Л9,10,11 / Л9_D_hist
.pdfХХ век: от механического видеодиска до DVD
Первые 30 лет
Первая попытка записать телевизионное изображение на диск была сделана в конце 20-х годов, когда появились малострочные системы механического телевидения. Такие системы содержали Нипкова со спирально расположенными 30-ю отверстиями. Поскольку эти системы позволяли передавать детали изображения, размеры которых не были меньше размеров отверстий диска Нипкова, то при соотношении сторон кадра 3:4 можно было передавать в каждом кадре 30×40=1200 элементов. Передача велась с частотой 12,5 кадров, т.е. в секунду передавалось 1200×12,5=15000 элементов изображения. Если передаваемое изображение представляло собой шахматное поле с черными и белыми квадратами, размер которых равнялся размеру отверстий в диске Нипкова, то в секунду передавалось 15000:2=7500 колебаний, т.е. верхняя частота видеосигнала составляла 7500 Гц. При этом самая низкая частота, соответствующая частоте синхроимпульсов, равнялась 30×12,5=375 Гц, а весь диапазон частот видео видеосигнала 375–7500 Гц вполне мог быть записан на лаковый диск по уже освоенной технологии механической звукозаписи.
1927 г. – Англичанин Бэрд записал видеосигнал с полосой частот 375–7500 Гц на лаковый диск, и это была первая успешная попытка механической записи и воспроизведения сигналов изображения.
В дальнейшем телевидение пошло по пути увеличения четкости изображения, и видеосигнал стал занимать полосу частот до 6 МГц, т. е. в 1000 раз большую. Поэтому долгое время никто даже не помышлял о повторении эксперимента Бэрда применительно к механической записи видеосигналов электронного телевидения. Сосредоточились на реализации фотографической записи широкополосных видеосигналов на светочувствительный диск, по аналогии с тем, как записывалась фотографическая фонограмма переменной плотности на кинопленке. Отличительная особен-
ность видеозаписи на светочувствительный диск заключается в том, что изображение после построчного разложения преобразуется в сигнал, который записывается на спиральной дорожке диска изменением его оптической плотности в соответствие с уровнем сигнала.
1957 г. – Появилось сообщение, что итальянец Руббиано сконструировал видеопроигрыватель бытового назначения, в котором использовалась пластинка из плексигласа с тонким слоем светочувствительного материала на ее поверхности. Частота вращения видеопластинки составляла 3000 об/мин, и на ней записывалась телевизионная программа продолжительностью до 3 мин.
Фотографическая запись и фильмопроигрыватели
1958 г. – Американец Дэвид Грегг (David Gregg) предложил лазерную технологию для записи и воспроизведения прозрачных дисков (патенты
1961 и 1969 гг.).
1961.–.1963 гг. – В Стэнфордском исследовательском институте (США) было разработано экспериментальное оборудование для записи и воспроизведения телевизионного сигнала на стеклянном фотографическом диске. Диаметр пластинки был выбран равным 30 см, т.е. диаметру стандартной грампластинки. Каждый телевизионный кадр записывался на дорожке длиной в один оборот диска, шаг записи был принят равным 2 мкм, что позволяло записывать на фотографическом диске получасовую программу. Поскольку фотоэмульсия обеспечивает широкий диапазон градаций яркости, здесь применена прямая запись видеосигналов и синхроимпульсов, не прибегая к частотной модуляции. Звуковое сопровождение записывалось на интервалах прохождения гасящих импульсов строчной развертки. После облучения фотографического диска лазером, обеспечивающим возможность записи в реальном масштабе времени, следовал процесс фотохимической обработки, в результате которого видеопластинка становилась негативной. Тиражировались такие
пластинки способом контактной фотопечати.
Возникла также идея использовать телевизор как оконечное звено к видеопроигрывателям для индивидуального просмотра видеофонограмм с записью художественных и мультипликационных фильмов, телепередач, учебных фильмов и т. д. Придумали воспроизводящие приставки, позволяющие показывать на экране телевизора 8-мм кинофильмы, и ряд фирм (Fujitsu, Kodak и др) стали выпускать фильмопроигрыватели для кассеты «Супер-8» с временем проигрывания до 20 мин. Но цена таких проигрывателей в несколько раз превышала стоимость кинопроектора, и широкого спроса они не нашли.
Американская компания CBS (Columbia Broadcasting System), одна из трех крупнейших американских вещательных компаний, пошла по другому пути, организовав консорциум из производителей фильмов, кинопленок и оборудования. Проигрыватель был разработан на принципах телекинопроектора, но, чтобы система видеопоказа получилась недорогой, было решено значительно снизить стоимость соответствующих фильмокопий. Была использована специальная высокоразрешающая черно-белая кинопленка шириной 8,75 мм. Кадры изображения размером 2,5×3,1 мм располагались на ней в два ряда так, чтобы что рулон пленки можно было воспроизводить при движении вперед и назад, как в двухдорожечном магнитофоне. Пленка длиной 250 м помещалась в кассету ( 18×1,25 см). Продолжительность ее
воспроизведения составляла 50 и 25 мин для черно-белой и цветной программы соответственно. Одну дорожку цветной записи занимали чернобелые кадры, а другую – фотографическая запись кодированных сигналов цветности. Черно-белая версия этой системы, получившей название EVR (Electronic Video Recording), была продемонстрирована в 1964 г. В 1969 г.
она стала продаваться уже как цветная, но большим успехом не пользовалась из-за невозможности делать собственные записи. В 1972 г. из проекта вышла компания CBS, но проигрыватели EVR продолжали еще некоторое время предлагаться на специализированных рынках Европы и Японии. Се-
годня – это музейные экспонаты, один из которых хранится в Лондонском музее науки (London Science Museum).
Компания RCA (Radio Corporation of America) в то же время продвигала более интересную систему SelectaVision (HoloTape) записи на ленту. Здесь использовалась дешевая поливинилхлоридная пленка шириной 16 мм, запись на которую производилась изменением поверхностно слоя пленки (как у виниловых грампластинок). Деформация рабочего слоя такой пленки представляет собой голограмму – сложную интерференционную картину, воспроизведение которой обеспечивается с помощью когерентного светового луча, создаваемого лазером. Основное преимущество системы состоит в низкой стоимости фильмокопий, которые могли изготавливаться с помощью никелевых матриц. При этом существенно, что качество изображения почти не зависит от износа носителя, так как голограмма позволяет получить полноценное изображение даже из небольшого участка своей поверхности. Предполагалось, что проигрыватель для нее будут стоить в 2,5 раза дешевле, чем для конкурирующей системы EVR ($4000 и $10000 в ценах 2005 г.). Но цена голографического оригинала оказалась довольно высокой, да и в Голливуде без энтузиазма отнеслись к предложению создавать голографические версии своих кинофильмов. Система SelectaVision была продемонстрирована тоже в 1969 г., но дальше презентационных образцов дело не пошло, и заметного распространения продукция SelectaVision так и не получила. В дальнейшем она стала называться HoloTape, а название SelectaVision перешло к системе дисковой записи на видеопластинку для емко-
стного воспроизведения (CED, Capacitance Electronic Disc).
Поскольку изображения по системам EVR и SelectaVision представляется в виде отдельных кадров (не разлагается на строки), звуковое сопровождение здесь записывалось на магнитных дорожках по краям ленты.
Механическая видеозапись
1968 г. – Появилось сообщение, что в США разработана система PhonoVid для записи неподвижных изображений совместно со звуковым
сопровождением на лаковый диск, вращающийся с частотой 33 1/3 об/мин. Разработчики этой системы решили не выходить за пределы полосы частот, которую можно передать при использовании обычной стереофонической пластинки. С этой целью время развертки одного кадра изображения было увеличено до 6 с (в 180 раз). Сформированный таким образом видеосигнал занимал полосу частот 10000 Гц. Самая низкая частота видеосигнала, соответствующая частоте кадровой развертки, равнялась при этом 1/6 Гц. Поскольку механическая система не обеспечивала запись сигналов столь низкой частоты, спектр видеосигналов был перенесен вверх использованием частотной модуляции. Записанный на пластинке PhonoVid ЧМ видеосигнал занимал полосу частот 50–20000 Гц. В диапазоне частот 50–4000 Гц записывалось звуковое сопровождение. На каждой стороне пластинки диаметром 30 см можно было записывать до 200 кадров изображения (диапозитивов) со звуковым сопровождением.
Стремление использовать носитель в форме диска для записи и воспроизведения стандартного телевизионного сигнала не покидало исследователей. Привлекало удобство работы с таким носителем информации. В конце 60-х годов уже в нескольких лабораториях разных стран велись интенсивные исследования в этом направлении. К тому времени уже появились профессиональные видеомагнитофоны, использующие метод частотной модуляции для переноса спектра записываемых видео и звуковых частот, и было логичным воспользоваться им для реанимации направления механической видеозаписи.
24 июня 1970 г. в Берлине состоялась демонстрация механической видеопластинки. Демонстрировавшиеся опытные образцы видеопластинки и видеопроигрывателя явились плодом совместной пятилетней работы изобретателей Дикоппа и Шюллера из фирмы Telefunken, Клемпа и Редлиха из фирмы грамзаписи TelDec (Telefunken-Decca, Германия). С гибкой видеопластинки ( 21 см) механическим способом воспроизводился ви-
деосигнал, и на экранах телевизоров демонстрировалось движущееся
черно-белое изображение со звуковым сопровождением. Применялась запись ЧМ видеосигнала яркости и широтно-импульсная звука. Перед подачей на частотный модулятор видеосигнал ограничивался фильтром нижних частот до 3 МГц, что достаточно для передачи телевизионного изображения с четкостью 250 линий. Звуковая информация передавалась только в моменты прохождения строчных гасящих импульсов, что обеспечивало полосу звуковых частот до 8 кГц. Время воспроизведения диска – 5 мин.
1972 г. – Фирма TelDec продемонстрировала видеопластинку под названием TED (Television Disc) с механической записью 10-минутной цветной программы. Здесь была применена частотная модуляция поднесущих частот звука стерео (0,8 МГц и 1,1 МГц) и запись суммарных ЧМ сигналов звука и изображения. Частота вращения видеопластинки TED (1500 об/мин для частоты кадров 25 Гц) выбрана так, чтобы один ее оборот соответствовал полному кадру изображения, т.е. чтобы импульсы телевизионной синхронизации записывались вдоль радиуса пластинки. Этот принцип получил название CAV (Constant Angular Velocity, постоянная угловая скорость). При проигрывании такой пластинки с отключенным механизмом перемещения видеоснимателя считывается информация одного и того же витка спирали, т.е. воспроизводится стоп-кадр.
Лазерный и альтернативные диски
5 сентября 1972 г. – Голландская фирма Philips продемонстрировала долгоиграющую видеопластинку с 30-минутной цветной программой записываемую лазером при постоянной линейной скорости (принцип CLV, Constant Linear Velocity) 12,5 м/с. Воспроизведение изображения осуществлялось оптическим способом с помощью луча лазера. Система получила название VLP (Video Linear Play), а видеопластинка – LaserDisk (LD). Чуть позже американская фирма MCA (Music_Corporation_of_America) предста-
вила видеопластинку DiskoVision (DV), во многом подобную видеопластинке LD. Максимальная продолжительность записи на видеопластинках
LD и DV 21 см вскоре была доведена до 40 мин. В дальнейшем диаметр
пластинок увеличился до 30 см, а продолжительность записи до 1 часа. Появились двусторонние диски, которые в процессе производства склеивали, а при проигрывании – переворачивали. Главное же было в том, что эта, по существу аналоговая система видеозаписи, обеспечивала высокое качество изображения (разрешение 420 твл) и звука стерео (полоса частот до 16 кГц), о котором тогда могли только мечтать разработчики бытовых видеомагнитофонов. В системе VLP использовалась частотная модуляция несущей частоты (8.5 MHz) полным видеосигналом (около 4.2 MHz для NTSC). К ней добавлялись поднесущие частоты 2.3 MHz и 2.8 MHz для лево- го-правого каналов звука и цифровой поток дополнительных данных. Все поднесущие частоты суммировались, и полученный сигнал записывался на диск в виде разности длины питов и промежутков между ними. При воспроизведении DV вращался с частотой 1800 об/мин (CAV для частоты кадров 30 Гц). Лазер, освещая дорожку питов, создавал на фотоприемнике исходный ЧМ сигнал. Немного позднее звук на LD стали записывать в 6- канальном формате Dolby Digital 5.1.
Но это были пластинки «Read only», т.е. их можно было только воспроизводить, а потребитель ждал появления аппаратуры и носителей информации, которые он мог бы записывать в домашних условиях.
Поэтому еще несколько лет продолжались исследования других разновидностей дисковой видеозаписи. Так, 30 августа 1973 г. немецкая фирма Bogen продемонстрировала видеопластинку, основанную на магнитном способе записи-воспроизведения. Были опубликованы также сообщения об оптической и фотографической видеопластинках французской фирмы Thomson и американской фирмы Metrix. Затем появилась разработанная американской фирмой RCA электрическая видеопластинка CED, воспроизведение записи с которой основано па принципе емкостного разряда. Но и эти видеопластинки относились к категории «Read only» и требовали весьма деликатного обращения при эксплуатации. Поэтому с появлением видеомагнитофонов формата VHS исследователи сосредоточились на проблемах цифровой видеозаписи на дисковые носители информации, а производители на освоение выпуска лазерных проигрывателей, которые шагнули в массы в 1978 г. Медлить дальше было нельзя, так как экспансия видеомагнитофонов угрожала сокрушительным падением спроса на видеодиски и проигрыватели к ним.
В перечисленных системах используются различные физические процессы и носители информации, приводящие к записи на них сигналов изображения и звука, и различные системы их воспроизведения. Но имеется и ряд общих положений, вытекающих из стремления сделать видеопластинку массовым средством информации. К этим положениям относятся: использование в качестве носителя дешевой пластмассовой пленки, сужение до разумных пределов полосы передаваемых частот, выбор принципа построения видеопроигрывателей минимальной стоимости. Лучшей из них оказалась система LD, установившая эталон качества изображения, продержавшийся почти 20 лет, вплоть до появления DVD в 1996 г. И сегодня еще есть приверженцы LD, предпочитающие аналоговую видеозапись цифровой, похожие на меломанов, больше любящих “винил”, чем компактдиск.
Система CD
Создание системы CD – редкий пример международной кооперации, позволившей на фоне интенсивной рыночной конкуренции создать и в 1982 г. принять мировой стандарт дисковой записи, чего не удалось при разработке первого поколения кассетной видеотехники.
1978 г. – 35-ю японскими фирмами заключена конвенция, которая рекомендовала работу по созданию цифровых дисков вести в 12 направлениях, одним из которых было направление, предложенное фирмой Philips. Суть этого предложения состояла в постоянстве линейной скорости записи (CLV), использовании модуляции 8 на 14 и новой системы коррекции ошибок с так называемым перемежающимся кодом Рида-Соломона. Постоянство линейной скорости записи означает, что скорости считывания двоичной информации на внешней и внутренней дорожке диска должны быть одинаковы. Фирма Philips решила эту задачу изменением частоты вращения диска в зависимости от радиуса дорожки. В этом легко убедиться, проигрывая начало CD (внутреннюю дорожку) и конец (внешнюю дорожку), так как замедление с 500 до 200 об/мин хорошо заметно. Использование постоянства
скорости считывания двоичных данных существенно упростило их обработку.
1980 г. – Фирмы Philips и Sony решили совместно использовать методы модуляции, разработанные фирмой Philips, и системы обработки сигналов, предложенные фирмой Sony. Сочетание нового метода коррекции ошибок с высокой плотностью записи данных поставило такую систему вне конкуренции по сравнению с остальными, и другим компаниям пришлось покупать на нее лицензию. В результате уже 15 апреля 1981 г. на музыкальном фестивале оперного искусства и классической музыки в Зальцбурге (Австрия) эти фирмы впервые с большим успехом продемонстрировали компакт-диски под названием CD-A (аудио) и проигрыватели для них. Следовательно, мы только что миновали летний юбилей цифровой дисковой записи. В 1983 г. стандарт CD-A был поддержан компанией Matsushita и введен как мировой.
В системе CD принят оптический способ записи с помощью миниатюрного полупроводникового лазера. Несмотря на малую мощность (порядка нескольких мВт), сфокусированный луч в состоянии испарить легкоплавкий материал с поверхности полиуретанового диска ( 12 см), форми-
руя микроуглубления (питы) диаметром примерно 0,6 мм и глубиной 0,1 мкм на спиральных канавках, следующих с шагом 1,6 мкм. В отсутствие луча поверхность диска остается без изменений. Таким образом, двоичная информации в каждый момент времени – это наличие пита на поверхности CD или его отсутствие. В режиме воспроизведения считывающий луч совсем маломощного лазера поглощается и рассеивается питами или отражается от нетронутой поверхности диска и поступает в фотоприемник.
1985 г. – Утверждена спецификация дисков CD-ROM, разработанная на базе стандарта CD-A для компьютерных приложений. В дальнейшем было разработано множество разновидностей CD, в том числе и с записью видео и мультимедийной информации.
1987 г. – Разработаны комбинированные CD/LD диски CD-V, содержа-