Digital Video (formát)

Digital Video (DV) je digitálny videoformát, uvedený v roku 1994. Jeho nižšia verzia MiniDV sa stala takpovediac štandardom pre nakrúcanie domáceho videa a poloprofesionálnu produkciu, občas sa používa aj na profesionálne účely, napr. tvorbu filmov alebo nakrúcanie spravodajských materiálov. Špecifikácia DV (pôvodne známa ako Modrá kniha – Blue Book, v súčasnosti oficiálne IEC 61834) definuje kodek aj fyzický formát.
K základným vlastnostiam DV patria: vnútrosnímková kompresia (umožňuje jednoduchšie editovanie, než medzisnímková), štandardizovaný spôsob prepojenia (FireWire, resp. IEEE 1394) s inými zariadeniami (hlavne nelineárnymi strihovými systémami) a pomerne dobrá kvalita obrazu (hlavne pri porovnaní so staršími amatérskymi analógovými formátmi, ako sú napr. Video8, Hi8, VHS(-C)). Formát DV podstatne znížil finančnú nákladnosť výroby filmov, preto je silno zviazaný s nezávislým filmom a občianskou žurnalistikou.
Existujú aj vylepšené verzie, najmä formáty Sony DVCAM a Panasonic DVCPRO, určené pre profesionálne použitie. Digital8 od Sony, pre amatérov, zaznamenáva informáciu rovnakej kvality a logickej štruktúry, ako DV, ale na kazetu Hi8. Ďalšie formáty, ako napr. DVCPRO50 a D-5 (HD) používajú paralelne bežiace enkodéry DV25.
DV má aj nasledovníka s vysokým rozlíšením, formát HDV. Ten síce nahráva na rovnaké kazety, MiniDV, ale s použitím kompresie MPEG-2 (t. j. medzisnímkovej). Tá je podstatne účinnejšia, čo dovoľuje do zhruba rovnakého dátového toku vtesnať obraz zložený zo 4 – 5x väčšieho počtu pixelov; problémom HDV však je o niečo náročnejšia editácia a výskyt kompresných artefaktov v dynamickejších scénach.
DVCPRO-HD (známy aj ako DV100) je iný formát s vysokým rozlíšením založený na rozšírení povodneho formátu DV. V tomto prípade je kodek veľmi podobný pôvodnému DV, ale používa 4x vyšší dátový tok. Rovnako vyššia musí byť aj rýchlosť posunu (a spotreba) pásky. Výhodou tejto metódy je jednoduchá editácia a nízky výskyt kompresných artefaktov.
Špecifikácia.
Pred kompresiou.
Aby sa zabránilo aliasingu, je potrebné (hoci nie u každej kamery aplikované) odfiltrovať príliš vysoké obrazové frekvencie obrazu (zbaviť ho príliš jemných detailov, inými slovami – rozostriť). Aj nízkokvalitná optika sa dá považovať za obrazový dolnopriepustný filter.
Svetelné lúče, prejdúc optikou, dopadajú na senzor (CCD alebo CMOS), kde sa svetelná energia premení na elektrické analógové signály. Tie sa v AD-prevodníkoch premenia na čísla – zdigitalizujú a sú spracované procesorom.
Prepočet surového výsledku z predchádzajúceho štádia na signály základných farieb RGB závisí od toho, aký typ senzora je v danej kamere použitý (napr. 1CCD vs 3CCD alebo Bayerovo rozloženie základných farieb vs Foveon).
Maticovanie: Signály základných farieb zosnímané kamerou nie vždy zodpovedajú dohodnutým základným farbám R, G,B, ináč povedané, nastáva farebný posun. Preto sa vykoná táto drobná korekcia – z každej z nich sa "prileje" vhodné množstvo (môže byť aj záporné) ostatným dvom, čo matematici označujú ako aplikáciu matice.
Súčasťou maticovania môže byť aj vyrovnanie bielej, používané vtedy, ak bola snímaná scéna osvetlená iným než bielym svetlom. Napríklad u scény osvetlenej mierne nažltlým svetlom bežnej žiarovky je vhodný mierne zmenšiť hodnoty červenej zložky a zosilniť modrú.
Na dosiaľ lineárne signály ("linearita" tu znamená, že napr. na pixel s hodnotou 150 naozaj dopadlo 5x viac svetla než pixel s hodnotou 30) sa aplikuje gama-korekcia. Tá sa používa už od začiatkov televízie, keď slúžila na kompenzáciu nelinearity televíznej obrazovky (v nej napr. 3násobne silnejšiemu napätiu nezodpovedá 3x jasnejší svit daného miesta obrazovky). Dôsledkom gama-korekcie je samozrejme aj zväčšenie kvantizačného šumu. Pôvodné lineárne signály sa označujú RGB, po korekcii R'G'B'.
Maticovanie, čiže prevod R'G'B' na Y'CbCr, čiže jeden signál nesúci informáciu o jase a dva farbonosné. Táto konverzia umožňovala v analógovej ére dosiahnuť kompatibilitu s čiernobielymi zariadeniami (stačilo, keď dokázali dekódovať len zložku Y) a tiež umožňuje realizovať nasledujúcu etapu spracovania signálu. Aj toto maticovanie pridáva ďalšiu kvantizačnú chybu.
Podvzorkovanie farebných zložiek: Ľudský zrak nedokáže rozlíšiť až také jemné farebné detaily, ako u jasu (t. j. čiernobielej resp. šedoškálovej zložky). Využíva sa to tak, že sa zaznamená menej informácií o farbe, než o jase – napríklad jedna snímka bude obsahovať 720x576 jasových a len 352x576 (alebo 352x288) farebných číselných hodnôt.
Často sa ešte na záver použije priostrenie, napr. použitím vhodného číslicového filtra.
V tejto fáze sú už dáta pripravené na komprimovanie.
Kompresia obrazu.
DV používa vnútrosnímkovú kompresiu, menovite DCT (diskrétna kosínusová transformácia), s pevným výsledným dátovým tokom 25 Mbit/s, ku ktorému sa ešte pridáva nekomprimovaný zvuk (1,5 Mbit/s), sprievodné informácie (subkód) a dáta pre detekciu a korekciu chýb (približne 8,7 Mbit/s). To dáva spolu 36 Mbit/s (resp. 1/4 GB/min). DV kodek dáva, porovnávajúc pri rovnakých bitových tokoch, o trochu kvalitnejší obraz než starší kodek MJPEG a je porovnateľný s verziou MPEG-2 používajúcou len I-snímky. Kompresia použitá v DV je stratová, občas môžu byť viditeľné artefakty okolo ostrých rozhraní, malých písmen, v zložitejších scénach apod., netrpí však dynamickými artefaktami typickými napr. pre MPEG.
Podvzorkovanie farieb.
Vo oblastiach s normou NTSC sa aplikuje podvzorkovanie 4:1:1. V regiónoch používajúcich PAL je to 4:1:1 v prístrojoch DVCPRO a 4:2:0 v ostatných. Nie všetky analógové formáty videa majú horší obraz než DV. Napríklad Betacam SP má o niečo detailnejšie farebné zložky a netrpí artefaktami digitálnej kompresie.
Nižšie rozlíšenie farebnej zložky u formátu DV je dôvodom, prečo sa mu niekedy vyhýbajú, ak sa má nakrútený materiál použiť pri farebnom kľúčovaní. Pokrok v kvalite kľúčovacieho softvéru však už čiastočne zredukoval tento problém a umožňuje pomerne kvalitné kľúčovanie DV materiálu.
Zvuk.
Na DV pásku sa dajú zaznamenať buď 2 zvukové kanály (obvykle to znamená stereo) s rozlíšením 16 bitov a vzorkovacou frekvenciou 48 kHz, alebo 4 kanály x 12 bitov x 32 kHz. Pre profesionálne účely sa takmer výhradne používa len 48 kilohertzová verzia (tá druhá má frekvenčný strop nižšie než 16 kHz). Špecifikácia formátu DV definuje aj možnosť vzorkovacej frekvencie 44,1 kHz (zhodnej s CD-Audio), ale používa sa len zriedka. DVCAM a DVCPRO majú zviazaný (locked) zvuk, DV nie. Znamená to, že na hociktorom mieste DV pásky môže zvuk predbiehať alebo meškať za obrazom až o ⅓ trvania jednej snímky. Uvedená hodnota je maximálna a počas nahrávania jednej scény sa nemení. V spomenutých dvoch formátoch je zvuk stále synchrónny s obrazom.
Prepájanie/konektivita.
Sériové dátové rozhranie FireWire (tiež zvané IEEE 1394) síce nie je súčasťou technickej špecifikácie formátu DV, ale sa vyvinulo súčasne s ním. Majú ho takmer všetky kamery DV, podobne aj kompozitný a (dvoj-)komponentný analógový výstup. Profesionálnejšie DV rekordéry mávajú aj ďalšie výstupy, napr. SDI, SDTI alebo analógové komponentné výstupy. Všetky verzie DV majú časový kód, niektoré staršie amatérske strižne ho však nedokázali použiť.
Viaceré kamkordéry majú aj konektor USB, ktorý však (záleží to napr. od aplikovanej verzie USB) niekedy dokáže prenášať do počítača iba jednotlivé snímky (alebo MPEG4 videá z pamäťovej karty) namiesto plynulého videa DV.
V počítači sa dátový prúd DV obvykle ukladá do "kontajnerových" formátov, ako sú MXF, AVI alebo QuickTime.
Fyzická forma.
Formát DV používa kazetu veľkosti L, zatiaľ čo MiniDV veľkosť S. V jednom aj druhom prípade je možné, aby kazeta obsahovala aj zabudovaný pamäťový čip zvaný MIC, veľký najviac 16 kilobitov. V ňom možno ukladať napr. zmenšeniny snímok zachytených pri každom stlačení tlačidla Record (t. j. začiatok novej scény). Formát DVCPRO S-veľkosť nepoužíva, jeho špecifikácia však definuje veľkosť M, ako aj XL (pre videorekordéry DVCPRO HD). Vo všetkých variantoch kazety DV nájdeme pásku širokú ¼ palca, čiže .
MiniDV.
Kazeta L má rozmer pribl. 120x90x a obsiahne maximálne 4,6 hodín (v EP/LP režime 6,9) hodín videa. Medzi ľuďmi známejšie kazety S merajú zhruba 65x48x a pojmú najviac 60 (90) minút. Menšie z uvedených časových dĺžok sa dosahujú v štandardnom režime (Standard Play – SP) a väčšie v rozšírenom (Extended Play – EP, alebo inými slovami Long Play – LP). Na 80-minútovú kazetu, obsahujúcu o niečo tenšiu pásku, sa v EP/LP režime zmestí až 120 minút záznamu.
Záznamové stopy sú šikmo orientované (niekoľkostupňový odklon od smeru dĺžky pásky), majú šírku 10 mikrometrov režime SP a 6,7 um v EP/LP, kedy sa páska posúva o tretinu pomalšie. Dlhohrajúci režim je preto podstatne náročnejší na mechanickú precíznosť všetkých zúčastnených členov, čo vedie ku zvýšenému výskytu chýb záznamu a pre dôležitejšie nahrávky sa neodporúča.
Existujú softvéry, pomocou ktorých sa na DV kazetu dajú (namiesto obrazu) nahrávať ľubovoľné počítačové dáta, a síce v množstve vyše 12 GB/hod.
Hoci výrobcovia pôvodne zamýšľali, že L-kazety sa stanú vysoko-kvalitným nástupcom spotrebiteľského formátu VHS, dnes ich v tejto oblasti takmer nenájdeme a používajú ich len profesionáli. Dokonca aj väčšina profi modelov kamkordérov DV pracuje len s kazetami MiniDV, zatiaľ čo väčšina profesionálnych videorekordérov DV podporuje obe veľkosti kazety.
DVCAM.
Tento formát od Sony je profesionálnym variantom štandardu DV. Používa rovnaké kazety (DV a MiniDV), ale s posuvnou rýchlosťou o polovicu vyššou (čo skracuje nahrávaciu dobu danej kazety o tretinu). Záznamové stopy sú tým pádom široké 15 mikrometrov a viac odolné voči drop-outom. Režim LP nie je podporovaný. Kodek je rovnaký ako u DV. Všetky videorekordéry a kamery DVCAM dokážu prehrať materiál DV, zatiaľ čo DVCPRO len zopár novších modelov
DVCPRO.
Tento formát od Panasonicu bol určený predovšetkým pre spravodajské účely (napr. spravodajská divízia NBC patrila ku hlavným odberateľom), s väčšou robustnosťou a lepšou vhodnosťou pre lineárne editovanie. Záznamová stopa je široká až 18 um a použitý je lepší typ povrchu pásky. Zvuk má len 16b/48 kHz veziu a pridaná bola pozdĺžna zvuková stopa. Žiaden dlhohrajúci režim. Vždy pracuje s podvzorkovaním 4:1:1 (v NTSC aj PAL-e). Odhliadnuc od toho, štandardný DVCPRO (známy aj ako DVCPRO25) je na úrovni bitového toku zhodný s DV. Na rozdiel od Sony sa Panasonic rozhodol propagovať tento variat formátu DV radšej vo sfére špičkových profesionálnych aplikácií.