modulation par impulsions et codage (PCM) non compressée, nécessitant des débits binaires élevés compris entre 45 et 140 Mbps pour le contenu en définition standard (SD). Le codage vidéo numérique pratique a finalement été rendu possible avec la transformée en cosinus discrète (DCT), une forme de compression avec perte . La compression DCT a été proposée pour la première fois par Nasir Ahmed en 1972, puis développée par Ahmed avec T. Natarajan et KR Rao à l' Université du Texas en 1973. Dans les années 1980, la DCT est devenue la norme pour la compression vidéo numérique .

La première norme de codage vidéo numérique était H.120 , créée par le (Comité consultatif international télégraphique et téléphonique) ou CCITT (maintenant ITU-T) en 1984. H.120 n'était pas pratique en raison de ses faibles performances. H.120 était basé sur la modulation différentielle par impulsions et codage (DPCM), un algorithme de compression inefficace pour le codage vidéo. À la fin des années 1980, un certain nombre d'entreprises ont commencé à expérimenter le DCT, une forme de compression beaucoup plus efficace pour le codage vidéo. Le CCITT a reçu 14 propositions de formats de compression vidéo basés sur la DCT, contrairement à une seule proposition basée sur la compression par quantification vectorielle (VQ). La norme H.261 a été développée sur la base de la compression DCT, devenant ainsi la première norme de codage vidéo pratique. Depuis H.261, la compression DCT a été adoptée par toutes les principales normes de codage vidéo qui ont suivi.

MPEG-1 , développé par le Motion Picture Experts Group (MPEG), a suivi en 1991, et il a été conçu pour compresser la vidéo de qualité VHS . Il a été remplacé en 1994 par MPEG-2 / H.262 , qui est devenu le format vidéo standard pour la télévision numérique DVD et SD . Il a été suivi par MPEG-4 / H.263 en 1999, puis en 2003 par H.264/MPEG-4 AVC , qui est devenu le standard de codage vidéo le plus utilisé.

Production vidéo numérique

À partir de la fin des années 1970 jusqu'au début des années 1980, un équipement de production vidéo numérique dans son fonctionnement interne a été introduit. Ceux-ci comprenaient des correcteurs de base de temps (TBC) et des unités d' effets vidéo numériques (DVE). Ils fonctionnaient en prenant une entrée vidéo composite analogique standard et en la numérisant en interne. Cela facilitait la correction ou l'amélioration du signal vidéo, comme dans le cas d'un TBC, ou de manipuler et d'ajouter des effets à la vidéo, dans le cas d'une unité DVE. Les informations vidéo numérisées et traitées ont ensuite été reconverties en vidéo analogique standard pour la sortie.

Plus tard dans les années 1970, des fabricants d'équipements de diffusion vidéo professionnels, tels que Bosch (par l'intermédiaire de leur division Fernseh ) et Ampex, ont développé des prototypes de magnétoscopes numériques (VTR) dans leurs laboratoires de recherche et développement. La machine de Bosch utilisait un transport de bande vidéo de type B modifié de 1 pouce et enregistrait une première forme de vidéo numérique CCIR 601 . Le prototype d'enregistreur vidéo numérique d'Ampex utilisait un magnétoscope quadruplex modifié de 2 pouces (un Ampex AVR-3) équipé d'une électronique vidéo numérique personnalisée et d'une molette spéciale « octaplex » à 8 têtes (les machines quadruples analogiques ordinaires de 2 pouces n'utilisaient que 4 têtes). Comme le quad 2" standard, l'audio sur la machine numérique prototype Ampex, surnommée par ses développeurs "Annie", enregistrait toujours l'audio en analogique sous forme de pistes linéaires sur la bande. Aucune de ces machines de ces fabricants n'a jamais été commercialisée.

La vidéo numérique a été introduite commercialement pour la première fois en 1986 avec le format Sony D1 , qui enregistrait un signal vidéo composante de définition standard non compressé sous forme numérique. Les connexions vidéo composantes nécessitaient 3 câbles, mais la plupart des installations de télévision étaient câblées pour la vidéo composite NTSC ou PAL à l'aide d'un seul câble. En raison de cette incompatibilité et du coût de l'enregistreur, le D1 a été principalement utilisé par les grands réseaux de télévision et d'autres studios vidéo compatibles avec la vidéo en composantes.

Un studio de télévision professionnel situé au Chili.

En 1988, Sony et Ampex ont co-développé et publié le format de cassette vidéo numérique D2 , qui enregistrait la vidéo numériquement sans compression au format ITU-601 , un peu comme le D1. En comparaison, D2 présentait la différence majeure d'encoder la vidéo sous forme composite selon la norme NTSC, ne nécessitant ainsi que des connexions vidéo composites à un seul câble vers et depuis un magnétoscope D2. Cela en faisait un ajustement parfait pour la majorité des installations de télévision à l'époque. D2 était un format à succès dans l' industrie de la diffusion télévisuelle à la fin des années 80 et dans les années 90. Le D2 était également largement utilisé à cette époque comme format de bande maître pour le mastering des disques laser .

D1 et D2 seraient finalement remplacés par des systèmes moins chers utilisant la compression vidéo , notamment le Digital Betacam de Sony , qui ont été introduits dans les studios de télévision du réseau . D'autres exemples de formats vidéo numériques utilisant la compression étaient le DCT d'Ampex (le premier à l'utiliser lors de son introduction en 1992), le DV et le MiniDV standard de l'industrie et ses variantes professionnelles, le DVCAM de Sony et le DVCPRO de Panasonic , et le Betacam SX , une variante à moindre coût. de Digital Betacam en utilisant la compression MPEG-2 .

Le logo Sony, créateur de la Betacam.

L'un des premiers produits vidéo numériques à fonctionner sur des ordinateurs personnels était PACo : le compilateur d'animation PICS de The Company of Science & Art à Providence, RI. Il a été développé à partir de 1990 et livré pour la première fois en mai 1991. PACo pouvait diffuser des vidéos de longueur illimitée avec un son synchronisé à partir d'un seul fichier (avec l' extension de fichier ".CAV" ) sur CD-ROM. La création nécessitait un Mac et la lecture était possible sur Mac, PC et Sun SPARCstations .

QuickTime , le framework multimédia d' Apple Computer , est sorti en juin 1991. Audio Video Interleave de Microsoft a suivi en 1992. Les premiers outils de création de contenu grand public étaient grossiers, nécessitant la numérisation d'une source vidéo analogique dans un format lisible par ordinateur. Bien que de faible qualité au début, la qualité de la vidéo numérique grand public a augmenté rapidement, d'abord avec l'introduction de normes de lecture telles que MPEG-1 et MPEG-2 (adoptées pour une utilisation dans la transmission télévisée et les supports DVD ), et l'introduction de la bande DV format permettant aux enregistrements dans le format d'être transférés directement vers des fichiers vidéo numériques à l'aide d'un port FireWire sur un ordinateur de montage. Cela a simplifié le processus, permettant aux systèmes de montage non linéaire (NLE) d'être déployés à moindre coût et à grande échelle sur des ordinateurs de bureau sans équipement de lecture ou d'enregistrement externe nécessaire.

L'adoption généralisée de la vidéo numérique et des formats de compression associés a réduit la bande passante nécessaire pour un signal vidéo haute définition (avec HDV et AVCHD , ainsi que plusieurs variantes commerciales telles que DVCPRO -HD, toutes utilisant moins de bande passante qu'un signal analogique de définition standard ). Ces économies ont augmenté le nombre de chaînes disponibles sur les systèmes de télévision par câble et de diffusion directe par satellite , créé des opportunités de réaffectation du spectre des fréquences de diffusion de la télévision terrestre et rendu possible les caméscopes sans bande basés sur la mémoire flash , entre autres innovations et efficacités.

Vidéo numérique et culture

Culturellement, la vidéo numérique a permis à la vidéo et au film de devenir largement disponibles et populaires, bénéfiques pour le divertissement, l'éducation et la recherche. La vidéo numérique est de plus en plus courante dans les écoles, les élèves et les enseignants souhaitant apprendre à l'utiliser de manière pertinente. La vidéo numérique a également des applications de santé, permettant aux médecins de suivre les fréquences cardiaques et les niveaux d'oxygène des nourrissons.

De plus, le passage de la vidéo analogique à la vidéo numérique a eu un impact sur les médias de diverses manières, par exemple sur la manière dont les entreprises utilisent les caméras pour la surveillance. La télévision en circuit fermé (CCTV) est passée à l'utilisation d'enregistreurs vidéo numériques (DVR), présentant la question de savoir comment stocker les enregistrements pour la collecte de preuves. Aujourd'hui, la vidéo numérique peut être compressée afin d'économiser de l'espace de stockage.

Télévision numérique

La télévision numérique , également connue sous le nom de DTV, est la production et la transmission de vidéo numérique des réseaux aux consommateurs. Cette technique utilise un codage numérique au lieu de signaux analogiques utilisés avant les années 1950. Par rapport aux méthodes analogiques, la TVN est plus rapide et offre plus de capacités et d'options pour la transmission et le partage des données.

Aperçu

La vidéo numérique comprend une série d' images numériques affichées en succession rapide. Dans le contexte de la vidéo, ces images sont appelées cadres . La fréquence à laquelle les images sont affichées est appelée fréquence d'images et est mesurée en images par seconde (FPS). Chaque trame est une image numérique et comprend donc une formation de pixels . Les pixels n'ont qu'une propriété, leur couleur. La couleur d'un pixel est représentée par un nombre fixe de bits de cette couleur. Plus il y a de bits, plus les variations de couleurs peuvent être subtiles. C'est ce qu'on appelle la profondeur de couleur de la vidéo.

Entrelacement

Dans la vidéo entrelacée, chaque image est composée de deux moitiés d'une image. La première moitié ne contient que les lignes impaires d'une image complète. La seconde moitié ne contient que les lignes paires. Ces moitiés sont appelées individuellement des champs . Deux champs consécutifs composent une trame complète. Si une vidéo entrelacée a une fréquence d'images de 30 images par seconde, la fréquence de trame est de 60 trames par seconde, bien que les deux faisant partie de la vidéo entrelacée, les images par seconde et les trames par seconde soient des nombres distincts.

Une caméra de télévision diffusée au Pavek Museum dans le Minnesota.

Débit binaire et BPP

Par définition, le débit binaire est une mesure du débit du contenu informationnel du flux vidéo numérique. Dans le cas d'une vidéo non compressée, le débit binaire correspond directement à la qualité de la vidéo car le débit binaire est proportionnel à chaque propriété qui affecte la qualité de la vidéo . Le débit binaire est une propriété importante lors de la transmission de vidéo, car la liaison de transmission doit être capable de prendre en charge ce débit binaire. Le débit binaire est également important lorsqu'il s'agit de stocker de la vidéo car, comme indiqué ci-dessus, la taille de la vidéo est proportionnelle au débit binaire et à la durée. La compression vidéo est utilisée pour réduire considérablement le débit binaire tout en ayant peu d'effet sur la qualité.

Les bits par pixel (BPP) sont une mesure de l'efficacité de la compression. Une vidéo en vraies couleurs sans aucune compression peut avoir un BPP de 24 bits/pixel. Le sous-échantillonnage de la chrominance peut réduire le BPP à 16 ou 12 bits/pixel. L'application de la compression jpeg sur chaque image peut réduire le BPP à 8 voire 1 bits/pixel. L'application d'algorithmes de compression vidéo tels que MPEG1 , MPEG2 ou MPEG4 permet l'existence de valeurs BPP fractionnaires.

Débit binaire constant versus débit binaire variable

BPP représente les bits moyens par pixel. Il existe des algorithmes de compression qui maintiennent le BPP presque constant pendant toute la durée de la vidéo. Dans ce cas, nous obtenons également une sortie vidéo avec un débit binaire constant (CBR). Cette vidéo CBR convient au streaming vidéo en temps réel, sans tampon, à bande passante fixe (par exemple en visioconférence). Étant donné que toutes les images ne peuvent pas être compressées au même niveau, car la qualité est plus sévèrement affectée pour les scènes de grande complexité, certains algorithmes tentent d'ajuster constamment le BPP. Ils maintiennent le BPP élevé tout en compressant les scènes complexes et bas pour les scènes moins exigeantes. De cette façon, il offre la meilleure qualité au plus petit débit binaire moyen (et la plus petite taille de fichier, en conséquence). Cette méthode produit un débit variable car elle suit les variations du BPP.

Aperçu technique

Les stocks de films standard enregistrent généralement à 24 images par seconde . Pour la vidéo, il existe deux normes de fréquence d'images : NTSC , à 30/1,001 (environ 29,97) images par seconde (environ 59,94 trames par seconde) et PAL , 25 images par seconde (50 trames par seconde). Les caméras vidéo numériques sont disponibles dans deux formats de capture d'images différents : à balayage entrelacé et à balayage progressif . Les caméras entrelacées enregistrent l'image dans des ensembles de lignes alternés : les lignes impaires sont balayées, puis les lignes paires sont balayées, puis les lignes impaires sont balayées à nouveau, et ainsi de suite.

Un ensemble de lignes paires ou impaires est appelé un champ , et un appariement consécutif de deux champs de parité opposée est appelé une trame . Les caméras à balayage progressif enregistrent toutes les lignes de chaque image comme une seule unité. Ainsi, la vidéo entrelacée capture le mouvement de la scène deux fois plus souvent que la vidéo progressive pour la même fréquence d'images. Le balayage progressif produit généralement une image légèrement plus nette, cependant, le mouvement peut ne pas être aussi fluide que la vidéo entrelacée.

La vidéo numérique peut être copiée sans perte de génération ; ce qui dégrade la qualité des systèmes analogiques. Cependant, un changement de paramètres tels que la taille de l'image ou un changement de format numérique peut diminuer la qualité de la vidéo en raison de la mise à l'échelle de l'image et des pertes de transcodage . La vidéo numérique peut être manipulée et montée sur des systèmes de montage non linéaires .

La vidéo numérique a un coût nettement inférieur à celui du film 35 mm. Par rapport au coût élevé du stock de films , les supports numériques utilisés pour l'enregistrement vidéo numérique, tels que la mémoire flash ou le disque dur, sont très bon marché. La vidéo numérique permet également de visionner des séquences sur place sans le traitement chimique coûteux et fastidieux requis par le film. Le transfert réseau de la vidéo numérique rend inutiles les livraisons physiques de bandes et de bobines de film.

Un schéma de film 35 mm tel qu'il est utilisé dans les caméras Cinemascope.

La télévision numérique (y compris la TVHD de meilleure qualité ) a été introduite dans la plupart des pays développés au début des années 2000. Aujourd'hui, la vidéo numérique est utilisée dans les téléphones mobiles et les systèmes de vidéoconférence modernes. La vidéo numérique est utilisée pour la distribution de médias sur Internet , y compris la diffusion de vidéo en continu et la distribution de films peer-to-peer .

De nombreux types de compression vidéo existent pour diffuser de la vidéo numérique sur Internet et sur des disques optiques. Les tailles de fichier de vidéo numérique utilisées pour le montage professionnel ne sont généralement pas pratiques à ces fins, et la vidéo nécessite une compression supplémentaire avec des codecs pour être utilisée à des fins récréatives.

En 2011, la résolution la plus élevée démontrée pour la génération de vidéo numérique est de 35 mégapixels (8192 x 4320). La vitesse la plus élevée est atteinte dans les caméras haute vitesse industrielles et scientifiques qui sont capables de filmer des vidéos 1024x1024 jusqu'à 1 million d'images par seconde pendant de brèves périodes d'enregistrement.

Propriétés techniques

La vidéo numérique en direct consomme de la bande passante. La vidéo numérique enregistrée consomme du stockage de données. La quantité de bande passante ou de stockage requise est déterminée par la taille de l'image, la profondeur de couleur et la fréquence d'images. Chaque pixel consomme un nombre de bits déterminé par la profondeur de couleur. Les données requises pour représenter une trame de données sont déterminées en multipliant par le nombre de pixels dans l'image. La bande passante est déterminée en multipliant l'exigence de stockage pour une trame par la fréquence de trame. Les besoins globaux de stockage pour un programme peuvent alors être déterminés en multipliant la bande passante par la durée du programme.

Ces calculs sont précis pour la vidéo non compressée , mais en raison du débit binaire relativement élevé de la vidéo non compressée, la compression vidéo est largement utilisée. Dans le cas d'une vidéo compressée, chaque image ne nécessite qu'un petit pourcentage des bits d'origine. Notez qu'il n'est pas nécessaire que toutes les images soient également compressées par le même pourcentage. Au lieu de cela, considérer la moyenne facteur de compression pour toutes les images prises ensemble.

Interfaces et câbles

Interfaces vidéo numériques spécialement conçues

Interfaces à usage général utilisées pour transporter la vidéo numérique

L'interface suivante a été conçue pour transporter la vidéo compressée MPEG -Transport :

La vidéo compressée est également transportée en utilisant UDP - IP sur Ethernet . Deux approches existent pour cela :

Autres méthodes de transport de vidéo sur IP

Formats de stockage

Codage

  • CCIR 601 utilisé pour les stations de diffusion
  • MPEG-4 bon pour la distribution en ligne de vidéos volumineuses et de vidéos enregistrées sur mémoire flash
  • MPEG-2 utilisé pour les DVD, les Super-VCD et de nombreux formats de télévision de diffusion
  • MPEG-1 utilisé pour les CD vidéo
  • H.261
  • H.263
  • H.264 également connu sous le nom de MPEG-4 Part 10 , ou AVC , utilisé pour les disques Blu-ray et certains formats de télévision de diffusion
  • Theora utilisé pour la vidéo sur Wikipedia

Bandes

  • Betacam SX , Betacam IMX , Digital Betacam ou DigiBeta — systèmes vidéo commerciaux de Sony , basés sur la technologie Betamax originale
  • D-VHS — Données au format MPEG-2 enregistrées sur une bande similaire à S-VHS
    Une cassette vidéo de format B archivée utilisée dans la radiodiffusion danoise.
  • D1 , D2 , D3 , D5 , D9 (également connu sous le nom de Digital-S) — diverses normes vidéo numériques commerciales SMPTE
  • Digital8 — Données au format DV enregistrées sur des cassettes compatibles Hi8 ; largement un format grand public
  • DV , MiniDV — utilisé dans la plupart des caméscopes grand public à bande vidéo d'aujourd'hui ; conçu pour une édition facile et de haute qualité ; peut également enregistrer des données haute définition ( HDV ) au format MPEG-2
  • DVCAM , DVCPRO — utilisé dans les opérations de diffusion professionnelles ; similaire à DV mais généralement considéré comme plus robuste ; bien que compatibles DV, ces formats ont une meilleure gestion audio.
  • DVCPRO 50, DVCPRO HD prennent en charge des bandes passantes plus élevées que le DVCPRO de Panasonic.
  • HDCAM a été introduit par Sony comme une alternative haute définition à DigiBeta.
  • MicroMVDonnées au format MPEG-2 enregistrées sur une très petite cassette de la taille d'une pochette d'allumettes ; obsolète
  • ProHD — nom utilisé par JVC pour ses caméscopes professionnels basés sur MPEG-2

Disques

Le disque Blu-ray, un type de disque optique utilisé pour le stockage multimédia.

Voir également

Remarques

Les références

Liens externes