Стандарты дискретизации

Цифровая магнитная видеозапись. Формат DV

Число форматов цифровой магнитной видеозаписи приближается к двум десяткам. Это ясно показывает, что ни один из форматов не может соответствовать всем разнообразным требованиям телевизионного производства. Но ясно и то, что телевизионному производству не нужно такое число форматов, поэтому конкуренция между фирмами-разработчиками необычайно остра и напоминает боевые действия. На страницах технических журналов ведутся жаркие споры о том, какие из форматов найдут себе место на рынке телевизионного оборудования будущего. Но к формату DV эти споры не имеют отношения, его будущее безоблачно. В это можно поверить, даже не вникая в суть проблемы и зная лишь то, что под флагом DV в рамках консорциума DVC (Digital Video Cassette) объединили свои усилия многие десятки ведущих фирм мира — разработчиков и производителей телевизионной техники.

Впрочем, всеобщая поддержка формата DV не означает исчезновения конкуренции и не требует применения антимонопольного законодательства. Договорившись о поддержке единого формата, члены консорциума выпускают разнообразные технические системы и устройства, работающие в стандарте DV, но соперничающие друг с другом за предпочтения покупателей. Такая конкуренция внутри семейства изделий формата DV способствует улучшению качественных показателей и снижению стоимости аппаратуры.

Работа консорциума DVC, имевшего целью создание формата цифровой видеозаписи бытового назначения, началась благодаря совместным усилиям четверки компаний: Matsushita (Panasonic), Philips, Sony, Thomson. К ним затем присоединились Hitachi, JVC, Mitsubishi, Sanyo, Sharp, Toshiba. Исследования и разработки велись в четырех направлениях:

• видеокомпрессия;

• семейство интегральных схем для обработки данных;

• формат записи и механизм транспортировки ленты;

• лента и семейство кассет.

Были рассмотрены самые разнообразные предложения. Исследовались даже варианты, которые казались отвергнутыми десятки лет назад, например многоканальная продольная запись с использованием неподвижной матричной головки. Однако была принята традиционная система наклонно-строчной записи, как более дешевая в производстве и обеспечивающая большую плотность записи. В 1993 г. первая десятка членов консорциума DVC утвердила принципы и параметры формата DVC (впоследствии аббревиатура редуцировалась до DV). Ширина ленты, равная 1/4, длительность записи компонентного видеосигнала на кассету с размерами 125x78x14,6 мм, равная 4,5 часа, при качестве, близком к вещательному. Такие показатели произвели впечатление даже на знатоков. В 1995 г. было начато промышленное производство видеокамер формата DV. В 1998 г. Международная электротехническая комиссия IEC (International Electrotechnical Commission) приняла формат DV в качестве международного стандарта IEC 61834, регламентирующего систему наклонно-строчной цифровой видеозаписи бытового назначения с использованием магнитной ленты шириной 6,35 мм (Helical-scan digital video cassette recording system using 6,35 mm magnetic tape for consumer use).

Цифровая видеозапись может проникнуть в бытовую сферу только при условии, что стоимость приобретения аппаратуры и затраты на ее эксплуатацию (включая расходы на приобретение кассет с лентой) являются невысокими и доступными для видеолюбителей. Поэтому финансово-экономический аспект проектирования формата DV был важнейшим. Но на работу консорциума несомненное влияние оказали также исследование и разработка новых систем цифрового телевизионного вещания, выполнявшиеся в то же время. Создание цифрового спутникового, кабельного и наземного телевидения, а также быстрое расширение глобальной телекоммуникационной сети Интернет предопределили грядущий значительный рост потребности в программных материалах для телевизионного вещания во всех его новых формах.

Одним из важнейших условий расширения рынка телевизионных программ является снижение расходов на телепроизводство, поэтому уменьшение капитальных затрат на приобретение оборудования и расходов на его эксплуатацию было бы важнейшей задачей проектирования нового формата видеозаписи и для вещательного телевидения. Система видеозаписи формата DV разрабатывалась для бытового применения, но параметры, положенные в основу формата, обеспечивают настолько высокие качественные показатели, что становится ясным — разработчики предусматривали использование аппаратуры формата DV в производстве программ для телевизионного вещания, например в сфере производства программ новостей.

Практика работы с видеокамерами DV показала, что формат вышел за рамки исходной цели создания цифровой видеозаписи бытового назначения и смог найти применение в профессиональном и вещательном телевидении благодаря высоким качественным показателям воспроизводимого изображения. Аппараты формата DV оказались настолько дешевыми, что стали доступными для видеолюбителей, желающих повысить техническое качество записей, и настолько высококачественными, что стали удобными для производителей телевизионных программ, заботящихся об экономии ресурсов. Важнейшим фактором достижения столь уникального сочетания показателей явилась разработка эффективного алгоритма видеокомпрессии, обеспечивающего сравнительно малую величину компрессированного потока данных (25 Мбит/с) (причем только за счет внутрикадрового кодирования) при сохранении высокого качества изображения.

К достоинствам алгоритма надо отнести также то, что он допускает сравнительно простую аппаратурную реализацию (надо полагать, что именно требование простоты реализации было решающим при выборе внутрикадрового кодирования). Последнее обстоятельство сделало возможным создание комплекта больших интегральных микросхем для тракта записи/воспроизве-дения видеокамер формата DV, обеспечивающих надежную работу и дешевых при массовом производстве. Важнейшая роль, которую сыграл алгоритм видеокомпрессии в успехе формата DV, объясняет, почему описание формата DV начинается с изложения принципов обработки данных.

MPEG

Слово MPEG является сокращением от Moving Picture Expert Group — названия экспертной группы ISO, действующей в направлении разработки стандартов кодирования и сжатия видео- и аудиоданных. Официальное название группы — ISO/IEC JTC1 SC29 WG11. Часто аббревиатуру MPEG используют для ссылки на стандарты, разработанные этой группой. На сегодняшний день известны следующие:

MPEG-1 — предназначен для записи синхронизированных видеоизображений (обычно в формате SIF, 288 x 358) и звукового сопровождения на CD-ROM с учетом максимальной скорости считывания около 1,5 Мбит/с. Качественные параметры видеоданных, обработанных MPEG-1, во многом аналогичны обычному VHS-видео, поэтому этот формат применяется в первую очередь там, где неудобно или непрактично использовать стандартные аналоговые видеоносители.

MPEG-2 — предназначен для обработки видеоизображения, соизмеримого по качеству с телевизионным при пропускной способности системы передачи данных в пределах от 3 до 15 Мбит/с, а в профессиональной аппаратуре используют потоки скоростью до 50 Мбит/с. На технологии, основанные на MPEG-2, переходят многие телеканалы. Сигнал, сжатый в соответствии с этим стандартом, транслируется через телевизионные спутники и используется для архивации больших объемов видеоматериала.

MPEG-3 — предназначался для использования в системах телевидения высокой четкости (high-defenition television, HDTV) со скоростью потока данных 20–40 Мбит/с, но позже стал частью стандарта MPEG-2 и отдельно теперь не упоминается. Кстати, формат MP3, который иногда путают с MPEG-3, предназначен только для сжатия аудиоинформации и полное название MP3 звучит как MPEG-Audio Layer-3.

MPEG-4 — задает принципы работы с цифровым представлением медиа-данных для трех областей: интерактивного мультимедиа (включая продукты, распространяемые на оптических дисках и через Сеть), графических приложений (синтетического контента) и цифрового телевидения.