Digitaalinen video

TV-kuvasta

PALTV-kuva jaetaan ylhäältä alaspäin ja vasemmalta oikealle piirrettäviin vaakasuoriin juoviin. Juovia on 625 kpl jokaista kuvaa ( Frame) kohti.

Jotta tiedonsiirron kaistaleveys ei kasvaisi liian suureksi, kuva jaetaan lomittamalla kahteen osaan ( interlace).

Kuva siis muodostuu kahdesta kentästä (Field). Ensimmäisessä kentässä ovat juovat 1-313 ja toisessa kentässä juovat 313-625. Kenttätaajuus on siis 50 Hz ja kuvataajuus 25 Hz. Tällöin kun sekunnin aikana näytetään 25 kuvaa, on juovataajuus 15625 Hz.

Kentät esitetään peräkkäin siten, että niiden juovat sattuvat toistensa väliin. Ihmissilmä ei erota kenttiä toisistaan ja näköaisti tulkitsee juovat kuin ne olisivat samassa kentässä.

Kuvan lomitus kaaviona.

Kun ensimmäinen juova on käyty läpi, siirrytään seuraavalle juovalle. Siirtymäaikana ei kuvassa tapahdu mitään (juovasammutusaika).

Kun kaikki juovat on käyty läpi ylhäältä alas, aloitetaan niiden piirto uudestaan alusta. Siirtymäaikana ei kuvassa tapahdu mitään (kuvasammutusaika).

PAL TV:n kuvasuhde:

Standardi 4:3 TV, 625-juovaa (PAL): 59:54
Laajakulma 16:9 TV, 625-juovaa (PAL): 59:54 / 4:3 * 16:9 = 118:81

NTSC TV-kuvassa on juovia 525 kpl, joista 480 juovaa sisältää kuva dataa muut juovat ovat varattu lisä signaaleille. Kuva muodostuu kahdesta kentästä, joita kumpaakin näytetään 30 kertaa sekunnissa, jolloin kenttätaajuus on 60 Hz. NTSC ei ole kovinkaan laadukas, sen ongelmana on väritasapainon katoavuus ja liian pieni pysty resoluutio.

NTSC TV:n kuvasuhde:

Standardi 4:3 TV, 525-juovaa (NTSC): 10:11
Laajakulma 16:9 TV, 525-juovaa (NTSC): 10:11 / 4:3 * 16:9 = 40:33

SECAM TV-kuvassa juovia on 625. Kuva muodostuu kahdesta kentästä, joita kumpaakin näytetään 25 kertaa sekunnissa. SECAM eroaa muista värijärjestelmistä R-Y ja B-Y värisignaalien osalta.

Digitaalisesta videosta

Videosignaalin analogia/digitaali-muunnoksen (AD ) periaate (ITU-R 601).

Standardi pitää sisällään värierottelu ja RGB videon, värierottelu versio on yleisempi johtuen siitä, että se on yleisemmin käytössä.

ITU-R 601 koostuu samoista tekijöistä kuin Y, Cr ja Cb formaatti.

R-Y ja B-Y arvoista. Luminanssin näytteenottotaajuus on 13.5 MHz ja kahden värierottelu signaalin näytteenottotaajuus on 6.75 MHz, tätä menetelmää kutsutaan 4:2:2.

Näytteet ovat 10 bittisiä (lähetysteknisistä syistä voidaan tarvittaessa muuttaa 8-bittiin).

Mustan arvoksi määritellään 16. asteikolla(0-255) ja valkoinen saa arvon 235.

Värienerotteluun varataan arvot 32-224 asteikon ala ja yläpäähän jätetään sekoittumisen ehkäisemiseksi tyhjää.

ITU-R 601 ( CCIR 601) video on kompressoimatonta videota ja sillä on tasainen jatkuva 21 megatavua per sekunti oleva datakaista.

Kuvasuhteista (Aspect ratio)

Kuvasuhde 1,33:1 vastaa pikseleinä seuraavia kuvakokoja: 160 x 120, 192 x 144, 240 x 180, 320 x 240, 400 x 300, 640 x 480, 800 x 600, 1024 x 768
Kuvasuhde 1,25:1 vastaa pikseleinä kuvakokoa: 720 x 576
Kuvasuhde 1,22:1 vastaa pikseleinä kuvakokoja:176 x 144, 352 x 288, 704 x 576

Televisio 4:3 = 1,33:1 DV 59:54
16 mm = 1,37:1
35 mm, täysi ruutu = 1,37:1
Kinoruutu = 1,51:1
Laajakulmatelevisio 16:9 = 1,77:1 DV 118:81
HDTV, teräväpiirto TV = 1,77:1
35 mm laajakangaselokuva = 1,85:1
70 mm elokuva = 2,20:1
35 mm Cinemascope 21:9 = 2,35:1

ITU-R 601 määritysten mukaisesti pikselit ovat n. 9 % leveämpiä korkeuteen verrattuna eli suorakulmaisia. Tietokoneiden näytöissä pikselit ovat neliön muotoisia.

Värimalleista

RGB punainen, vihreä ja sininen (käytetään esim. näytöissä).
YIQ alkuperäinenNTSC värimalli, jonka korvattiin YUV värimallilla.
YUV , YCbCr (YCC, YpbPr) käytetäänPAL ja NTSC formaateissa.

PAL-järjestelmän YUV-värimalli (komponenttivideo)

Y kuvaa valontiheyttä (kirkkaus)
Painotetut arvot R, G ja B summataan yhteen ja saadaan Y signaali, joka kuvaa kokonais kirkkautta.
U, Cb krominanssi (väri) komponentti, U axeli, sininen komponentti
U signaali saadaan vähentämällä Y signaali alkuperäisestä RGB sinisestä, joka sitten skaalataan.
V, Cr krominanssi (väri) komponentti, V axeli, punainen komponentti
V signaali saadaan vähentämällä Y signaali alkuperäisestä RGB punaisesta, joka sitten skaalataan eri kertoimella kuin U signaali.

Tämä YUV -erottelu on helppoa suorittaa tasavirtaa käyttäen.

4:1:1 Color - kohtalaisesti kompressoitu videon värinäytteistys, jossa kuvan kirkkauskanavaa ei ole muunneltu, mutta värikanavilla on 1/4- osa resoluutio. Useimmat DV-formaatit ( mm. miniDV) kayttävät 4:1:1 väriä.
4:2:0 Color - kohtalaisesti kompressoitu videon värinäytteistys (hyvin lähellä 4:1:1-menetelmaa). MPEG käyttää 4:2:0- menetelmää.
4:2:2 Color - kevyesti kompressoitu videon värinäytteistys, jossa kirkkauskanavaa ei ole muunneltu, mutta värikanavalla on 50 % resoluutio. Tätä käytetään ammattivideoformaateissa esim. Beta-cam SP.
4:4:4 Color - kompressoimaton videon värimenetelmä, jossa ei ole värinäytteistystä.

Color Subsampling (värin alinäytteistys; menetelmä, jolla pienennetään kuvan tiedostokokoa tallentamalla väritieto pienemmällä resoluutiolla kuin luminanssitieto, käytetään video YUV -värimallin muunnoksissa).

Videoformaateista

Analogisia formaatteja ovat: VHS, super VHS, Betacam SP

Digitaalisia formaatteja ovat: MiniDV, Digital8, DVCAM, Digital-s, D-VHS, Betacam SX, P24 (Sony) ja DVCPro 25.

Laitteistovaatimuksista

Videoeditoinnissa kiintolevyn tulee olla ATA (SATA) mallia (kierros nopeus 7,200 rpm, muisti puskuri 8 Mb ja tiedonsiirtonopeus 150 MB/s). Lisäksi käyttöjärjestelmä ja videon data on järkevää sijoittaa omille levyilleen, jotta järjestelmän käyttö ei tarpeettomasti hidasta video datan siirtoa.
Tai käytössä oltava RAID-järjestelmä. Kannattaa myös muistaa, että videoeditoinnissa kiintolevy ei koskaan ole liian suuri.
Mitä enemmän käytössä on muistia sitä parempi (1024 Mb tai enemmän). Huomiota tulee kiinnittää myös, siihen kuinka nopeasti muisti lukee ja kirjoittaa.
Jotta käytössä on riittävä laskentateho, prosessorin kellotaajuus tulisi olla vähintään 2500 MHz (3.75 x 800). Prosessoriksi kannattaa valita multiprosessori, joka pystyy suoriutumaan paremmin useista samanaikaisista tehtävistä.
Videokortiksi tulee valita sellainen kortti, joka soveltuu parhaiten tulevaan käyttöön. Korttia hankittaessa tulee huomioida riittävien liitäntöjen lisäksi mahdollisesti mukana tulevat ohjelmistot. Ennen videokortin ostoa kannatta katsoa millainen näytönohjain "pelikoneessa" on. Tänä päivänä useat näytönohjaimet pystyvät suoriutumaan samoista tehtävistä, kuin video kortit. Lisäksi niihin on usein sisäänrakennettu valmius purkaa ja kirjoittaa esim. MPEG-2 koodekkia.
Tämän kaiken lisäksi myös emolevyn täytyy olla laadukas ja sen tulee toimia moitteettomasti kaikkien siihen liitettyjen korttien kanssa.
Koneessa on myös oltava jonkinlainen äänikortti.

Editoinnista

Video kaappaukseen on hyvä käyttää esimerkiksi IEEE1394 ( FireWire) liitäntää, jota käytetään usein DV-kameroissa. Se on nopea sarjaliitäntä digitaalisen audion, -videon ja -datan siirtoon, jonka tiedonsiirtonopeudet ovat 100, 200 ja 400 megabittiä/sekunnissa.

Videokaappaus kannattaa aina tehdä kompressoimattomana ja täyteen resoluutioon.

Editoitaessa kuvia ja tekstejä ei saa pienentää, vaan ensin video renderoidaan oikeaan kokoon ja sitten vasta lisätään kuvat ja tekstit.

Lisäksi kannattaa muistaa, että videon ääni on juuri niin hyvä kuin millaisena se on äänitetty.

Jos videota on tarkoitus esittää internetissä, silloin suurimpana koko voidaan pitää 352x288 pixeliä, jolloin tiedosto koko ei vielä kasva liian suureksi.

Lisäksi mikäli video on mallia Interlaced Video (lomitettu) on lomitus poistettava deinterlaced (lomittamaton) ennen kompressointia, sillä tämä menetelmä on epätoivottava multimediasovellutuksissa.

Renderoitaessa (tehtäessä valmista videotiedostoa voidaan käyttää Variable Bitrate (VBR) koodausta, joka on kaksivaiheinen prosessi, jolla analysoidaan ja kompressoidaan videotieto optimaaliselle tasolle. Tämä menetelmä tuottaa videodataa, jonka määrä vaihtelee sekunneittain kiinteän koodauksen sijasta, mitä voidaan käyttää tiedostokoon pienentämiseen.

Jos renderoinnin jälkeen esimerkiksi tekstit vaikuttavat sahalaitaisilta voidaan uudelleen renderoinnissa käyttää reunojen pehmennustä (Anti-aliasing).

SMPTE time code (Society of Motion Picture and Television Engineers) on binäärinen aikakoodi:
00:00:00:00 = tunnit:minuutit:sekunnit:framet (00+24=25)

Yksittäinen ruutu videossa, merkitään numerosarjalla esim. 01:12:23:11, jossa kaksi viimeistä numeroa merkitsevät yksittäisiä ruutuja (00-24).

Video frameista

Frame (filmiruutu joista video muodostuu, se on yksittäinen kuva, joka muodostuu kahdesta kentästä).
Still Frame (yksittäinen videokuva).
l-Frame Intraframe (avainkuva täydellinen MPEG ruutu sisältää koko kuvan).
Interframe (ajallisesti kompressoitu ruutu). Käytetään myös nimeä Delta Frames ja difference frames (ruudut, jotka sisältävät vain muutokset edellisestä ruudusta). Koodekki tekee nämä ruudut. Quicktime:ssa. MPEG:ssä on kahdenlaisia ajallisesti kompressoituja ruutuja: "B-frames" ja " P-frames".
B-Frame Bi-directional frame (MPEG:n erotusruutu ( difference frame) eli ruutu, joka perustuu sekä edelliseen että seuraavaan ruutuun).
P-Frame Predictive Frame ( MPEG-tekniikan erotusruutu, joka näyttää videon edellisiltä ruuduilta).

Videon tarvitsemasta tilasta

Jos esimerkiksi olet aikeissa tehdä oman DVDn, tarvitset paljon kovalevytilaa.

4.7 GB DVD levy kykenee taltioimaan ainoastaan 4.37 GB dataa.

Esimerkiksi 2 tunnin video tarvitsee tilaa seuraavasti:

Video 13 GB/tunti (2 tuntia = 26 GB).
Lisäksi tulee huomioida se video materiaali, joka leikataan pois (1/3 osa 13 GB).
Ylimääräiset raidat teksti, kuva ja ääni raidat (2 GB).
Tila, joka tarvitaan MPEG-2 tiedoston luomiseen (4.37 GB).
Tila, joka tarvitaan DVD tiedoston luomiseen (4.37 GB).

Kun kaikki vaiheet lasketaan yhteen saadaan tarvittavan kovalevytilan määräksi noin 60 GB.

Käytettäessä keskivertoa 4.7 megabitin data kaistaa DVD-5 levylle mahtuu 133 minuuttia korkealaatuista videokuvaa ja kolme ääni ja tekstitys raitaa.

Dolby AC-3 ääniraita tarvitsee 384 Kilobittiä sekunnissa.

Tekstitys vie 10 kilobittiä / sekunti.

Jolloin videolle jää 3.5 megabittiä / sekunti

Koodekeista

Koodekkeja joudutaan käyttämään, koska käytännössä videon sisältämän erittäin suuren datamäärän siirto ja käsittely olisi muuten käytännössä mahdotonta. Lähes aina loppukäyttäjän video on tavalla tai toisella pakattu käyttäen jotain koodekkia.

Tiedonsiirtonopeus kompressoimattomalle, digitoidulle (kuva ja ääni) video-datalle on 216 MB/s (20-bittinen). Nykyisillä tekniikoilla on mahdollista kompressoida kuvaa ilman merkittävää laadun huonontumista. esim. MPEG-2 tekniikalla päästään arvoon n. 12 MB/s.

On olemassa tietokoneen kortille rakennettuja koodekkeja, sekä myös ohjelmistollisia koodekkeja, jotka ovat kortille rakennettuja hitaampia.

Useimmat videokompressiot eivät ole jälki editoitavissa. Tästä johtuen alkuperäinen materiaali tulee säilyttää aina siihen asti, kun editointitarvetta saattaa olla. Videon kompressointi on se viimeinen työvaihe video toteutuksessa.

On suotavaa käyttää "oikeaa" käyttötarkoituksen mukaista koodekkia pakattaessa videota. Täytyy myös pitää mielessä, että videon katsomiseen tarvitaan samaa koodekkia, kuin millä se on pakattu (myös ääni !).

Koodekit jaetaan kahteen ryhmään

Asymmetriset koodekit, joilla videon/äänitiedoston koodaus (encode) kestää ajallisesti kauemmin kuin dekoodaus (decode).
Symmetriset koodekit, jotka koodaavat ja dekoodaavat videotietoa suurin piirtein samassa ajassa. Suorat lähetykset internetissä ja videoneuvottelut toimivat yleisesti talla periaatteella.

Tärkeimpien kompressointimenetelmien periaatteet

Kompressiossa pyritään poistamaan sellaista tietoa, joka ei ole oleellista videokuvan toiminnan kannalta.

Videota voidaan kompressoida poistamalla video framejä, jotka eivät ole tärkeitä.

esim. MPEG-2 koostuu seuraavista frameista:

I-frame (intra) sisältää kaiken tiedon.
P-frame (predictive) laskennallinen.
B-frame (bi-directional) laskennallinen.

Videota voidaan myös kompressoida video framen sisällä muuttamalla kaikki samankaltaiset väripisteet yhdeksi ja samaksi väripinnaksi. (Kuvaan syntyy helposti näkyviä "Legoja").

Koodekit voidaan jakaa kahteen pääryhmään sisältöä hävittävät ja hävittämättömät. Sekä ne voidaan vielä ryhmitellä käyttötarkoitusten mukaan.

AVI Audio Video Interleaved (Microsoftin tiedostomuoto äänelle ja liikkuvalle kuvalle).
Tätä yleistä videotiedosto muotoa on usein pakattu käyttäen jotain koodekkia.

DVD-ROM, CD-ROM, kioski ja esityskoodekkeja

Cinepak - keskilaatuinen CD-ROM video , vanhemmat tietokoneet.
Indeo 3 - keskilaatuinen CD-ROM video , nopea tietokone.
Indeo 4 ja 5 - korkealaatuinen CD-ROM video, nopea tietokone.
Sorensen Video - korkealaatuinen CD-ROM video, nopea tietokone.
DivX 3.x 4.x 5.x 6.x (DivX koodekki pystyy kompressoimaan MPEG-2/DVD tiedoston lähes 1:10 alkuperäisestä koostaan).
M-JPEG - Motion JPEG (kehitetty progressive scan monitoreille).
MPEG-1 - (hyvälaatuista video- ja audio-materiaalia n. 2x CD-ROM nopeudella).
MPEG-2 - (täyttä, studiolaatuista kuvaa). DVD ja (S)VCD käyttää MPEG-2 formaattia.
MPEG Layer-2 audio (lähellä CD-laatua). MPEG-1 ja MPEG-2 käyttävät tätä formaattia audiossa.
MPEG Layer-3 audio on suunniteltu matalammille tiedonsiirtonopeuksille kuin MPEG Layer-2 audio-formaatti.

Internetissä käytettäviä koodekkeja

Sorensen Video (korkealaatuinen video).
RealVideo (RealNetworks video).
Windows Media Video (Windows Median video).
MPEG-4 (korkealaatuinen video).
MPEG-7 (sisältää metadatan) Voidaan käyttää hyväksi esim. tietokantoja.
H263 (keskilaatuinen videoneuvottelu).
G.723 (puheäänen koodekki videoneuvotteluissa).
ASF -Active Streaming Format (Microsoftin streaming-formaatti).
Streemaavia formaatteja Internet käytössä. Videota voidaan katsoa, vaikka koko tiedosto ei vielä olisikaan latautunut tietokoneelle. Streaming-palvelimet lähettävät dataa katseluohjelmalle, joka valitsee sopivimman tiedonsiirto nopeuden ja bufferoi (tallentaa muistiin) dataa ennakkoon samaan aikaan, kun ohjelma näyttää jo ladattua videota.
Tälläisiä formaatteja ovat RealVideo (RealAudio, RealVideo), Windows Media (Windows Media video, Wndows Media audio), Quick Time (Quick Time Mov, Quick Time VR)ja ASF-tiedostot.

Tämän osion lopuksi vielä lyhyt video, jossa olen yhdistellyt vektorianimaatiota ja videota: