El Vídeo Digital: Definición, Aspectos, Tipos, Velocidad

El vídeo digital es una representación electrónica de imágenes visuales en movimiento (vídeo) en forma de datos digitales codificados. Esto contrasta con el vídeo analógico, que representa imágenes visuales en movimiento con señales analógicas. El vídeo digital comprende una serie de imágenes digitales que se muestran en rápida sucesión.

El vídeo digital se introdujo comercialmente por primera vez en 1986 con el formato Sony D1, que grababa una señal de vídeo por componentes de definición estándar sin comprimir en formato digital. Además de los formatos sin comprimir, los formatos de vídeo digital comprimido más populares incluyen H.264 y MPEG-4. Puede copiarse sin degradación de la calidad. Por el contrario, cuando se copian fuentes analógicas, experimentan pérdidas de generación.

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El vídeo digital puede almacenarse en medios digitales como Blu-ray Disc, en el almacenamiento de datos del ordenador o transmitirse por Internet a los usuarios finales que ven el contenido en la pantalla de un ordenador de sobremesa o en una televisión digital inteligente. En la práctica diaria, el contenido de vídeo digital, como programas de televisión y películas, también incluye una banda sonora de audio digital.

Historia

Desde finales de los años setenta hasta principios de los ochenta, se introdujeron varios tipos de equipos de producción de vídeo que eran digitales en su funcionamiento interno. Éstas incluían unidades de corrección de base de tiempo (TBC) y de efectos de vídeo digital (DVE) que funcionaban tomando una entrada de vídeo compuesto analógica estándar y digitalizándola internamente. Esto facilitó la corrección o mejora de la señal de vídeo, como en el caso de un TBC, o la manipulación y adición de efectos al vídeo, en el caso de una unidad DVE. La información de vídeo digitalizada y procesada se volvió a convertir en vídeo analógico estándar para su salida.

Más tarde, en la década de 1970, los fabricantes de equipos de transmisión de vídeo profesional, como Bosch (a través de su división Fernseh) y Ampex, desarrollaron prototipos de grabadoras de vídeo digital (VTR) en sus laboratorios de investigación y desarrollo. La máquina de Bosch utilizó un transporte modificado de cintas de video tipo B de 1 pulgada, y grabó una forma temprana de video digital CCIR 601. El prototipo de grabador de vídeo digital de Ampex utilizaba una cinta de vídeo cuádruple VTR modificada de 2 pulgadas (una Ampex AVR-3), pero equipada con electrónica de vídeo digital personalizada, y una rueda delantera especial de 8 cabezales “octaplex” (las máquinas analógicas normales de 2″ Quad sólo utilizaban 4 cabezales).

Como el Quad estándar de 2″, el audio en la máquina digital prototipo de Ampex, apodado por sus desarrolladores como “Annie”, todavía grababa el audio en analógico como pistas lineales en la cinta. Ninguna de estas máquinas de estos fabricantes se comercializó nunca en el mercado.

El vídeo digital se introdujo comercialmente por primera vez en 1986 con el formato Sony D1, que grababa una señal de vídeo por componentes de definición estándar sin comprimir en formato digital. Las conexiones de vídeo por componentes requerían 3 cables y la mayoría de las instalaciones de televisión estaban cableadas para vídeo compuesto NTSC o PAL utilizando un solo cable. Debido a esta incompatibilidad y también debido al coste de la grabadora, D1 fue utilizado principalmente por grandes redes de televisión y otros estudios de vídeo por componentes.

En 1988, Sony y Ampex desarrollaron y lanzaron conjuntamente el formato de videocasete digital D2, que grababa vídeo digitalmente sin compresión en formato ITU-601, muy similar al D1. Pero D2 tenía la gran diferencia de codificar el vídeo en forma compuesta con el estándar NTSC, por lo que sólo requería conexiones de vídeo compuesto de un solo cable a y desde una grabadora de vídeo D2, lo que la convertía en la solución perfecta para la mayoría de las instalaciones de televisión de la época. D2 fue un formato exitoso en la industria de la televisión a lo largo de los años 80 y 90. D2 también fue ampliamente utilizado en esa época como formato de cinta maestra para masterizar discos láser.

D1 y D2 serían eventualmente reemplazados por sistemas más baratos que usan compresión de video, más notablemente el Betacam Digital de Sony que fueron introducidos en los estudios de televisión de la red. Otros ejemplos de formatos de vídeo digital que utilizan compresión son el DCT de Ampex (el primero en utilizarlo cuando se introdujo en 1992), el estándar de la industria DV y MiniDV y sus variaciones profesionales, el DVCAM de Sony y el DVCPRO de Panasonic, y el Betacam SX, una variante de menor coste del Betacam Digital que utiliza compresión MPEG-2.

Uno de los primeros productos de video digital que se ejecutó en computadoras personales fue PACo: El compilador de animación PICS de The Company of Science & Art en Providence, RI, que fue desarrollado a partir de 1990 y enviado por primera vez en mayo de 1991. PACo podía transmitir vídeo de duración ilimitada con sonido sincronizado desde un único archivo (con la extensión de archivo “.CAV”) en CD-ROM. La creación requería un Mac; la reproducción era posible en Macs, PCs y Sun Sparcstations.

Panorama general

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El vídeo digital comprende una serie de imágenes digitales de mapa de bits ortogonales que se muestran en rápida sucesión a un ritmo constante. En el contexto del vídeo, estas imágenes se denominan fotogramas. Medimos la velocidad a la que se muestran los fotogramas en fotogramas por segundo (FPS).

Dado que cada fotograma es una imagen digital bitmap ortogonal, se compone de una trama de píxeles. Si tiene un ancho de píxeles W y una altura de píxeles H, decimos que el tamaño del marco es WxH. Los píxeles tienen una sola propiedad, su color. El color de un píxel está representado por un número fijo de bits. Cuantos más bits, más sutiles variaciones de colores se pueden reproducir. Esto se denomina profundidad de color (CD) del vídeo.

Un vídeo de ejemplo puede tener una duración (T) de 1 hora (3600s), un tamaño de fotograma de 640×480 (WxH) a una profundidad de color de 24 bits y una velocidad de fotogramas de 25 fps. Este vídeo de ejemplo tiene las siguientes propiedades:

Píxeles por fotograma = 640 * 480 = 307.200

Bits por trama = 307.200 * 24 = 7.372.800 = 7,37Mbits

Velocidad binaria (BR) = 7,37 * 25 = 184,25Mbits/segundo

Tamaño de vídeo (VS)[3] = 184Mbits/seg * 3600seg = 662.400Mbits = 82.800Mbytes = 82,8Gbytes

Las propiedades más importantes son la velocidad de bits y el tamaño del vídeo. Las fórmulas que relacionan a estos dos con todas las demás propiedades son:

BR = W * H * CD * FPS

VS = BR * T = W * H * CD * FPS * T

(Las unidades son: BR en bits/s, W y H en píxeles, CD en bits, VS en bits, T en segundos)

Mientras que algunas fórmulas secundarias lo son:

  • píxeles_por_cuadro = W * H
  • píxeles_por_segundo = W * H * FPS
  • bits_por_cuadro = W * H * CD

Entrelazado

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En el vídeo entrelazado, cada fotograma se compone de dos mitades de una imagen. La primera mitad contiene sólo las líneas impares de un marco completo. La segunda mitad contiene sólo las líneas pares. Estas mitades se denominan individualmente campos. Dos campos consecutivos componen un cuadro completo.

Si un vídeo entrelazado tiene una frecuencia de fotogramas de 15 fotogramas por segundo, la frecuencia de campo es de 30 campos por segundo. Todas las propiedades y fórmulas discutidas aquí se aplican igualmente al vídeo entrelazado, pero hay que tener cuidado de no confundir los campos por segundo con la frecuencia de fotogramas por segundo.

Propiedades del vídeo comprimido

Lo anterior es preciso para el vídeo sin comprimir. Debido a la tasa de bits relativamente alta del vídeo sin comprimir, la compresión de vídeo se utiliza ampliamente. En el caso de vídeo comprimido, cada fotograma requiere un pequeño porcentaje de los bits originales. Asumiendo un algoritmo de compresión que reduce los datos de entrada por un factor de CF, la tasa de bits y el tamaño de vídeo serían iguales a:

BR = W * H * CD * FPS / CF

VS = BR * T / CF

Tenga en cuenta que no es necesario que todos los marcos estén igualmente comprimidos por un factor de CF. En la práctica no lo son, por lo que CF es el factor medio de compresión para todos los cuadros juntos.

La ecuación anterior para la velocidad de bits se puede reescribir combinando el factor de compresión y la profundidad de color de esta manera:

BR = W * H * ( CD / CF) * FPS       

El valor (CD / CF) representa el promedio de bits por píxel (BPP). Por ejemplo, si tenemos una profundidad de color de 12 bits/píxel y un algoritmo que se comprime a 40x, entonces BPP es igual a 0,3 (12/40). Así que en el caso del vídeo comprimido la fórmula para la tasa de bits es:

BR = W * H * BPP * FPS

La misma fórmula es válida para el vídeo sin comprimir porque en ese caso se puede suponer que el factor de “compresión” es 1 y que los bits medios por píxel equivalen a la profundidad de color.

Velocidad de bits y BPP

Por su definición, la velocidad binaria es una medida de la velocidad del contenido de información del flujo de vídeo digital. En el caso de vídeo sin comprimir, la tasa de bits corresponde directamente a la calidad del vídeo. (La tasa de bits es proporcional a cada propiedad que afecta a la calidad de vídeo.)

La tasa de bits es una propiedad importante cuando se transmite vídeo porque el enlace de transmisión debe ser capaz de soportar esa tasa de bits. La velocidad de bits también es importante cuando se trata del almacenamiento de vídeo porque, como se muestra arriba, el tamaño del vídeo es proporcional a la velocidad de bits y a la duración. La tasa de bits del vídeo sin comprimir es demasiado alta para la mayoría de las aplicaciones prácticas. La compresión de vídeo se utiliza para reducir en gran medida la velocidad de bits. BPP es una medida de la eficiencia de la compresión.

Un vídeo en color verdadero sin compresión puede tener un BPP de 24 bits/pixel. El submuestreo de croma puede reducir el BPP a 16 o 12 bits/pixel. Aplicando compresión jpeg en cada fotograma se puede reducir el BPP a 8 o incluso 1 bits/pixel. La aplicación de algoritmos de compresión de vídeo como MPEG1, MPEG2 o MPEG4 permite obtener valores BPP fraccionados.

Velocidad binaria constante frente a velocidad binaria variable

Como se mencionó anteriormente, BPP representa el promedio de bits por píxel. Existen algoritmos de compresión que mantienen el BPP casi constante durante toda la duración del vídeo. En este caso, también obtenemos salida de vídeo con una velocidad de bits constante (CBR).

Este vídeo CBR es adecuado para la transmisión de vídeo en tiempo real, sin búfer y con ancho de banda fijo (por ejemplo, en videoconferencias). Como no todos los fotogramas se pueden comprimir al mismo nivel, ya que la calidad se ve más afectada en escenas de alta complejidad, algunos algoritmos intentan ajustar constantemente el BPP.

La mantienen alta mientras comprimen escenas complejas y bajas para escenas menos exigentes. De esta manera, se obtiene la mejor calidad a la menor tasa de bits promedio (y el menor tamaño de archivo, en consecuencia). Cuando se utiliza este método, la velocidad binaria es variable porque sigue las variaciones del BPP.

Resumen técnico

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Los valores de película estándar, como 16 mm y 35 mm, graban a 24 fotogramas por segundo. Para el vídeo, hay dos estándares de velocidad de fotogramas: NTSC, que dispara a 30/1.001 (aproximadamente 29.97) fotogramas por segundo o 59.94 campos por segundo, y PAL, 25 fotogramas por segundo o 50 campos por segundo.

Las cámaras de vídeo digital vienen en dos formatos diferentes de captura de imágenes: entrelazado y desentrelazado / barrido progresivo. Las cámaras entrelazadas graban la imagen en conjuntos alternados de líneas: las líneas impares son escaneadas, y luego las líneas pares son escaneadas, luego las líneas impares son escaneadas de nuevo, y así sucesivamente.

Un conjunto de líneas impares o pares se denomina “campo”, y un emparejamiento consecutivo de dos campos de paridad opuesta se denomina “trama”. Las cámaras desentrelazadas graban cada fotograma por separado, y todas las líneas de exploración se capturan en el mismo momento en el tiempo.

Así, el vídeo entrelazado captura muestras del movimiento de la escena con el doble de frecuencia que el vídeo progresivo, para el mismo número de fotogramas por segundo. Las videocámaras de barrido progresivo suelen producir una imagen ligeramente más nítida. Sin embargo, el movimiento puede no ser tan suave como el vídeo entrelazado que utiliza 50 ó 59,94 campos por segundo, especialmente si emplean los 24 fotogramas por segundo estándar de la película.

No importa cuántas generaciones de una fuente digital se copien, seguirá siendo tan clara como la primera generación original de material digital. Sin embargo, un cambio en parámetros como el tamaño de los fotogramas, así como un cambio en el formato digital, puede disminuir la calidad del vídeo debido a los nuevos cálculos que hay que realizar.

El vídeo digital puede manipularse y editarse para seguir un orden o secuencia en una estación de trabajo de edición no lineal, un dispositivo informático destinado a editar vídeo y audio. Cada vez más, los videos se editan en hardware y software de computación de fácil acceso y cada vez más asequible para el consumidor.

Sin embargo, estos sistemas de edición requieren un amplio espacio en disco para las secuencias de vídeo. La gran cantidad de formatos de vídeo y parámetros que hay que configurar hacen que sea imposible encontrar un número específico para el número de minutos que se necesitan.

El vídeo digital tiene un coste significativamente inferior al de la película de 35 mm. En comparación con el alto coste de las existencias de películas, las existencias de cintas (u otros medios electrónicos utilizados para la grabación de vídeo digital, como la memoria flash o la unidad de disco duro) utilizadas para la grabación de vídeo digital son muy baratas.

El vídeo digital también permite ver las imágenes en el lugar sin el costoso procesamiento químico que requiere la película. También las entregas físicas de cintas y emisiones ya no se aplican.

Sin embargo, incluso dentro de Europa hay muchas emisoras de televisión que no emiten en HD, debido a los presupuestos limitados de los nuevos equipos para el procesamiento de HD.

Existen muchos tipos de compresión de vídeo para servir vídeo digital a través de Internet y en discos ópticos. Los tamaños de archivo de vídeo digital utilizados para la edición profesional generalmente no son prácticos para estos fines, y el vídeo requiere una mayor compresión con códecs como Sorenson, H.264 y, más recientemente, Apple ProRes especialmente para HD.

Interfaces y cables

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Muchas interfaces se han diseñado específicamente para satisfacer las necesidades de vídeo digital sin comprimir (de aproximadamente 400 Mbit/s a 10 Gbit/s):

Interfaz multimedia de alta definición

Interfaz visual digital

Interfaz digital serie

Puerto de pantalla

Componentes de vídeo digital

Interfaz de pantalla unificada

FireWire

USB

La siguiente interfaz ha sido diseñada para transportar vídeo comprimido MPEG-Transport:

DVB-ASI

El vídeo comprimido también se transmite utilizando UDP-IP sobre Ethernet. Existen dos enfoques para ello:

Uso de RTP como envoltorio para paquetes de vídeo

1-7 Paquetes de transporte MPEG se colocan directamente en el paquete UDP

Otros métodos alternativos de transporte de vídeo sobre IP incluyen:

  • Interfaz de dispositivos de red

Formatos de almacenamiento de el vídeo digital

el video digital

  • Codificación
  • Todos los formatos actuales, que se enumeran a continuación, están basados en PCM.
  • El CCIR 601 se utiliza para las estaciones de radiodifusión
  • MPEG-4 es bueno para la distribución en línea de grandes videos y videos grabados en memoria flash.
  • MPEG-2 se utiliza para DVDs, Super-VCDs y muchos formatos de transmisión de televisión.
  • MPEG-1 utilizado para CD de vídeo
  • 261
  • 263
  • 264 también conocido como MPEG-4 Parte 10, o como AVC, utilizado para discos Blu-ray y algunos formatos de televisión de difusión.
  • Theora usada para video en Wikipedia

Cintas

  • Betacam SX, Betacam IMX, Digital Betacam o DigiBeta – Sistemas de vídeo comerciales de Sony, basados en la tecnología original Betamax.
  • D-VHS – Datos en formato MPEG-2 grabados en una cinta similar a S-VHS
  • D1, D2, D3, D5, D9 (también conocido como Digital-S) – varios estándares de vídeo digital comercial SMPTE
  • Digital8 – Datos en formato DV grabados en casetes compatibles con Hi8; en gran parte en formato de consumo.
  • DV, MiniDV – utilizado en la mayoría de las videocámaras de consumo de hoy en día basadas en cintas de vídeo; diseñado para una edición fácil y de alta calidad; también puede grabar datos de alta definición (HDV) en formato MPEG-2.
  • DVCAM, DVCPRO – utilizado en operaciones de radiodifusión profesional; similar al DV pero generalmente considerado más robusto; aunque compatible con DV, estos formatos tienen un mejor manejo de audio.
  • DVCPRO50, DVCPROHD soporta anchos de banda más altos en comparación con DVCPRO de Panasonic.
  • HDCAM fue introducido por Sony como una alternativa de alta definición a DigiBeta.
  • MicroMV – Datos en formato MPEG-2 grabados en un cassette muy pequeño del tamaño de una caja de cerillas; obsoleto.
  • ProHD – nombre utilizado por JVC para sus videocámaras profesionales basadas en MPEG-2

Discos

  • Disco Blu-ray
  • DVD
  • VCD

Referencias

CoSA Vive: The Story of the Company Behind Behind After Effects, http://www.motionworks.com.au/2009/11/cosa-lives/, recuperado el 15/11/2009.

 De hecho, las imágenes fijas corresponden a fotogramas sólo en el caso del vídeo de barrido progresivo. En el vídeo entrelazado corresponden a campos. Consulte la sección sobre el entrelazado para obtener más información.

 utilizamos el término tamaño de vídeo en lugar de sólo tamaño para evitar confusiones con el tamaño del fotograma

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Licda. En Comunicación Social, mención Comunicación y Desarrollo con 16 años en el ejercicio del periodismo, ahora Redactora Web Maracay- Venezuela

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