Юрий
Василевский, Леонид Чирков
Появление четвертьдюймовых цифровых форматов видеозаписи показало, что в магнитной записи на ленточные носители сохраняются мощные потенциальные резервы. Новые полу- и четвертьдюймовые цифровые форматы, это теперь ясно, займут достойное место на съемочных площадках и в монтажно-тонировочном процессе, особенно в мобильных комплексах.
Учитывая очевидную актуальность новых форматов цифровой видеозаписи, связанных с применением ленты шириной в четверть дюйма, мы предлагаем их описание с некоторыми комментариями.
DV - базовый формат
С середины восьмидесятых годов основные производители электронной техники очень внимательно отслеживали все, что относилось к разработке форматов магнитной записи видео на лентах меньшей ширины, чем половина дюйма. К началу девяностых годов стало ясно, что цифровая обработка сигнала станет доминирующей, в том числе и в видеозаписи. Ясно стало и другое - цифровая видеозапись должна взять очередной рубеж. Перспективные системы магнитной видеозаписи на ленточные носители следует ориентировать на ленты шириной в одну четверть дюйма (6,35 мм). Заметим, что это - ширина магнитной ленты в звуковых компакт-кассетах. Но теперь речь идет не просто о записи видеосигнала, а куда более широкополосных цифровых видеоданных.
Несколько лет назад крупнейшие компании мира, заинтересованные в производстве цифровой видеоаппаратуры бытового назначения, решили объединить усилия, создавая следующее поколение кассетных видеомагнитофонов. Их объявленная цель указывала на тропу к единому международному цифровому формату, обеспечивающему лучшее воспроизведение, чем известные национальные стандарты. Этими компаниями были Sony, Matsushita (Panasonic), JVC, Hitachi, Mitsubishi, Toshiba, Sanyo, Sharp, Philips, Thomson и другие. Они создали консорциум Digital Video Cassette (Цифровая видеокассета) или DVC. Совсем недавно аббревиатура названия консорциума была обрезана до DV. Число членов консорциума в настоящее время приблизилось к шести десяткам. Среди членов консорциума появились и основные разработчики и производители компьютеров: IBM, Apple и другие. Словом, мировая элита электронной техники бросилась осваивать четвертьдюймовую цифровую видеозапись.
Консорциум заявил о себе и о своей программе работы в июле 1993 г. Результатом коллективной работы DV стало определение основных параметров цифрового формата бытовой видеозаписи. Были сформулированы параметры стандарта сжатия, семейства кассет, механизма и формата ленты, набор микропроцессоров. К слову, самая большая из предусмотренных для DV кассет почти не отличается по размерам от компакт-кассеты.
Видеофонограмма формата цифровой видеозаписи DV представлена на рисунке. Форматом предусмотрена только запись наклонных дорожек. Шаг дорожек 10 мкм. Надо подчеркнуть, что в DV реализуется самая высокая сегодня поверхностная плотность магнитной записи на ленточных носителях.
При ширине ленты 6,35 мм наклонные дорожки занимают полосу шириной 5,24 мм. Скорость движения ленты 18,8 мм/с. Один кадр записывается на 12 дорожках. Запись начинается со служебных данных ITI (Insert and Tracking Information). Затем записываются сигналы звука, видео и субкода. Между этими частями сигналограммы на каждой из дорожек предусмотрены защитные или монтажные интервалы 1, 2, 3. Часть области субкода используется для записи вспомогательных данных и сигналов временных кодов: линейного LTC и полевого VITC.
Формат DV разрабатывался и используется как бытовой. На профессиональное применение он изначально не был рассчитан, но стал базой рассматриваемых ниже профессиональных версий. Технические характеристики формата приведены в таблице. Формат предусматривает применение магнитных лент с металлизированным покрытием.
| Характеристики формата DVCPRO | |
| Кодирование | цифровой компонентный стандарт 4:1:1 (или 4:2:0), уровневое кодирование 8-разрядное |
| Сжатие | внутрикадровое на основе дискретного косинусного преобразования DCT, коэффициент компрессии 5:1 |
| Коррекция ошибок | код Рида-Соломона |
| Дорожки записи | 12 на каждый кадр при числе строк 625, шаг дорожек 10 мкм |
| Скорость движения ленты | 18,8 мм/с |
| Лента | металлизированная, ширина 6,35 мм (1/4 дюйма) |
| Вращающийся барабан | диаметр 27,7 мм, частота вращения 9000 об/мин |
| Скорость передачи видеоданных | 24,948 Мбит/с |
| Скорость записи потока данных | 41,85 Мбит/с |
| Звуковое сопровождение | 2 канала, частота отсчетов 48 кГц, уровневое кодирование 16-разрядное, модуляция кодового-импульсная |
Предусмотрены кассеты двух типоразмеров. Большая кассета обеспечивает запись/воспроизведение около 4 часов.
От DV к DVCPRO
Panasonic была первой фирмой, объявившей о намерении создать профессиональную версию формата DV. В 1994 г. на выставках NAB и IBC были показаны прототипы аппаратуры DVCPRO, подтвердившие серьезность намерений Panasonic. Основную область применения аппаратуры формата DVCPRO создатели видели в видеожурналистике.
Испытания и обкатка формата в условиях эксплуатации на многих крупных международных мероприятиях, в том числе на Олимпийских играх, позволили фирме задуматься над расширением области возможного применения оборудования формата DVCPRO. Соответствующие коррективы, опирающиеся на уже накопленный опыт, были внесены фирмой Panasonic в последнее время. Общество SMPTE приняло формат DVCPRO в качестве телевещательного стандарта под шифром D-7.
В формате DVCPRO применяется металлопорошковая магнитная лента. Отход компании Panasonic от рекомендованной консорциумом DV ленты связан со стремлением увеличить износостойкость и надежность записи.
В соответствии с форматом DVCPRO на ленте, помимо наклонных дорожек, появились и две продольные. Одна из продольных дорожек расположена у нижней кромки ленты, если ориентироваться по направлению движения головок. Это управляющая дорожка (CTL Track). В DVCPRO управляющая дорожка работает совместно с ITI, что обеспечивает надежное управление кинематикой системы. Например, она позволяет быстрее выполнить кадровую синхронизацию после запуска режима воспроизведения. Эта дорожка помогает при монтаже: ускоряет переход от режима стоп-кадра в режим воспроизведения, обеспечивает ускоренный выход на нужный кадр в режиме покадрового монтажа.
Вторая продольная дорожка размещена у верхней кромки ленты. Это режиссерская дорожка (Cue Track), ее иногда называют вспомогательной. Эта дорожка позволяет прослушать звуковое сопровождение при изменяемых скоростях движения ленты в режиме Shuttle, когда пользоваться цифровым звуком невозможно или, по каким-либо причинам, трудно. На режиссерской дорожке можно записать третий звуковой канал. Однако надо помнить, что качество записи звука будет ниже, чем на двух основных цифровых каналах.
Сигналы
временных кодов можно считывать при любой
скорости движения ленты. Высокая точность
монтажа обеспечивается также применением
вращающейся (летящей) головки стирания. Их
размещение на барабане поясняется рисунком.
Расположение дорожек и областей на наклонных дорожках в формате DVCPRO то же, что и в бытовом DV. Единственное различие заключается лишь в шаге дорожек. Он вырос почти в два раза и составил 18 мкм. Соответственно возросла скорость движения ленты. В DVCPRO она составляет 33,813 мм/с.
Расширение дорожек в профессиональной версии ведет к соответствующему снижению информационной плотности записи, зато резко снижается влияние выпадений, существенно облегчается монтаж.
Одной из показательных характеристик магнитной видеозаписи является так называемый дорожечный индекс, определяемый соотношением ширины и длины дорожек. В формате DVCPRO этот индекс в три раза ниже, чем, например, в формате D-3, и совпадает с соответствующим индексом аналогового формата MII.
Алгоритмы и система обработки сигналов в DVCPRO почти не отличаются от применяемых в DV. Это позволяет использовать большинство микросхем, предназначенных для бытовой аппаратуры DV. Поскольку компонентная база DVCPRO ориентирована на применяемую в бытовой аппаратуре и выпускаемую массовыми тиражами, следовательно, стоимость оборудования профессионального назначения оказывается заметно сниженной. Еще одно достоинство - возможность воспроизведения записей формата DV на аппаратуре DVCPRO, что позволяет, например, напрямую, без преобразований, включать любительскую видеозапись в программы новостей. Малое, но удобство!
DVCAM - версия Sony
Фирма Sony впервые представила на суд общественности новый формат DVCAM на выставке NAB в 1996 г. Основой формата, предложенного Sony, также стал бытовой формат DV. Это предопределило совпадение форматов DVCAM и DVCPRO по многим техническим характеристикам. Совпадают стандарты цифрового компонентного кодирования со сниженной четкостью передачи цветовых компонент, алгоритмы сжатия видеоданных, кодирование звуковой несущей, расположение наклонных дорожек и областей сигналов на них, число дорожек, отводимых на каждый кадр, ширина ленты. Эти стандарты немного отличаются по шагу дорожек: у DVCAM он составляет 15 мкм, что на 3 мкм меньше, чем у DVCPRO.
Стандарт DVCAM изначально был ориентирован на применение в коммерческом телевидении. Видимо, по этой причине стандартом, как и в базовом DV, не предусмотрены продольные дорожки - управляющая и режиссерская. Чтобы обойти сложности при монтаже и обеспечить оптимальное управление всеми аппаратами DVCAM, предусмотрена функция ClipLink. В кассеты этого формата встроены специальные микросхемы, на которые записываются необходимые в дальнейшем справочные данные: информация о временных кодах начала и конца каждого видеосюжета и всей произведенной записи, монтажные метки, номера сцен и дублей, показатели качества произведенной съемки.
Помимо основной двухканальной записи звукового сопровождения в DVCAM предусмотрена и четырехканальная запись звука с несколько пониженными параметрами. Частота квантования в каждом из четырех каналов 32 кГц, разрядность уровневого кодирования 12 бит. Создатели формата, заявив о претензиях на сектор рынка "бизнес и промышленность", после первых удачных опытов начали искать пути расширения сферы влияния и теперь претендуют также на использование в видеожурналистике. Совершенствование оборудования формата DVCAM идет именно в этом направлении.
Кодирование видеосигнала
Базовым стандартом компонентного цифрового кодирования в телевидении является 4:2:2. В форматах DVCPRO, как наследство DV, принят стандарт с пониженной четкостью передачи данных 4:1:1 в стандарте телевизионного разложения 625/50. В стандарте разложения 525/60 принята иная структура - 4:2:0. Переход от базовой структуры 4:2:2 к структурам с пониженным цветовым разрешением 4:1:1 и 4:2:0 осуществляется за счет вычеркивания каждого четного отсчета по вертикали или горизонтали соответственно.
При указанном выборе стандарта цифрового кодирования четкость яркостной составляющей отвечает студийному качеству, цветоразностных компонент - вдвое ниже, соответствующая полоса частот 1,5 МГц. Такой выбор обусловлен компромиссом, который обеспечил приемлемое качество цветного изображения и достаточно низкую скорость потока видеоданных 25 Мбит/с.
В четвертьдюймовых форматах применено внутрикадровое сжатие. Соответствующий алгоритм компрессии - дискретное косинусное преобразование - сохранен и в DVCPRO и в DVCAM.
Казалось бы, межкадровая компрессия более эффективна, однако она осложняет и даже просто исключает покадровую обработку видеоданных и соответственно покадровый монтаж. Это существенный недостаток для профессиональных систем. Внутрикадровое сжатие допускает независимую покадровую обработку.
DVCPRO: от 4:1:1 к 4:2:2
С появлением четвертьдюймовых форматов цифровой видеозаписи по страницам мировой прессы прошли многочисленные публикации с утверждением, что, наконец-то, найден удачный компромисс в вечном противостоянии "качество - деньги". Безусловно, привлекают небольшие, если хотите, микроразмеры аппаратуры. Поражает ее мобильность и постоянная готовность к "бою". Монтажная станция линейки оборудования DVCPRO, впрессованная в корпус лаптопа, как нельзя лучше подходит для полевых работ и позволяет прямо на месте выполнить срочный монтаж и отправить по микроволновой или спутниковой линии связи "горячий" материал в эфирную аппаратную. За такое можно поступиться, даже самым святым, - качеством изображения. Именно уникальность оперативных сообщений оправдывает недопустимое в иных случаях посягательство на профессиональное качество воспроизводимого изображения.
Низкая стоимость оборудования, столь привлекательная для несостоятельных (а их много и не только у нас), нетребовательность к условиям эксплуатации, что позволяет работать и на вольном воздухе, и в помещениях минимальной площади, которые студиями не назовешь, и т.п. Все эти преимущества родили иллюзорную надежду на более широкие области применения, чем первоначально заявленные.
В тепличных условиях выставочных и семинарских демонстраций со специально подобранным видеоматериалом, где подчеркиваются выигрышные стороны и скрываются недостатки, даже опытные специалисты многого не заметят. Тем не менее, искушенные по опыту знали, что удачных компромиссов не бывает. Так, практика показывает, что, чем дальше компрессия от коэффициента 2:1, тем дальше она и от вещательного идеала, а значит, может занять только ограниченную нишу среди вещательного оборудования. Поэтому и настораживала компрессия 5:1.
Широкое применение аппаратуры формата DVCPRO, в том числе российской бригадой на Олимпиаде в Атланте, наглядно подтвердило несомненные достоинства нового формата, но столь же убедительно эти трансляции выявили и пороки компромисса: смазанная панорама трибун, дробление и резкая потеря качества воспроизведения быстро движущихся объектов, заметное падение качества и четкости цветовоспроизведения на целом ряде сюжетов. Примеры можно продолжать...
Сказанное - не призыв к отказу от четвертьдюймовых форматов в телевизионном вещании. В своей нише они даже очень нужны. Необходимо лишь точно выявить границы их применения. Надо сказать, что, Panasonic и другие фирмы потому и велики, что всегда объективно и спокойно оценивают не только выигрышные аспекты созданного ими оборудования, но и его недостатки. Это обязательная формула успеха.
В последнее время начала поступать информация о новой версии формата DVCPRO со стандартом цифрового компонентного кодирования 4:2:2 и коэффициентом компрессии 3,3:1. При этом поток видеоданных составляет 50 Мбит/с, что вдвое выше, чем у первой версии. Новая версия наглядно показала, что фирма от декларативных заявлений о применимости DVCPRO во многих областях видеопроизводства вплоть до студийных работ перешла к действительно серьезному продвижению оборудования этого формата в основные технологии ТВ вещания.
Надо сказать, что при коэффициенте компрессии 3,3:1, каким бы малым он не представлялся, невосполнимые потери части информации присутствуют. Но теоретический анализ, экспериментальные исследования и эксплуатация оборудования с такой компрессией в условиях телепроизводства показали, что уровень информационных потерь достаточно мал и с ним вполне можно мириться. Тем более что проявляются возможные потери на исключительно редких сюжетах.
При компрессии 3,3:1 уже без проблем выполняются основные технологические операции видеопроизводства, к примеру, рир-проекция. Это доказала практика применения аппаратуры полудюймового формата Digital-S фирмы JVC. По своим параметрам и возможностям DVCPRO 4:2:2 близок к Digital-S, но работает на ленте вдвое меньшей ширины. Уже это одно - преимущество.
Итак, за счет чего достигнут прогресс? Сразу же заметим, что не за счет тонких инженерных ухищрений и дальнейших компромиссов. Напротив, за счет отказа от главного обмена "качество - деньги". Применена простая количественная мера - удвоено число наклонных дорожек, отводимых на один кадр - теперь их 24. Значит, вдвое возросла скорость движения ленты и соответственно сократилось время воспроизведения стандартной кассеты. В той же пропорции возросли расходы на носители. Популяризированная ценовая привлекательность DVCPRO несколько померкла, но сохраняет достаточную убедительность для успешного продвижения DVCPRO 4:2:2 в вещание.
Цифровая магнитная видеозапись на ленточные носители освоила теперь четвертьдюймовые форматы. Причем вместе с реализацией бытовой версии формата ведущими фирмами Sony и Panasonic предложены профессиональные модификации, уже прошедшие опытную обкатку и утвердившиеся на рынке. Однако следует разобраться в каких областях телепроизводства применение этих новых форматов наиболее убедительно.