Hoewel HDV en DV op hetzelfde tape formaat worden opgenomen met bijna dezelfde data rate (snelheid), verschillen beiden enorm in de video compressie methode. De DV codec gebruikt alleen een intra frame compressie. Elk beeldje (frame) wordt opgenomen als een plaatje, met een vast bit patroon en uniform op de tape geschreven. Bij HDV camera’s is het signaal voorzien van een MPEG-2 video compressie. In Video Techniek is dit een uitleg over compressie.

Compressie maakt gebruik van intra frame in inter frame technieken. Inter frame slaat een fractie van een aantal frames op als losse plaatjes. Deze noemen ze I-frames. Van de overgebleven frames worden alleen de ‘bewogen delen’ vastgelegd. HDV frames variëren dus in grootte en dat is afhankelijk van de frames die elkaar opvolgen.

Ik kan me heel goed voorstellen dat je het bovenstaande stukje tekst na enkele keren gelezen te hebben nog niet helemaal begrijpt. Daarom ga ik er nog iets dieper op in:

In HDV 1080i genereert de camera een constante stroom van frames (plaatjes) per seconde. Als de camera progressive filmt zullen dat 25 of 30 beelden (frames) per seconde zijn. Hier in Europa is dat 25 beelden per seconde. In de USA maken alle camera’s 30 beelden per seconde.

Als de camera opneemt met interlacing ingeschakelt, dan praten we niet meer van 25P of 30P (P van Progressive) maar van 50i of 60i. En nee, het aantal beeldjes per seconde is niet verdubbelt! De camera neemt nu per seconde 50 of 60 fields op. Een field bestaat uit de even of oneven beeldlijnen die elkaar weer opvolgen. Dus: in het eerste beeld legt de camera alle oneven lijnen vast (1, 3, 5, 7 enz) en daarna alle even lijnen (2, 4, 6, 8 enz). Fields zijn dus eigenlijk halve beelden, immers de camera schrijft om en om de even- en oneven lijnen vast op tape.

De beeldbuis televisies hebben een opbouw die volledig is gebaseerd op een interlaced signaal. De moderne LCD of plasma schermen zijn progressive. Dat betekend dat de televisie alle beelden volledig opbouwt van lijn 1 tot en met 720 of 1080. Eventueel kunnen aangeboden interlaced signalen door de ingebouwde elektronica ook prima omgezet worden in progressive beeld. Dat geld ook voor de oudere beeldbuis. Ook daar hebben veel fabrikanten elektronica ingebouwd die het signaal kan verwerken. Echter, de veel oudere beeldbuis televisies zijn veelal niet geschikt voor HD signalen. Daarvoor moet dan een extra stukje hardware worden gebruikt. Veel camera’s hebben ook nog steeds een PAL-DV uitgang.

DV en Mpeg2:

Een DV camera al zijn beelden (720×575 pixels groot) als volledig plaatjes op de tape en dat 25 of 30 keer per seconde, afhankelijk van een PAL of NTSC (USA) camera. Datzelfde gebeurt ook bij HDV (Mpeg2) camera’s en die maken veelal gebruik van dezelfde soort tapes. Er moet echter wel vijf keer zoveel informatie op dezelfde tape worden gezet, en dat is door technische beperkingen haast niet mogelijk. Men is dus tijdens de ontwikkeling van HDV recorders op zoek gegaan naar methoden om de hoeveelheid data enorm te beperken. Door een Mpeg2 compressie toe te passen, de pixels (beeldpuntjes) groter te maken en een kleuren compressie (color sampling) kan dit gerealiseerd worden.

Bij de pixels is het een eenvoudig verhaal. De pixels in een HDV sensor zijn rechthoekig van vorm. De verhouding tussen horizontaal en vertikaal is 1.333 tot 1. Elke pixel is dus 33% langer. Hierdoor wordt de hoeveelheid data in het beeld al 33% minder en zo wordt elk HDV signaal als een 1440 x 1080 op tape weg geschreven. Verminigvuldigen we later de 1440 met een factor 1.33, dan krijgen we weer netjes een beeld van 1920 breed.

Bij Mpeg2 compressie wordt een andere methode ingezet om de hoeveelheid informatie te verminderen. In elk PAL signaal worden elke 12 frames (of elke 15 frames bij een 30P frames per seconde signaal) een I-frame op de tape gezet. Een I-Frame is een volledig beeld wat de camera registeerd. De recorder legt dus 1/25 seconde van het beeld compleet vast.

HDV kan op sommige camera’s in 720P worden ingesteld. Dan neemt de camera op met een beeldresolutie van 1280×720 waarbij alle pixels vierkant zijn. Er wordt dus geen compressie bij de pixels gebruikt. 720P heeft immers veel minder ruimte nodig op een tape, het levert minder informatie op. In HDV 720P worden elke 6 frames (bij een signaal met 24P, 25P of 30P frames per seconde) of elke 12 (bij een signaal met 50P of 60P frames per seconde) frames als een I-frame op tape weg gescheven.

De overige frames worden als B en P frames op de tape weg geschreven. Hier volgt een vrij technische uitleg van I, B en P frames:

intra gecodeerde frames (I-frames)
voorspellend gecodeerde frames (Predictive coded, ofwel P-frames)
bidirectionele P-frames (B-frames)

Meestal wisselen I-, P- en B-frames zich af. Een mogelijke volgorde is: IBBPBBPBBPBB(I). De frames samen vormen een GOP (Group Of Pictures). Hoe de variatie moet optreden is niet specifiek vastgelegd: de standaard is hier nogal flexibel in.

I-frame

Een I-frame is een gecomprimeerde versie van een enkele onbewerkt frame. Het maakt gebruik van ruimtelijke redundantie en van het feit dat het menselijk oog bepaalde veranderingen in een beeld niet kan waarnemen. In tegenstelling tot P-frames en B-frames zijn de I-frames niet afhankelijk van de vorige of volgende frames. In het kort komt het erop neer dat het frame wordt verdeeld in blokken van 8 bij 8 pixels. De data in elk blok wordt getransformeerd middels een discrete cosinustransformatie. Dit levert een 8 bij 8 matrix van coëfficiënten. De transformatie zet ruimtelijke variaties om naar een variatie in frequentie, waarbij lage frequenties corresponderen met “grove lijnen” en de hoge frequenties corresponderen met details in de afbeelding. De informatie in het frame zelf wordt niet veranderd: door de inverse cosinustransformatie toe te passen kan de originele informatie uit het I-frame worden teruggewonnen. Gewoonlijk zijn de componenten van de hogere frequenties in dit signaal ongeveer 0. Dit resulteert in het verlies van kleine, subtiele niveauveranderingen in kleur en helderheid.
Vervolgens wordt de gekwantiseerde 8 bij 8 matrix gecomprimeerd. Meestal is één hoek van de matrix gevuld met allemaal nullen. Men start in de linker bovenhoek van de matrix. Vervolgens gaat men “zigzaggen” door de matrix en worden alle coëfficiënten uit de matrix gecombineerd tot een string. Nadat deze nog enkele bewerkingen heeft ondergaan, krijgt men een veel kleiner array met getallen. Dit array wordt uiteindelijk uitgezonden of op DVD gezet. In de ontvanger, of in de DVD speler, wordt het voorgaande proces omgekeerd toegepast. Dit resulteert in een goed benaderde reconstructie van het originele signaal.

P-frames

P-frames zorgen voor meer compressie dan I-frames. Ze gebruiken de data van het voorafgaande P- of I-frame. P- en I-frames worden zogenaamde referentieframes genoemd. Om een P-frame te genereren wordt het vorige referentieframe gereconstrueerd, net zoals in een DVD speler of een TV ontvanger. Het frame dat men wil opbouwen wordt verdeeld in 16 bij 16 pixels macroblocks. Vervolgens wordt het gereconstrueerde frame doorzocht om de best passende gecomprimeerde 16 bij 16 pixels macroblock te vinden. Beide frames (het voorafgaande en het actuele) worden dus per macroblock vergeleken. Hierbij wordt rekening gehouden met beweging: de wijziging in positie wordt meegegeven als vectoren die de richting en afstand aangeven waarin pixels zich bewegen. Omdat beide macroblocks niet perfect overeenkomen wordt voor beide blocks een string met coëfficiënten bepaald zoals hierboven beschreven. Vervolgens wordt het verschil van deze strings genomen om verder te verwerken.

B-frames

Het verwerken van een B-frame lijkt erg op dat van een P-frame, met het verschil dat een B-frame ook het volgende referentieframe gebruikt. Ze zorgen voor meer compressie dan P-frames, maar ze worden nooit gebruikt als referentieframe.

Bovenstaande tekst haalt enkele bewerkingen van de MPEG-2 laag aan. Er zijn echter nog veel meer details die hier niet zijn besproken, zoals chrominantie, luminantie, het labelen van de delen die de bitstroom vormen en dergelijke. (IBP bron: Wikipedia)

MPEG-2 video geeft HDV de mogelijkheid om een veel hogere compressie te bieden als TV, maar met een prijs: Als een camera rustig bewogen opnames maakt is er bijna geen sprake van fouten in het beeld; artefacten. Echter bij snelle bewegingen neemt het aantal artefacten in het beeld snel toe.

Toch is het belangrijk om deze beperkingen in de juiste context te plaatsen. Belichting, de kleuren, camera bewegingen etc. spelen allemaal een rol in het aanmaken van deze artefacten. In de televisieserie ‘JAG’ zijn veel scènes in HDV opgenomen zonder al teveel problemen. De opnames zijn gemaakt op diverse tijden van de dag, boven water en in donkere en lichte omstandigheden boven lichte en donkere achtergronden.

Als de DV codec hetzelfde beeld zou moeten vastleggen zou het vier keer zoveel opslag ruimte kosten. Encoders worden constant verbeterd. De Sony XDCAM HD lijkt heel veel op HDV. MPEG is de standaard voor de toekomst en met het verbeteren van de encoders zal het aantal artefacten alleen maar afnemen in de toekomst.

Dropouts binnen de compressed data stream hebben een veel groter effect als bij DV. Dit is helaas het resultaat van de inter frame compressie. Als bijvoorbeeld een I-frame binnen een drop-out valt zullen alle daaraan gekoppelde frames hierdoor ook beïnvloed worden. Frame editing is door MPEG-2 ook veel ingewikkelder geworden. Omdat een aantal frames aan elkaar gekoppeld zijn zullen in een editor ook al die frames aangepast moeten worden, wat natuurlijk door het decompressie/compressie proces weer ongunstig is. Hoewel de meeste software pakketten tegenwoordig prima om kunnen gaan met HDV. Dropouts op de tape kunnen echter voor grote problemen zorgen. Zodra een of meerdere frames (en dan in het bijzonder de I-frames) verloren gaan vallen complete stukken video weg uit de stream die niet meer te corrigeren zijn.

Op dit moment worden HDV camera’s door veel omroepen in binnen- en buitenland op steeds grotere schaal toegepast om HD content te produceren. Hun keuze gaat hier vooral uit naar de HDCAM welke een betere kwaliteit kleur compressie kent, maar ze accepteren ook HDV camera’s voor het produceren van SD breedbeeld content.

HDV is een hele vooruitgang. Zeker als je dit afspeelt op een HD scherm. Uiteraard kunnen deze schermen ook DV afspelen, maar door het aanpassen van dit signaal naar het HD scherm ziet het erg onscherp. Daarom zien de meeste gebruikers liever een veel scherper HDV signaal met hier en daar een artefact.