: архив : архив журнала "625" : 1993 : #2

Цифровая запись: от PAL до ТВЧ
Ричард Скотт, технический директор Panasonic Broadcast Europe

Обнародование фирмой Panasonic в нынешнем году своего нового формата цифровой записи компонентных сигналов на полудюймовой ленте (который иногда неофициально называют форматом D-5 или D-10) ознаменовало второй из трех важных этапов применения технологии Panasonic для цифровой записи на ленте шириной 1/2 дюйма.

Эта новая компонентная система D-5 дополняет систему цифрового видеомагнитофона формата D-3 для записи полного видеосигнала и имеет много общего с этим форматом, который, по мнению многих специалистов, является наиболее успешным форматом цифровой видеозаписи девяностых годов.

В последнее время представители телевизионной индустрии критикуют изготовителей, которые, по их мнению, слишком часто разрабатывают несовместимые форматы. Разработчики семейства полудюймовых цифровых видеомагнитофонов под такую критику, видимо, не подпадают, поскольку основную цель видят в продлении максимального срока службы формата. Хотя надежность и низкие издержки владения всегда были важны, в сложной современной экономической обстановке в мире они превратились в критический фактор приемлемости новых изделий для телевизионной индустрии.

В отличие от других новых форматов цифровой видеозаписи, разработка форматов D-3 и D-5 велась почти параллельно и на базе одной и той же технической «платформы»; что позволило выверить основную технологию сначала на формате D-3 прежде, чем предпринять следующий шаг - переход к D-5. Это, помимо прочего, придает формату D-5 и существенную степень защиты от «проблем нового формата», поскольку практически все непредвиденные «проблемы прорезания зубов» были решены в период испытаний опытного образца аппарата формата D-3, а благодаря техническому подобию форматов полученный опыт мог быть непосредственно перенесен на формат D-5.

Есть ли будущее у формата D-3?

За два года, прошедших после поставки первых опытных образцов видеомагнитофонов формата D-3 на ВВС Television, осуществленных в январе 1991 года, по всему миру уже подготовлены многие тысячи часов высококачественных телевизионных программ в формате D-3. Многие режиссеры, операторы и монтажеры ныне высоко оценивают ту быстроту, гибкость и высокое качество, которые возможны только на цифровых видеомагнитофонах. Эти достоинства подтверждены и наиболее требовательными вещательными корпорациями (их длинный перечень возглавляют NHK, ВВС, NBC, CTV, TVE, YLE, YTV ...), и RTO на Олимпийских играх 1992 года в Барселоне, где более чем 1200 видеомагнитофонов формата D-3 продемонстрировали подлинно образцовые характеристики.

Фирма Panasonic всецело посвятила себя поддержке формата D-3 и в этом и в следующем столетиях - она разрабатывает все новое и новое оборудование различного назначения. Применение цифровых видеомагнитофонов формата D-3 - прямой путь к максимально возможному качеству на технологических комплексах, основанных на полном (композитном) видеосигнале, притом с сохранением существующей инфраструктуры. Вне всяких сомнений, такой переход к цифровой технологии - экономически наиболее эффективен.

Совместимость форматов D-3 и D-5

Техническая близость форматов D-3 и D-5 позволяет сравнительно простыми средствами обеспечить непосредственное воспроизведение записей композитного формата D-3 на аппаратах компонентного формата D-5. Этим, в частности, гарантируется в будущем дополнительная техническая поддержка формата D-3.

Надо заметить, что стандартный блок головок формата D-5 не требует каких-либо изменений, чтобы сканировать и воспроизводить видеофонограммы формата D-3. Такую совместимость по воспроизведению способна обеспечить съемная печатная плата цифрового декодирования - по сути это все, что нужно!

В съемном цифровом декодере PAL для видеомагнитофона формата D-5 применена современнейшая, полностью цифровая техника декодирования. Кассеты с видеофонограммой формата D-3, записанные в организациях, уже оснащенных аппаратурой этого формата, могут поставляться независимо от того, осуществляется ли окончательная передача сигнала в формате D-3 или же D-5.

Такой подход, кстати, реализуемый лишь цифровыми средствами, с экономических позиций наиболее целесообразен, поскольку полезный эффект совместимости достигается без необходимости использовать различные более сложные и более дорогие блоки головок.

D-3 и архивы

Важность рассмотренного элегантного перехода от видеофонограмм композитного видеосигнала к компонентным признана многими специалистами, обеспокоенными проблемой сохранения архивных материалов. Известно, что большая часть ценных архивных программ ( в среднем по Европе около 70% ) в настоящее время хранится в виде записей в таких аналоговых композитных форматах, как дюймовые С и В, а также, конечно, в двухдюймовом - Quad (четырехголовочный). Все эти видеофонограммы требуют срочной перезаписи в цифровой композитный формат.

Такая срочность частично обусловлена устарелостью воспроизводящей аппаратуры, а частично износом сохраняемых лент.

Многие вещательные организации для архивов ориентируются на формат D-3, поскольку в будущем возможно воспроизведение таких видеофонограмм на аппаратах цифрового компонентного и композитного форматов. При этом нет необходимости в декодировании сигналов PAL на этапе перезаписи, что экономически весьма эффективно, а технически здраво.

Таким образом, воспроизводить ценные архивные материалы станет возможным и в композитном формате D-3 и компонентном D-5, причем процедура перезаписи в этом случае полностью исключается.

Надо отметить, что архивы аналоговых компонентных видеофонограмм не только заметно новее и по объему меньше композитных, но и на многие годы вперед сохранят поддержку со стороны изготовителей воспроизводящей аппаратуры. Нет также данных об ухудшении характеристик металлопорошковой ленты в процессе хранения. Поэтому в настоящее время нет необходимости в перезаписи таких архивов на цифровые форматы.

Общая оценка формата D-5

Когда в 1990 г. впервые были обнародованы технические параметры формата D-3, конкуренты заявили, что шаг строчек записи 18 мкм и полудюймовая лента не «вынесут» реальной технологии вещания. Теперь скептики посрамлены: новый формат существует, и в условиях телепроизводства доказывает свою эффективность. Создан и уже два года успешно работает во многих вещательных организациях цифровой видеомагнитофон. Формат D-3 подтвердил и превосходную взаимозаменяемость и «выносливость» в недавних официальных испытаниях, проведенных EBU. По ходу испытаний было отмечено, что полная взаимозаменяемость в формате D-3 обеспечена при менее чем половинном расходе ленты в сравнении с предшествующими цифровыми композитными форматами на ленте 3/4 дюйма.

Фирма Panasonic еще в своих первых аналоговых компонентных видеомагнитофонах вещательного качества наглядно продемонстрировала великолепные возможности «высокоплотной записи» и, следовательно, минимального расхода ленты.

Так, в формате М II ширина строчек записи 56 мкм, т.е. на 35% меньше, чем в аналоговых компонентных видеомагнитофонах других форматов. При этом обеспечены равноценные с иными форматами рабочие характеристики.

В форматах D-3 и D-5 шаг строчек записи снижен до 18 мкм (сравните с 35 мкм и 40 мкм в 3/4-дюймовых цифровых форматах). Таким образом, достигнута наивысшая на данный момент поверхностная плотность 13,7 Мбит на квадратный см (соответственно снижен и такой показатель, как расход ленты на каждый байт информации).

Основные технические характеристики
систем формата D-5

• Цифровая запись компонентных сигналов на ленте шириной 1/2-дюйма.
• Полнобитовая запись (без сжатия).
• 10-разрядный видеосигнал 4:2:2 по стандарту МККР 601.
• Частота отсчетов видеосигнала 4:2:2 - 18 МГц.
• 20-разрядный звуковой сигнал по стандарту AES/EBU, 4 канала.
• 1/2-дюймовая металлопорошковая лента (в кассетах формата D-3).
• Максимальные длительности воспроизведения: 32 мин, 62 мин, 123 мин (для кассет типоразмеров S, M, L)

Техническое подобие форматов D-3 и D-5 наглядно подтверждает следующая таблица:

Параметр	D-3	D-5
Частота вращения диска головок	100 Гц	100 Гц
Шаг строчки записи	18 мкм	18 мкм
Минимальная длина волны записи	0,71 мкм	0,71 мкм
Канальный код	новый 8-14	новый 8-14
Стирание вращающейся головкой	есть	есть
Спаривание звуковых секторов	есть	есть

Аппаратура формата D-5

Первым аппаратом, работающим в формате D-5, станет видеомагнитофон, который появится на рынке уже в этом году. По набору технических и технологических возможностей этот аппарат очень близок к видеомагнитофонам формата D-3. Создавая новый видеомагнитофон фирма Panasonic учла пожелания, высказанные потребителями аппаратов формата D-3, что позволило дополнительно расширить возможности видеомагнитофонов формата D-5. Размеры нового студийного видеомагнитофона те же, что у аппарата AJ-D350 (6 блоков по высоте). В аппарат встроены высококачественные аналого/цифровой и цифро/аналоговый преобразователи, что позволит непосредственно присоединять этот аппарат к системам аналоговой записи компонентных сигналов.

Видеомагнитофон формата D-5 оснащен новыми высококачественными интегральными схемами последовательного цифрового интерфейса Panasonic, что позволит подсоединять к нему широкий набор последовательных цифровых аппаратов, в том числе уже выпускаемый интерфейс на 270 Мбит/с и новый - на 360 Мбит/с согласно стандарту SMPTE S.17.394 (пока еще не признанному EBU).

Портативные видеомагнитофоны формата D-3 остаются самыми малыми в мире цифровыми магнитофонами - это достижение было признано на IBC в 1990 г., когда моноблочная видеокамера AJ-D310 завоевала несколько призов, включая приз Питера Вейна.

Опираясь на уже накопленный опыт в формате D-3 Panasonic ведет разработку легких портативных цифровых компонентных аппаратов формата D-5, в которых будут применены и другие технологические новшества, ныне еще отрабатываемые.

Лента

Видеомагнитофоны форматов D-3 и D-5 рассчитаны на единую ленту для цифровой записи. Это очень важно, поскольку для изготовителей ленты объем производства является важным фактором, определяющим удельные издержки и, в конечном итоге, себестоимость продукции. Если лента будет покупаться пользователями аппаратов форматов D-3 и D-5, то значительная экономия затрат может быть коснется и потребителей.

Ленты форматов D-3 и D-5 будут выпускаться в двух вариантах толщины: 11 мкм и 14 мкм. Такой подход уже был принят при разработке формата D-1. При этом все видеомагнитофоны форматов D-3 и D-5 могут работать с лентами обоих типов - лента толщиной 11 мкм нужна лишь тогда, когда требуются максимальные длительности непрерывного воспроизведения .

Другие предложения по новым 1/2-дюймовым цифровым компонентным видеомагнитофонам не только требуют разработки новой «специальной» ленты с высокими характеристиками, но и поощряют применение различных аналоговых и цифровых лент в одном и том же видео магнитофоне.

Комбинированное воспроизведение аналоговых и цифровых записей на одном и том же видеомагнитофоне означает, что видеомагнитофон должен быть разработан для работы с более широким набором лент различных типов - например, с лентой на оксиде железа, «экономичной» аналоговой и «стандартной» металлопорошковыми лентами, а также «специальной» цифровой металлопорошковой лентой. Таким образом, оптимальный выбор в пользу чистой «полностью цифровой» комбинации лент для видеомагнитофона, по сути, невозможен.

Применение ленты на оксиде железа с более низкими характеристиками или «низкосортной» металлопорошковой ленты в цифровых видеомагнитофонах для аналогового воспроизведения может привести к быстрому загрязнению головок. Конечно же, в цифровых видеомагнитофонах потери качества изображения и звука, вызванные загрязнением, относительно легко «маскируется». Однако, когда применяется компрессия, например сжатие информационного потока в отношении 2:1, однократное загрязнение головки может привести к потере до 25% данных. Подобное снижение помехозащищенности ведет и к худшему маскированию, чем у видеомагнитофонов без сжатия.

Сжатие информационного потока

Сжатие информационного потока - мощное и важное средство снижения скорости передачи данных, связанных с цифровым видео или звуковым сигналом. Изощренные алгоритмы принимают решения и отсеивают участки сигнала, являющиеся «избыточными».

Если идентичные элементы в изображении отсутствуют, решение о понижении скорости передачи данных все равно принимается, в этом случае «удалению» подлежит информация о мелких деталях или «несущественных» переходах от одной детали к другой.

У метода сжатия множество возможных применений, в частности можно назвать системы косвенного монтажа (по копиям), каналы передачи видеоинформации. Если для представления несжатого видеосигнала требуется поток данных 300 Мбит/с, то компрессия с отношением 2:1 понижает этот поток до 150 Мбит/с, а сжатие 100:1 - 3 Мбит/с. Очевидно, что при компрессии 2:1 теряется менее существенная часть видеоинформации, чем при сжатии 100:1. В итоге с ростом показателя компрессии снижается качество восстановленного изображения.

Допустимое сокращение избыточности определяется областью применения системы сжатия. В тех случаях, когда видеоинформация используется только один раз или же считается допустимым снижение качества изображения, допустима даже значительная глубина компрессии. Так, в системах косвенного монтажа на дисках вполне допустимо сжатие с отношением до 100:1. В каналах передачи сигналов телевидения уже сейчас применяется компрессия до 8:1.

В системах видеозаписи общего назначения сжатие не должно ограничивать обработку сигнала в «реальном времени» на внутриполевой основе (поле за полем). Это существенно для монтажа, выполняемого с точностью до поля.

Термин «общего назначения» подразумевает разнообразный спектр применений в телевидении: от программ новостей до развлекательных записей (lay off recording) для высококачественной графики.

К нормальным производственным требованиям относится и большое число последовательных копий видеофонограммы и возможность введения спецэффектов между копиями. С этих позиций допустимая степень сжатия ограничена очень «мягкой» формой с небольшим сокращением потока данных. В противном случае становится неприемлемым снижение качества изображения. Но даже относительно мягкое сокращение потока, отвечающие приведенному критерию, строго говоря, не может претендовать на «прозрачность» канала. Например, если в процессе сжатия принято решение об устранении «несущественной» информации, она уже не может быть восстановлена.

Когда следует применять сжатие?

Panasonic развивает высокую активность в области сжатия потока данных. За последние 10 лет коллективы, занятые исследованиями и разработками в области сжатия, существенно выросли. Надо сказать, что каждое направление возможного применения систем сжатия требует определения отдельного критерия. MPEG - это координировано проводимая программа , в которой участвуют многие ведущие фирмы, включая и Panasonic. В настоящее время ускоренно и, в целом, успешно ведутся исследования и разработка «абсолютного алгоритма уменьшения скорости передачи данных».

Panasonic уже продемонстрировала в Японии экспериментальный бытовой кассетный видеомагнитофон, в котором применено сжатие.

Один из выводов, сделанных на основе уже выполненной работы, состоит в том, что для основных технологических процессов записи/передачи общего назначения, а также высококачественного прямого монтажа существуют два ключевых аспекта, которые и определяют решение использовать сжатие или нет.

Мы уже показали, почему только малая компрессия видеоинформации приемлема при записи «общего назначения». Если признать, что сжатие с малым отношением сохраняет приемлемое техническое качество изображения, а полная прозрачность несущественна, то применение системы сжатия оправдано, если заметно снижается стоимость оборудования или же обеспечивается такая длительность непрерывной записи, которая недостижима без компрессии. В случае иных специальных применений, например, для дисковых систем косвенного монтажа, ключевыми являются другие критерии - время доступа и плотность записи.

Если мягкое сжатие, например, с отношением 2:1 применено в вещательном видеомагнитофоне, то выигрыш в стоимости или в длительности непрерывной записи или несущественен или слишком мал и не оправдывает дополнительные технические средства, требуемые для компрессии. Кроме того, утрачивается прозрачность и снижается выносливость. Примером этого может служить несохранение высоких характеристик при загрязнении головок. Если видеомагнитофон без системы сжатия удовлетворяет требованиям по стоимости и длительности непрерывной записи, компрессия считается неприемлемой.

Если применение системы сжатия делает цепи обработки сигналов и лентопротяжный механизм видеомагнитофона проще настолько, что снижение их суммарной стоимости перекрывает затраты на систему сжатия, применение компрессии потока данных оправдано.

Сказанное наглядно иллюстрируется диаграммой на рис.1. Эта диаграмма подтверждает, что при малых коэффициентах суммарная стоимость видеомагнитофона и системы сжатия может быть выше аппарата, работающего с полным потоком. Поэтому Panasonic пойдет на снижение потока данных с большими коэффициентами компрессии, когда преимущества перевешивают недостатки как с коммерческих позиций, так и с позиций приемлемого технического качества.

Будет ли в формате D-5 применено сжатие?

В видеомагнитофонах формата D-5 применена полная запись 10-ти разрядных сигналов по стандарту МККР 601, системы сжатия не используются. Поставленная EBU задача по обеспечению длительности непрерывного воспроизведения свыше двух часов на одной кассете достигается с помощью обычного способа записи по формату D-3 и с помощью кассет, идентичных тем, которые используются в формате D-3.

Те возможные области применения, где длительность непрерывной записи и вероятная экономия затрат станут критичными, относятся к будущему ТВЧ. Хотя некоторые специалисты утверждают, что ТВЧ, как мы теперь знаем, никогда не появится в быту, существует нарастающая потребность в продукции для ТВЧ - для невещательного рынка и применений, где возможно преобразование сигнала ТВЧ в сигнал обычного телевидения или перезапись с ТВЧ на кинопленку.

Именно в области подготовки программ ТВЧ видеомагнитофоны формата D-5 и сам формат в сочетании с техникой уменьшения потока видеоданных обеспечивает наилучшее из возможных соотношение между стоимостью и характеристиками.

Более существенно то, что система сжатия может быть введена в видеомагнитофон формата D-5 простым добавлением внешнего процессора. Таким образом, возможен простой и очень экономичный путь перехода к ТВЧ. Он не потребует новых видеомагнитофонов или смены формата, поскольку базовой остается аппаратура и кассеты формата D-5 .

Поскольку в механическую часть аппарата какие-либо изменения не вносятся, совместимость видеофонограмм, сделанных на обычных видеомагнитофонах форматов D-5 и D-3 и ТВЧ-версии, сохраняется полностью.

D-5 и затраты

Когда в середине восьмидесятых были разработаны видеомагнитофоны формата D-1, большая часть стоимости этого видеомагнитофона приходилась на цепи формирования 8-разрядных цифровых компонентных сигналов. Эти цепи отличали и высокие уровни потребления энергии и непрактичные размеры видеомагнитофона.

Новая технология изготовления, в том числе БИС, специально разработанная для портативных аппаратов формата D-3, позволяет выпускать видеомагнитофоны формата D-5 с записью полного потока - и все это по относительно низкой цене. Кроме того, обеспечивается запись 10-ти разрядных сигналов, при том с улучшенными характеристиками и более мощной коррекцией ошибок - той, что уже используется в видеомагнитофонах формата D-3.

Поскольку при воспроизведении на видеомагнитофоне формата D-5 видеофонограмм формата D-3 какие-либо изменения в механической части не нужны, поэтому потребители могут легко выбирать, когда и где записи формата D-3 наиболее экономичны.

Если говорить о совместимости по воспроизведению с аналоговым форматом, то соответствующий видеомагнитофон должен содержать весьма сложные цепи воспроизведения (аналоговые и цифровые), а также и усложненный блок головок, поскольку для воспроизведения аналоговых и цифровых сигналов используются различные головки. В итоге такому видеомагнитофону понадобились бы различные типы лент, а его продукцией стала бы комбинация аналоговых и цифровых записей - ситуация вряд ли желательная!

Следует подчеркнуть, что дополнительные расходы на аппаратное обеспечение подобной совместимости приходится нести даже в том случае, когда воспроизведение не используется. Полностью цифровой формат D-5 обеспечивает совместимость по воспроизведению с D-3 без таких усложнений.

Издержки владения

Кроме обсужденной выше экономии по капитальным затратам на приобретение новой аппаратуры, на эксплуатационном уровне удается снизить и издержки владения - в первую очередь, благодаря общности форматов D-3 и D-5. Поскольку оба формата ориентированы на одни и те же типы кассет, соответственно растут масштабы их производства, а цены на ленту будут постоянно снижаться из-за жестокой конкуренции между 4-5 нынешними изготовителями ленты.

Эксплуатационные расходы на аппаратуру формата D-3 по ряду позиций к удивлению многих оказались ниже, чем на видеомагнитофоны для аналоговой компонентной записи. Panasonic намерен распространить политику поддержки низких эксплуатационных расходов и по отношению к видеомагнитофону формата D-5. Подчеркнем, что такие расходы составляют существенную часть издержек владения.

С позиций эксплуатации совместимость по воспроизведению с форматом D-3 не оказывает неблагоприятного влияния на издержки владения, поскольку нет расходов на дополнительное обслуживание. Как упоминалось выше, основной блок головок у обоих форматов общий.

Долгосрочный подход

Чтобы обеспечить полудюймовым цифровым форматам максимально длительный срок применения, важно предусмотреть неизбежные изменения в требованиях на период свыше 10 лет. Передача полного или компонентного сигналов с форматом изображения 4:3 является сегодняшним требованием. Примерно через 5 лет можно ожидать появление некоего вида ТВЧ, которое предъявит более строгие требования к нашей аппаратуре, особенно когда экраны с форматом 16:9 станут больше и лучше.

Предложения дальнейшего расширения стандарта МККР 601 (до частоты дискретизации 18 МГц) привели бы к дальнейшему усложнению технических решений и должны быть учтены неопределенные временные рамки внедрения ТВЧ в телевизионную технологию.

Видеомагнитофон формата D-5 со своим последовательным интерфейсом 360 Мбит/с, с переключением на запись/воспроизведение с дискретизацией 18 МГц и с абсолютно прозрачным каналом удовлетворит всем этим требованиям. Он не окажется жертвой преждевременной смены формата под давлением «движущейся цели». С учетом перспективы внедрения ТВЧ и в случае применения системы сжатия с большим коэффициентом, например 4:1, он сможет обеспечить значительную экономию средств, при внедрении технологии ТВЧ, особенно учитывая стоимость полнобитовых цифровых видеомагнитофонов, которая достигает астрономических сумм.

Будет ли формат D-5
вытеснен дисковыми аппаратами?

Запись на диск продолжает развиваться и в последние годы, но все же не теми темпами, при которых она могла бы занять нишу применений, где в настоящее время господствуют ленточные системы.

Дисковые системы потенциально обеспечивают более быстрый доступ, но только при значительно меньшей емкости накопленной информации.

Поток данных в цифровом компонентном видеосигнале по стандарту МККР 601 достигает 270 Мбит/с. При пересчете на магнитные диски для персональных компьютеров это соответствует более чем 23 (3,5-дюйма) гибким дискам в секунду. Тот же поток каждые три секунды способен заполнить 100-Мбайтовый жесткий диск.

Оптические системы ныне более компактны, при этом системы на реверсивных оптических дисках с изменениями фазы фирмы Panasonic обеспечивают емкость свыше 1 Гбайта, однако стоимость таких дисков все еще препятствует их широкому применению для целей накопления и обмена информацией или библиотек.

Ожидается появление новых дисковых систем, однако им еще предстоит пройти долгий путь совершенствования, пока емкость оптического диска не сравниться с 2,4 Тбайт - емкостью больших кассет форматов D-3/D-5!