История развития форматов видео-записи

Принятие решения о выборе видеооборудования того или иного формата, задача сегодня не из легких. В последнее время к существующим сегодня шести аналоговым форматам и восьми цифровым, добавились еще три из серии DV - DV, DVCAM, DVCPRO. Итого семнадцать. Какой формат выбрать? Хотя для начала полезно бы узнать, а какие они есть.

Начало кассетным видеоформатам положил в 1971 году формат U-matic. Он был крайне неудобен - огромные кассеты с пленкой 3/4 дюйма, тяжелые магнитофоны и т.д. С точки зрения профессионалов - это было то, что надо. Магнитофоны весили и были по размерам значительно меньше, чем катушечные, пленка была на кассете, а следовательно ее жизнь была гораздо дольше, чем у видеоленты на катушках, а качество записи было на уровне современных S-VHS (400 ТВЛ).

Что такое телевизионное разрешение по горизонтали?
Прежде всего, по умолчанию это касается черно-белого изображения и означает количество различимых черно-белых вертикальных линий на горизонтальной строке на участке равном высоте. То есть для получения максимального числа пикселей необходимого для отображения без потери качества, вам надо умножить 400ТВЛ на 4/3. Именно это соотношение сторон применимо к обычному телевидению. Получится 533 пикселя.

Что давало такое качество? Высокая скорость движения ленты- 95,3 мм/с, широкая наклонная видеодорожка - 105 мкм (сравним: сейчас у DV - 10 мкм, у DVCAM - 15 мкм, у DVCPRO - 18 мкм), значительный промежуток между видеодорожками, а при этом ширина самой видеоленты 3/4 дюйма или 19 мм против 6,53 мм у форматов DV. К тому моменту видеозапись уже освоила метод наклонно-строчной записи, что позволило на достаточно небольшом количестве видеоленты записывать до 60 минут видеоматериала, а ширина ленты в 19мм позволила разместить дополнительно - одну управляющую дорожку (СTL) по верхнему краю видеоленты и две звуковых дорожки - по нижнему краю (т.е. появилась возможность записывать стереофонограмму).

Это был несомненный прорыв и сделала его фирма SONY, положив тем самым начало эры кассетного видео. Дальнейшее совершенствование формата шло по пути расширения полосы записи / воспроизведения сигнала яркости и в процессе эволюции формата возникли три его разновидности:U-matic Low, U-matic Hight, U-matic SP.

В 1976 году появился разработанный фирмой JVC формат VHS. В 1984 году, данный формат был утвержден в качестве формата для бытовой видеозаписи. Ширина ленты в дюймах составляет 1/2 (или в мм-12,65), запись производится с помощью двух видеоголовок, расположенных на барабане под углом 180 градусов, хотя сейчас головок может быть и больше (до шести). В результате могут быть обеспечены различные режимы записи воспроизведения- SP, LP, EP, которые характеризуются различными скоростями записи-воспроизведения, для PAL: SP-23,39 мм/c, LP- 11,7 мм/с, EP- только для NTSC - 11,12мм/ c.

Следующий формат - S-VHS. Несомненно одно, чем дальше вперед, тем выше качество, за то и бьются все фирмы разработчики и производители. И S-VHS явился закономерным продолжением, разделение видеосигнала на яркость (Y) и цветность (С), дало неоспоримые преимущества по отношению к композитному (т.е. полному видеосигналу, как у VHS). Так и появился на свет сигнал Y/C. Фирма SONY к тому моменту разработала два новых формата: Video-8 (Hi-8) и ныне широко известный по своему старшему брату Бетакаму SP, формат Бетакам.

Пока JVC придумывала формат VHS и S-VHS, фирма SONY поступила проще, она сделала такой же, как JVC, только поменьше. Фактически формат Video-8, это повторение формата VHS, а формат Hi-8 - S-VHS. Отличительная особенность, единственная, в том и другом случае: ширина видеоленты, которая равняется 8 мм, и соответственно размер кассеты, который в результате значительно меньше.

Практически формат Video-8 был разработан на восемь лет позже, чем VHS, в 1984 году. Отличительной его особенностью, как мы уже говорили, была миниатюрность. Что же касается качества изображения, то это был стопроцентный VHS (250ТВЛ), с соответствующими композитными выходами и входами. В результате появилась целая серия мини- видеокамер под названием Handycam.

За счет своей миниатюрности формат хорошо прижился и начал довольно быстро распространяться по миру. В результате несколько фирм изготовителей оборудования данного формата объединились и через пять лет произвели формат Hi-8. Ширина ленты была та же - 8 мм, только лента была металлопорошковая, а видеосигнал записывался раздельно (Y/C). Это и есть тот самый S-VHS и соответственно на выходе видеокамер и магнитофонов Hi-8 вы можете обнаружить четырехштырьковый разъем MINI-DIN 4, которым коммутируются S-VHSные сигналы, и соответственно уровень качества записи 400 ТВЛ, при девиации в канале яркости 2 МГц.

При создании формата Betacam стартовым условием было одно - запись на ленту шириной 1/2 дюйма. SONY не только догнала JVC, но и перегнала. Она предложила запись не Y/C сигнала, а компонентного сигнала в форме Y, R-Y, B-Y. Такой сигнал было очень просто получить путем матрицирования исходного RGB сигнала (все сигналы в цветном видео передаются в RGB виде). Еще одно новшество придуманное японцами: сжимать сигналы компонент цвета ровно в два раза, складывать и записывать на одной строке. Одна строка яркости (Y) имеет длительность 64 микросекунды, каждая строка компоненты цветности (R-Y и B-Y) тоже по 64 мкс. Если бы все эти сигналы записывались, каждый своей видеоголовкой, то пришлось бы поставить три видеоголовки (одну для Y и по одной для R-Y и B-Y). В нашем же случае скомпрессированые в два раза и сложенные сигналы компоненты цветности (32 мкс + 32 мкс) стали занимать одну строку. В результате появилась возможность использовать всего две видеоголовки, сэкономить пространство на ленте и при этом получить отличное качество в 500 ТВЛ.

Такой способ записи видеосигналов получил название Compression Time Division Multiplex (или сокращенно CTDM). Надо сказать, что подобное техническое решение определило путь развития профессиональной видеозаписи на многие годы и даже десятилетия вперед. И даже сегодня, цифровые форматы используют компонентную форму сигнала, превращая ее в цифровой компонентный формат 4:4:4 или 4:2:2, но об этом уже дальше.

Еще одна гениальность этого изобретения состояла в том, что получающаяся видеозапись на ленте была внесистемной, т.е. не PAL, не SECAM. Записываем на любом магнитофоне Betacam и воспроизводим на любом магнитофоне Betacam. Никаких кодеров и декодеров. Правда одна проблема все-таки была, невозможно было воспроизводить сигналы NTSC (525 строк/ 60 полей против 625 строк /50 полей в PAL и SECAM). Тут возможно было применить транскодер (желательно цифровой).

Таким образом в формате Betacam на видеоленту сигнал Y и сигнал цветности (в виде сжатых и сложенных компонентных сигналов) записываются на отдельные видеодорожки разными видеоголовками. В верхней части видеоленты расположены две продольные дорожки, каждая шириной по 0,6 мм, для записи звука, а в нижней части ленты разместились дорожки управления и адресно-временного кода (так называемого продольного тайм кода или LTC).

Относительно тайм кодов. Первый тайм код пришел из NASA, достаточно быстро закрепился в видеозаписи и используется успешно до сих пор (а некоторые процессы, например озвучание под видео, без него просто невозможны). Как было написано выше, качество видеозаписи в формате Betacam удалось довести до 500 ТВЛ, это было качество, которое удовлетворяло тележурналистов и телевещателей всего мира. При этом оборудование было относительно, удобное в эксплуатации, высоконадежное. Betacam завоевал популярность и стал широко использоваться во всем мире.

По лицензии фирмы SONY, видеомагнитофоны Вetacam стали выпускать фирмы AMPEX (США, родитель ленточных видеомагнитофонов) и фирма THOMSON (Франция). Возможность работы по тайм коду и наличие в видеомагнитофонах Betacam встроенных TBC (корректоров временных искажений), позволяла создавать на их базе достаточно эффективные видеокомплексы с достаточно высоким качеством видео.

Дальнейшим развитием данного формата, явился формат BetacamSP. Благодаря более совершенным схемотехническим решениям, использованию более стойких видеоголовок и использованию металлопорошковой ленты, удалось достичь качества записи-воспроизведения на уровне 550 ТВЛ и отношения сигнал/шум в канале яркости 51 дБ. Помимо этого у видеомагнитофонов Betacam SP появилось две дополнительных звуковых дорожки и в результате их стало всего четыре. Впоследствии к выпускавшимся видеомагнитофонам серии BVW, добавилась серия PRO 2000, а еще позже серия 1000 (перекрывая почти все ценовые диапазоны). И таким образом формат Betacam SP на сегодняшний день оказался самым распространенным форматом в мире, количество единиц находящихся в эксплуатации составляет десятки тысяч, а фирма SONY стала пожинать плоды успеха. Остался всего один неохваченный аналоговый формат. Разработала этот формат фирма Matsushita Electronic Industrial (торговая марка "PANASONIC"). Да, именно та фирма, которая так активно внедрилась в рынок оборудования формата S-VHS, в 1986 году создала формат под названием M II (M 2).

Идея создания формата крайне проста, необходимо взять новое и соединить его со старым, что и было сделано. Взяли идею компонентной компрессированной записи из формата Betacam SP, но записывать стали на VHS кассету с высококачественной металлопорошковой лентой. Ширина то ленты та же, что и в Betacam SP, пол дюйма. Сигнал яркости Y записывался на одной дорожке, на другой - два скомпрессированных временным способом цветоразностных сигнала. На ленту записывались также четыре канала звука, ну и все остальное, что было необходимо (см. описание формата Betacam).

Формат имел достаточно широкое распространение в мире. Используется для тележурналистики до сих пор.

Типы видео-сигналов

В настоящее время существует два типа видео: аналоговое и цифровое.
Аналоговый видеосигнал в телевидении содержит 625 строк в кадре при соотношении размера кадра 4 х 3, что соответствует телевизионному стандарту. Этот сигнал является композитным и получается сложением яркостного сигнала Y, сигнала цветности (два модулированных цветоразностных сигнала U и V) и синхроимпульсов. Так как глаз человека менее чувствителен к изменениям оттенков цвета, чем к изменениям яркости, то цветовая информация может передаваться с меньшей четкостью. Поэтому в телевизионном сигнале, где каждый цвет описывается тремя составляющими: красной (R), зеленой (G) и синей (B), на их базе формируются сигнал яркости Y и цветоразностные сигналы U и V, причем последние передаются с разрешением, в два раза меньшим, чем Y. В телевизионном приемнике эти сигналы декодируются, и восстанавливается исходный RGB-сигнал.
В бытовых видеомагнитофонах для простоты декодирования сигналов объем информации в них ограничивается, что ведет к уменьшению четкости изображения и снижению числа строк до 240. Такое решение используется в форматах VHS и Video-8.
Более качественный результат получается при передаче двух композитных сигналов: яркости вместе с синхроимпульсами (Y) и модулированных цветовых сигналов (C). При этом обеспечивается разрешение в 400 линий. Такому решению соответствуют форматы записи S-VHS и Hi-8.
Только при переходе к компонентному сигналу, в котором все три составляющих — Y, U и V — передаются отдельно, можно достичь наиболее высокого качества. Такой сигнал используется в профессиональной аппаратуре формата Betacam, что позволяет получить разрешение до 650 линий.
Цифровое видео первоначально представляло собой преобразованный в цифровой формат аналоговый сигнал, в котором данные о серии изображений сохранялись на каком-либо запоминающем устройстве. Появление цифровых видеокамер позволило получать сигнал сразу в цифровой форме. Для них был разработан новый цифровой формат записи на магнитную ленту — DVC (Digital Video Cassette) или DV (Digital Video). Это компонентный формат представления сигнала, который обеспечивает разрешение по горизонтали 500 линий. Оцифровка осуществляется с разрешением 720 х 576 согласно схеме 4:2:0 (каждый кадр содержит 720 х 576 значений яркости Y и по 360 х 288 значений цветоразностных сигналов U и V). Благодаря раздельной записи видео и звука формат DV позволяет добавлять звуковое сопровождение после завершения записи или редактирования видео, а также перезаписывать звук.
Для телевидения также разработан новый цифровой стандарт HDTV (High Definition Television), который обеспечивает 1200 строк разрешения при соотношении размера кадра 16х9 по горизонтали и вертикали.
Существуют две основные технологии для воспроизведения видео на компьютере. Одна из них — QuickTime, разработанная фирмой Apple. Начиная с версии 3 она работает под Windows и использует для вывода на экран технологию DirectDraw, обеспечивая поддержку графических ускорителей. Для воспроизведения звука используются возможности DirectSound. Формат файлов QuickTime имеет расширение MOV. Другая технология — Video for Windows фирмы Microsoft — реализуется с помощью DirectX Media 5.1, в которой собрано несколько мультимедиа-технологий. В частности, DirectShow заменила Active Movie в поддержке разнообразных аудио- и видеоформатов. Стандартным форматом файлов служит AVI.
Для редактирования видео существует большое количество программных продуктов. Некоторые из них будут представлены далее.

Для понимания ситуации, которая сложилась в сфере профессионального видео-монтажа, в первую очередь требуется понять основные различия между видео вещательного качества для телевидения и видео, как оно реализовывается на персональных компьютерах. В течение многих лет на телевидении вырабатывались профессиональные стандарты на высококачественное видео. Эти усилия и жесткие требования привели к появлению многих технологических новшеств. Поэтому определение и характеристики цифрового видео вещательного качества существенно отличается от того, которое принято среди компьютерных профессионалов.

В начале был аналог

Самым ранним методом передачи видеосигналов является аналоговый метод. Одним из первых видеоформатов на основе этого принципа стал композитный видеосигнал. Композитное аналоговое видео комбинирует все видеокомпоненты (яркость, цвет, синхронизацию и т. п.) в один сигнал. Из-за объединения этих элементов в одном сигнале качество композитного видео далеко от совершенства. В результате мы имеем неточную передачу цвета, недостаточно "чистую" картинку и другие факторы потери качества.

Композитное видео быстро уступило дорогу компонентному видео, в котором различные видеокомпоненты представлены как независимые сигналы. Дальнейшие усовершенствования этого формата привели к появлению различные его вариаций: S-Video, RGB, Y, Pb, Pr и др.

Тем не менее, все вышеперечисленные форматы остаются аналоговыми по своей сути, и, следовательно, обладают одним существенным недостатком: при копировании дубль всегда уступает по качеству оригиналу. Потеря качества при копировании видеоматериала аналогична фотокопированию, когда копия никогда не бывает такой же четкой и яркой, как оригинал.

Цифровое видео

Недостатки, присущие аналоговому способу воспроизведения видео, в конце концов привели к разработке цифрового видеоформата. На смену аналоговому видео пришло цифровое. В области профессионального видео применяется несколько цифровых видеоформатов: D1, D2, Digital BetaCam и др. В отличие от аналогового видео, качество которого падает при копировании, каждая копия цифрового видео идентична оригиналу.

Хотя современный видеоряд базируется на цифровой основе, практически все цифровые видеоформаты до сих пор в качестве носителя исходного сигнала используют пленку с последовательным доступом. Поэтому большинству профессионалов в области видео все еще привычней работать с пленкой, чем с компьютером.

Конечно, пленка в качестве источника данных все еще остается более предпочтительной, чем жесткий диск компьютера, поскольку вмещает значительно больший объем данных. Но зато для цифрового видеомонтажа использование компьютеров дает ряд существенных преимуществ: не только обеспечивает прямой доступ к любому видеофрагменту (что невозможно при работе с пленкой, поскольку к необходимым участкам можно добраться лишь последовательно просматривая видеоматериал), но и предполагает широкие возможности обработки изображения (редактирование, сжатие).

Это достаточно веские причины для перехода видеопроизводства с традиционного оборудования на компьютерное.

Компьютерное цифровое видео представляет собой последовательность цифровых изображений и связанный с ними звук. Элементы видео хранятся в цифровом формате.

Существует множество способов захвата, хранения и воспроизведения видео на компьютере. С появлением компьютерного цифрового видео стихийно стали возникать самые разнообразные форматы представления видеоданных, что поначалу привело к некоторой путанице и вызвало проблемы совместимости. Однако в последние годы благодаря усилиям Международной организации по стандартизации (ISO -- International Standards Organisation)[1] выработаны единые стандарты на форматы видеоданных, которые мы позже рассмотрим.