El vídeo digital es una representación electrónica de imágenes visuales en movimiento ( vídeo ) en forma de datos digitales codificados . Esto contrasta con el vídeo analógico , que representa imágenes visuales en movimiento en forma de señales analógicas . El vídeo digital comprende una serie de imágenes digitales que se muestran en rápida sucesión, normalmente a 24, 30 o 60 fotogramas por segundo . El vídeo digital tiene muchas ventajas, como la facilidad de copia, multidifusión, uso compartido y almacenamiento.
El vídeo digital se introdujo comercialmente por primera vez en 1986 con el formato Sony D1 , que grababa una señal de vídeo por componentes de definición estándar sin comprimir en formato digital. Además de los formatos sin comprimir , los formatos de vídeo digital comprimido más populares hoy en día incluyen MPEG-2 , H.264 y AV1 . Los estándares de interconexión modernos utilizados para la reproducción de vídeo digital incluyen HDMI , DisplayPort , Digital Visual Interface (DVI) y serial digital interface (SDI).
El vídeo digital se puede copiar y reproducir sin degradación de la calidad. Por el contrario, cuando se copian fuentes analógicas, experimentan una pérdida de generación . El vídeo digital se puede almacenar en medios digitales como Blu-ray Disc , en el almacenamiento de datos de una computadora o transmitirse a través de Internet a los usuarios finales que ven contenido en una computadora personal o en la pantalla de un dispositivo móvil o en un televisor inteligente digital . Hoy en día, el contenido de vídeo digital, como programas de televisión y películas, también incluye una banda sonora de audio digital .
La base de las cámaras de vídeo digitales son los sensores de imagen semiconductores de óxido metálico (MOS) . [1] El primer sensor de imagen semiconductor práctico fue el dispositivo de carga acoplada (CCD), inventado en 1969 [2] por Willard S. Boyle, quien ganó un Premio Nobel por su trabajo en física. [3] Tras la comercialización de sensores CCD a finales de los años 1970 y principios de los 1980, la industria del entretenimiento comenzó lentamente a realizar una transición hacia las imágenes digitales y el vídeo digital desde el vídeo analógico durante las siguientes dos décadas. [4] Al CCD le siguió el sensor de píxeles activos CMOS ( sensor CMOS ), [5] desarrollado en la década de 1990. [6] [7]
Las películas más importantes [a] filmadas en video digital superaron a las filmadas en película en 2013. Desde 2016, más del 90% de las películas más importantes se filmaron en video digital. [8] [9] A partir de 2017 [actualizar], el 92% de las películas se filman en formato digital. [10] Solo 24 películas importantes estrenadas en 2018 se rodaron en 35 mm. [11] Hoy en día, las cámaras de empresas como Sony , Panasonic , JVC y Canon ofrecen una variedad de opciones para grabar vídeos de alta definición. En el segmento alto del mercado, han surgido cámaras dirigidas específicamente al mercado del cine digital. Estas cámaras de Sony, Vision Research , Arri , Silicon Imaging , Panavision , Grass Valley y Red ofrecen una resolución y un rango dinámico que supera el de las cámaras de vídeo tradicionales, que están diseñadas para las necesidades limitadas de la televisión abierta . [12]
En la década de 1970, la modulación de código de impulsos (PCM) indujo el nacimiento de la codificación de vídeo digital , que exigía altas velocidades de bits de 45 a 140 Mbps para contenido de definición estándar (SD). En la década de 1980, la transformada discreta de coseno (DCT) se convirtió en el estándar para la compresión de vídeo digital . [13]
El primer estándar de codificación de vídeo 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. [14] H.120 se basó en la modulación diferencial de código de pulso (DPCM), un algoritmo de compresión que era ineficaz para la codificación de vídeo. A finales de la década de 1980, varias empresas comenzaron a experimentar con DCT, una forma de compresión mucho más eficiente para la codificación de vídeo. El CCITT recibió 14 propuestas para formatos de compresión de vídeo basados en DCT, en contraste con una sola propuesta basada en compresión de cuantificación vectorial (VQ). El estándar H.261 se desarrolló basándose en la compresión DCT, [15] convirtiéndose en el primer estándar práctico de codificación de vídeo. [14] Desde H.261, la compresión DCT ha sido adoptada por todos los principales estándares de codificación de vídeo que siguieron. [15]
MPEG-1 , desarrollado por Motion Picture Experts Group (MPEG), le siguió en 1991 y fue diseñado para comprimir vídeo con calidad VHS . Fue sucedido en 1994 por MPEG-2 / H.262 , [14] que se convirtió en el formato de vídeo estándar para la televisión digital DVD y SD . [14] Le siguió MPEG-4 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. [dieciséis]
El formato de codificación de video de la generación actual es HEVC (H.265), introducido en 2013. Mientras que AVC usa el DCT entero con tamaños de bloque 4x4 y 8x8, HEVC usa transformaciones DCT y DST enteras con tamaños de bloque variados entre 4x4 y 32x32. [17] HEVC está fuertemente patentado, y la mayoría de las patentes pertenecen a Samsung Electronics , GE , NTT y JVC Kenwood . [18] Actualmente está siendo desafiado por el formato AV1 que aspira a obtener una licencia gratuita . A partir de 2019 [actualizar], AVC es, con diferencia, el formato más utilizado para la grabación, compresión y distribución de contenido de vídeo, utilizado por el 91 % de los desarrolladores de vídeo, seguido de HEVC, que utiliza el 43 % de los desarrolladores. [19]
Desde finales de la década de 1970 hasta principios de la de 1980, se introdujeron equipos de producción de vídeo que eran digitales en su funcionamiento interno. Estos incluían correctores de base de tiempo (TBC) [b] y unidades de efectos de vídeo digital (DVE). [c] 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 vídeo digitalizada y procesada se volvió a convertir a vídeo analógico estándar para su salida.
Más adelante, en la década de 1970, los fabricantes de equipos profesionales de transmisión de vídeo, como Bosch (a través de su división Fernseh ) y Ampex desarrollaron prototipos de grabadoras de vídeo digitales (VTR) en sus laboratorios de investigación y desarrollo. La máquina de Bosch utilizó un transporte de cinta de vídeo tipo B modificado de 1 pulgada y grabó una forma temprana de vídeo digital CCIR 601 . El prototipo de grabadora de video digital de Ampex utilizó un VTR de cinta de video cuádruplex modificado de 2 pulgadas (un Ampex AVR-3) equipado con electrónica de video digital personalizada y un cabezal octaplex especial de 8 cabezales (las máquinas cuádruples analógicas normales de 2 "solo usaban 4 cabezales). Como estándar Quad de 2", el audio del prototipo de máquina digital Ampex, apodado Annie por sus desarrolladores, todavía grababa el audio en analógico como pistas lineales en la cinta. Ninguna de estas máquinas de estos fabricantes se comercializó jamás.
El vídeo digital se introdujo comercialmente por primera vez en 1986 con el formato Sony D1 , que grababa una señal de vídeo por componentes de definición estándar sin comprimir en formato digital. Las conexiones de video por componentes requerían 3 cables, pero la mayoría de las instalaciones de televisión estaban cableadas para video compuesto NTSC o PAL usando un solo cable. Debido a esta incompatibilidad con el costo de la grabadora, D1 fue utilizada principalmente por grandes cadenas de televisión y otros estudios de video con capacidad de video por componentes.
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En 1988, Sony y Ampex codesarrollaron y lanzaron el formato de videocasete digital D2 , que grababa vídeo 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 una videograbadora D2. Esto lo hizo perfecto para la mayoría de las instalaciones televisivas de la época. D2 fue un formato exitoso en la industria de la transmisión televisiva a finales de los 80 y los 90. D2 también se utilizó ampliamente en esa época como formato de cinta maestra para masterizar discos láser . [d]
D1 y D2 eventualmente serían reemplazados por sistemas más baratos que utilizan compresión de video, sobre todo Digital Betacam de Sony , [e] que se introdujeron en los estudios de televisión de la cadena . Otros ejemplos de formatos de vídeo digital que utilizan compresión fueron el DCT de Ampex (el primero en emplearla cuando se introdujo en 1992), los estándares de la industria DV y MiniDV y sus variaciones profesionales, DVCAM de Sony y DVCPRO de Panasonic , y Betacam SX , una variante de menor costo. de Digital Betacam usando compresión MPEG-2. [20]
Uno de los primeros productos de vídeo digital que se ejecutaron en computadoras personales fue PACo: The PICS Animation Compiler de The Company of Science & Art en Providence, Rhode Island. Se desarrolló a partir de 1990 y se lanzó 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 . [21]
QuickTime , el marco multimedia de Apple Computer , se lanzó en junio de 1991. Le siguió Audio Video Interleave de Microsoft en 1992. Las herramientas iniciales de creación de contenidos para el consumidor eran toscas y requerían que una fuente de vídeo analógica se digitalizara a un formato legible por computadora. Aunque al principio era de baja calidad, la calidad del vídeo digital de consumo aumentó rápidamente, primero con la introducción de estándares de reproducción como MPEG-1 y MPEG-2 (adoptados para su uso en transmisiones de televisión y medios DVD) y la introducción de la cinta DV . formato que permite transferir grabaciones en el formato directamente a archivos de vídeo digitales utilizando un puerto FireWire en una computadora de edición. Esto simplificó el proceso, permitiendo 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 del vídeo digital y los formatos de compresión que lo acompañan ha reducido el ancho de banda necesario para una señal de vídeo de alta definición (con HDV y AVCHD , así como varias variantes comerciales como DVCPRO -HD, todos usando menos ancho de banda que una señal analógica de definición estándar). ). Estos ahorros han aumentado el número de canales disponibles en la televisión por cable y en 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 posibles las videocámaras sin cinta basadas en memoria flash , entre otras innovaciones y eficiencias.
Culturalmente, el vídeo digital ha permitido que el vídeo y las películas estén ampliamente disponibles y sean populares, lo que ha resultado beneficioso para el entretenimiento, la educación y la investigación. [22] El vídeo digital es cada vez más común en las escuelas, y los estudiantes y profesores se interesan por aprender a utilizarlo de manera relevante. [23] El vídeo digital también tiene aplicaciones sanitarias, ya que permite a los médicos realizar un seguimiento de la frecuencia cardíaca y los niveles de oxígeno de los bebés. [24]
Además, el cambio del vídeo analógico al digital afectó a los medios de varias maneras, por ejemplo, en la forma en que las empresas utilizan las cámaras para vigilancia. El circuito cerrado de televisión (CCTV) pasó a utilizar grabadoras de vídeo digitales (DVR), lo que plantea la cuestión de cómo almacenar las grabaciones para la recopilación de pruebas. Hoy en día, el vídeo digital se puede comprimir para ahorrar espacio de almacenamiento. [25]
La televisión digital (DTV) es la producción y transmisión de vídeo digital desde las redes a los consumidores. Esta técnica utiliza codificación digital en lugar de señales analógicas utilizadas antes de la década de 1950. [26] En comparación con los métodos analógicos, DTV es más rápido y proporciona más capacidades y opciones para transmitir y compartir datos. [27]
Las raíces de la televisión digital están ligadas a la disponibilidad de computadoras económicas y de alto rendimiento . No fue hasta la década de 1990 que la televisión digital se convirtió en una posibilidad real. [28] Anteriormente, la televisión digital no era viable en la práctica debido a los requisitos imprácticamente altos de ancho de banda del vídeo sin comprimir , [29] que requería alrededor de 200 Mbit/s para una señal de televisión de definición estándar (SDTV), [30] [31] y más de 1 Gbit/s para televisión de alta definición (HDTV). [29] [32]
El vídeo digital comprende una serie de imágenes digitales que se muestran en rápida sucesión. En el contexto del vídeo, estas imágenes se denominan fotogramas . [f] La velocidad a la que se muestran los fotogramas se conoce como velocidad de fotogramas y se mide en fotogramas por segundo . Cada cuadro 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. [33] Por ejemplo, 8 bits captura 256 niveles por canal y 10 bits captura 1.024 niveles por canal. [34] Cuantos más bits, más sutiles variaciones de colores se pueden reproducir. Esto se llama profundidad de color , o profundidad de bits, del vídeo.
En el vídeo entrelazado, cada cuadro se compone de dos mitades de una imagen. La primera mitad contiene sólo las líneas impares de un fotograma completo. La segunda mitad contiene sólo las líneas pares. Estas mitades se denominan individualmente campos . Dos campos consecutivos componen un fotograma completo. Si un vídeo entrelazado tiene una velocidad de fotogramas de 30 fotogramas por segundo, la velocidad de campo es de 60 campos por segundo, aunque ambas partes del vídeo entrelazado, fotogramas por segundo y campos por segundo, son números separados.
Por definición, la velocidad de bits es una medida de la velocidad del contenido de información del flujo de vídeo 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 velocidad de bits es una propiedad importante al transmitir vídeo porque el enlace de transmisión debe ser capaz de soportar esa velocidad de bits. La velocidad de bits también es importante cuando se trata del almacenamiento de vídeo porque, como se muestra arriba, el tamaño del vídeo es proporcional a la velocidad de bits y la duración. La compresión de vídeo se utiliza para reducir en gran medida la tasa de bits y tiene poco efecto en la calidad. [35]
Los bits por píxel (BPP) son una medida de la eficiencia de la compresión. Un vídeo en 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 cuadro puede reducir el BPP a 8 o incluso 1 bits/píxel. La aplicación de algoritmos de compresión de vídeo como MPEG1 , MPEG2 o MPEG4 permite que existan valores BPP fraccionarios.
BPP representa el promedio de bits por píxel. Existen algoritmos de compresión que mantienen el BPP casi constante durante toda la duración del vídeo. En este caso, también obtenemos una salida de vídeo con una tasa de bits constante (CBR). Este vídeo CBR es adecuado para la transmisión de vídeo en tiempo real, sin búfer y con ancho de banda fijo (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. [36] De esta manera, proporciona la mejor calidad a la velocidad de bits promedio más pequeña (y, en consecuencia, el tamaño de archivo más pequeño). Este método produce una tasa de bits variable porque rastrea las variaciones del BPP.
Las películas estándar suelen grabar a 24 fotogramas por segundo. Para vídeo, existen dos estándares de velocidad de fotogramas: NTSC , a 30/1,001 (aproximadamente 29,97) fotogramas por segundo (aproximadamente 59,94 campos por segundo), y PAL , 25 fotogramas por segundo (50 campos por segundo). Las cámaras de vídeo digitales vienen en dos formatos diferentes de captura de imágenes: entrelazado y escaneo 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 escaneo progresivo graban todas las líneas de cada cuadro como una sola unidad. Por lo tanto, el vídeo entrelazado captura el movimiento de la escena con el doble de frecuencia que el vídeo progresivo para la misma velocidad de fotogramas. El escaneo progresivo generalmente produce una imagen ligeramente más nítida; sin embargo, el movimiento puede no ser tan fluido como el video entrelazado.
El vídeo digital se puede copiar sin pérdida de generación; lo que degrada la calidad en los sistemas analógicos. Sin embargo, un cambio en parámetros como el tamaño del fotograma o un cambio del formato digital puede disminuir la calidad del vídeo debido al escalado de la imagen y a las pérdidas por transcodificación . El vídeo digital se puede manipular y editar en sistemas de edición no lineales .
El vídeo digital tiene un coste 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 el disco duro, son muy económicos. El vídeo digital también permite ver las imágenes en exteriores sin el costoso y lento procesamiento químico que requiere la película. La transferencia en red de vídeo digital hace innecesarias las entregas físicas de cintas y carretes de película.
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 vídeo digital se utiliza en teléfonos móviles y sistemas de videoconferencia modernos . El vídeo digital se utiliza para la distribución de medios por Internet , incluida la transmisión de vídeo y la distribución de películas entre pares .
Existen muchos tipos de compresión de video para distribuir video digital a través de Internet y en discos ópticos. Los tamaños de archivo de vídeo digital utilizados para la edición profesional generalmente no son prácticos para estos fines y el vídeo requiere una mayor compresión con códecs para su uso con fines recreativos.
A partir de 2017 [actualizar], 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 logra en cámaras industriales y científicas de alta velocidad que son capaces de filmar videos de 1024x1024 a hasta 1 millón de fotogramas por segundo durante breves períodos de grabación.
El vídeo digital en directo consume ancho de banda. El vídeo digital grabado consume almacenamiento de datos. La cantidad de ancho de banda o almacenamiento requerido está determinada por el tamaño del cuadro, la profundidad del color y la velocidad de cuadro. 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 de un cuadro por la velocidad de cuadros. Los requisitos generales de almacenamiento de un programa se pueden determinar multiplicando el ancho de banda por la duración del programa.
Estos cálculos son precisos para vídeo sin comprimir, pero debido a la velocidad de bits relativamente alta del vídeo sin comprimir, la compresión de vídeo se utiliza ampliamente. En el caso del vídeo comprimido, cada fotograma requiere sólo un pequeño porcentaje de los bits originales. Esto reduce el consumo de datos o ancho de banda en un factor de 5 a 12 veces cuando se usa compresión sin pérdidas , pero más comúnmente se usa compresión con pérdidas debido a su reducción del consumo de datos en factores de 20 a 200. [37] [ verificación fallida ] Nota que no es necesario que todos los fotogramas estén igualmente comprimidos en el mismo porcentaje. En su lugar, considere el factor promedio de compresión para todos los fotogramas en conjunto.
Interfaces de vídeo digitales especialmente diseñadas
Se utilizan interfaces de uso general para transportar vídeo digital.
La siguiente interfaz ha sido diseñada para transportar vídeo comprimido MPEG :
El vídeo comprimido también se transmite mediante UDP - IP a través de Ethernet . Existen dos enfoques para esto:
Otros métodos para transmitir vídeo a través de IP
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