Liikkuva kuva

1. Liikkuva kuva • Perinteisesti video on tarkoitettu esitettäväksi TV:ssä, jossa kuvan näyttö on aina viimeisessä vaiheessa analogista. • Videokamerassa objektiivin kautta tuleva valo hajotetaan prismassa kolmeksi eriväriseksi kuvaksi: punainen, vihreä ja sininen, RGB. • Jokaista kuvaa varten on oma CCD-kenno, joista kameran elektroniikka muodostaa halutunlaisen videosignaalin. • TV:n kuvaputkella on vastaavasti kolmenlaisia pisteitä (RGB), jotka ryhmässä muodostavat yhden väripisteen, additiivinen värin muodostuminen. tMyn

2. Vanha kuvasuhde TV:ssä on 4:3, nykyinen kuvasuhde on 16:9 • Välkkymisen estämiseksi televisiokuva piirretään ruudulle 50 kertaa sekunnissa (100 kertaa). Tiedonsiirto-ongelmien ratkaisemiseksi käytetään lomittelua, jossa jokainen tv-ruutu on jaettu kahteen puolikkaaseen. Ensin kuvaruudulle piirretään parittomat juovat ja sitten parilliset juovat. Tällaisia ”kuvanpuolikkaita” esitetään 50 kertaa sekunnissa. • Suomessa analogisessa ympäristössä oli käytössä PAL-järjestelmä, jossa televisiokuvassa oli 625 juovaa. Näistä näkyvissä oli 575 kappaletta. tMyn

3. Digitaalivideossa juovaluku on pyöristetty 576:een, koska luku on jaollinen kahdeksalla ja sopii näin paremmin tietokoneen käsiteltäväksi. • Tietokonenäytöt eivät käytä lomittelua vaan ne piirtävät kuvan kokonaisena, progressiivisesti. • Progressiivisessa esitystavassa juovat piirtyvät järjestyksessä ylhäältä alas. • Yleinen päivitystaajuus on esim. 75 kuvaa sekunnissa. tMyn

4. Editointiyksiköissä käytetään kolmea erilaista kuvasignaalia kuvan tallentamiseen tai siirtoon laitteelta toiselle, kuva 1. Nämä muodot ovat • RGB-signaali • Komponenttisignaali • Komposiittisignaali • Esitellään joitakin ominaisuuksia kustakin signaalityypistä. tMyn

5. Komposiitti Komponentti Y/C RGB Y Y R Komposiitti G R-Y C B B-Y Kuva 1. Kuvanauhureissa ja editointiyksiköissä käytettävät kuvasignaalit. tMyn

6. RGB-signaali • Signaali muodostuu kolmesta erillisestä kuvasta, jotka yhdistämällä saadaan aikaan yksi värikuva. • RGB-signaalia käytetään yleensä laitteiden sisällä tapahtuvaan tiedonsiirtoon, käytetään kolmea johdinta. • Signaali sisältää kaiken sen informaation, jonka kameran CCD-kennot ovat tallentaneet. • RGB-järjestelmä ei kuitenkaan ole yhteensopiva vanhan mustavalkojärjestelmän kanssa. • Lisäksi kolmen erillisen kuvan käsittely ja siirto vaatii suuren kaistanleveyden. tMyn

7. Komponenttisignaali, Component signal • Ammattilaisten videotuotantojärjestelmissä käytetään komponenttisignaalia. • Mustavalkosignaali (Y) ja kaksi värierosignaalia (B-Y ja R-Y) pidetään erillään läpi koko kuvaus- ja editointivaiheen. • Värierosignaaleista käytetään myös lyhenteitä ja . • Siirtoon käytetään kolmea johdinta. • Vasta kun kuva lähetetään tai kopioidaan, se muutetaan komposiittimuotoon. tMyn

8. Tällä menettelyllä saavutetaan yhteensopivuus mustavalkojärjestelmän kanssa, koska mustavalkosignaali Y kulkee omaa johdintaan pitkin. • RGB-signaali muutetaan analogiseksi komponenttisignaaliksi yhdistämällä R:n, G:n ja B:n sisältämä luminanssitieto (mustavalkoinen kuva) yhdeksi luminanssisignaaliksi Y. Väri-informaatio tallennetaan kahden värierosignaalin avulla R-Y ja B-Y. • Analogista komponenttisignaalia voidaan kutsua myös YUV-signaaliksi. Y on luminanssi, ja U ja V ovat redusoituja värierosignaaleja. tMyn

9. Komposiittisignaali, Composite signal • Yleisin kuvasignaali on komposiittisignaali. • Se muodostuu luminanssisignaalista Y ja krominanssisignaalista (väri-informaatio) C. • Krominanssisignaalissa yhdistyvät komponenttisignaalit ja yhdeksi signaaliksi. • Komposiittisignaali muodostetaan mustavalkokuvasta Y, jonka päälle asetetaan kaksi värierosignaalia, ja . • Näin kuva saadaan kulkemaan yhtä kaapelia pitkin seuraavalle laitteelle. tMyn

10. Videosignaalista digitoidaan erikseen luminanssi- ja värierosignaalit. • Näytteenottotaajuus ja kvantisointi ilmaistaan Y -muodossa esim. DigiTV-ympäristössä. • Esim. ammattilaistason videolaitteet käyttävät 4:2:2-enkoodausta videon digitointiin. Tämä tarkoittaa sitä, että jokaista kahta vaakasuuntaista luminanssi-näytepistettä Y kohti on yksi - ja -näytepiste. • Tällaisessa tapauksessa näytteenottotaajuus on (CCIR 601) luminanssisignaalille 13.5 MHz ja kummallekin värierosignaalille 6.75 MHz. Näytepisteiden määrät ovat silloin 720 ja 360 pistettä. tMyn

11. Kompressointi • Yleensä videosignaali on pakattu jollakin menetelmällä, jotta sen lähettäminen, nauhoittaminen tai tallentaminen olisi teknisesti helpompaa. • Kompressiosuhde ilmoittaa kompressoimattoman materiaalin sisältämän informaatiomäärän verrattuna kompressoituun materiaaliin.Kaksi päämenetelmää: tietoa hävittämätön menetelmä (lossless) tai tietoa hävittävä menetelmä (lossy). tMyn

12. Lossless-menetelmällä kompressoitu tieto on mahdollista palauttaa alkuperäiseen muotoonsa. • Käytetään grafiikan ja vakakuvien kanssa. • Lossy-menetelmällä alkuperäistä kuvaa ei voida palauttaa täysin samanlaisena. • Lossy-kompressointimenetelmät perustuvat silmän rajalliseen erottelukykyyn värimuutoksien ja liikkeen suhteen. • Käytetään videokuvan pakkaamiseen. tMyn

13. Kompressointitekniikat • Yksittäisen kuvan sisällä tapahtuvaa kompressointia kutsutaan intraframe-kompressioksi. • Esimerkkeinä menetelmistä JPEG ja M-JPEG. • Interframe-kompressoinnissa tarkkaillaan peräkkäisten ruutujen muutoksia toisiinsa nähden. • Jos kuva-alueella on kohtia, jotka säilyvät muuttumattomina useiden ruutujen ajan, voidaan uusien ruutujen piirrossa käyttää hyväksi edellisen ruudun sisältämää informaatiota tMyn

14. Vastaavasti kohteen liikkuessa kovalla vauhdilla ei silmä pysty erottamaan yksityiskohtia kovin hyvin, joten kaikkea väri-informaatiota ei ole tarpeen toistaa tarkasti. • Interframe-kompressiossa tallennetaan tietyin välein avainkehyksiä (keyframe), jotka sisältävät informaation koko kuva-alasta. Seuraaviin ruutuihin (delta frame) tallennetaan ainoastaan muutokset keyframeen verrattuna. • Mitä vähemmän muutoksia on, sitä tehokkaampi kompressiosuhde saavutetaan. • Interframe-kompressiota käyttää esim. MPEG-formaatti. tMyn

15. M-JPEG, Motion JPEG • Perustuu valokuvien pakkaukseen tarkoitettuun JPEG-tekniikkaan. • On yleisesti käytössä videoeditoinnissa. • Yksittäisten ruutujen tallennustilaa pienennetään DCT-muunnoksella. • Lopputulos on kelvollista vielä 5:1-kompressiosuhteella tMyn

16. MPEG, Motion Picture Experts Group • MPEG on joukko määrityksiä liittyen alueeseen ”Coding of Moving Pictures and Associated Audio” . • Tarkoitettu digitaaliseen median tallentamiseen ja lähettämiseen. • Video näytteistetään Y -muodosta. • MPEG-1 (Nov 1992) määrittelee liikkuvan kuvan pakkaamista CD-levylle ja videon esittämisen tietokoneella verkon kautta. • Vaadittu siirtonopeus on 1.5 Mbit/sek. tMyn

17. MPEG-2 eli ITU-T Suositus H.262, ”Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio” (Marraskuu 1994). • Laajentaa ja monipuolistaa huomattavasti MPEG-1 -määrityksiä digitaalisen median lähettämiseen ja tallentamiseen. • MPEG-2 tukee Digi-TV -lähetysten eri muotoja. • Vaadittu siirtonopeus on 2-20 Mbit/sek. • Kuvataan seuraavaksi yksinkertaisesti MPEG-2 perusideoita: tMyn

18. Analoginen videosignaali näytteistetään komponenttisignaalimuodosta.. • Peräkkäisten kuvien muutokset tallennetaan. • MPEG sisältää kolmenlaisia videoruutuja: • I-ruudut (Intracoded pictures), jotka pakataan DCT-menetelmällä. I-ruudut sisältävät kaikkein eniten informaatiota. • P-ruudut (Predictive pictures), jotka sisältävät kuvassa tapahtuneen muutoksen verrattuna edelliseen I-ruutuun. tMyn

19. B-ruudut (Bidirectionally interpolated pictures), joita verrataan edelliseen I-ruutuun sekä tulevaan P-ruutuun. • I-ruutuja on noin 11-15 ruudun välein sekä aina kun tapahtuu kuvan vaihdos. • P-ruutuja sijoitetaan tarpeellisin väliajoin. P-ruutu on interframe-koodattu, eli se tarvitsee aina edellisen I- tai P-ruudun informaatiota. tMyn

20. P-ruutujen avulla ilmaistaan liikkuvassa kohteessa tapahtunut muutos, liikevektorilla ilmaistaan liikkeen suunta ja nopeus. • B-ruudut sijoittuvat I- ja P-ruutujen väliin. Ne sisältävät tietoa liikkeestä täydentäen P-ruutujen informaatiota. • B-ruutuja verrataan aina sekä edeltäviin että seuraaviin ruutuihin, ja koska niiden palauttamisessa käytetään interpoloivaa koodausta, voidaan niitä kompressoida eniten. tMyn

21. Ruutuja ei kannata lähettää esitysjärjestyksessä, koska B-ruudut vaativat aina tietoa molemmista suunnista. Tästä syystä ruudut lähetetään järjestyksessä I, P ja B. • Vastaanottavalta laitteelta edellytetään riittävän suurta puskurointia. • MPEG-2 –formaattia käytetään digitaalisissa tv-lähetyksissä. CCIR 601 –standardin mukaisesti kuvakoko on 720*576 pikseliä. Näytteistys tapahtuu suhteessa 4:2:2 tai 4:2:0. tMyn