2. Videoteknologiaa Analoginen ja digitaalinen video Videokamera ja kuvanmuodostus Videosignaalityypit Tallennusjärjestelmät Formaatit DVP-2 Teuhola 2009 17 Analoginen vs. digitaalinen signaali Analoginen signaali jatkuvaa Digitaalinen signaali: Periaatteessa diskreettiä Näytteitä (sample) säännöllisin väliajoin Approksimoi jatkuvaa signaalia Binäärisignaali: Jono signaalin minimi-/maksimiarvoja (=0/1) Bittiryhmät tulkitaan luvuiksi, jotka edustavat näytteiden arvoja. DVP-2 Teuhola 2009 18 1

Signaalimuotoja Analoginen Digitaalinen Binäärinen DVP-2 Teuhola 2009 19 Digitaalisuuden edut 101100010110 010011010010 110100001111 001011001001 Analogisessa signaalissa kohinaa (noise) Kohina lisääntyy toistuvassa siirrossa ja kopioinnissa. Digitaalinen signaali voidaan kopioida (periaatteessa) rajattoman monta kertaa; tosin siinäkin tietty virhetodennäköisyys (bitti muuttuu 0 1, tai bittejä katoaa / tulee lisää). Virheitä voidaan havaita ja myös korjata. Digitaalista dataa helppo käsitellä tietokoneella DVP-2 Teuhola 2009 20 2

Analoginen TV ja video Video = sähköisesti tallennettu liikkuva kuva 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 2009 21 PAL-järjestelmä Phase Alternating Line Ruutu koostuu 625 juovasta: 576 näkyvissä, loput kontrolli- ja teksti-tv-käytössä 25 kokonaista kuvaa sekunnissa Välkkymisen estämiseksi kuvaputkimonitoreissa ja kaistan säästämiseksi ns. lomitus (interlacing) 50 puolikasta kuvaa eli kenttää (field) sekunnissa; vuorotellen parittomat (kenttä 1) ja parilliset juovat (kenttä 2). harmillinen historiallinen kummallisuus DVP-2 Teuhola 2009 22 3

TV-kuvan kentät Parittomat juovat Parilliset juovat DVP-2 Teuhola 2009 23 Digi-TV Kokeilut Suomessa aloitettiin 1997 (Yle) Analogialähetykset loppuivat elokuussa 2007 Siirtotavat (Euroopassa): 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). IPTV: televisiokuvan siirto laajakaistaa pitkin DVP-2 Teuhola 2009 24 4

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 2009 25 TV vs. tietokonemonitori Monitorissa progressiivinen piirto: koko kuva kerralla Monitorin taajuus yleensä > 50 kuvaa sekunnissa Videoformaatin valinnassa pitää tietää lopullinen ympäristö (TV, DVD, Web) Tarvittaessa muunnetaan formaatista toiseen. Uudet digi-tv-monitorit tukevat yleensä myös progressiivista piirtoa. DVP-2 Teuhola 2009 26 5

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 (ns. 3:2 pulldown), yhteensä 12 x 2 + 12 x 3 = 60 kenttää sekunnissa eli 30 koko ruutua sekunnissa. DVP-2 Teuhola 2009 27 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 2009 28 6

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 värienhavaitsemismekanismia. DVP-2 Teuhola 2009 29 RGB:n pää- ja välivärit Keltainen Punainen Vihreä Magenta Syaani Sininen DVP-2 Teuhola 2009 30 7

RGB-värikuutio B Sininen (0,0,255) Syaani (0,255,255) Magenta (255,0,255) Musta (0,0,0) Harmaa Valkoinen (255,255,255) Vihreä (0,255,0) G Punainen (255,0,0) R Keltainen (255,255,0) DVP-2 Teuhola 2009 31 TV-signaalin värijärjestemiä RGB:tä ei yleensä 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, yl. digitaalinen) DVP-2 Teuhola 2009 32 8

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 2009 33 Laitteiden kytkennät Analogiset kytkennät (yleensä Scart-liittimellä): RGB-signaali: Yleensä laitteiden sisällä; 3 värijohdinta + 1-2 synkronointijohdinta Komponenttivideo:(= YCbCr-signaali), 3 johdinta S-video (Y/C): 2 johdinta: Y-signaali + yhdistetyt värisignaalit Komposiittivideo: 1 johdin: Y-, U-, ja V-signaalit yhdistetty; huonoin laatu Digitaaliset kytkennät: DVI (Digital Visual Interface): 3 x 1.65 Gb/sek HDMI (High-Definition Multimedia Interface) DVP-2 Teuhola 2009 34 9

Videon digitointi Perustuu näytteenottoon ja kvantisointiin Analogisen signaalin digitointi ns. videokaappauskortilla (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) Vastaavat luvut 704 x 576 kuvakoolle: 1.0925 ja 1.4567 DVP-2 Teuhola 2009 35 Videon digitointi (jatk.) 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 2009 36 10

Värinäytteiden poiminta 4:2:2 4:1:1 4:2:0 Luminanssikomponentti Värikomponentit DVP-2 Teuhola 2009 37 4:2:0-näytteiden sijoittuminen lomittelukenttiin Ylempi kenttä Alempi kenttä DVP-2 Teuhola 2009 38 11

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 Pakkaamaton datamäärä: 216 Mbps (+ audio) DVP-2 Teuhola 2009 39 Kuvakokojen nimityksiä Perustana CIF = Common Interchange format 16CIF = 1408 x 1152 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 2009 40 12

HD-formaateista HD = High Definition = teräväpiirto Kuvasuhde 16:9 Lomitettu (i) tai progressiivinen (p) Kokovaihtoehdot: 1280 x 720 ja 1920 x 1080 Digital cinema: 24 kuvaa sekunnissa 24P, resoluutio 1920 x 1080, progressiivinen piirto 2K (2048 x 1080) 4K (4096 x 2160) DVP-2 Teuhola 2009 41 Äänen digitointi Joko videokortilla tai erillisellä äänikortilla Synkronointi huomioitava Näytteenottotaajuksia: 32 Khz, 44100 Hz, 48 Khz, 96 KHz Kvantisointi esim. 16 tai 24 bitillä Yleensä vähintään 2 kanavaa Pakkaamaton ääni esim. 2 x 16 x 48000 1.5 Mbittiä sekunnissa DVP-2 Teuhola 2009 42 13

Pakkaus eli kompressio 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 2009 43 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, DVD-elokuvat: MPEG-2 HDTV: MPEG-2, H.264 (AVC) tai VC-1 DVP-2 Teuhola 2009 44 14

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 vanhat analogiset Hi-8 ja S-VHS) Usein lukee/kirjoittaa myös S-video-liitännän kautta; analogisten VHS-videoiden digitointi kameralla Pieni koko DVP-2 Teuhola 2009 45 Kuvan muodostus: valoherkkä kenno Teknologiat: CCD ja CMOS Alle 1 cm 2 :n kokoinen (vaihtelee kameran koon, laadun ja resoluution mukaan) 1 kenno: halvempi ratkaisu 3 kennoa: värien hajoittaminen prismalla; laadukkaampi ja kalliimpi ratkaisu Pikselimäärät vaihtelevat suurempi määrä ei takaa parempaa laatua. Valontarve vaihtelee, yksikkönä lux (minimi yleensä 3-5 lux; esim. kuutamossa noin 1 lux). DVP-2 Teuhola 2009 46 15

Videon tallennus kamerassa Tallennusvälineitä: Kiintolevy 30-80 Gtavua Mini-DV-nauha 13 / 19.5 Gtavua Muistikortti 4-16 Gtavua 8 cm DVD 1.4 / 2.6 Gtavua Formaatteja: DV25 13 Gtavua / h MPEG2 2.5-3 Gtavua / h M-JPEG 4-5 Gtavua / h DVP-2 Teuhola 2009 47 Videokameran muita toimintoja 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 2009 48 16

Videokameran muita toimintoja (jatk.) Katselutavat: Perinteinen tähtäin tai esiinkäännettävä LCD-näyttö Stabilointi eli kuvanvakautus: Tarpeen erityisesti käsivaraisessa kuvauksessa Digitaalinen (sähköinen) stabilointi: Vain osa sensorista käytetään kuvaan, loput stabilointiprosessiin (pienentää resoluutiota). Optinen stabilointi: Perustuu liiketunnistimien ja prisman käyttöön (ei pienennä resoluutiota). DVP-2 Teuhola 2009 49 Videokameran muita toimintoja (jatk.) Skannausjärjestys: lomitettu ja/tai progressiivinen (uudemmissa kameroissa) Anamorfinen kuvausmoodi: 16:9-kokoinen kuva litistetään kuvattaessa 4:3-kokoiselle kennolle; esitystilanteessa kuva levennetään taas 16:9-kokoon. Etu: Kaikki pikselit tulevat käytettyä hyväksi; kuvaus suoraan 16:9- suhteeseen käyttää vain 75%. DVP-2 Teuhola 2009 50 17

Kuvaan liittyvän äänen tallennus 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 Audion ja videon tulisi olla synkronoitua, esim. 2 x 48000 audionäytettä tulee vastata tarkalleen 25 videokuvaa DVP-2 Teuhola 2009 51 Mikä on DV? Ks. http://en.wikipedia.org/wiki/dv Erilaisia merkityksiä: 1. Digitaalinen videonauhaformaatti 2. Pakkausformaatti (voidaan tallettaa muullekin välineelle kuin nauhalle) 3. DV-formaattia ja -pakkausta käyttävä videokamera tai -nauhuri DVP-2 Teuhola 2009 52 18

Erilaisia DV- tallennustekniikoita Kuluttajille: Standard DV Mini-DV (yleisin) Digital-8 (vanh.) Ammattikäyttöön: DVCAM (Sony) DVCPRO (Panasonic): DVP-2 Teuhola 2009 53 DV25-tallennus/pakkausformaatti Kuvakoko 720 x 576 (PAL), 720 x 480 (NTSC) Pakkaus kiinteä 5:1, perustana DCT (diskreetti kosinimuunnos); videodataa n. 25 Mbittiä/sek, lisäksi audio (n. 1.6 Mb/sek), pariteettidata, ym. DV-kamera tekee pakkauksen ennen nauhatallennusta 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.) DVP-2 Teuhola 2009 54 19

Virheenkorjaus Reed-Solomon-menetelmä Optimaalinen tietylle pariteettibittimäärälle Pystyy korjaamaan paikallisia virheitä Ei pysty korjaamaan virhepurskeita (burst error) Jos virhe havaitaan, mutta korjaus ei onnistu, laite voi yrittää kätkeä (conceal) sen katsojalta tämä ominaisuus on valmistajakohtainen, ei DV-standardissa. DVP-2 Teuhola 2009 55 HDV Teräväpiirto eli high definition -videon tallennusformaatti Nauhoitus samanlaiselle kasetille kuin DV ( mini tai normaali ) Tukee 720(p) ja 1080(i/p) juovan tarkkuutta MPEG-2-pakkaus Bittinopeus vakio: 19.7 tai 25 Mbittiä/sek Kasetille mahtuu tunti videota (kuten DV) Laitteet yleensä taaksepäin yhteensopivia, eli pystyvät lukemaan DV-nauhoituksia DVP-2 Teuhola 2009 56 20

DV-formaatin edut Hyvä kuvanlaatu Hyvä äänentoisto (48 MHz, 16 bittiä) Siirto PC:lle editoitavaksi digitaalimuodossa; laatu ei kärsi (MPEG-2 vaikeammin editoitavissa) Virheenkorjaus Pienikokoinen, laadukas nauha DVP-2 Teuhola 2009 57 Digital Video Digital Interface Format (DV-DIF) DV-muotoisen videon siirtoon tarkoitettu standardi Eroaa tallennusformaatista Ei tarvita virheenkorjausta, havaitseminen riittää. Vialliset paketit voidaan lähettää uudelleen. Nopeus 28.77 Mbps DVP-2 Teuhola 2009 58 21

Digitaalisen videon siirtoväylät Vaatimus: Siirron pitää pysyä videon katselun tahdissa (streaming) Ongelma: samaa väylää käyttävät usein muutkin laitteet (ketjutettuina tai haarotettuina) Väylän tuettava isokronista siirtoa, eli riittävä kapasiteetti pitää taata (DV:lle n. 30 Mbps) DVP-2 Teuhola 2009 59 Väylästandardit (sarjamuotoiset) Firewire: Applen kehittämä 1986, virall. IEEE 1394 High Performance Serial Bus, 1995 Nopeus 400 / 800 Mbittiä/sek. Tulossa 1.6 / 3.2 Gbittiä/sek USB 2.0 (Universal Serial Bus): Teollisuusstandardi 2001 Nopeus 480 Mbittiä/sek. USB 3.0 määritelty: 4.8 Gbittiä/sek DVP-2 Teuhola 2009 60 22

Digitaalisen videon tiedostoformaatteja Tunnettuja ns. säiliöformaatteja: AVI (Audio/video interleave / Microsoft) ASF (Advanced System Format / Microsoft) MOV (Quicktime / Apple) FLV / SWF (Flash Video / Adobe) RealMedia (RealNetworks) MKV (Matroska / open-source) MP4 (MPEG-4 Part 14, multimedia) Säiliö voi sisältää erilaisia video- ja muita mediatiedostoja, esim. eri koodekeilla pakattuina, kuten WMV, DivX, XviD, Sorenson Spark, RealVideo, VP7 Playerit tuntevat useita formaatteja. DVP-2 Teuhola 2009 61 Elokuvien tallennus: DVD Tiedostorakenne mahdollistaa mm. aloitus- ja kohtausvalikot ja siirtymät kohtauksesta toiseen. MPEG-2-pakkaus tehty laadukkaasti (n. 5 Mbittiä/sek) Samalla levyllä mahd. useita kuvasuhteita Mahdollisesti valinnaisia kuvakulmia (max 9, tallennettu useista kameroista; voi vaihtaa katselun aikana). Max 8 ääniraitaa monikanavalaitteisiin ja dubbauksiin Max 32 erikielistä tekstitystä. Salakirjoitus (Content Scrambling System); purkulaitteen/-softan oltava CSS-lisensoitu ja tuettava aluekoodeja (6 vaihtoehtoa) DVP-2 Teuhola 2009 62 23

DVD-levytyyppejä Fyysinen koko: Halkaisija 8 tai 12 cm 1- tai 2-puolinen, 1- tai 2-kerroksinen Kapasiteetti 1.46 x 10 9 17.08 x 10 9 tavua (yl. 4.7 x 10 9 ) Kirjoitusmahdollisuus (yhteensopivuus sekavaa): DVD-ROM: read-only DVD-R(G), DVD-R(A), DVD+R: kirj. kerran DVD-RW: kirjoitus n. 1000 kertaa DVD+RW: kirjoitus n. 10 000 kertaa DVD-RAM: vakiokierrosnopeus, levy kasetissa, kirjoitus n. 100 000 kertaa DVP-2 Teuhola 2009 63 Blu-ray-levyt (BD-ROM) Sininen (violetti) lasertekniikka Voitti (2008) kilpailevan HD DVD -levytyypin Tarkoitettu erityisesti HD-tasoisten elokuvien levitykseen Kapasiteetti 25/50 Gtavua Kuvakoot: 1920 x 1080 (p/i), 1440 x 1080 (p/i), 1280 x 720 (p), 720 x 576 (i), 720 x 480 (i) Koodekit: MPEG-2, H.264/MPeg-4 AVC, VC-1 BD-ROM, BD-R (kirj. kerran), BD-RE (kirj. us.) DVP-2 Teuhola 2009 64 24