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デジタルビデオは、動く映像（ビデオ）を符号化されたデジタルデータとして電子的に表現したものです。これは、動く映像をアナログ信号として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秒間に24、25、30、または60フレームで高速に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、コピー、マルチキャスト、共有、保存が容易であるなど、多くの利点があります。
デジタルビデオは、1986年にソニーのD1フォーマットで初めて商用化されました。これは、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するものでした。現在では、非圧縮フォーマットに加えて、MPEG-2、H.264、AV1などの圧縮デジタルビデオフォーマットが広く普及しています。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、DVI（Digital Visual Interface ）、SDI（ Serial Digital Interface）などがあります。
デジタルビデオは、品質を劣化させることなく複製・再生できます。一方、アナログソースを複製すると、世代劣化が生じます。デジタルビデオは、 Blu-rayなどのデジタルメディア、コンピュータの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配信したりすることができ、エンドユーザーはパソコンやモバイルデバイスの画面、またはデジタルスマートテレビでコンテンツを視聴します。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。
デジタルビデオカメラの基盤は、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 ]ボイルは物理学の業績でノーベル賞を受賞しました。[ 3 ] 1970年代後半から1980年代初頭にかけてCCDセンサーが商用化された後、エンターテインメント業界は次の20年間でアナログビデオからデジタルイメージングとデジタルビデオへと徐々に移行し始めました。 [ 4 ] CCDに続いて、 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）が登場しました。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]
2013年には、デジタルビデオで撮影された主要映画がフィルムで撮影された映画を上回った。 2016年以降、主要映画の90%以上がデジタルビデオで撮影されている。[ 8 ] [ 9 ] 2017年現在映画の 92% はデジタルで撮影されています。[ 10 ] 2018 年に公開された主要映画のうち、35mm で撮影されたのはわずか 24 作品です。[ 11 ]今日では、ソニー、パナソニック、JVC、キヤノンなどの企業のカメラは、高解像度ビデオの撮影に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 シネマ市場を特にターゲットに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、レッドなど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 ]
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、標準画質（SD）コンテンツには45～140 Mbit/sという高いビットレートが要求された。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った。[ 13 ]
最初のデジタルビデオ符号化規格は、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 は性能が低かったため実用的ではありませんでした。[ 14 ] H.120 は、ビデオ符号化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、多くの企業がビデオ符号化に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) 圧縮に基づく提案が 1 つだったのに対し、DCT ベースのビデオ圧縮形式に関する 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符号化規格となりました。[ 14 ] H.261 以降、DCT 圧縮は、その後のすべての主要なビデオ符号化規格に採用されています。[ 15 ]
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は1991年に登場し、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 ] 。
現行世代のビデオ符号化フォーマットは、2013年に導入されたHEVC（H.265）です。AVCは4x4および8x8のブロックサイズで整数DCTを使用するのに対し、HEVCは4x4から32x32までの可変ブロックサイズで整数DCTおよびDST変換を使用します。 [ 17 ] HEVCは特許で保護されており、特許の大部分はSamsung Electronics、GE、NTT、JVC Kenwoodが所有しています。[ 18 ]現在、フリーライセンスを目指しているAV1フォーマットによって挑戦を受けています。2019年現在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フォーマットであり、ビデオ開発者の91%が使用しており、次いでHEVCが43%の開発者によって使用されています。[ 19 ]
1970年代後半から1980年代初頭にかけて、内部動作がデジタル化された映像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 ]などが含まれます。これらの機器は、標準的なアナログコンポジットビデオ入力を受け取り、内部でデジタル化することで動作しました。これにより、TBCの場合はビデオ信号の補正や強化が容易になり、DVEユニットの場合はビデオの操作やエフェクトの追加が容易になりました。デジタル化および処理されたビデオ情報は、出力のために標準のアナログビデオに変換されました。
1970年代後半になると、ボッシュ（同社のフェルンゼー部門を通じて）やアンペックスなどの業務用ビデオ放送機器メーカーが、研究開発ラボでデジタルビデオテープレコーダー（VTR）のプロトタイプを開発した。ボッシュの機械は、改良された1インチB型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た。アンペックス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回路と特殊な8ヘッドヘッドホイール（通常のアナログ2インチクワッドマシンは4ヘッドのみ）を備えた、改良された2インチクワッドビデオテープVTR（アンペックスAVR-3）を使用した。開発者から「アニー」と名付けられたアンペックスのプロトタイプデジタルマシンは、標準的な2インチクワッドと同様に、音声もアナログでテープ上のリニアトラックとして記録された。これらのメーカーの機械は、いずれも市販されることはなかった。
デジタルビデオは、1986年にソニーのD1フォーマットで初めて商用化されました。これは、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するものでした。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したが、ほとんどのテレビ局はコンポジットNTSCまたはPALビデオ用に1本のケーブルで配線されていました。このような互換性の問題とレコーダーのコストのため、D1は主に大手テレビネットワークやコンポーネントビデオに対応したビデオスタジオで使用されました。
1988年、ソニーとアンペックスは共同でD2デジタルビデオカセットフォーマットを開発・発売しました。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した。D2の大きな違いは、ビデオをコンポジット形式でNTSC規格にエンコードすることでした。そのため、D2 VCRとの間ではコンポジットビデオケーブル1本で接続するだけで済みました。このため、当時のほとんどのテレビ放送施設に最適でした。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した。また、D2はこの時代にレーザーディスクのマスタリング用マスターテープフォーマットとしても広く使用されました。[ d ]
D1とD2は最終的に、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などのビデオ圧縮を使用するより安価なシステムに置き換えられました。圧縮を使用するデジタルビデオフォーマットの他の例としては、AmpexのDCT（1992年に導入された際に初めて採用）、業界標準のDVとMiniDVおよびそのプロフェッショナル版、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価格版であるベータカムSXなどがあります。 [ 20 ]
パーソナルコンピュータ上で動作する最初のデジタルビデオ製品の一つは、ロードアイランド州プロビデンスのThe Company of Science & Art社製のPACo: The PICS Animation Compilerでした。これは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上の単一ファイル（拡張子.CAV ）から、同期音声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、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年にそれに続きました。初期のコンシューマー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。当初は低品質でしたが、コンシューマー向けデジタルビデオの品質は急速に向上しました。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）などの再生規格が導入され、編集用コンピュータのFireWireポートを使用して、この形式で録画したものをデジタルビデオファイルに直接転送できるDVテープフォーマットが導入されました。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、デスクトップコンピュータ上でノンリニア編集システム（NLE）を安価かつ広く展開できるようになりました。
デジタルビデオとその圧縮フォーマットの普及により、高精細ビデオ信号に必要な帯域幅が削減されました（HDVやAVCHD 、 XDCAMなどのプロフェッショナルフォーマットはすべて、標準解像度のアナログ信号よりも少ない帯域幅を使用しています）。こうした帯域幅の削減により、ケーブルテレビや衛星放送システムで利用できるチャンネル数が増加し、地上波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、フラッシュメモリをベースとしたテープレスカムコーダーが実現するなど、数々の革新と効率化がもたらされました。
文化的には、デジタルビデオによって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 ]学校ではデジタルビデオがますます一般的になり、生徒や教師はそれを適切な方法で使う方法を学ぶことに興味を持っています。[ 23 ]デジタルビデオは医療用途にも使用されており、医師が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ビデオへの移行は、企業が監視にカメラを使用する方法など、さまざまな形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）を使用するようになり、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、デジタルビデオはストレージ容量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（DTV）は、ネットワークから消費者へデジタルビデオを制作・送信する技術です。この技術は、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符号化を使用します。[ 26 ]アナログ方式と比較すると、DTVは高速で、送信および共有するデータのための機能とオプションが充実しています。[ 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の普及と結びついています。デジタルテレビが現実的なものになったのは1990年代になってからです。[ 28 ]以前は、非圧縮ビデオの帯域幅要件が非現実的に高かったため、デジタルテレビは実用的ではありませんでした。 [ 29 ]標準画質テレビ(SDTV) 信号には約200 Mbit/s 、 [ 30 ] [ 31 ]高精細テレビ(HDTV)には1 Gbit/s以上が必要でした。[ 29 ] [ 32 ]
デジタルビデオは、高速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。ビデオの文脈では、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して知られており、 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り、ピクセルの集合で構成されます。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 ]例えば、8ビットではチャンネルごとに256レベル、10ビットではチャンネルごとに1,024レベルをキャプチャします。[ 34 ]ビット数が多いほど、色の微妙な変化を再現できます。これは、ビデオの色深度、またはビット深度と呼ばれます。
インターレース方式のビデオでは、各フレームは画像の2つの半分で構成されます。前半部分は、フルフレームの奇数番目のラインのみを含み、後半部分は偶数番目のラインのみを含みます。これらの半分は個別にフィールドと呼ばれます。2つの連続するフィールドでフルフレームが構成されます。インターレース方式のビデオのフレームレートが毎秒30フレームの場合、フィールドレートは毎秒60フィールドとなります。
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レートの測定値です。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特性に比例するためです。ビットレートは、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、ビデオを伝送する際に重要な特性です。ビットレートは、上記のようにビデオのサイズがビットレートと期間に比例するため、ビデオの保存を扱う際にも重要です。ビデオ圧縮は、品質への影響をほとんど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 ]
ビット/ピクセル（BPP）は、圧縮効率の指標です。圧縮を全く行わないトゥルーカラービデオの場合、BPPは24ビット/ピクセルになります。クロマサブサンプリングを行うと、BPPは16ビット/ピクセルまたは12ビット/ピクセルにまで低下します。すべてのフレームにJPEG圧縮を適用すると、BPPは8ビット/ピクセル、あるいは1ビット/ピクセルまで低下します。MPEG1 、MPEG2 、MPEG4など のビデオ圧縮アルゴリズムを適用すると、BPPの値が小数になる場合があります。
BPP は、ピクセルあたりの平均ビット数を表します。ビデオの全期間にわたって 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、一定ビットレート(CBR) のビデオ出力も得られます。この CBR ビデオは、リアルタイム、バッファリングなし、固定帯域幅のビデオ ストリーミング (ビデオ会議など) に適しています。すべてのフレームを同じレベルで圧縮することはできないため、複雑なシーンでは品質への影響がより深刻になるため、一部のアルゴリズムは 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 を高く保ち、要求の少ないシーンでは低く保ちます。[ 36 ]この方法で、最小の平均ビットレート (およびそれに応じて最小のファイル サイズ) で最高の品質を提供します。この方法は、BPP の変動を追跡するため、可変ビットレートを生成します。
標準的なフィルムストックは通常、毎秒 24 フレームで記録します。ビデオには、フレームレートの標準が 2 つあります。NTSCは毎秒 30/1.001 (約 29.97) フレーム (毎秒約 59.94 フィールド)、PAL は毎秒 25 フレーム (毎秒 50 フィールド) です。デジタル ビデオ カメラには、インターレースとプログレッシブ スキャンの2 つの異なる画像キャプチャ フォーマットがあります。インターレース カメラは、交互に並んだラインのセットで画像を記録します。奇数番目のラインがスキャンされ、次に偶数番目のラインがスキャンされ、次に再び奇数番目のラインがスキャンされ、これを繰り返します。
奇数または偶数のラインの1組をフィールドと呼び、パリティが異なる2つのフィールドが連続して並んだものをフレームと呼びます。プログレッシブスキャンカメラは、各フレーム内のすべてのラインを1つの単位として記録します。そのため、インターレースビデオは、同じフレームレートの場合、プログレッシブビデオの2倍の頻度でシーンの動きを捉えます。プログレッシブスキャンは一般的にわずかに鮮明な画像を生成しますが、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は品質劣化の原因となる世代損失なしにコピーできます。しかし、フレームサイズなどのパラメータの変更やデジタルフォーマットの変更は、画像スケーリングやトランスコーディングによる損失のため、ビデオの品質を低下させる可能性があります。デジタルビデオは、ノンリニア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、35mmフィルムに比べてコストが大幅に低い 。高価なフィルム原紙と比べると、フラッシュメモリやハードディスクドライブといった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ある。また、デジタルビデオでは、フィルムのように高価で時間のかかる化学処理をすることなく、現場で映像を確認できる。さらに、デジタルビデオはネットワーク経由で転送されるため、テープやフィルムリールの物理的な配送も不要となる。
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。現在では、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。また、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映画配信など、インターネット上でのメディア配信にも利用されています。
インターネットや光ディスクでデジタルビデオを配信するために、様々な種類のビデオ圧縮技術が存在する。プロの編集作業で使用されるデジタルビデオのファイルサイズは、一般的にこれらの用途には実用的ではなく、娯楽目的で使用するには、コーデックによるさらなる圧縮が必要となる。
2017年現在デジタルビデオ生成において実証された最高画像解像度は1億3270万画素（15360×8640ピクセル）です。最高速度は、産業用および科学用の高速カメラで達成され、短時間の録画であれば、1秒間に最大100万フレームで1024×1024のビデオを撮影できます。
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。1フレームのデータを表すのに必要なデータ量は、画像内のピクセル数を乗じることで求められます。帯域幅は、1フレームのストレージ要件にフレームレートを乗じることで求められます。プログラム全体のストレージ要件は、帯域幅にプログラムの再生時間を乗じることで求められます。
これらの計算は非圧縮ビデオに対して正確ですが、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。圧縮ビデオの場合、各フレームは元のビットのごく一部しか必要としません。これにより、ロスレス圧縮を使用した場合、データまたは帯域幅の消費が5～12分の1に削減されますが、より一般的には、データ消費を20～200分の1に削減できるロッシー圧縮が使用されます。 [ 37 ]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検討してください。
専用設計の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される汎用インターフェース
以下のインターフェースは、MPEG -Transportで圧縮された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UDP - IP over Ethernet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。
IP経由でビデオを伝送するその他の方法
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