1 / 72

2. Videoteknologiaa

2. Videoteknologiaa. Analoginen ja digitaalinen video Videokamera ja kuvanmuodostus Videosignaalityypit Tallennusjärjestelmät Formaatit. Analoginen TV ja video. Videon historia on TV:n historiaa Koostuu toistuvista (25-30/sek) kuvista (frame); saavat aikaan liikevaikutelman

kineks
Download Presentation

2. Videoteknologiaa

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 2. Videoteknologiaa Analoginen ja digitaalinen video Videokamera ja kuvanmuodostus Videosignaalityypit Tallennusjärjestelmät Formaatit DVP-2 Teuhola 2007

  2. Analoginen TV ja video • Videon historia on TV:n historiaa • Koostuu toistuvista (25-30/sek) kuvista (frame); saavat aikaan liikevaikutelman • Kolme TV-signaalin koodausstandardia: • PAL (useimmat Euroopan maat) • SECAM (Ranska, Venäjä) • NTSC (USA, Japani) • Eroja kuvataajuuksissa, juovien määrissä, ym. DVP-2 Teuhola 2007

  3. PAL-järjestelmä • ”Phase Alternating Line” • Ruutu koostuu 625 juovasta: 575 näkyvissä, loput kontrolli- ja teksti-tv-käytössä • 25 kokonaista kuvaa sekunnissa • Välkkymisen estämiseksi ja kaistan säästämi-seksi ns. lomitus (interlacing) 50 ’puolikasta’ kuvaa eli kenttää (field) sekunnissa;vuorotellen parittomat (kenttä 1) ja parilliset juovat (kenttä 2). DVP-2 Teuhola 2007

  4. TV-kuvan kentät Parittomat juovat Parilliset juovat DVP-2 Teuhola 2007

  5. TV vs. tietokonemonitori • Monitorissa progressiivinen piirto: koko kuva kerralla • Monitorin taajuus yleensä > 50 kuvaa sekunnissa • Videoformaatin valinnassa pitää tietää lo-pullinen ympäristö (VHS, CD, DVD, Web) • Tarvittaessa muunnetaan formaatista toiseen. DVP-2 Teuhola 2007

  6. TV vs. elokuvat • Elokuvissa yleensä 24 kuvaa sekunnissa • Telecine = elokuvan konversio tv:tä varten • PAL: 25 kuvaa sekunnissa; 4 % nopeutus, myös äänen taajuus nousee (korjattavissa) • NTSC: 30 (oik. 29.97) kuvaa sekunnissa; ratkaisuna on generoida filmikuvista vuorotellen 2 ja 3 kenttää, yhteensä 12 x 2 + 12 x 3 = 60 kenttää sekunnissa eli 30 koko ruutua sekunnissa. DVP-2 Teuhola 2007

  7. Analoginen TV-signaali • Koostuu valoisuus- (luminanssi-), väri- (krominanssi-) , ja ääni-informaatiosta • Luminanssi edustaa mustavalkokuvaa • Siirto RF-muotoisena (Radio Frequency) • Yhdistäminen ja erottelu vaatii modulointia • Vastaanottoon tarvitaan viritin, joka on säädetty oikealle taajuudelle • Vanhan mustavalko-TV:n painolasti DVP-2 Teuhola 2007

  8. Kuvasuhde • Leveyden suhde korkeuteen; ns. aspect ratio. • Normaali: 4:3, laajakuva: 16:9 (1.78:1) • Laajakangaselokuvissa käytettyjä kuvasuhteita: 1.85:1, 2.35:1 • Myös pikseleille voidaan määritellä aspect ratio DVP-2 Teuhola 2007

  9. Näytön värijärjestelmä • Näyttö käyttää RGB-järjestelmää (Red-Green-Blue), joka on additiivinen värijärjestelmä (yhdistäminen lisää valoisuutta). • Kukin kuvapiste koostuu kolmen erivärisen fosforipisteen yhdelmästä. • Värikomponenttien voimakkuus määrää lopullisen värin. • Muistuttaa ihmissilmän värienhavaitsemis-mekanismia. DVP-2 Teuhola 2007

  10. RGB:n pää- ja välivärit Keltainen Punainen Vihreä Magenta Syaani Sininen DVP-2 Teuhola 2007

  11. B (0,0,255) Syaani (0,255,255) Sininen Valkoinen (255,255,255) Magenta (255,0,255) G Harmaa Vihreä Musta (0,0,0) (0,255,0) Punainen (255,0,0) Keltainen (255,255,0) R RGB-värikuutio DVP-2 Teuhola 2007

  12. TV-signaalin värijärjestemiä • RGB:tä ei käytetä, koska se sisältää redundanssia (haaskaa kaistaa). • Korjaus: Jaetaan signaali kirkkaus- ja värikomponentteihin: • luminanssisignaali (valoisuus) • Kaksi krominanssi- eli värisignaalia,jotka vaativat vähemmän kaistaa • Käytettyjä järjestelmiä: • YUV (PAL/Eurooppa) • YIQ (NTSC/Pohjois-Amer.) • YCbCr (komponenttivideo) DVP-2 Teuhola 2007

  13. Värijärjestelmien välisiä muunnoksia Oletus: R, G ja B skaalattu välille [0, 1] • RGB  YUV: • Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B R = Y + 1.140V • U = 0.492(B – Y) G = Y – 0.395U – 0.581V • V = 0.877(R – Y) B = Y + 2.033U • RGB  YCbCr: • Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B R = Y + 1.402Cr • Cb = 0.564(B – Y) G = Y – 0.344Cb – 0.714Cr • Cr = 0.713(R – Y) B = Y + 1.772Cb DVP-2 Teuhola 2007

  14. Laitteiden kytkennät • RGB-signaali: • Yleensä laitteiden sisällä • 3 värijohdinta + 1-2 synkronointijohdinta • Säilyttää hyvän kuvanlaadun • Komponenttivideo (= YCbCr-signaali) • Siirto 3 johdinta pitkin; laatu säilyy • Ammattikäyttöön • Lopullinen lähetys tai siirto VHS:ään komposiittimuodossa. DVP-2 Teuhola 2007

  15. Laitteiden kytkennät (jatk.) • S-video (Y/C) • 2 johdinta: Y-signaali + yhdistetyt värisignaalit • Komposiittisignaali • 1 johdin: Y-, U-, ja V-signaalit yhdistetty • Huonoin laatu • Kotikäyttöön (vastaa TV-lähetystä) DVP-2 Teuhola 2007

  16. Analogisia tallennusjärjestelmiä • VHS (Video Home System): • Kotikäyttöön • S-VHS (Super-VHS), Hi-8: • Erottelukykyisempi kuin VHS • Yrityskäyttöön • Betacam SP: • Ammattikäyttöön DVP-2 Teuhola 2007

  17. Analoginen vs. digitaalinen video • Analoginen signaali jatkuvaa • Digitaalinen signaali: • Periaatteessa diskreettiä • Näytteitä (sample) säännöllisin väliajoin • Binäärisignaali: • Jono signaalin minimi-/maksimiarvoja (=0/1) • Bittiryhmät tulkitaan lukuarvoiksi DVP-2 Teuhola 2007

  18. Signaalimuotoja Analoginen Digitaalinen Binäärinen DVP-2 Teuhola 2007

  19. Digitaalisuuden edut • Analogisessa signaalissa kohinaa (noise) • Kohina lisääntyy toistuvassa siirrossa ja kopioinnissa. • Digitaalista dataa helppo käsitellä tietokoneella • Digit. signaalissa iso signaali-kohina-suhde • Digitaalinen signaali voidaan kopioida (periaatteessa) rajattoman monta kertaa; tosin siinäkin tietty virhetodennäköisyys. • Virheitä voidaan havaita ja myös korjata. DVP-2 Teuhola 2007

  20. Digitalisoinnin tilanne • Videotuotanto on suuressa määrin siirtynyt digitaaliseen tekniikkaan • DVD-soittimet tulleet VHS:n rinnalle • Nauhoitus DVD:lle / kovalevylle • Digi-TV:hen siirtyminen käynnissä • Editointitekniikat muuttuneet lineaarisesta (nauhoihin perustuvasta) epälineaariseksi • Editointityökaluna tietokone + kovalevyt • Otosten järjestely helppoa, samoin musiikin, tekstin ja erikoisefektien lisäys. DVP-2 Teuhola 2007

  21. Digi-TV • Kokeilut Suomessa aloitettiin 1997 (Yle) • Analogialähetykset loppuvat elokuussa 2007 • Siirtotavat: • Terrestriaalilähetys eli perinteinen langaton (DVB-T) • Kaapeli (DVB-C) • Satelliitti (DVB-S) • Terrestriaalilähetys mobiililaitteisiin (DVB-H) • Kuva analogiseksi vasta viime vaiheessa (’digiboksi’; erillinen tai sisäänrakennettu). DVP-2 Teuhola 2007

  22. Digitaalinen video ja PC:n kehitys • Ääntä käsitelty PC:llä jo pitkään • Vasta n. 1997 PC riittävän nopea digitaalisen videon käsittelyyn • 200 MHz: neljänneskokoisen kuvan käsittely mahdollista ilman pakkausta. • N. 1998 edulliset koko ruudun ’kaappauskortit’ markkinoille. • Nykyiset prosessorit riittävät täysikokoisen videokuvan käsittelyyn ja editointiin. DVP-2 Teuhola 2007

  23. Videon digitointi • Perustuu näytteenottoon ja kvantisointiin • Analogisen signaalin digitointi ns. video-kaappauskortilla (capture card) • Tuloksena jono pikselikuvia (bitmapped) • PAL-signaalin digitointi  768 x 576 pikseliä (49 juovaa digitoimatta) • CCIR 601 –standardi: 720 x 576;pikselin aspect-ratio 1:1.067, jotta koko kuvan aspect-ratio = 4:3 = 1.067 x 720 / 576(laajakuvalle 16:9 = 1.422 x 720 / 576) DVP-2 Teuhola 2007

  24. Videon digitointi (jatk.) • YUV (YCbCr) -koodaustapoja:Näytemäärät 4:ää Y-näytettä kohti: • 4:4:4: Eri komponentit yhtä tarkkoja • 4:2:2: Värinäyte vain joka toisesta pikselistä;takaa hyvän laadun • 4:1:1: Värinäyte vain joka neljännestä pikselistä (NTSC); kohtuullinen laatu (’artefakteja’) • 4:2:0: Värinäyte vain joka toisesta pikselistä, joka toiselta riviltä (PAL); kohtuullinen laatu. • Värien redusoinnista joskus ongelmia DVP-2 Teuhola 2007

  25. Värinäytteiden poiminta 4:2:2 4:1:1 4:2:0 Luminanssikomponentti Värikomponentit DVP-2 Teuhola 2007

  26. 4:2:0-näytteiden sijoittuminen kenttiin Ylempi kenttä Alempi kenttä DVP-2 Teuhola 2007

  27. Datamääristä (25 fps, 4:2:2-otanta) • Kuvia sekunnissa: 25; kenttiä sekunnissa: 50 • Juovien kokonaismäärä per kuva: 625 • Aktiivisia juovia per kuva: 576 • Luminanssinäytteitä per juova: 864 • Aktiivisia luminanssinäytteitä per juova: 720 • Krominanssinäytteitä per juova: 432 • Aktiivisia krominanssinäytteitä per juova: 2x360 • Bittejä per näyte: 8 • Kokonaisbittinopeus: 216 Mbps (lisäksi audio) DVP-2 Teuhola 2007

  28. Kuvakokojen nimityksiä Perustana CIF = Common Interchange format • 4CIF = 704 x 576 (TV, DVD) • CIF = 352 x 288 (esim. videoneuvottelujärj.) • QCIF = 176 x 144 (videoneuvott., mobiililaitteet) • Sub-QCIF: 128 x 96 (mobiililaitteet) DVP-2 Teuhola 2007

  29. HD-formaateista • HD = High Definition = ’teräväpiirto’ • Kuvasuhde 16:9 • Lomitettu (i) tai progressiivinen (p) • Kokovaihtoehdot: 1280 x 720 ja 1920 x 1080 • Suomessa mm. Canal digital käyttää • Mahdollinen tuleva yhtenäisformaatti digitaalisille elokuville ja videolle: 24P • 24 kuvaa sekunnissa, 1920 x 1080, progressiivinen • Esim. George Lucas: Star Wars, Episode II DVP-2 Teuhola 2007

  30. Oheismuistivaihtoehtoja • Videotuotannon muistintarve on huomattava;PC:n oma kiintolevy ei useinkaan riitä pitkälle. • Ulkoisia levyjärjestelmiä: • Yksittäinen ulkoinen kovalevy: edullinen, kapasit.satoja gigatavuja; liitäntä: IEEE 1394 tai USB 2.0 • RAID = Redundant Array of Inexpensive Disks:samanaikainen saanti, toipuminen virheistä;liitäntä: IEEE 1394, SCSI, tai kuitu • SAN = Storage Area Network: muistiyksiköiden verkko, teratavujen kapasiteetti, samanaikainen saanti, useita rinnakkaisia käyttäjiä;liitäntä: kuitu tai SCSI DVP-2 Teuhola 2007

  31. Äänen digitointi • Joko videokortilla tai erillisellä äänikortilla • Synkronointi huomioitava • Näytteenottotaajuksia: 32 Khz, 44100 Hz,48 Khz • Kvantisointi esim. 16 bitillä • Yleensä vähintään 2 kanavaa • Pakkaamaton ääni esim. 2 x 16 x 48000 1.5 Mbittiä sekunnissa DVP-2 Teuhola 2007

  32. Videokaappauskorttien mahdollisia ominaisuuksia • Analoginen I/O (komponentti/komposiitti) • Digitaalinen I/O • Pakkaus (kompressointi) • Audiotuki • Erikoistoiminnot (editoinnissa) • Mukana tuleva softa • Ohjelmallinen ohjaus DVP-2 Teuhola 2007

  33. Reaaliaikakortit • Nopeuttavat erikoisefektien laskemista editoinnin yhteydessä • Datamäärät suuria: esim. 1 sekunnin transitio vaatii kertaluokkaa 50 miljoonaa laskutoimitusta. • Efektityyppejä: Transitiot, suodatus, ’avainnus’, läpinäkyvyys, skaalaus, tekstitys, liike. DVP-2 Teuhola 2007

  34. Pakkauksesta • Välttämätön suurista datamääristä johtuen • Kuvan laadun tulisi kutakuinkin säilyä (vrt. resoluution tai kuvataajuuden pudotus) • YUV on oikeastaan pakkaustekniikka • Pakkausmenetelmien päätyypit: • Intra-frame: Kukin kuva pakataan muista riippumatta (esim. DV ja MJPEG). • Inter-frame: Koodataan peräkkäisten kuvien erot (esim. MPEG-2, -4, H.264). DVP-2 Teuhola 2007

  35. Pakkauksesta (tark. myöh.) • Pakkaussuhde joskus kiinteä, joskus vaihteleva • Suhdetta voidaan varioida: • Iso suhde editoinnin aikana (nopea), pienempi valmiin videon talletuksessa (laatu). • Kaistan käytön säätely digi-TV:n kanavilla( statistinen multipleksointi). • Pakkaus- & purkualgoritmi = codec; toteutus laitteiston tai ohjelmiston avulla • Digi-TV: MPEG-2 • HDTV: MPEG-2 tai H.264 (vaatii uuden boksin) DVP-2 Teuhola 2007

  36. Kuvan laadun (pakkaushäviöiden) mittaus • Subjektiivinen mittaus • Vaikeaa; riippuu henkilöistä ja olosuhteista • Esimerkkimenetelmä: DSCQS = Double Stimulus Continuous Quality Scale, jossa testihenkilöt arvioivat näytepareja (alkuperäinen & muokattu) • Objektiivinen mittaus, esim. • Keskineliövirhe • Signaali-kohina-suhde eli PSNR (Peak Signal to Noise Ratio, yksikkönä db): DVP-2 Teuhola 2007

  37. Digitaaliset videokamerat • Engl. ’camcorder’ • Kehittyneet nopeasti; tärkeitä askelia: • DV-formaatti (Sony 1995) • IEEE 1394 (’Firewire’) –siirtoväylä (Apple) • USB 2.0 -siirtoväylä • Helppo kytkentä, laadukas videokuva (parempi kuin analogiset Hi-8 ja S-VHS) • Usein lukee/kirjoittaa myös VHS:ään(S-video-liitäntä; digitointi kamerassa) • Pieni koko DVP-2 Teuhola 2007

  38. Videokameran rakenteesta • Oleellisin osa: CCD-kenno(t) • Vajaan cm2:n kokoinen (koko vaihtelee resoluution mukaan) • 1 kenno: halvempi ratkaisu • 3 kennoa: värien hajoittaminen prismalla; laadukkaampi ja kalliimpi ratkaisu • Pikselimäärät vaihtelevat – suurempi määrä eitakaa parempaa laatua. • Valontarve vaihtelee, yksikkönä lux (minimiyleensä3-5 lux; esim. kuutamossa noin 1 lux). DVP-2 Teuhola 2007

  39. Videokameran toimintoja • Tallennus nauhalle, DVD:lle, muistikortille tai kovalevylle • Tarkennus, valkotasapaino, taustavalon huomiointi • Optinen zoom, yleensä vähintään 10 x • Digitaalinen zoom, jopa 500 x • Suurilla zoom-arvoilla ’pikselöitymistä’ eli lohkomaisuutta, sekä stabiilisuusongelmia • Still-kuvat; sama (yl. 720 x 576) tai isompi resoluutio kuin videokuville (esim. 2 Mpix) • Infrapunakuvat (lux = 0) DVP-2 Teuhola 2007

  40. Videokameran toimintoja (jatk.) • Katselutavat: Perinteinen tähtäin tai esiin-käännettävä LCD-näyttö • Stabilointi: • Tarpeen erityisesti käsivaraisessa kuvauksessa • Digitaalinen (sähköinen) stabilointi: Vain osa sensorista käytetään kuvaan, loput stabilointi-prosessiin (pienentää resoluutiota). • Optinen stabilointi: Perustuu liiketunnistimien ja prisman käyttöön (ei pienennä resoluutiota). DVP-2 Teuhola 2007

  41. Videokameran toimintoja (jatk.) • Skannausjärjestys: lomitettu ja/tai progressii-vinen (uudemmissa kameroissa) • Anamorfinen kuvausmoodi: • 16:9-kokoinen kuva litistetäänkuvattaessa 4:3-kokoisellekennolle; esitystilanteessa kuvalevennetään taas 16:9-kokoon. • Etu: Kaikki pikselit tulevat käytettyähyväksi; kuvaus suoraan 16:9-suhteeseen käyttää vain 75%. DVP-2 Teuhola 2007

  42. Äänen taltiointi • Äänen laatu tärkeä; teoriassa CD-tasoa, käytännössä ei (halvat kamerat). • Kiinteä mikrofoni ei paras mahdollinen (kameran käyttöäänet kuuluvat). • Erilliset mikrofonit parempia;johtojen häiriösuojaus tärkeä • Ääntä ei pakata tässä vaiheessa DVP-2 Teuhola 2007

  43. Mikä on DV? Ks.http://en.wikipedia.org/wiki/DV Erilaisia merkityksiä: • Digitaalinen videonauhaformaatti • Pakkausformaatti (voidaan tallettaa muullekin välineelle kuin nauhalle) • DV-formaattia ja –pakkausta käyttävä videokamera tai -nauhuri • Ei tarkoita kameran ja tietokoneen välistäsiirtoyhteyttä DVP-2 Teuhola 2007

  44. Erilaisia DV- tallennusformaatteja • Standard DV • Kasetti 128 x 78 x 14.6 mm, 250 m, 4.5 tuntia • Mini-DV (yleisin) • 66 x 48 x 12.2 mm, 65 m, 18.81 mm/sek,yht. esim. 13 Gtavua ( tunti) • Digital-8 (vrt. analoginen Hi-8-nauha) • 95 x 62.5 x 15 mm • Laitteilla voidaan yleensä toistaa myös analogisia nauhoja; tullee jäämään käytöstä DVP-2 Teuhola 2007

  45. Erilaisia DV- tallennusformaatteja (jatk.) • DVCAM (Sony), DVCPRO (Panasonic): • Ammattikäyttöön: leveämpi ura, 33.82 mm/sek,vähemmän häiriöitä • Koodaus kuten DV25:ssä • DV50 (= DVPRO50 = DVCPRO50 = D-9): • 50 Mbittiä/sek, väriotanta 4:2:2, pakkaus 3.3:1 • DV100 (= DVCPROHD = D-9HD): • 100 Mbittiä/sek • HD-formaatti (high definition) DVP-2 Teuhola 2007

  46. Muita digitaalisia tallennusformaatteja • MICROMV • N. 70% Mini-DV:n koosta • MPEG-2 pakkaus (noin puolet tehokkaampi kuinDV samalla laadulla) • HDV (high-definition digital video) • MPEG-2-pakkaus • 1280 x 720 progressivinen tai 1440 x 1080 lomitettu • Digital Betacam (Betacam SX=IMX=HDCAM) • Ammattikäyttöön • Väriotanta 4:2:2, pakkaus 2:1 DVP-2 Teuhola 2007

  47. DV25 • Kuvakoko 720 x 576 (PAL), 720 x 480 (NTSC) • Pakkaus kiinteä 5:1, perustana DCT (diskreetti kosinimuunnos); videodataa n. 25 Mbittiä/sek, lisäksi audio, pariteettidata, ym. • DV-kamera tekee pakkauksen ennen nauha-tallennusta • Väriotanta 4:1:1 (NTSC) tai 4:2:0 (PAL) • Audio (pakkaamaton): 12 bittiä & 32 KHz tai 16 bittiä & 44100 Hz tai 16 bittiä & 48 KHz (suosit.) • Mini-DV-nauha yl. 60 min tai yli DVP-2 Teuhola 2007

  48. Tallennusnauhan geometria • ’Azimuth’-tekniikka: Vierekkäisiä uria (leveys 0.01 mm, pituus 35 mm) n. 9o kulmassa nauhaan nähden: • NTSC-kuva: 10 uraa, PAL-kuva: 12 uraa • Pyörivä luku-/kirjoitusrumpu: Vähintään 2 r/w-päätä subcode video 35mm(efekt. 33 mm) 6.35 mm audio ITI DVP-2 Teuhola 2007

  49. Tallennusuran rakenne • ITI-sektori (Insert and Track Information): • Uran tila ym. kontrollidataa • Muiden sektorien pituudet • Audiosektori: • Audio- ja apudataa (AAUX) • 2 kpl 32 KHz, 12 bitin stereokanavaa (toinen jälkiäänitystä varten) tai1 kpl 48/44.1/32 KHz, 16 bitin stereokanava DVP-2 Teuhola 2007

  50. Tallennusuran rakenne (jatk.) • Videosektori: • Video- ja apudataa (VAUX) • DCT-pakattua (Discrete Cosine Transform) videodataa 8 x 8 matriiseina; nauhoitus 27 matriisin makroblokkeina, joita sektorilla keskim. 20 kpl. • Subcode-sektori: • Aikakoodi; spesifioi urien ajoituksen • Ohjelma-id, tekstitykset ja otsikoinnit eri kielillä, teksti-tv, ym. DVP-2 Teuhola 2007

More Related