: архив : архив журнала "625" : 2003 : #02

Цифровая магнитная видеозапись. Формат DV
Константин Гласман, иллюстрации Маргариты Покопцевой

Окончание. Начало см. "625", 2002 г., №№3, 4, 7, 8

Программная дорожка

На каждой программной дорожке записываются четыре сектора: видеосектор, звукосектор, сектор субкода и сектор информации о дорожке. На рис. 29 показаны порядок следования секторов, разделенных зазорами, которые отведены для монтажа, и их размеры в битах, записанные на наклонной дорожке. Видеосектор и звукосектор уже описаны выше, в данном разделе даны некоторые параметры сектора субкода и сектора информации о дорожке.

Рис.18. Обобщенная схема канала записи

Сектор субкода содержит временной код и данные управления, а также может включать другие дополнительные данные. Обработка данных субкода производится с периодом видеокадров. Сектор субкода включает в себя преамбулу, синхроблоки данных субкода и постамбулу. Преамбула и постамбула субкода отличаются от соответствующих элементов видеосектора только длиной (постамбула субкода имеет разную длину в системах 625/50 и 525/60). В составе синхроблока субкода двенадцать синхроблоков, содержащих пять байтов данных и два проверочных байта (рис. 30). Пять байтов данных (40 битов) делятся на десять четырехбитовых слов – полубайтов, которые защищаются от ошибок с использованием кода Рида-Соломона (14,10) путем добавления четырех проверочных четырехбитовых символов. Перед записью синхроблоки субкода подвергаются модуляции 24-25, т.е. канальному кодированию. В секторе субкода могут записываться такие данные, как заголовки, таблицы содержания предварительно записанных программ, данные телетекста, субтитры, а также кодированные субтитры на разных языках.

Рис.22. Синхроблоки видеосектора

Рис.26. Частотные характеристики сигналов  дорожек

Сектор информации о дорожке расположен в начале каждой программной дорожки, с его помощью осуществляется точное позиционирование головки воспроизведения на наклонной строчке записи. Он включает в себя преамбулу, область стартовых синхроблоков, область информации о дорожке и постамбулу. Преамбула, область стартовых синхроблоков и постамбула – табулированные последовательности кодовых слов, заданных для дорожек типов F0, F1 и F2 и формирующих необходимые пилот-сигналы (рис. 26). Область информации о дорожке состоит из трех одинаковых 30-битовых синхроблоков, несущих идентификационные сведения о приложении (например, как это сделано в формате бытовой цифровой видеозаписи). Эта область несет также пилот-сигналы в соответствии с типом дорожки.

Структура полной видеофонограммы формата DV показана на рис. 31. Соседние наклонные дорожки записываются с разворотом зазоров головок на азимутальные углы ±20°. Ширина дорожек – 10 мкм в стандартом режиме SP и может быть уменьшена до 6,7 мкм в режиме продолжительной записи LP (параметры видеофонограммы для режимов SP и LP приведены в таблице 4). Стандарт DV допускает использование продольных дорожек. Возможная конфигурация блока вращающихся головок показана на рис. 32. Верхний барабан диаметром 21,7 мм вращается с частотой 150 Гц, или 9000 оборотов в минуту (для системы 525/60 точное значение – 8991 оборотов в минуту, что связано с некоторым отступлением от принципа 6/5 из-за использования частоты кадров 29,97 Гц вместо 30 Гц). Запись производится двумя вращающимися головками, поэтому за один оборот барабана записываются две наклонных дорожки. За шесть (625/50) или пять (525/60) оборотов барабана записывается один кадр телевизионного изображения вместе с сигналами звукового сопровождения и дополнительными данными.

Рис.27. Синхроблоки звукосектора

Сектор информации о дорожке, созданный при первичной записи, не замещается при монтажных операциях. Сектор субкода переписывается вместе с секторами видео и звука при монтаже в режиме вставки. Но если идет вставка только звукосектора, то сектор субкода сохраняется. Когда идет вставка сектора субкода, то трекинг должен осуществляться по пилот-сигналам видеосектора.

Рис.29. Секторы программной дорожки

 

Рис.30. Синхроблоки субкода

 

Рис.31. Видеофонограмма формата DV

Кассеты

Рис.32. Возможная конфигурация  блока вращающихся головок

Благодаря малой ширине ленты оказалось возможным разработать семейство кассет (рис. 33), миниатюрность которых, видимо, будет непревзойденной в мире видеозаписи на магнитную ленту. Стандартная кассета (с размерами 125x78x14,6 мм) предназначена для записи и воспроизведения в видеомагнитофонах. Длительность записи на стандартную кассету при использовании ленты толщиной 7 мкм с металлическим напылением достигает 4,5 ч. Малая кассета (ее размеры меньше, чем размеры звуковой компакт-кассеты: 66x48x12,2 мм) предназначена для использования в камкордерах DV, длительность записи может достигать 2 ч. Применение обеих кассет не требует никаких адаптеров. Интересная особенность кассет DV – возможность использования памяти в кассете (MIC – Memory In Cassette). Эта память может хранить комбинацию разнообразных данных, например, типы ленты, кассеты, дату и время съемок. Данные, записанные в памяти кассеты, используются магнитофоном или камкордером и передаются по цифровому интерфейсу.

Цифровой интерфейс

Форматы данных, показанные на рис. 22, 27, 30, оптимизированы для условий записи на магнитную ленту. Однако для целей обмена данными в цифровой форме не требуется кодирование, предназначенное для защиты от ошибок. Как показано на рис. 18, цифровые данные видео, звука и субкода могут быть выведены из аппарата цифровой видеозаписи через цифровой интерфейс перед кодированием, предназначенным для защиты от ошибок. Формат DV предусматривает обмен данными в компрессированном виде в форме DIF-последовательностей с использованием интерфейса IEEE 1394.

Этот интерфейс был разработан компьютерной фирмой Apple для высокоскоростного обмена данными в последовательной форме (до 400 Мбит/с на расстоянии 4,5 м) и был известен под названием FireWire. В 1995 г. фирма Sony применила FireWire в качестве цифрового интерфейса в камкордерах DV для обмена звуковыми и видеоданными, что открыло ему новую огромную сферу применения. В 1995 г. интерфейс FireWire был утвержден Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике IEEE в качестве стандарта IEEE 1394. На физическом уровне шина IEEE 1394 включает в себя шесть проводов. Четыре провода образуют две экранированные витые пары для двустороннего обмена данными, еще два провода служат для подачи напряжения питания (8…40 В). Разновидность интерфейса, примененная Sony под названием i.LINK, отличается отсутствием проводов питания.

Рис.33. Стандартная (а) и малая (б)  кассеты DV

Цифровые данные видео, звука и субкода, которые могли бы быть записаны на магнитной ленте на наклонных дорожках во временном интервале одного кадра, группируются в двенадцать (625/50) или десять (525/60) DIF-последовательностей. Скорость передачи данных через цифровой интерфейс – 300/1,001 (525/60) или ровно 300 (625/50) DIF-последовательностей в секунду. DIF-последовательность состоит из 150 DIF-блоков (рис. 34). Каждая DIF-последовательность содержит секцию заголовка (один DIF-блок), секцию субкода (два блока), секцию дополнительных видеоданных (три блока), а также секцию звуковых и видеоданных (144 блока). Осталось добавить только то, что каждый DIF-блок переносит три байта идентификационных сведений и 77 байтов полезной нагрузки.

Нетрудно выявить параллели между описанной структурой потока данных через цифровой интерфейс и структурами видеосектора, звукосектора и сектора субкода. Двенадцать (или десять) DIF-последовательностей соответствуют двенадцати (или десяти) секторам, переносящим данные видео, звука и субкода на интервале одного кадра. 77 байтов полезных данных DIF-блока – это объем информационной нагрузки каждого синхроблока (рис. 22, 27). Три синхроблока видеосектора, описывающие дополнительные видеоданные, трансформируются в три DIF-блока секции субкода. Девять синхроблоков звукоданных (рис. 27) и 135 синхроблоков видеоданных образуют полезную нагрузку 144 DIF-блоков секции звуковых и видеоданных.

Такой интерфейс может использоваться для обмена видеосигналами между видеомагнитофонами DV без выполнения операций декодирования и повторного кодирования (декомпрессии и компрессии). Это означает, что цифровая копия, записанная на втором видеомагнитофоне, идентична оригинальной записи, сделанной на первом аппарате. Передача данных с одного видеомагнитофона на другой по цифровому интерфейсу делает возможным линейный монтаж программ (в этом случае возможны, правда, только прямые монтажные переходы, поскольку монтируются компрессированные потоки данных), но без искажений, присущих перезаписи с перекодированием. Передача данных в компрессированной форме удобна при вводе записанных программных материалов в компьютерные системы нелинейного монтажа и при записи смонтированных программ на ленту. Подключение камкордера или видеомагнитофона DV к компьютеру с использованием цифрового интерфейса отличается простотой и надежностью, а также позволяет экономить время.

Рис.34. Структура данных, передаваемых через цифровой интерфейс

Семейство DV

Из заголовка стандарта IEC 61834 следует, что формат DV регламентирует систему видеозаписи бытового назначения. Однако потенциальные возможности формата оказались настолько значительными, что аппаратура формата DV нашла применение не только в быту, но и в сферах прикладного и вещательного телевидения. Алгоритм обработки и компрессии записываемых данных, определяемый форматом DV, весьма эффективен. Он послужил основой для создания целого ряда новых форматов видеозаписи для прикладных и вещательных применений.

Форматами, наиболее тесно примыкающими к DV и ставшими первыми членами семейства DV, являются DVCAM, разработанный фирмой Sony, и DVCPRO (стандартизованный под шифром D-7), созданный фирмой Panasonic. Основные параметры форматов DV, DVCAM и DVCPRO приведены в таблице 6. Во всех трех форматах используется магнитная лента шириной в 1/4’’ и система компрессии DV, обеспечивающая скорость компрессированного потока данных 25 Мбит/с. Прототипом сигналограмм форматов DVCAM и DVCPRO, несомненно, послужила видеофонограмма DV. К наиболее значимым отличиям относится, прежде всего, ширина строчек записи. В формате DV ширина строчек записи равна 10 мкм в режиме SP и 6,7 мкм в режиме LP. Формат DVCAM предписывает увеличение ширины строчек до 15 мкм, а также полуторное увеличение скорости ленты. Увеличение ширины строчек направлено на повышение помехозащищенности записи, улучшение показателей монтажа в режиме вставки и достижение более высокого уровня взаимозаменяемости, необходимого для профессионального телевидения. Надо иметь в виду, что отмеченное улучшение показателей достигается за счет сокращения времени записи на кассету того же типа. Формат DVCAM предписывает использование магнитной ленты с напыленным металлическим слоем, т.е. ленты того же типа, что и формат DV.

В формате DVCPRO строчки записи расширены в сравнении со стандартной версией DV в 1,8 раза: с 10 мкм до 18 мкм, т.е. еще больше, чем в DVCAM. Скорость ленты также увеличена в 1,8 раза в сравнении с DV в варианте SP. Форматом DVCPRO предписывается использование магнитной ленты с металлопорошковым рабочим слоем, что объясняется стремлением увеличить износоустойчивость и срок службы. В формате DVCPRO регламентируется использование двух продольных дорожек. Уместно отметить, что формат DV допускает, но не требует использования продольных дорожек. Формат DVCPRO предлагает использовать продольные дорожки для записи одного аналогового звукового канала (его можно использовать в качестве дорожки монтажного звука) и сигнала управления. Это позволяет улучшить эксплуатационные характеристики и удобство в работе с системами линейного монтажа на базе видеомагнитофонов формата DVCPRO. Этот формат отличается от DV также тем, что он предписывает использование структуры дискретизации 4:1:1 как в системе разложения изображения 525/60, так и в системе 625/50.

Таблица 1. Режимы кодирования сигналов звукоблока

Режим	Частота дискретизации, кГц	Квантование, бит	Число каналов
48k	48	16 линейная шкала	1
44,1k	44,1	16 линейная шкала	1
32k	32	16 линейная шкала	1
32k-2ch	32	12 линейная шкала	2

Таблица 2. Параметры видеофонограммы формата DV

Параметр		Значение
		SP	LP
Tρp	Шаг наклонных дорожек, мкм	10,00	6,67
Lγ	Длина наклонных дорожек, мм	32,890	32,910
Wt	Ширина ленты, мм	6,350	6,350
He	Нижний край программной зоны, мм	0,560	0,560
Ho	Верхний край программной зоны, мм	5,800	5,800
We	Ширина программной зоны, мм	5,240	5,240
H1	Верхний край продольной дорожки 2, мм	0,490	0,490
H2	Нижний край продольной дорожки 1, мм	5,920	5,920
α0	Азимутальный угол (TO), °	-20	-20
α1	Азимутальный угол (T1), °	+20	+20
A	Скорость транспортирования ленты мм/с	18,831 (625/50) 18,831/1,001 (625/50)	12,568 (625/60) 12,568/1,001 (525/60)

Таблица 3. Основные параметры форматов DV, DVCAM, DVCPRO

	DV		DVCAM		DVCPRO
Дискретизация	720х576, 4:2:0 (626/50) 720х480, 4:1:1 (525/60)		720х576, 4:2:0 (626/50) 720х480, 4:1:1 (525/60)		720х576, 4:2:0 (626/50) 720х480, 4:1:1 (525/60)
Компрессия	DV		DV		DV
Скорость потока, Мбит/с	25		25		25
Шаг дорожек, мкм	10 (SP) 6,7 (LP)		15		18
Ширина дорожек, мкм	10 (SP) 6,7 (LP)		15		18
Рабочий слой ленты	напыленный металл		напыленный металл		металлический порошок
Скорость ленты, мм/с	18,8 (SP) 12,6 (LP)		28,215		33,82
Кассеты и макс. время записи (SP/LP), мин	miniDV: 80/120 standart: 180/270		miniDV: 40/- standart: 184/-		small: 63/- standart: 123/184
Звук, каналов	2	4	2	4	2
Дискретизация, кГц/бит	48/16	32/12	48/16	32/12	48/16
Интерфейс	IEEE 1394; запись двух каналов 44,1 кГц, 16 бит; несинхронный режим (возможна запись в синхронном режиме через интерфейс IEEE 1394)		IEEE 1394; запись двух каналов 44,1 кГц, 16 бит; синхронный режим		IEEE 1394; запись двух каналов 48 кГц, 16 бит; синхронный режим, один аналоговый на продольной дорожке

Компрессия DV применена и в системе видеозаписи Digital 8 (Sony), которая интегрирует алгоритм обработки сигнала, задаваемый форматом DV, с лентопротяжным механизмом и магнитными лентами, применяемыми в аппаратах Video8/Hi8. В аппаратах видеозаписи формата Digital 8 сигналы изображения и звука, обработанные в соответствии с алгоритмами формата DV, записываются на 8 мм магнитную ленту Video8 или Hi8, но при скорости транспортирования ленты, удвоенной в сравнении со скоростью в аналоговом прототипе.

Основные принципы компрессии формата DV реализованы также в системах видеозаписи DVCPRO50, стандартизованной SMPTE под именем D-7, и Digital-S, получившей при стандартизации в SMPTE шифр D-9. В этих системах используются совершенно разные носители и механизмы. В аппаратах видеозаписи DVCPRO50 (Panasonic) используется тот же лентопротяжный механизм и та же четвертьдюймовая лента, что и в аппаратах формата DVCPRO (называемого иногда также DVCPRO25). Система видеозаписи S-VHS стала технической базой создания видеомагнитофонов Digital-S (JVC), в которых запись осуществляется на ленту шириной 12,65 мм с металлопорошковым покрытием в кассете типа S-VHS. Однако принципы обработки видеосигналов в этих системах практически одинаковы и имеют очень много общего с системой DV. Цифровой компонентный видеосигнал представлен в соответствии со структурой дискретизации 4:2:2 при квантовании с расходом восемь битов на отсчет, что предопределяет скорость потока, равную 166 Мбит/с (при записи активной части телевизионного изображения). Исходный поток сжимается перед записью в 3,3 раза, и скорость потока доводится до 50 Мбит/с благодаря параллельной работе двух кодеров компрессии DV. В процессорах видеомагнитофонов DVCPRO50 и Digital-S для компрессии, кодирования с целью обнаружения и исправления ошибок и обработки звука используются интегральные схемы, разработанные для магнитофонов формата DV. Специальные интегральные схемы разработаны лишь для перемешивания и модуляции записываемых на ленту данных.

Алгоритм компрессии DV и его аппаратурная реализация обладают настолько высокой гибкостью, что оказывается допустимым дальнейшее распараллеливание вычислительных операций по обработке данных. Параллельная работа четырех кодеков компрессии DV позволяет довести скорость компрессированного потока видеоданных высокой четкости до 100 Мбит/с (такая схема реализована в системе видеозаписи DVCPRO HD компании Panasonic).

Высокая эффективность системы компрессии DV подтверждена специальной группой EBU/SMPTE по гармонизации стандартов для обмена программными материалами как потоками битов. Алгоритм DV, обеспечивающий скорость компрессированного потока данных 25 Мбит/с, и системы видеокомпрессии со скоростью потока 50 Мбит/с, основанные на алгоритме DV, исследовались специальной группой, которая рекомендовала использование системы семейства DV в телевизионном вещании.