High Definition Video (formát)

História

Formát HDV bol vyvinutý firmami Victor Company of Japan (JVC) a Sony a podporovaný firmami Canon a Sharp. V roku 2003 bolo vytvorené HDV konzorcium združujúce výrobcov HDV. Odvtedy sa k nim pridali aj ďalší významní výrobcovia, napr. Avid, Canopus, Ulead alebo Apple.

Modely kamier

JVC uviedla HDV kamkordér ako prvá - model GR-HD1, schopný nahrávať DV (480i) alebo HDV (720p30 alebo 480p60).
Ako druhá sa na trhu v septembri 2004 objavila kamera Sony HDR-FX1, nahrávajúca vo formáte 1080i buď 50 alebo 60 (len jedno z nich, podľa regiónu) polsnímok za sekundu. Jej profesionálny severoamerický ekvivalent, model Sony HVR-Z1U, zvláda 50 aj 60 fps (teda PAL aj NTSC tým istým prístrojom), má zvukové konektory XLR a ďalšie vylepšenia. V roku 2005 Sony uviedla konzumentsky orientovaný kamkordér HDR-HC1 a jeho profesionálnu verziu HVR-A1E. V roku 2006 predstavila Sony modely HDR-FX7, HDR-FX7E, HVR-V1U a HVR-V1E, čím dosiahla prvenstvo v kategórii kamkordérov malého fyzického formátu schopných nahrávať progresívne video 1080p, a to 24p, 25p alebo 30p (počet celých snímok za sekundu).
Canon vstúpil na HDV trh v septembri 2005 profesionálnym modulárnym modelom XL H1 a v júli 2006 ohlásil podobné modely, XH A1 a XH G1. Sony v roku 2006 pridala kamery HDR-HC1 a lacnejšiu HDR-HC3. Model HC3 má mierne vylepšený snímač CMOS, ale chýbajú mu niektoré funkcie jeho predchodcu (napr. vstup pre externý mikrofón). Canon potom prišiel s cenovo výhodným konzumentským modelom HV10, obsahujúcim 2,76-megapixelový čip CMOS.
Firma Panasonic zvolila iný prístup - presadzuje pre nahrávanie HDV videa formát DVCPRO HD. Kamkordér AG-HVX200 nahráva DVCPRO HD (ale nie HDV) na pamäťové karty DVCPRO P2. Zabudovaný MiniDV kazetový nahrávač je určený len na záznam DV. Napriek jeho názvu ho vo všeobecnosti nepovažujú za schopný dodávať plnú DVCPRO HD kvalitu (na rozdiel napr. od Varicam-u), hlavne kvôli jeho menšiemu CCD-snímaču.

Poznámky k jednotlivým modelom

Mnoho kamier dokáže nahrávať aj progresívne video (označuje sa symbolom „p“). Dosahujú to zdvojnásobením rýchlosti skenovania, aby mohli z prekladaného senzora odobrať signál dvakrát počas jedného cyklu. Do umožňuje použiť lacnejší snímač, za cenu výskytu určitých artefaktov prekladania. Pri tomto spôsobe síce vznikne menej artefaktov než pri 50i/60i, ale výsledok nebude až taký hladký resp. plynulý ako pri skutočnom 25p/30p. Okrem toho, rôzne praktické testy ukázali, že rozlíšenie v progresívnych režimoch 24p/25p/30p je menšie, než v režime 1080i. Výnimkou je kamkordér Sony HVR-V1 (so snímačom CMOS), ktorý používa progresívny sken a zaznamenáva výsledné dáta buď použitím techniky „2-3 pulldown“ (pri 24p) alebo PsF (pri 25p a 30p), pri čom sa nestráca rozlíšenie.

Základné informácie

Tento formát bol navrhnutý tak, aby umožnil cenovo znesiteľný prechod od tvorby videa v štandardnom rozlíšení (SD) k vyššiemu rozlíšeniu (HD). Dátový tok HDV je rovnaký ako u DV (25 Mbit/s), takže rekordéry HDV môžu používať tie isté kazety aj transportné mechaniky ako DV. U kamier HDV je najdrahšou časťou optika, snímací prvok a elektronika spracúvajúca signál. V porovnaní s HD-technikou postavenou na profesionálnejších štandardoch (napr. HDCAM alebo DVCPRO HD) je HDV cenovo podstatne výhodnejšie. Kamkordéry HDV otvárajú svet videa s vysokým rozlíšením bežným zákazníkom, amatérskym tvorcom a nízkorozpočtovým televíziám.
Hoci formáty HDV a DV používajú rovnaké kazety, mechaniky a dátový tok, používajú výrazne odlišné kompresné postupy. DV-kodek používa čisto-vnútrosnímkovú kompresiu, zatiaľ čo HDV je založený na kodeku MPEG-2. Ten na surovú videoinformáciu aplikuje okrem vnútrosnímkovej aj medzisnímkovú (resp. časovú) kompresiu, čo umožňuje aj pri dátových tokoch 19,7 resp. 25 Mbit/s (pre 720p a 1080i) zaznamenávať obraz s vyšším rozlíšením. V porovnaní s drahšími zariadeniami HDCAM a DVCPRO HD trpí obraz HDV znateľne väčším výskytom priestorových aj časových/pohybových artefaktov. V dôsledku použitia medzisnímkovej kompresie je strihanie materiálu HDV zložitejšie a vnáša väčšie skreslenie v okolí miesta strihu, pretože susedné snímky navzájom súvisia.
V porovnaní s SD digitálnym videom dáva HDV podstatne vyššie priestorové rozlíšenie a preto je väčšina divákov ochotná spomenuté občasné artefakty akceptovať ako daň za vyššie rozlíšenie. Je dobré spomenúť, že bežné digitálne televízne vysielanie v štandardnom rozlíšení, používajúce kompresiu MPEG, má dátový tok okolo 2 až 4 Mbit/s, kodek WMV-HD dáva veľmi dobré výsledky pri 6 až 8 Mbit/s, čiže HDV s 25 Mbit/s má vlastne podstatne menší stupeň kompresie a menej viditeľné artefakty.
Zvuk sa na HDV zaznamenáva stratovou kompresiou MPEG-1 Layer 2 s dátovým tokom 384 kbit/s. Formát DV zaznamenáva zvuk bez kompresie, ako 16-bitové PCM s tokom 1536 kbit/s. Zvuk formátu HDV je teda technicky horší než DV, ale s uvedenými parametrami je takpovediac „subjektívne bezstratový“.
Pretože DV a HDV majú rovnakú páskovú mechaniku (DV25) aj posuvnú rýchlosť pásky, ich dĺžka záznamu na rovnakú kazetu je zhodná. T. j. napríklad na 60-minútovú kazetu MiniDV sa zmestí buď hodina záznamu DV alebo hodina HDV. V súčasnosti zatiaľ žiadna kamera HDV neumožňuje nahrávať HDV rýchlosťou EP resp. LP - takže napr. na 80-minútovú kazetu sa síce zmestí až 120 minút DV záznamu, ale zároveň iba 80 minút HDV.

Kompresia HDV

Medzi kompresnými schémami formátov DV a HDV je značný rozdiel. Každá snímka videa DV je skomprimovaná ako nezávislý obrázok, pričom umiestnenie jednotlivých častí tohoto výsledku na záznamovej stope je pevne dané. Kodek HDV je založený na kompresii MPEG-2, využívajúcej vnútro- aj medzi-snímkovú kompresiu. Len malá časť snímok, z ktorých sa video skladá, sa ukladá ako nezávislé obrázky (I-snímky), väčšina sa ukladá len ako informácia o odlišnosti aktuálneho od predchádzajúceho (resp. susedných) obrázku (P a B-snímky). Veľkosť informácie vzniknutej skomprimovaním jednotlivých snímok je teda u formátu HDV premenlivá.
V režime 1080i sa I-snímka vyskytuje na každom 12. (pri 25 fps) alebo 15. (pri 30fps) mieste; uvedené číslo je známe aj ako dĺžka skupiny obrázkov (Group of Pictures, GOP). V režime 1080p je to 12 (25 fps) alebo 15 (24 a 30 fps) a napokon u malého HDV 720p je dĺžka GOP 6 (24, 25 a 30 fps) alebo 12 (50 a 60 fps) snímok.
MPEG-2 umožňuje HDV dosahovať podstatne vyšší kompresný pomer než má DV, avšak za cenu pohybových artefaktov v dynamickejších scénach. Vyplýva to z použitého typu kompresie (medzisnímková) a veľkosti dátového toku. Počas statických záberov a pomalých panorám sú tieto artefakty zanedbateľne malé, ale pri zvýšenej zložitosti pohybu v scéne môže podstatne zhoršiť kvalitu výsledku. Napríklad v zábere hýbucej sa vodnej hladiny sa môžu objaviť miesta s rozpadajúcim sa obrazom (samozrejme to závisí aj od toho, akú veľkú časť plochy obrazu takéto pohybovo zložité miesta zaberajú).
Je dobré vidieť tieto kvalitatívne obmedzenia v súvislostiach - osvetlenie, farebnosť scény, pohyb kamery a ďalšie faktory hrajú úlohu pri určovaní miery rizika vzniku artefaktov. Tvorcovia televízneho seriálu JAG nakrútili mnoho scén pomocou HDV bez negatívnych následkov, majúc v záberoch aj extrémne svetelné podmienky (veľký kontrast svetlých a tmavých častí záberov apod.). Ak by sa mal záznam rozlíšenia HD dosiahnuť s pôvodným DV-kodekom, vyžadovalo by si to 4-násobok pamäťového/záznamového miesta. Enkodéry sa stále zdokonaľujú, napr. formát Sony XDCAM HD je podobný HDV. MPEG je štandardom aj pre budúcnosť, s vývojom enkodérov sa riziko artefaktov znižuje.
Výpadky (drop-outs) a chyby vo výslednom skomprimovanom streame HDV majú podstatne väčšie negatívne následky, než u DV. Je to nevyhnutný dôsledok použitia medzisnímkovej kompresie. Pretože dáta jednej snímky ovplyvňujú aj výsledný tvar (dekomprimovanú podobu) susedných snímok, chyba ovplyvní aj tie. Podobne, aj editovanie s presnosťou na jedno políčko je s kodekom MPEG zložitejšie. Akákoľvek modifikácia sekvencie snímok má za následok, že aj okolité obrázky musia absolvovať kompletný (bohužiaľ stratový) kompresno-dekompresný cyklus. Našťastie, takmer všetky aktuálne profesionálne nelineárne strihové softvéry už zvládajú prácu s HDV materiálom plynulo.
V súčasnosti napríklad BBC nezvažuje použitie HDV ako svojho HD štandardu, z dôvodu spomenutých chýb a kompresie, a HDV klasifikujú skôr na úroveň SD formátov. BBC bude prijímať len 25 percent programu nakrúteného HDV technológiou, aj to len na ich predošlé vyžiadanie. Pre HD v súčasnosti preferujú formát HDCAM.
Napriek všetkým obmedzeniam je obraz HDV na obrazovkách s vysokým rozlíšením kvalitný. DV, hoci netrpí pohybovými artefaktami, vyzerá po zväčšení na HD mierne rozmazané či chlpaté. Subjektívne vzaté, väčšina divákov radšej akceptuje artefakty HDV, než by sa mala vzdať jeho detailnejšieho obrazu.

Rozlíšenie a pomer strán

Obraz má u formátu HDV pomer strán 16:9. Prípustné zvislé rozlíšenia (počet riadkov) sú 720p alebo 1080i (p znamená progresívne a i prekladané riadkovanie). HDV 1080i, podobne ako aj iné nové HD formáty, používa pomer strán pixelu 4:3 a rozlíšenie 1440×1080 pixelov, ktoré sa pri zobrazovaní rozširuje na 1920×1080 = (1440×4/3)×1080. To znamená, že vodorovné rozlíšenie (počet 'stĺpcov') v skutočnosti namiesto 1920 dosahuje len 1440. Táto strata detailnosti však nie je až taká citeľná, pretože aj zvislé rozlíšenie je vlastne mierne zmenšované zásluhou prekladaného riadkovania. Snímanie a zaznamenávanie plných 1920 bodov by lepšie zodpovedalo režimu 1080p.
Aj s rozmerom len 1440×1080 pixelov je subjektívne vnímaná ostrosť obrazu HDV podstatne vyššia, než u formátov PAL DV alebo NTSC DV. Podobne, 1440 je dvojnásobkom vodorovného rozlíšenia formátov DVD aj DV. Režim 1080i má spolu 1.555.200 pixelov na jednu snímku, čo je 4,5× viac ako u NTSC (720×480 = 345.600px) a 3,75× viac ako u PAL DV (720x576 = 414.720px).
Uvedené sa týka iba jasovej informácie, pretože farebná je vždy podvzorkovaná (u mnohých digitálnych aj analógových formátov, konkrétne 4:2:0 u HDV), čím sa redukuje množstvo dát bez výrazného subjektívneho zhoršenia kvality obrazu (ľudský zrak je na farebné detaily menej vnímavý, než na jasové). Formáty ako PAL, NTSC, DVD, HDV majú farebnú informáciu len so štvrtinovým plošným rozlíšením oproti jasovej. To však nie je jediným aspektom pri posudzovaní kvality. Napríklad Panasonic HVX200 zaznamenáva v detailnejšom formáte 4:2:2, ale čerpá zo senzora s rozlíšením iba 960×540, čo by zodpovedalo skôr označeniu 3:1:1.
Ďalej, farebný vzorkovací formát 4:2:0 je používaný aj v HD televízii. To znamená, že záznam HDV v takomto prostredí nemusí (na rozdiel od mnohých iných formátov) absolvovať farebnú konverziu. Už len tento fakt samotný predstavuje pre formáty založené na MPEG-u významnú výhodu medzi ostatnými akvizičnými (t. j. určenými na zhotovovanie prvotného záznamu - nahrávanie kamerou) formátmi.

Editovanie HDV

V dôsledku toho, že dátový tok HDV má štruktúru zodpovedajúcu použitiu medzisnímkovej kompresie (MPEG-2 GOP), namiesto čisto vnútrosnímkovej, je natívne editovanie materiálu HDV odlišné od natívneho editovania DV. Keďže v dátovom toku DV je každé políčko uložené ako nezávislý objekt (k jeho dekompresii netreba informácie zo susedných políčok), nahratý materiál môže byť strihnutý na ľubovoľnom mieste (t. j. medzi hociktorou dvojicou susedných snímok) bez straty kvality.
Ak sa editujú priamo dáta HDV-MPEG, žiadne políčko sa nedá zmeniť bez toho, aby sa nemuseli re-enkódovať susedné snímky tej istej GOP. Ľubovoľná úprava natívneho MPEG-2 materiálu (či už ide o nejaký komplexný prechod/efekt, alebo len o jednoduchý strih), si vynucuje dekomprimáciu a následnú komprimáciu celej GOP. Hlavne ak je výsledné video pokročilejšou generáciou (pri zložitejšom strihu), môže to vyústiť do viditeľnejších artefaktov. Ale vďaka výške dátového toku 25 Mbit/s by tieto chyby nemali byť až také výrazné, ako pri použití nižších dátových tokov (napr. pri výrobe klipov určených na download cez internet).
Editovanie priamo natívneho MPEG-2 streamu si tiež vyžaduje podstatne vyšší výkon počítača - dokonca aj na vykonanie najjednoduchších úloh, ako je napr. realizácia strihu, pretože jednotlivé snímky neexistujú ako samostatné veci a strihový systém ich musí priebežne vyrábať.
Ak sa materiál HDV pre účely strihania prevedie (transkóduje) do vhodného bezstratového dočasného (lossless intermediate) formátu, uvedené problémy sa nemusia uplatniť v plnom rozsahu, a, za predpokladu použitia kvalitného kodeku, sa dá postupnej degradácii (rastúcej s každou generáciou editovania) kvality vyhnúť a zároveň zmenšiť nároky na výkon počítača.
Príklady: Apple Intermediate Codec sa používa pri editovaní HDV napr. vo Final Cut Pro. Medzi najlepšie lossless intermediate kodeky patria ConnectHD, AspectHD a ProspectHD od firmy CineForm (fungujú so strihovými softvérmi Sony Vegas a Adobe Premiere Pro). Pre systémy pracujúce na počítačoch Mac je zas určený Lumiere HD.
Editovanie HDV materiálu s použitím lossless intermediate kodekov má viacero výhod oproti práci s pôvodným MPEG-2 materiálom, jeho nevýhodou však je, že na prevod materiálu do tohto dočasného bezstratového formátu treba podstatne viac miesta, čo znamená nutnosť použiť väčšie diskové polia.
Avid Xpress Pro môže pracovať s natívnym HDV. Avid tiež tvrdí, že v časovej základni (timeline) môže mať materiály v rôznych formátoch, bez nutnosti transkódovania, a že ich dokáže hladko dávať dohromady (pre náhľad aj výstup), pričom konverziu robí automaticky.
Treba povedať, že ak je napríklad do HDV projektu pridaný aj DV materiál, tak pri jeho preškálovaní na veľkosť HD sa nutne musí vykonať de-interlacing a re-interlacing. De-interlacing (premena materiálu s prekladaným riadkovaním na progresívny materiál) sa vo všeobecnosti považuje za náročnú operáciu (ani nie tak v zmysle výpočtového výkonu, ale skôr v otázke algoritmu, aby bol výsledok kvalitný, t. j. s minimálnym skreslením). Samozrejme, tento problém nezávisí od toho, či sa pracuje s natívnym materiálom, alebo bol aplikovaný bezstratový medziformát.