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デジタルビデオは、エンコードされたデジタルデータの形式で動く視覚画像 (ビデオ)を電子的に表現したものです。これは、動く視覚画像をアナログ信号の形式で表現するアナログビデオとは対照的です。デジタルビデオは、通常 1 秒あたり 24、25、30、または 60フレームで連続して表示される一連のデジタル画像で構成されます。デジタルビデオには、簡単にコピー、マルチキャスト、共有、保存できるなど、多くの利点があります。
デジタルビデオは、1986 年にソニー D1フォーマットで初めて商業的に導入されました。このフォーマットは、非圧縮の標準解像度のコンポーネントビデオ信号をデジタル形式で記録するものです。非圧縮フォーマットに加えて、現在人気の圧縮 デジタルビデオフォーマットには、 MPEG-2、H.264、AV1などがあります。デジタルビデオの再生に使用される最新の相互接続規格には、HDMI、DisplayPort、デジタルビジュアルインターフェイス(DVI)、シリアルデジタルインターフェイス(SDI) などがあります。
デジタル ビデオは、品質を低下させることなくコピーおよび再生できます。対照的に、アナログ ソースをコピーすると、世代損失が発生します。デジタル ビデオは、 Blu-ray ディスクなどのデジタル メディアやコンピューター データ ストレージに保存したり、インターネット経由でエンド ユーザーにストリーミングして、パーソナル コンピューターやモバイル デバイスの画面、デジタルスマート TVでコンテンツを視聴したりできます。今日では、テレビ番組や映画などのデジタル ビデオ コンテンツには、デジタル オーディオ サウンドトラックも含まれています。
歴史
デジタルビデオカメラ
デジタルビデオカメラの基礎は、金属酸化物半導体（MOS）イメージセンサーです。[1]最初の実用的な半導体イメージセンサーは、1969年にウィラード・S・ボイルによって発明された電荷結合素子（CCD）でした。 [2]彼は物理学の研究でノーベル賞を受賞しました。[3] 1970年代後半から1980年代前半にかけてCCDセンサーが商品化された後、エンターテインメント業界は次の20年間でゆっくりとデジタルイメージングとデジタルビデオに移行し始めました。 [4] CCDの後には、 1990年代に開発されたCMOS アクティブピクセルセンサー（CMOSセンサー）が続きました。[ 5] [6] [7]
2013年には、デジタルビデオで撮影された主要な映画[a]がフィルムで撮影された映画を上回りました。2016年以降、主要な映画の90％以上がデジタルビデオで撮影されました。 [8] [9] 2017年現在[アップデート]、映画の92％がデジタルで撮影されています。[10] 2018年に公開された主要な映画のうち、35mmで撮影されたのはわずか24本でした。[11]今日、ソニー、パナソニック、JVC、キヤノンなどの企業のカメラは、高解像度ビデオを撮影するためのさまざまな選択肢を提供しています。市場のハイエンドでは、デジタルシネマ市場に特化したカメラが登場しています。ソニー、ビジョンリサーチ、アリ、ブラックマジックデザイン、パナビジョン、グラスバレー、レッドのこれらのカメラは、放送テレビの限られたニーズに合わせて設計された従来のビデオカメラを超える解像度とダイナミックレンジを提供します。[12]
デジタルビデオコーディング
1970年代には、パルス符号変調（PCM）によってデジタルビデオコーディングが誕生し、標準解像度（SD）コンテンツに45～140Mbit/sの高ビットレートが求められるようになりました。1980年代には、離散コサイン変換（DCT）がデジタルビデオ圧縮の標準となりました。[13]
最初のデジタルビデオコーディング規格は、1984年に国際電信電話諮問委員会（CCITT ）（現在のITU-T）によって作成されたH.120でした。H.120はパフォーマンスが低かったため実用的ではありませんでした。[14] H.120は、ビデオコーディングには非効率的な圧縮アルゴリズムである差分パルス符号変調（DPCM）に基づいていました。1980年代後半には、多くの企業がビデオコーディング用のはるかに効率的な圧縮形式であるDCTの実験を開始しました。CCITTは、ベクトル量子化（VQ）圧縮に基づく1つの提案とは対照的に、DCTベースのビデオ圧縮形式の14の提案を受け取りました。H.261規格はDCT圧縮に基づいて開発され、[15]最初の実用的なビデオコーディング規格となりました。[14] H.261以降、DCT圧縮はその後のすべての主要なビデオコーディング規格で採用されています。[15]
1991年には、モーション・ピクチャー・エキスパート・グループ（MPEG）によって開発されたMPEG-1が登場し、 VHS品質のビデオを圧縮するように設計されました。1994年にはMPEG-2 / H.262 [14]が後継となり、DVDやSDデジタルテレビの標準ビデオフォーマットとなりました。[14] 1999年にはMPEG-4が登場し、2003年にはH.264 / MPEG-4 AVCが登場し、最も広く使用されているビデオコーディング規格となりました。[16]
現世代のビデオコーディング形式は、2013年に導入されたHEVC （H.265）です。AVCは4x4と8x8のブロックサイズで整数DCTを使用しますが、HEVCは4x4から32x32までのさまざまなブロックサイズで整数DCTとDST変換を使用します。 [17] HEVCは多くの特許を取得しており、その特許の大部分はサムスン電子、GE、NTT、JVCケンウッドが所有しています。[18]現在、無料ライセンスを目指すAV1形式がHEVCに挑戦しています。2019年現在[アップデート]、AVCはビデオコンテンツの録画、圧縮、配信に最も一般的に使用されている形式であり、ビデオ開発者の91％が使用しています。次に開発者の43％が使用しているHEVCが続きます。[19]
デジタルビデオ制作
1970 年代後半から 1980 年代前半にかけて、内部動作がデジタルのビデオ制作機器が導入されました。これには、タイム ベース コレクター(TBC) [b]やデジタル ビデオ エフェクト(DVE) ユニット[c]が含まれます。これらは、標準のアナログ複合ビデオ入力を受け取り、それを内部でデジタル化することで動作します。これにより、TBC の場合のようにビデオ信号の修正や強化が容易になり、DVE ユニットの場合のようにビデオの操作やエフェクトの追加が容易になりました。デジタル化され処理されたビデオ情報は、出力用に標準のアナログ ビデオに変換されました。
1970 年代後半には、Bosch ( Fernseh部門を通じて) やAmpexなどの業務用ビデオ放送機器メーカーが、研究開発ラボでプロトタイプのデジタルビデオテープ レコーダー(VTR) を開発しました。Bosch のマシンは、改造された1 インチ タイプ B ビデオテープ トランスポートを使用し、初期のCCIR 601デジタル ビデオを記録しました。Ampex のプロトタイプ デジタル ビデオ レコーダーは、カスタム デジタル ビデオ エレクトロニクスと特殊な 8 ヘッド ヘッドホイール (通常のアナログ 2 インチ 4 倍速マシンは 4 つのヘッドのみを使用) を装備した改造された2 インチ 4 倍速ビデオテープVTR (Ampex AVR -3) を使用しました。開発者によってAnnieというニックネームが付けられた Ampex プロトタイプ デジタル マシンのオーディオは、標準の 2 インチ 4 倍速と同様に、テープ上の線形トラックとしてアナログでオーディオを記録しました。
デジタル ビデオは、1986 年にソニーD1フォーマットで初めて商業的に導入されました。このフォーマットは、非圧縮の標準解像度コンポーネント ビデオ信号をデジタル形式で記録します。コンポーネント ビデオ接続には 3 本のケーブルが必要ですが、ほとんどのテレビ設備は 1 本のケーブルを使用して複合 NTSC または PAL ビデオ用に配線されていました。この非互換性とレコーダーのコストのため、D1 は主に大規模なテレビ ネットワークやその他のコンポーネント ビデオ対応のビデオ スタジオで使用されました。
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1988 年、ソニーと Ampex は共同でD2デジタル ビデオ カセット フォーマットを開発し、リリースしました。これは、D1 と同様に、 ITU-601フォーマットで圧縮せずにデジタル ビデオを記録するものです。これと比較すると、D2 はコンポジット形式でビデオを NTSC 標準にエンコードするという大きな違いがあり、D2 VCR との間では 1 本のケーブルでコンポジット ビデオ接続するだけで済みます。このため、当時のほとんどのテレビ設備に完璧に適合しました。D2 は、 80 年代後半から 90 年代にかけてテレビ放送業界で成功を収めたフォーマットです。D2 は、レーザーディスクのマスタリング用のマスター テープ フォーマットとしても、この時代に広く使用されていました。[ d]
D1とD2は最終的に、ビデオ圧縮を使用するより安価なシステム、最も有名なのはネットワークのテレビスタジオに導入されたソニーのデジタルベータカムに置き換えられた。圧縮を使用するデジタルビデオ形式の他の例としては、アンペックスのDCT（1992年に導入されたときに最初に採用した）、業界標準のDVとMiniDVとそのプロ仕様のバリエーションであるソニーのDVCAMとパナソニックのDVCPRO、そしてMPEG-2圧縮を使用するデジタルベータカムの低コスト版であるベータカムSXなどがある。 [20]
パーソナルコンピュータで動作する最初のデジタルビデオ製品の1つは、ロードアイランド州プロビデンスのThe Company of Science & Art社が開発したPACo: The PICS Animation Compilerでした。1990年に開発が始まり、1991年5月に初めて出荷されました。PACoは、CD-ROM上の1つのファイル（ .CAV ファイル拡張子）から、同期されたサウンド付きの無制限の長さのビデオをストリーミングすることができました。作成にはMacが必要でしたが、再生はMac、PC、Sun SPARCstationで可能でした。[21]
Apple Computerのマルチメディア フレームワークであるQuickTime は、 1991 年 6 月にリリースされました。MicrosoftのAudio Video Interleave は、 1992 年に続きました。初期の消費者向けコンテンツ作成ツールは粗雑で、アナログ ビデオ ソースをコンピューターで読み取り可能な形式にデジタル化する必要がありました。最初は品質が低かったものの、消費者向けデジタル ビデオは、まず MPEG-1 や MPEG-2 (テレビ放送や DVD メディアでの使用に採用) などの再生標準の導入、および編集用コンピューターのFireWireポートを使用して形式での録画をデジタル ビデオ ファイルに直接転送できるDVテープ形式の導入により、急速に品質が向上しました。これによりプロセスが簡素化され、外部の再生機器や録画機器を必要とせずに、 非線形編集システム(NLE)をデスクトップ コンピューターで安価かつ広く導入できるようになりました。
デジタル ビデオとそれに伴う圧縮形式が広く採用されたことにより、高解像度ビデオ信号に必要な帯域幅が削減されました( HDVおよびAVCHD、およびXDCAMなどのいくつかのプロフェッショナル形式はすべて、標準解像度アナログ信号よりも少ない帯域幅を使用します)。この節約により、ケーブル テレビや直接放送衛星システムで利用できるチャンネル数が増加し、地上テレビ放送周波数のスペクトル再割り当ての機会が生まれ、フラッシュ メモリに基づくテープレス カムコーダーが可能になるなど、さまざまな革新と効率化が実現しました。
デジタルビデオと文化
文化的には、デジタルビデオのおかげでビデオや映画が広く普及し、娯楽、教育、研究に役立っています。[22]デジタルビデオは学校でますます一般的になり、生徒や教師はデジタルビデオを適切な方法で使用することに興味を持っています。[23]デジタルビデオにはヘルスケアの用途もあり、医師は乳児の心拍数や酸素レベルを追跡することができます。[24]
さらに、アナログからデジタルへのビデオの切り替えは、企業が監視カメラを使用する方法など、さまざまな方法でメディアに影響を与えました。閉回路テレビ（CCTV）はデジタルビデオレコーダー（DVR）の使用に切り替わり、証拠収集のために録画をどのように保存するかという問題が生じました。今日では、デジタルビデオは保存スペースを節約するために圧縮することができます。 [25]
デジタルテレビ
デジタルテレビ（DTV）は、ネットワークから消費者へのデジタルビデオの制作と伝送です。この技術では、1950年代以前に使用されていたアナログ信号の代わりにデジタルエンコーディングを使用します。[26]アナログ方式と比較して、DTVはより高速で、データの送信と共有のためのより多くの機能とオプションを提供します。[27]
デジタルテレビの起源は、安価で高性能なコンピュータが利用できるようになったことにあります。デジタルテレビが現実的になったのは、1990年代に入ってからでした。[28]デジタルテレビは、非圧縮ビデオの帯域幅要件が非現実的に高いため、以前は実現不可能でした。 [29]標準精細度テレビ（SDTV）信号には約200 Mbit/s 、 [30] [31]高精細度テレビ（HDTV）には1 Gbit/s以上が必要でした。 [29] [32]
概要
デジタルビデオは、次々に表示される一連のデジタル画像で構成されています。ビデオでは、これらの画像はフレームと呼ばれます。[e]フレームが表示される速度はフレームレートと呼ばれ、 1秒あたりのフレーム数で測定されます。すべてのフレームはデジタル画像であるため、ピクセルの構成で構成されています。ピクセルの色はその色の固定数のビットで表され、色の情報は画像内に格納されます。[33]たとえば、8ビットではチャネルあたり256レベルがキャプチャされ、10ビットではチャネルあたり1,024レベルがキャプチャされます。[34]ビットが多いほど、より微妙な色の変化を再現できます。これをビデオの色深度、またはビット深度と呼びます。
インターレース
インターレース ビデオでは、各フレームは画像の 2 つの半分で構成されます。最初の半分には、フル フレームの奇数行のみが含まれます。2 番目の半分には、偶数行のみが含まれます。これらの半分は、個別にフィールドと呼ばれます。連続する 2 つのフィールドがフル フレームを構成します。インターレース ビデオのフレーム レートが 30 フレーム/秒の場合、フィールド レートは 60 フィールド/秒になりますが、インターレース ビデオの一部であるフレーム/秒とフィールド/秒は、どちらも別の数値です。
ビットレートとBPP
定義上、ビットレートはデジタルビデオストリームからの情報コンテンツの速度の測定値です。非圧縮ビデオの場合、ビットレートはビデオの品質に直接対応します。これは、ビットレートがビデオの品質に影響を与えるすべてのプロパティに比例するためです。ビットレートは、ビデオを伝送するときに重要なプロパティです。伝送リンクがそのビットレートをサポートできる必要があるためです。ビットレートは、ビデオの保存を扱うときにも重要です。これは、上記のように、ビデオのサイズがビットレートと継続時間に比例するためです。ビデオ圧縮は、品質にほとんど影響を与えずにビットレートを大幅に削減するために使用されます。[35]
ピクセルあたりのビット数 (BPP) は、圧縮の効率を測る指標です。まったく圧縮されていないトゥルーカラー ビデオの BPP は 24 ビット/ピクセルです。クロマ サブサンプリングにより、BPP を 16 ビット/ピクセルまたは 12 ビット/ピクセルに減らすことができます。すべてのフレームにJPEG圧縮を適用すると、 BPPを8 ビット/ピクセルまたは 1 ビット/ピクセルに減らすことができます。MPEG1 、MPEG2、MPEG4などのビデオ圧縮アルゴリズムを適用すると、小数点以下の BPP 値が存在する可能性があります。
固定ビットレートと可変ビットレート
BPPはピクセルあたりの平均ビット数を表します。動画の全再生時間を通じてBPPをほぼ一定に保つ圧縮アルゴリズムがあります。この場合、固定ビットレート（CBR）の動画出力も得られます。このCBR動画は、リアルタイム、非バッファ、固定帯域幅の動画ストリーミング（ビデオ会議など）に適しています。複雑度の高いシーンでは品質への影響がより深刻になるため、すべてのフレームを同じレベルで圧縮できるわけではないため、一部のアルゴリズムではBPPを常に調整しようとします。複雑なシーンを圧縮している間はBPPを高くし、要求の少ないシーンではBPPを低くします。[36]このようにして、平均ビットレートが最小（したがってファイルサイズも最小）で最高の品質を実現します。この方法では、BPPの変動を追跡するため、 可変ビットレートが生成されます。
技術概要
標準的なフィルム ストックは、通常、1 秒あたり 24 フレームで記録します。ビデオの場合、フレーム レート標準には 2 つあります。1 つはNTSCで、30/1.001 (約 29.97) フレーム/秒 (約 59.94 フィールド/秒)、もう 1 つはPAL で、25 フレーム/秒 (50 フィールド/秒) です。デジタル ビデオ カメラには、インターレース スキャンとプログレッシブ スキャンの 2 つの異なる画像キャプチャ形式があります。インターレース カメラは、奇数ラインがスキャンされ、次に偶数ラインがスキャンされ、次に再び奇数ラインがスキャンされるというように、交互にライン セットで画像を記録します。
奇数または偶数のラインの 1 セットはフィールドと呼ばれ、逆パリティの連続する 2 つのフィールドのペアはフレームと呼ばれます。プログレッシブ スキャン カメラは、各フレームのすべてのラインを 1 つの単位として記録します。したがって、インターレース ビデオは、同じフレーム レートのプログレッシブ ビデオの 2 倍の頻度でシーンの動きをキャプチャします。プログレッシブ スキャンでは、一般に画像が若干鮮明になりますが、動きはインターレース ビデオほど滑らかではない場合があります。
デジタル ビデオは、アナログ システムで品質が低下する世代損失なしでコピーできます。ただし、フレーム サイズなどのパラメータの変更やデジタル形式の変更により、画像のスケーリングやトランスコーディング損失によりビデオの品質が低下する可能性があります。デジタル ビデオは、非線形編集システム で操作および編集できます。
デジタル ビデオは、35 mm フィルムに比べて大幅に低コストです。フィルム ストックの高コストと比較すると、フラッシュ メモリやハード ディスク ドライブなど、デジタル ビデオ録画に使用されるデジタル メディアは非常に安価です。また、デジタル ビデオを使用すると、フィルムに必要な高価で時間のかかる化学処理を行わずに、撮影現場で映像を見ることができます。デジタル ビデオをネットワークで転送すると、テープやフィルム リールを物理的に配送する必要がなくなります。
デジタルテレビ（高画質HDTVを含む）は、2000 年代初頭にほとんどの先進国で導入されました。今日、デジタルビデオは最新の携帯電話やビデオ会議システムで使用されています。デジタルビデオは、ストリーミングビデオやピアツーピアの映画配信など、メディアのインターネット配信に使用されています。
デジタル ビデオをインターネットや光ディスクで配信するために、さまざまな種類のビデオ圧縮が存在します。専門的な編集に使用されるデジタル ビデオのファイル サイズは、通常、これらの目的には実用的ではなく、娯楽目的で使用するには、ビデオをコーデックでさらに圧縮する必要があります。
2017 年現在[アップデート]、デジタル ビデオ生成で実証されている最高の画像解像度は 132.7メガピクセル(15360 x 8640 ピクセル) です。最高速度は、短時間の録画で最大 100 万フレーム/秒で 1024 x 1024 ビデオを撮影できる 産業用および科学用の高速カメラで達成されます。
技術的特性
ライブ デジタル ビデオは帯域幅を消費します。録画されたデジタル ビデオはデータ ストレージを消費します。必要な帯域幅またはストレージの量は、フレーム サイズ、色深度、およびフレーム レートによって決まります。各ピクセルは、色深度によって決まるビット数を消費します。データのフレームを表すために必要なデータは、画像内のピクセル数を掛けて決まります。帯域幅は、フレームのストレージ要件とフレーム レートを掛けて決まります。プログラム全体のストレージ要件は、帯域幅とプログラムの継続時間を掛けて決まります。
これらの計算は非圧縮ビデオの場合は正確ですが、非圧縮ビデオのビットレートが比較的高いため、ビデオ圧縮が広く使用されています。圧縮されたビデオの場合、各フレームに必要なビット数は元のビット数のわずかな割合だけです。これにより、可逆圧縮を使用するとデータまたは帯域幅の消費量が5〜12分の1に削減されますが、より一般的には、データ消費量が20〜200分の1に削減される非可逆圧縮が使用されます。 [37] [検証失敗]すべてのフレームが同じ割合で均等に圧縮される必要はないことに注意してください。代わりに、すべてのフレームをまとめて 平均圧縮率を考慮してください。
インターフェースとケーブル
専用デジタルビデオインターフェース
デジタルビデオを伝送するために使用する汎用インターフェース
- ファイアワイヤー（IEEE 1394）
- ユニバーサル シリアル バス(USB)
次のインターフェイスは、MPEGトランスポート圧縮ビデオを伝送するために設計されています。
圧縮ビデオも、イーサネット経由でUDP - IP を使用して伝送されます。これには 2 つの方法があります。
- SMPTE 2022と同様に、ビデオパケットのラッパーとしてRTPを使用する
- 1～7 MPEGトランスポートパケットはUDPパケットに直接配置される
IP経由でビデオを伝送する他の方法
保存形式
エンコーディング
- 放送局で使用されるCCIR 601
- VC-2別名Dirac Pro
- MPEG-4は大容量ビデオやフラッシュメモリに記録されたビデオのオンライン配信に適しています
- DVD、スーパーVCD、および多くのテレビ放送フォーマットに使用されるMPEG-2
- ビデオCDに使用されるMPEG-1
- 261 は
- 263 形式
- H.264 はMPEG-4 Part 10またはAVCとも呼ばれ、ブルーレイディスクや一部のテレビ放送フォーマットに使用されます。
- H.265はMPEG-H Part 2、またはHEVCとも呼ばれる。
- QuickTimeフレームワークで使用されるMOV
- Wikipedia のビデオに使用されているTheora
テープ
- Betacam SX、MPEG IMX、Digital Betacam 、または DigiBeta — オリジナルのBetamaxテクノロジーに基づく Sony のプロフェッショナル ビデオ フォーマット
- D-VHS — S-VHSに似たテープに記録された MPEG-2 形式のデータ
デンマークの放送で使用されたアーカイブされた B フォーマットのビデオ テープ。 - D1、D2、D3、D5、D7、D9（Digital-Sとも呼ばれる） — さまざまなSMPTEプロフェッショナルデジタルビデオ規格
- Digital8 — Hi8互換カセットに記録された DV 形式のデータ。主に消費者向けの形式です。
- DV、MiniDV — ほとんどのデジタルビデオカセットコンシューマーカムコーダーで使用されています。高品質で編集が簡単な設計で、 MPEG-2 形式で高解像度データ ( HDV ) を記録することもできます。
- DVCAM、DVCPRO — プロの放送業務で使用されます。DV に似ていますが、一般的にはより堅牢であると考えられています。DV と互換性がありますが、これらの形式の方がオーディオ処理が優れています。
- DVCPRO 50 およびDVCPRO HD は、パナソニックの DVCPRO と比較して、より高い帯域幅をサポートします。
- HDCAM は、DigiBeta の高解像度の代替として Sony によって導入されました。
- MicroMV — 非常に小さなマッチ箱サイズのカセットに記録された MPEG-2 形式のデータ。現在は廃止されています。
- ProHD — JVC が MPEG-2 ベースのプロ用ビデオカメラに使用している名称
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ディスク
参照
注記
- ^ 興行収入上位200本の実写映画として定義
- ^ たとえば、1980 年に導入された内部的にすべてデジタル化されたフルフレーム TBC であるThomson-CSF 9100 デジタル ビデオ プロセッサ。
- ^ たとえば、 Ampex ADO や日本電気(NEC) E-Flex などです。
- ^ D2以前は、ほとんどのレーザーディスクはアナログ1インチタイプCビデオテープを使用してマスタリングされていました。
- ^ 実際、静止画像はプログレッシブスキャンビデオの場合にのみフレームに対応します。インターレースビデオでは、静止画像はフィールドに対応します。詳細については、§ インターレースを参照してください。
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外部リンク
- DV、DVCAM、DVCPRO フォーマット – 技術詳細、FAQ、リンク
- 標準のデジタル TV およびビデオ形式。