Стандарты видеозаписи

Используемые термины:
носитель — физическое устройство для хранения информации видеопотока (например, кассета, диск или флеш-накопитель);
формат записи — способ представления видеопотока;
файл-контейнер — формат «упаковки» видеопотока и сервисных данных в один файл (например, формат представления в одном файле нескольких видео и аудио дорожек, включая субтитры).

Особенности телевещания

В современном стандарте телевещания принято передавать телевизионный сигнал с разрешением 625 строк по вертикали, с шириной полосы видеосигнала порядка 6,5 МГц. Для того, чтобы осуществить запись на магнитную ленту сигнала с таким спектром необходимо достичь огромной скорости перемещения магнитной головки вдоль ленты — 55 м/с (или около 200 км/ч)! Современные технологии изготовления бытовых лентопротяжных механизмов (ЛПМ) с барабанами вращающихся головок (БВГ) позволяют достичь скорости порядка 4,2 м/с. Поэтому, естественно, встает вопрос о сужении спектра видеосигнала видеозаписывающей аппаратуре для достижения компромисса между качеством и ценой.

Благодаря чересстрочной развёртке в 50 полукадров в секунду телевизионное изображение проигрывает в чёткости (детализации) динамических объектов полнокадровому изображению прогрессивной развёртки. Но в то же время такое решение позволяет вдвое снизить объём передаваемых данных и при этом сохранить качество передачи статических объектов и плавность движения в динамических сценах, не хуже прогрессивного метода передачи. Более того, цветовая информация также сильно сжата в несколько раз, то есть детализация разноцветного изображения в несколько раз ниже по сравнению с монохромным изображением. Перечисленные методы сужения спектра передаваемого сигнала опираются на особенности человеческого зрительного восприятия. Так, например, человек хуже различает детали быстродвижущихся объектов, и восприимает лучше монохромные детали изображения.

Телевизионные стандарты и системы цветности

Попробуем разделить некоторые «сросшиеся» понятия и обозначения. При знакомстве с аналоговым телевизионным вещательным сигналом сразу возникает понятие телевизионного стандарта и системы цветности (метода кодирования цветовой информации). Телевизионный стандарт определяет параметры кадровой и строчной развертки, синхронизации, а также способа кодирования звука. Эти параметры являются являются общими для черно-белого и цветного телевидения для обеспечения исторической совместимости оборудования. В настоящий момент в мире применяются около 10 телевизионных стандартов: В, D, G, Н, I, К, К1, L, М, N. При этом в рамках каждого из перечисленных стандартов могут применяться различные системы цветности: SECAM, PAL, NTSC (см. «Стандарты телевизионных сигналов»).

Методы передачи и записи цветовой составляющей

Вследствие кадрово-строчной развёртки видеосигнал имеет ярко выраженный «гребёнчатый» спектр. Поэтому в спектральные промежутки можно подмешивать дополнительные сигналы, не прибегая к расширению полосы самого спектра.

Дело в том, что кадр изображения делится на строки, воспроизведение которых происходит слева-направо. А поскольку в «молодом» телевидении в качестве устройств отображения применялись электронно-лучевые трубки (кинескопы), реакция отклоняющей системы которых не бесконечна, появилось понятие «время обратного хода луча» строчной и кадровой развертки. Оно характеризует величину задержки перед началом вывода очередной строки, а также перед началом вывода следующего кадра.

Можно, конечно, пофантазировать и предложить зигзагообразный метод обхода кадра изображения, сокращающий, по крайней мере, потерю времени при переходе с одной строки на другую, но кардинально картина не изменится.

Именно таким образом в своё время черно-белый телевизионный сигнал обогатился цветовой информацией, а затем и стереозвуком. Конкретный метод модуляции и кодирования цветовой поднесущей определяется телевизионным стандартом и системой цветности. Но, в отличие от вещательной аппаратуры (которая предаёт видеосигнал либо по эфиру, либо по кабельным волноводам), видеоаппаратура записывает и считывает сигналы с носителя данных. Поэтому даже если записывающая аппаратура принимает и передаёт видеосигнал в каком-то телевизионном стандарте и системе цветности, внутренний метод представления видеосигнала может существенно отличаться.

Например, JVC (Japan Victor Company) при разработке первого бытового формата видеозаписи VHS (Video Home System) предложила ограничить ширину полосы спектра записываемого сигнала в 2,5 МГц, чтобы упростить требования к носителю и конструкции аппаратуры. Это привело к потере высокочастотных составляющих видеосигнала и, соответственно, к потере мелких деталей исходного изображения. Но простого сужения спектра сигнала недостаточно для нормального функционирования видеосистемы, так как на частоте 4,43 МГц в телевизионном сигнале расположена цветоносная поднесущая, следовательно, она будет потеряна при записи на носитель. Поэтому было принято решение произвести «хирургическое вмешательство»: сигналы цветности выделяются, сжимаются и переносятся в низкочастотную часть спектра. Мало того, чтобы избавиться от неприятных искажений, при записи применяют частотную модуляцию сигнала. Поэтому спектр хранимого сигнала в два раза уже спектра записываемого и воспроизводимого сигнала.

Применительно к видезаписывающей аппаратуре, зачастую можно встретить следующие обозначения записи и передачи видеосигнала:

  • композитный сигнал — по одному волноводу передаётся вся информация о видеоизображении (за исключением фонограммы при низкочастотном подключении).
  • композитная запись — на одну дорожку носителя пишутся все составляющие видеосигнала (за исключением фонограммы).
  • компонентный Y/C сигнал — яркостная (Y) и цветовая (C = Cr + Cb = [R-Y]+[b]) составляющая передаются по раздельным волноводам.
  • компонентная Y/C запись — яркостная (Y) и цветовая (C = Cr + Cb = [R-Y]+[b]) составляющая пишутся на раздельные дорожки носителя.
  • компонентный YUV сигнал — яркостная (Y) и раздельно цветоразностные поднесущие (U=Cr=R-Y и V=Cb=B-Y) передаются по раздельным волноводам.
  • компонентная YUV запись — яркостная (Y) и раздельно цветоразностные поднесущие (U=Cr=R-Y и V=Cb=B-Y) пишутся на раздельные дорожки носителя.
  • дискретизация 4:4:4 — частота дискретизации цветоразностных сигналов совпадает с частотой дискретизации яркостного сигнала.
  • дискретизация 4:2:2 — частота дискретизации цветоразностных сигналов в два раза ниже частоты дискретизации яркостного сигнала (пропуск каждого чётного отсчёта).
  • дискретизация 4:1:1 — частота дискретизации цветоразностных сигналов в четыре раза ниже частоты дискретизации яркостного сигнала (выборка на каждый четвёртый отсчёт).
  • дискретизация 4:2:0 — частота дискретизации цветоразностных сигналов в четыре раза ниже частоты дискретизации яркостного сигнала, при этом пропускаются каждый второй отсчёт вдоль строки и цветовая информация распределена по парам строк (нельзя восстановить 1-ую строку из пары, не прочитав вторую).

Модели дискретизации можно пояснить следующими схемами.


Схема дискретизации в форматах с максимальным качеством.


Схема дискретизации в форматах серии DV.

Легко заметить, что выбор схемы 4:1:1 или 4:2:0 при оцифровке аналогового видеосигнала зависит в основном от его исходной системы цветности: NTSC или PAL (SECAM), соответственно. Потому что именно в NTSC спектр цветоразностных сигналов в четыре раза уже спектра яркостного, а в PAL (SECAM) передача цветоразностных компонент чередуется по строкам.

Наиболее распространённые форматы записи

Для осуществления видеозаписи необходимо знать стандарт и систему цветности видеосигнала на входе, так как записывающая аппаратура должна корректно выделять составляющие сигнала для соответствующей обработки и записи/воспроизведения видеофонограмм. В зависимости от возможностей применямего типа носителя и характеристик ленто-протяжного механизма записывающую аппаратуру можно приблизительно разделить на следующие форматы:

Аналоговые форматы
Название Разработчик Год Изначальное предназначение Ширина спектра модулированного видеосигнала, МГц Потенциальное разрешение по горизонтали, ТВЛ Горизонтальное разрешение по паспорту, ТВЛ Отношение сигнал/шум, дБ Аудиодорожки Совместимость
U-Matic Sony 1971 студийные устройства ≤330
Betamax Sony 1975 студийные устройства ≤300
VHS (Video Home System) JVC 1976 бытовые стационарные устройства 3,8~4,8 ≤268 200 (240 HQ) 43 1 продольная / 2 наклонных (в варианте Hi-Fi Stereo) VHS-C (через адатер)
Betacam Sony 1982 студийные устройства ≤360 49 Betamax
Video8 Sony 1983 бытовые портативные устройства 4.2~5.4 ≤302 250 (280 XR) 2 наклонных
VHS-C (VHS Compact) 1985 бытовые портативные устройства 3,8~4,8 ≤268 200 (240 HQ) 43 1 продольная / 2 наклонных (в варианте Hi-Fi Stereo)
Betacam SP (Superior Performance) Sony 1986 студийные устройства 5,75 ≤430 51 Betacam
S-VHS (Super VHS) JVC 1987 недорогие студийные устройства 5,3~7 ≤392 400 45 2 наклонных VHS, VHS-C, S-VHS-C
S-VHS-C (S-VHS Compact) 1987 портативные устройства 5,3~7 ≤392 400 45 2 наклонных VHS-C
Video Hi8 Sony 1990 недорогие студийные портативные устройства 5,8~7,7 ≤431 400 (420) 44 2 наклонных Video8
Цифровые форматы
Формат Разработчик Год Изначальное предназначение Формат видеопотока Объём цифрового потока, Мбит/с Потенциальное разрешение по горизонтали, ТВЛ Отношение сигнал/шум, дБ Аудиодорожки Совместимость
видео аудио всего
(D-1) 1986 студийные устройства 4:2:2 (Y,R-Y,B-Y) 8 бит 768x576 216 3,84 227 576 ИКМ 4 x 20 бит x 48 кГц
Ampex DCT (D-2) Ampex 1986 студийные устройства 4:2:2 ДКП 8 бит 768x576 3,84 154 576 ИКМ 4 x 20 бит x 48 кГц + продольная аналоговая дорожка для монтажного поиска
(D-3) NHK, Matsushita 1991 студийные устройства 948x576 3,84 150 711 ИКМ 4 x 20 бит x 48 кГц
DX-10 (D-5) Matsushita студийные устройства 4:2:2 без сжатия 10 бит на компоненту 1080/59,94i, 720/59,94p, 1080/23,98p (sf), 1080/24p (sf), 1080/50i, 1080/23,98p, 1080/24p, 1080/25p, 1080/25p (sf), 576/50i и 480/59,94i 7,68 270 810/540 ИКМ 8 x 20 бит x 48 кГц + продольная аналоговая дорожка для монтажного поиска
Digital Betacam Sony 1993 студийные устройства 4:2:2 ДКП 10 бит КПД 720x576i / 720x480i 93 3,84 125,58 540 55 ИКМ 4 x 20 бит x 48 кГц + продольная аналоговая дорожка для монтажного поиска Betacam, Betacam SP
(D-6) Toshiba, BTS 1994 студийные устройства 1200 1250 ИКМ 4 x 20 бит x 48 кГц
DV (Digital Video) DVC 1994 бытовые устройства 4:2:0 ДКП 720x576i / 720x480i 24,948 5:1 1,536 33 540 54 ИКМ 2 x 16 бит х 48 кГц / 4 x 12 бит x 32 КГц DVCAM
DVC-PRO (D-7) Matsushita 1995 студийные устройства 4:1:1 ДКП КПД 720x576i / 720x480i 24,948 5:1 1,536 41,85 540 54 ИКМ 2 x 16 бит х 48 кГц + продольная аналоговая дорожка для монтажного поиска DV, DVCAM
DVCAM Sony 1996 студийные устройства 4:2:0 ДКП КПД 720x576i / 720x480i 24,948 5:1 1,536 42 540 54 ИКМ 2 x 16 бит х 48 кГц / 4 x 12 бит x 32 КГц DV
Betacam SX Sony 1996 студийные устройства 4:2:2 MPEG-2 422P@ML 10:1 18 3,072 40 51 4 x 16 бит x 48 кГц Betacam, Betacam SP
MiniDV DVC 1996 бытовые портативные устройства 4:2:0 ДКП 720x576i / 720x480i 24,948 5:1 1,536 33 540 54 ИКМ 2 x 16 бит х 48 кГц / 4 x 12 бит x 32 кГц
HDCAM Sony 1997 студийные устройства 4:2:2 ДКП 1080/23,98p, 1080/24p, 1080/25p, 1080/29,97p, 1080/30p, 1080/60i, 1080/24p, 720/60p, 1080/50i 185 810/540 4 канала
Digital S (D-9) JVC студийные устройства 4:2:2 ДКП 720x576i / 720x480i 50 1,536 99 540 55 ИКМ 2 x 16 бит х 48 кГц / 4 x 12 бит x 32 кГц + продольная аналоговая дорожка для монтажного поиска S-VHS (монтажный плеер BR-D51)
Digital8 Sony 1999 бытовые портативные устройства 4:2:0 ДКП 720x576i / 720x480i 25 1,536 540 54 ИКМ 2 x 16 бит х 48 кГц / 4 x 12 бит x 32 кГц Video8, Video Hi8
DVC-PRO50 Matsushita студийные устройства 4:2:2 ДКП 50 3,3:1 3,072 540 62 ИКМ 4 x 16 бит х 48 кГц DVC-PRO
HD-D-5 студийные устройства 4:2:2 1080/60i, 1080/24p, 720/60p, 1080/50i, 1080/25p 810/540 8 каналов (Surround 5.1)
DVC-PRO-HD Matsushita студийные устройства 4:2:2 1080/60i, 1080/24p, 720/60p, 1080/50i 810/540
MPEG-IMX (D-10) Sony 2001 студийные устройства 4:2:2 MPEG-2 50 6,144 ИКМ 8 x 16 бит x 48кГц / 4 x 24 бит x 48 кГц Betacam SX
HDCAM SR Sony 2003 студийные устройства 4:2:2/4:4:4 ДКП 1080/23,98p, 1080/24p, 1080/25p, 1080/29,97p, 1080/30p, 1080/60i, 1080/24p, 720/60p, 1080/50i 880(HQ) 810/540 4 канала
MicroMV Sony бытовые портативные устройства MPEG-2 720x576i / 720x480i 12 0,384 540 MPEG-1 Audio Layer-2, 2 x 16 бит x 48 кГц
HDV бытовые портативные устройства MPEG-2 1440х1080i 25 0,384 810 MPEG-1 Audio Layer-2, 2 x 16 бит x 48 кГц, 384 кбит/с MiniDV
DVD-Video (R9) бытовые устройства воспроизведения MPEG-2 720x576p / 720x576i / 720x480p / 720x480i ≤9,8 540 ИКМ / Dolbi Digital
HD DVD бытовые устройства воспроизведения MPEG-2 ≤36,6 810 ИКМ / Dolbi Digital
Blu-Ray бытовые устройства воспроизведения MPEG-2, VC-1, AVC ≤36,6 810 ИКМ / Dolbi Digital / Dolby Digital Plus / DTS / Dolby TrueHD / DTS-HD / Dolby Lossless

Примечание

  • DVC (Digital Video Cassete) — консорциум (в настоящий момент просто DV) из более чем 60 членов (Sony, Matsushita (Panasonic), JVC, Hitachi, Mitsubishi, Toshiba, Sanyo, Sharp, Philips, Thomson и д.р.), объединившихся для разработки цифрового стандарта видеозаписи.
  • ДКП (Discrete Cosine Trasnformation) — дискретно-косинусное преобразование
  • ИКМ (Pulse Code Modulation) — импульсно-кодовая модуляция (представления оцифрованного сигнала без сжатия)
  • КПД (Variable Length Code) — код переменной длины

Хотел бы также отметить, что цифровые форматы с внутрикадровым сжатием (например, семейство DV) позволяют проводить линейный монтаж с точностью до 1 кадра. Но форматы, основанные на межкадровом сжатии (например, MPEG-2), не позволяют производить произвольный монтаж без потери качества.

540 и 810

У читателя может возникнуть вопрос: почему в таблице цифровых форматов указано разрешение 540 ТВЛ (ТВ линий) и 810? Попробую пояснить эти значения. Разрешение ТВ изображения измеряется в максимальном количестве контрастных линий изображения, которые можно различить по вертикали или горизонтали на единицу линейного размера кадра. Если измеряется разрешение по каналу яркости, то проверяются чёрно-белые пары линий. А если идёт измерение разрешения по цвету, то пары цветных линий соответствующих основных цветов.

Максимальное разрешение по вертикали определяется однозначно ТВ-стандартом, например, 480 видимых строк, 576 или 1080 и т.д. То есть стандарт задает верхнюю планку вертикального разрешения, потому что нельзя на картинке, например, из 576 строк изобразить более 288 пар черных и белых горизонтальных линий. А по горизонтали разрешение зависит от ширины спектра аналогового сигнала, или непосредственно от разрешения кадра и алгоритма кодирования для цифрового сигнала. Поэтому за основу относительного линейного размера кадра выбрана вертикальная сторона кадра.

Отсюда следует, что для цифрового кадра с размерами 768x576 (соотношение 4:3) максимальное горизонтальное разрешение ограничено 576 линиями. А при дискретизации сигнала с 720 отсчётами по строке (соотношение 5:4) получается, что в отрезке строки, равном по длине высоте кадра разместятся 576x(720/768) = 540 пикселов. Отсюда получаем предел горизонтального разрешения в 540 пикселов. Аналогично для HDTV с размерами кадра 1920x1080 при дискретизации с 1440 отсчётами по строке получаем, что горизонтальное разрешение ограничено 1080x(1440/1920) = 810 линиями.

Форматы, контейнеры, носители

Форматы

Не зависимо от того, в какой файл-контейнер упакован видеопоток, он должен быть закодирован в определнном формате. Формат определяет, как минимум, следующие технические характеристики:

  • геометрическое разрешение видеокадра (в пикселях),
  • тип кадровой развертки
  • частота кадров в секунду
  • соотношение сторон видеокадра
  • способ кодирования цветовой составляющей
  • степень сжатия.

К форматам видеопотоков можно отнести следующие:

  • Cinepak
  • DivX — Digital Video Express
  • DV — Digital Video
  • H.263 — стандарт кодирования видео для видеоконференций
  • H.264, AVC, MPEG-4 Part 10 — Advanced Video Codec (стандарт ISO/IEC 14496-10)
  • HuffYUV
  • Indeo 3
  • MJPEG — Motion JPEG
  • MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 — семейство форматов Mpotion Picture Engeneering Group
  • RealVideo
  • Theora
  • VP3, VP4, VP5, VP6, VP7, VP8 — On2 TrueMotion
  • VC-1 — Video Codec 1
  • WMV — Windows Media Video
  • XviD

Контейнеры

Исторически сложилось так, что некоторые контейнеры могут представлять видеопоток только в определенном формате. Это, если можно так сказать, «именные» файл-контейнеры.

К контейнерам видеопотоков можно отнести следующие форматы файлов:

  • avi — Audio Video Interleave
  • divx — DivX Media Format
  • flv — Flash Video
  • m1v — MPEG1 Video
  • m2v, m2p — MPEG2 Video, MPEG2 Program Stream
  • m4v, mp4 — MPEG4 Video, MPEG4 Program Stream
  • mkv — Matroska Video
  • mov — Apple Quick Time Movie
  • mpg — MPEG1/2/4 Video
  • rm, rmvb — RealVideo
  • ts, tp, trp, m2t, m2ts, mts, vob — MPEG2 Video транспорт для оптических носителей CD/DVD/BD
  • wmv — Windows Media Video

Носители

Для обеспечения совместимости на уровне ленто-протяжных механизмов видеокассеты должны иметь одинаковый конструктив или адаптируемую конструкцию при помощи адаптера. Если взглянуть на столбец совместимость на ранее представленной таблице, то становится очевидным, что аппаратура некоторых форматов использует один и тот же тип кассет. Ниже приведена таблица соответствия видеоформата и носителя.


Типы видеокассет (коллаж)

Формат Носитель Емкость
VHS 12,65 мм оксидная/металлпорошкоая в оригинальной кассете 60-300 мин
Video8 8 мм оксидная/металлпорошкоая лента в оригинальной кассете 90-120 мин
VHS-С 12,65 мм оксидная/металлпорошкоая в оригинальной кассете, рассчитанной на применение полноразмерного VHS-адаптера 30-60 мин
Betacam SP 12,65 мм лента в оригинальной кассете двух размеров: съёмочная (<30 мин) и монтажная (<90 мин)
S-VHS 12 мм мелкозернистая лента в кассете, совместимой с VHS 60-300 мин
Video Hi8 8 мм лента мелкозернистая лента в кассете, совместимой с Video8 90-120 мин
S-VHS-С 12 мм лента в оригинальной кассете, рассчитанной на применение полноразмерного VHS-адаптера 30-60 мин
D-1 19 мм металлпорошковая лента в оригинальной кассете
D-2 19 мм металлпорошковая лента в оригинальной кассете
D-3 12,65 мм металлпорошковая лента в оригинальной кассете
Betacam SX кассета Betacam с новой 12,65 мм лентой металл-порошковаой или с металлическим напылением и защитным графитным покрытием
DV 6,35 мм лента c металлическим напылением в оригинальной кассете
DVСPRO 6,35 мм металлпорошковая лента в оригинальной кассете
MiniDV 6,35 мм лента с металлическим напылением в оригинальной кассете 60-80 мин (13,5 Гб/17,5 Гб)
Digital S используется кассета с конструктивно аналогичная кассете S-VHS
Digital8 используется кассета Video Hi8
HDV используется кассета MiniDV 60-80 мин (13,5 Гб/17,5 Гб)
DVD
HD DVD однослойный 30 Гб / двухслойный 60 Гб
Blu-Ray однослойный 23,9 Гб / двухслойный 47,7 Мб


Носители видеоданных (коллаж).
Использованы изображения с сайта www.vid-doc.ee

Но упомянутая специализация носителей постепенно уходит с появлением цифровых технологий и универсальных носителей данных. Даже среди кассет магнитных лент можно выделить универсальные аналоговые и цифровые носители, например, Video Hi8 и MiniDV. На момент написания данного материала можно говорить, что любой формат цифрового видеопотока можно записать на любой универсальный носитель данных.

Материалы магнитных лент

Металлпорошковые ленты состоят из основы и оксидного покрытия. В металлизированных лентах используются пленки никель-кобальтовых сплавов с примесью кислорода, которые отличаются высокой стойкостью к коррозии.

Хранение носителей

Оптимальным способом архивного хранения видеокассет можно назвать вертикальное размещение (по короткой стороне) в сухом помещении, чтобы исключить сминание кромки ленты, на которой записываются синхроимпульсы.

Оптические диски специалисты рекомендуют также хранить в сухом месте и не подвергать воздействию прямых солнечных лучей (ораганика записываемых дисков разлагается в ультрафиолете). А по своему опыту добавлю, что писать маркерами на дисках лучше не стоит (особенно спиртовыми), а если очень надо можно на внутреннем прозрачном кольце нанести небольшую надпись.



DB на Воскресенье 04 Август 2019 - 11:42:34
комментарии:0