Цифровое видео (История развития)

На этом эпопея аналоговых форматов заканчивается и начинается: "новая эра цифрового видео".

На самом деле все не совсем так. Разработка цифровых форматов происходила параллельно с разработкой аналоговых форматов. Первые зачатки цифрового видео уже были и в формате Betacam. Начиная, от микропроцессорного управления, до частичных цифровых обработок сигнала. Первый промышленный цифровой видеомагнитофон DVR-1000 формата D1,был создан фирмой SONY в 1986году. В аппаратах, которые выпускаются до сих пор, используется цифровая компонентная видеозапись по стандарту 4:2:2. 4:2:2 (как 4:4:4 или 4:1:1 и т.д.) - это цифровой аналог компонентного аналогового сигнала. В магнитофонах формата D1 запись производится наклонно-строчным способом, двумя вращающимися видеоголовками (как у Betacam). Только головки записывают не сигналы яркости и цветности, а распараллелинные цифровые потоки, что необходимо для согласования записываемого цифрового потока видеоданных с пропускной способностью канала магнитной записи-воспроизведения. Запись в данном случае является сегментной, для одного поля записывается 12 дорожек в варианте 625/50 и 10 для 525/60. Скорость записи составляет 286,9 мм/с. Скорость передачи цифрового потока составляет 270 Мбит/с. Запись производится на кассету с оксидной магнитной лентой шириной 3/4 дюйма (как у U-matic) и толщиной ленты 16мкм и 13 мкм. Продолжительность записи достигает 94 минут.

Чем же цифровые магнитофоны были лучше? Прежде всего техническими параметрами. Так, например, полоса частот записываемого видеосигнала (в канале яркости) достигает 5,75 МГц, при отношении сигнал/шум 56 дБ. Полоса частот звукового сигнала 20 Гц- 20 кГц, при динамическом диапазоне более 90 дБ. Цветное изображение воспроизводится при скоростях перемотки, превышающих нормальную в 50 - 100 раз. Время записи на одну кассету может достигать четырех часов. Но, конечно, главной отличительной особенностью цифровых форматов, является возможность большого количества перезаписей. В отличие от аналоговых аппаратов, где всегда происходит процесс накопления искажений от перезаписи, к перезаписи, в цифровых форматах такого не происходит. В результате возможно копирование исходного материала десятки, а иногда и сотни раз, без заметного ухудшения качества. Кто хоть когда-нибудь сталкивался с видеопроизводством, понимает насколько это важно.

Формат D1 и по сегодняшний день, является наилучшим для студийной работы, поскольку в нем используется компонентный сигнал и сохраняется полная полоса частот сигналов, что в свою очередь позволяет достичь идеальных переходов в рирпроекции (комбинированном кадре). Оборудование формата D1 легко, без дополнительного транскодирования, стыкуется с блоками цифровых видеоэффектов, телекинопреобразователями, дисковыми накопителями.

Вскоре появляется формат D2. Формат создавался в альянсе фирмами SONY и AMPEX.Формат был предназначен для обработки, записи и воспроизведения полного (композитного) цветового видеосигнала стандартов PAL и NTSC.

При переводе аналогового композитного сигнала в цифровой существует целый ряд особенностей, который приводит к тому, что для диапазона от номинальной величины черного до номинального белого выделяется меньшее количество уровней квантования, чем для компонентного сигнала. В результате при работе с данным форматом возможны перекрестные искажения сигналов цветности, обеспечивается достаточно узкая полоса частот, необходима синхронизация сигнала цветности. Но, несомненно, что формат имеет значительные преимущества перед аналоговой композитной видеозаписью (VHS). Например, возможность многократной перезаписи без потери качества, возможность скоростного воспроизведения с 60-кратным превышением скорости.

Запись в данном формате производится на металлопорошковую ленту шириной 19,01 мм, упакованную в кассеты трех видов: малые, средние, большие. Оборудование данного формата стоит значительно дешевле, чем формата D1 и его можно стыковать с аналоговым оборудованием по аналоговым входам выходам.

Следующим форматом за форматом D2 идет формат D3. Формат был разработан мощной вещательной корпорацией NHK. Оборудование для данного формата создавала фирма Panasonic. При этом в данном формате используется видеолента шириной 1/2 дюйма. В результате продолжительность записи на одну кассету составляет от 50 до 245 минут. Оборудование формата D3 работает с 8-битными видеосигналами. Поскольку используется цифровой композитный видеосигнал, характеристики оборудования такие же, как в формате D2. При этом шаг записи дорожки в данном формате составляет 18 мкм (в 19 мм форматах - 35 или 40 мкм). Поэтому в данном формате достигается наибольшая плотность записи - 13,7 Мбит на кв. сантиметр, а это в свою очередь позволяет сократить в два раза расход ленты и, соответственно, снизить эксплуатационные расходы. При заметно более низкой стоимости, оборудование данного формата, практически, не уступает форматам D1 и D2 по функциональным возможностям, качеству сигнала и защите от ошибок.

Вплотную вслед за форматом D3, следует формат D5. Данный формат уже является компонентным, кодировка цветоразностных составляющих осуществляется в 10-битной форме, в соответствии с Рекомендациями ITU -R601(ранее СCIR601). Данный стандарт определяет уровни и частоты квантования, матрицирование RGB/Y,R-Y,B-Y и характеристики фильтров. Видеомагнитофоны формата D5 имеют встроенные декодеры и могут воспроизводить сигналы формата D3. Они также способны формировать изображение, как формате растра 4:3, так и 16:9.

Поскольку цифровая запись производится без компрессии сигнала, формат D5 обладает всеми преимуществами формата D1 и дает прекрасное качество изображения. Оборудование данного формата пригодно, как для высококачественных видеомонтажей, так и для более простых операций. При этом данный формат пригоден и для работы с ТВЧ сигналами при использовании компрессии 5:1.

И последним форматом в серии форматов D, является формат D6. Цифровой широкополосный формат D6 был специально разработан фирмами Toshiba и BTS, в 1993 году, для записи цифровых сигналов ТВЧ с соотношением сторон изображения 16:9. Формат имеет очень высокую пропускную способность до 1,2Гбит/с. Первый видеомагнитофон формата D6 - DCR6000 был выпущен в 1994 году. Он позволяет записывать цифровые видеосигналы ТВЧ обоих стандартов 1250/50/2:1 и 1125/60/2:1. Запись производится на кассету с видеолентой шириной 19 мм наклонно- строчным способом в виде блоков данных.

Отличительной чертой аппаратуры D6 является очень эффективная встроенная система коррекции ошибок. Данная система необходима в связи с тем, что в аппаратах цифровой видеозаписи плотность записи столь высока, что отношение сигнал/шум невелико и ошибок в канале записи воспроизведения не избежать. Для коррекции ошибок могут использоваться различные коды, например, код с проверкой на четность или более эффективный, код Рида-Соломона. В настоящий момент в цифровом оборудовании видеозаписи используется в основном последний код. Хотя иногда могут быть применены и другие более эффективные коды исправления ошибок. Но это тема для специализированных журналов.

Мы же продолжаем двигаться по пути освоения форматов видеозаписи, впереди Digital Betacam.

Любая фирма думает о преемственности поколений выпускаемого фирмой оборудования. Фирма SONYбыла озадачена данной проблемой не меньше, а может даже и больше других, ведь оборудование этой фирмы было распространено по всему белому свету. При этом специалисты фирмы совершенно четко понимали, что дальнейшее развитие видео будет идти по пути тотальной "цифровизации" и крайне важно на первых порах дать возможность потребителю пройти по данному пути постепенно.

Digital Betacam - это было именно то решение, которое нужно. Во-первых, он обладал всеми преимуществами цифровых форматов. Во-вторых, он был совместим с форматами Betacam и Betacam SP. В-третьих, он был значительно дешевле оборудования формата D1. Я думаю, этих трех пунктов вполне достаточно, чтобы понять всю необходимость появления данного формата.

Так что же собой представляет формат Digital Betacam? В формате Digital Betacamиспользуется крайне эффективный способ обработки информации BRR (Bit Rate Reduction), который позволяет одно и тоже количество видеоинформации представлять меньшим объемом данных, что, естественно, значительно снижает скорость потока цифровых данных. Данный способ применяется отдельно для каждой составляющей компонентного сигнала. Для увеличения же плотности записи данных на видеоленту используется метод DCT(дискретное косинусоидальное преобразование). DCT это математический инструмент BRR, который позволяет сжать даже самые сложные изображения, насыщенные мелкими деталями. Коэффициент компрессии при этом составляет всего 2:1.

Записываемый цифровой поток имеет скорость 125,58 Мбит /с. Запись ведется на металлопорошковую ленту шириной 1/2 дюйма. На видеоленту при этом записываются продольные дорожки управления, временного кода и режиссерская. Каждое ТВ поле записывается на шести наклонных дорожках. Достаточно плотная упаковка дорожек предъявляет повышенные требования к точности работы лентопротяжного механизма и системы автотрекинга.

При разработке формата была предложена специальная система трекинга, в которой используются пилот- сигналы: FI - записываемый на частоте 400кгц и Fh- записываемый на частоте 4 МГц. Пилот- сигналы используются в качестве опорных точек и при монтаже в режиме вставки не стираются. Частота дискретизации звукового сигнала составляет 48 кГц при 20-битном квантовании. При записи звуковые сектора раполагаются в середине наклонных дорожек, что обеспечивает защиту звуковых данных от краевых дефектов. Для защиты от ошибок используется код Рида-Соломона.

В линейку оборудования Digital Betacam входят следующие устройства:

• видеомагнитофоны - DVW-A500P, DVW-500P, DVW - 250P;
• видеоплейеры - DVW-A510P, DVW-510P, DVW-522P;
• видеокамеры - DVW-700, DVW-700WSP;
• видеосвитчеры - DVS-2000C, DVS-6000C, DVS-7000C, DVS-8000C, DVS-1000C;
• системы цифровых спецэффектов - DME-3000, DME-5000;
• цифровые аудиомикшеры - DMX-E2000, DMX-E3000, VSP-8000.

Как уже отмечалось, оборудование формата Digital Betacam позволяет постепенно трансформировать существующую линейку видеооборудования, заменяя один компонент за другим. При этом каждый потребитель может исходить из собственных задач и финансовых возможностей. Максимальный эффект от использования оборудования данного формата возможно получить при включении его в состав оборудования видеомонтажных и компоновке программ. При этом основное преимущество цифрового оборудования будет состоять в том, что, как уже писалось, на нем возможно делать неограниченное число перезаписей, что значительно расширяет творческие возможности видеорежиссеров и видеомонтажеров.

Центром цифровой аппаратной видеомонтажа может стать цифровой видеомикшер DVS-2000C. Он имеет 16 входов, генераторы спецэффектов и испытательных таблиц, жидкокристалический дисплей с интерактивным меню. Данный микшер состоит из блока главного процессора, управляющей панели и множества сменных дополнительных модулей, позволяющих оптимизировать конструкцию микшера под конкретную задачу. Микшер может работать как с последовательными цифровыми, так и аналоговыми компонентными сигналами. При использовании дополнительно блока трехмерных спецэффектов DME-3000,возможности создания различных видеоэффектов значительно расширяются, при этом управлять DME-3000 возможно с панели DVS-2000C.

Крайне интересна видеокамера формата Digital Betacam - DVW-700P.
Эта видеокамера представляет собой камкодер формата Digital Betacam. Несомненно, что в нем воплощены многие мечты профессиональных видеооператоров. В данной модели наряду с цифровой компонентной обработкой сигнала используется и цифровая обработка сигнала в камерной части DSP (Digital Signal Processing). Благодаря этому камера обеспечивает очень высокое качество изображения.

Обработка сигнала в камере происходит по 14 битному процессу с частотой квантования 36 Мгц. Процесс обработки включает в себя: цветовую коррекцию, коррекцию линейности, автоматическое поддержание уровней черного и белого, поддержание всех выбранных и заданных параметров изображения с высокой стабильностью, горизонтальную коррекцию деталей изображения и т.д. Все это помогает оператору выбрать наиболее оптимальный режим видеосъемки, быстро и правильно настроить видеокамеру в конкретных условиях или использовать ранее запомненные значения параметров. Для операторов ТЖК это крайне необходимые вещи.

В камере используются ПЗС (CCD) матрицы типа Hyper HAD 1000. Использование данных матриц позволило получить разрешающую способность камеры свыше 850 ТВ линий. При всех своих наворотах и достаточно широких функциональных возможностях видеокамера обладает достаточно малым весом, всего 7 кг (и это вместе с объективом, аккумулятором, микрофоном, видоискателем и кассетой)! При этом о видоискателе: разрешение - 600 ТВЛ, индикация центральной и безопасной зон, программируемый предупреждающий индикатор, двухуровневая зебра, рамочный курсор с точно устанавливаемым размером и позицией, новый, мягкий, специализированный наглазник.

Но если вас не удовлетворяет черно- белая картинка просматриваемого видео в видоискателе, то у данного камкодера есть еще одно крайне важное преимущество по сравнению с остальными, он способен воспроизводить полный телевизионный сигнал без какого-либо дополнительного адаптера. Те кто работал с Beta SP понимают насколько это важно. Ибо тащить с собой в поле на съемку портативный монитор это есть осознанная необходимость, но таскать за собой бетакамовский плеер, это уже некчемная потребность. Тяжело, а надо. Но когда не тяжело и не надо, это совсем другое дело. Так вот с камерой DVW -700P- не тяжело и не надо.

И это еще не все достоинства данной камеры. Помимо всего этого DVW - 700 имеет:

• высокий уровень самодиагностики,
• наличие установочной магнитной карты, позволяющей мгновенно устанавливать камеру в заданный режим (уже говорили),
• звукоизолированный лентопротяжный механизм,
• встроенный генератор/считыватель временного кода.

В случае если на камеру установлен триаксиальный адаптер CA-705, то камкодер может работать с камерным каналом CCU-355P и, соответственно, использоваться в студии или в составе ПТС (передвижная телевизионная студия). Литиевый аккумулятор марки BP-L60, позволяет производить запись в беспрерывном режиме в течение двух часов. Использование специальной металлопорошковой ленты марки BCT-D и эффективное кодирование увеличивает продолжительность записи на одной кассете до 40 минут.

Видеокамера DVW - 700 выпускается в двух модификациях:

• DVW - 700P, стандартный вариант размер изображения 4:3;
• DVW - 700WSP (wide screen), переключаемый вариант изображения 4:3/16:9;

Пожалуй, это все, что можно сказать об этой прекрасной камере. Конечно, тех кто захочет ее купить несколько может смутить цена, где-то около 80.000 USD, но как говорят, за качество нужно платить.

А мы двигаемся дальше. На очереди Betacam SX!

Формат Betacam SX представляет собой одно из новых решений фирмыSONY.Начало 90-х годов было охарактеризовано началом эры цифрового видео и наряду с профессиональным и хорошо зарекомендовавшим себя форматом D1,фирма SONY разработала формат более дешевый, чем D1, с точки зрения стоимости оборудования, но не менее качественный и удобный, с точки зрения работы и обслуживания.

Формат Betacam SXсочетал в себе прекрасные характеристики 1/2'' формата Betacam SP и цифровые технологии форматов D-1, D-2 и Digital Betacam. Как всегда, фирма SONY не использовала что-то готовое, а придумала нечто свое (это еще раз подтверждает высокий класс специалистов, работающих в данной фирме). В данном случае это был абсолютно новый метод компрессии цифровых 4:2:2 сигналов - "SX" (ныне известный под названием "4:2:2 Studio Profile" или "4:2:2 Profile"), базирующийся на методе компрессии сигнала 422Р@ML стандарта MPEG 2. Данный метод обеспечивал коэффициент сжатия (включая вертикальные интервалы гашения) 10 : 1, скорость потока видеоданных 18 Mб/с (20-21 Мб/с, включая аудио), вещательное качество, полный покадровый монтаж, возможность многократного копирования, минимальные артефакты на линиях передачи.

Применение данного метода сжатия позволило создать одну из лучших цифровых систем сбора новостей, имеющей высокую скорость передачи информации от места съемки в студию, высокоскоростную загрузку видеоматериала в видеосервер, возможность нелинейного монтажа и экономичного архивирования и серверного воспроизведения видеоматериала в эфир. Практически, видеоматериал может перекачиваться в систему монтажа с учетверенной скоростью, по отношению к реальному времени и независимо от протекающего параллельно видеомонтажа. Несомненно, что это были очень большие достижения фирмы SONY и она достаточно активно продвигала данный формат на рынок.

Betacam SX вобрал в себя все лучшее из распространенной в организациях телевещания инфраструктуры, рассчитанной на применение интерфейсов SDI (последовательный цифровой интерфейс) и новую сетевую технологию SDDI(последовательный цифровой интерфейс передачи данных), которая позволяет вести передачу сжатых видео и аудиоматериалов значительно быстрее, чем в реальном масштабе времени, без потери качества изображения. При этом оборудование формата Betacam SX совместимо с оборудованием аналоговых форматов. Betacam SX сочетает в себе превосходное качество изображения с отличной передачей яркости отдельных деталей и улучшенной цветовой разрешающей способностью. Благодаря цифровой выборке 4:2:2 сохраняется полная информация о цветности, необходимая для монтажа, спецэффектов и постобработки программ теленовостей. Мощная коррекция ошибок автоматически исправляет ошибки типа "выброс" во время записи и воспроизведения, что гарантирует практически полное отсутствие выпадения сигнала.

Оборудование формата Betacam SX может являться основой цифровой аппаратной теленовостей и предназначено для получения превосходящего качества изображения, ускоренного монтажа, увеличения гибкости и производительности в области сбора новостей и производства телепрограмм. Кроме того, оборудование Betacam SX имеет усовершенствованный алгоритм сжатия, кардинально сниженные габариты и эксплуатационные расходы, преимущества нелинейного видеомонтажа. Аппаратура Betacam SX использует кассеты того же размера, что и Betacam SP и Betacam и может воспроизводить аналоговые записи с оксидных и металлизированных пленок. Возможность использовать для записи видеоленты серий BCTM и UVWT значительно расширяют диапазон доступных носителей и обеспечивают значительную производительность при минимальных затратах. Таким образом открывается путь плавного перехода от работы с аналоговыми форматами к работе с цифровым форматом. Схема аппаратной использующей аналоговый и цифровой формат представлена на рисунке 2. К оборудованию формата Betacam SX относится следующее: компактное устройство видеомонтажа -DNE -50; камкодеры - DNW-7, DNW-90, DNW-90WS; присоединяемый магнитофон - DNW-5; гибридные цифровые магнитофоны-DNW-A100, DNW-A50, DNW-A45; цифровой спутниковый модулятор и демодулятор - DSM -T1, DSM-R1; система нелинейного монтажа - DNE- 1000.