HDTV — новые технологии компрессии

Когда мы говорим о телевидении высокой четкости (HDTV), то всегда затрагиваем такие термины как носители, форматы записи, размер кадра, кодеки. Все эти понятия неразрывно связаны между собой, и результатом этой связи является качество получаемого изображения.
Последние тенденции в развитии технологий ясно показали, что в качестве носителей видеозаписей высокой четкости все большую популярность приобретают безленточные носители, такие как Р2 карты, диски Blu-ray, встроенные и переносные жесткие диски, флэш-карты. Причем этот переход виден как в профессиональном сегменте, так и в области малобюджетного видеопроизводства. Преимущества безленточных носителей очевидны: минимизация или отсутствие механических частей, долговечность, устойчивость к вибрациям, меньшее энергопотребление, экономия времени при обработке отснятого материала. Что касается размеров кадра, то, как известно в телевидении высокой четкости наибольшее распространение получили два типа форматов: 720р и 1080i. В сфере малобюджетного производства HD контента запись в этих форматах в настоящее время осуществляется с помощью кодеков DVCPROHD и HDV. Если сравнивать эти типы компрессии, то можно выделить несколько ключевых особенностей:
Кодек DVCPROHD позволяет записывать HD контент на карты памяти и
жесткие диски, тогда как HDV предназначен главным образом для записи на
miniDV кассеты;
Поток DVCPROHD составляет 100Мбит/с, для HDV этот параметр составляет
19.7Мбит/с и 25Мбит/c.
Камкодеры формата HDV способны записывать только один из форматов
1080i или 720р, в отличие от камкодеров формата DVCPROHD;
В кодеке HDV используется алгоритм межкадрового сжатия MPEG-2 GOP,
тогда как в DVCPROHD каждый кадр сжимается независимо.

Как видно из сравнения, HDV обладает рядом ограничений, которые связаны с тем, что этот формат был разработан для обеспечения записи HD сигнала на miniDV кассету. С появлением более скоростных устройств записи информации (флэш-карты, диски Blu-ray) дальнейшее использование формата HDV будет нецелесообразно, так как он не позволит в полной мере раскрыть возможности по записи высококачественного HDTV сигнала.

AVC — шаг в будущее
В 2003 году, благодаря совместному сотрудничеству ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) и ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG), была создана новая технология цифровой компрессии медиаданных — H264/MPEG-4 или AVC (Advanced Video Codec), которая открыла огромные возможности по записи и передаче HDTV сигналов. Разработка этого кодека была вызвана необходимостью обеспечить высокое качество видео при битрейте более чем в два раза ниже, чем у существующих стандартов записи. Причем, нужно было избежать чрезмерного усложнения системы кодирования, которое привело бы к удорожанию всей технологии.
Дополнительным требованием при разработке AVC была гибкость применения стандарта, т.е. возможность работы с низким и высоким битрейтом, поддержка высокого и низкого разрешения картинки, совместимость с сетевыми стандартами и системами. Поэтому стандарт AVC включает в себя следующие шесть функциональных наборов, так называемых профайлов, которые используются в зависимости от конкретных задач:
Baseline Profile (BP): применяется при работе с видео низкого качества при
ограниченных аппаратных ресурсах. Используется при видеоконференциях и в
мобильных устройствах;
Main Profile (MP): Позиционируется как основной профайл для
полупрофессиональных задач вещания и хранения. Значимость этого набора
уменьшилась с разработкой следующего профайла для аналогичных задач;
Extended Profile (XP): Имеет относительно высокую степень компрессии и
используется в основном для работы с потоками видеоданных, содержит
дополнительные алгоритмы для предотвращения потерь данных;
High Profile (HiP): Основной профайл для вещания и дискового хранения,
особенно важен для телевидения высокой четкости. Также принят для работы с HD
DVD и Blu-ray.
High 10 Profile (Hi10P): Является дальнейшем продолжением предыдущего
профайла. Обеспечивает глубину сэмплирования кодированного сигнала до 10 бит.
High 4:2:2 Profile (Hi422P): Предназначен для приложений профессионального
применения для работы с черезстрочным видеосигналом с глубиной
сэмплирования 10 бит и разложением сигнала 4:2:2.

Что касается возможностей применения кодека AVC в различных сферах деятельности, то можно сказать, что в ближайшем будущем этот стандарт будет основным, поскольку уже сейчас он достаточно широко адаптирован как для решения задач наземного и спутникового телевещания, так и для мобильных устройств. По наземному цифровому вещанию можно выделить следующие страны, которые уже заявили об использовании AVC:
В конце 2004г. во Франции анонсировали выбор H.264/AVC для приемников
HDTV и платных цифровых наземных каналов;
В системах наземного вещания в Бразилии и Эстонии планируется использовать
AVC для всех сервисов цифрового телевидения;
Кодек будет использоваться в Южной Корее для сервисов DMB (Digital Multimedia
Broadcast)
Основные вещательные японские компании, такие как NHK и Fuji Television также
будут использовать H.264/AVC в мобильном сегменте наземного вещания.

Цифровое спутниковое телевидение и сервисы на основе AVC используются в следующих телекомпаниях:
BBC HD использует спутниковые сервисы на базе H.264;
DirecTV и Dish Network в США;
Euro 1080 в Европе;
Premiere в Германии;
SkyHD в Великобритании и Ирландии;
Sky Italia в Италии;
SVT HD в Швеции.

AVCHD — новые возможности

11 мая 2006 г. корпорация Matsushita Electric Industrial Co. Ltd, известная по брэнду Panasonic и компания Sony анонсировали формат записи для новых HD камкодеров — AVCHD. Этот формат предназначается для записи видео высокой четкости в режимах 720р и 1080i на такие носители как 8см перезаписываемые DVD диски, жесткие диски и карты памяти SD и Memory Stick Pro, и позиционируется как альтернатива существующим форматам DV и HDV в сфере малобюджетного видеопроизводства.
Созданный на базе технологии компрессии H264/MPEG-4, этот формат является гораздо более эффективным по сравнению с MPEG-2, используемый в камкодерах формата HDV, поскольку одновременно обеспечивает лучшее качество видеосигнала и меньшие требования по хранению данных. Помимо этого, AVCHD наделен возможностью произвольного доступа к отснятому материалу. Запись аудио в кодеке осуществляется при помощи кодеков АС-3 или Linear PCM. Также важно отметить, что в отличие от форматов HD-DVD и Blu-Ray, кодек AVCHD способен работать с уже повсеместно распространенными и известными на рынке носителями.

Основные технические данные формата AVCHD представлены в табл. 1.
Таблица 1.
Video
Видеосигнал
1080/60i 1080/50i 1080/24p
720/60p 720/50p 720/24p
480/60i
576/50i

Кол-во пикселей
1920×1080 1440×1080
1280×720
720×480
720×576

Формат кадра
16:9
16:9
4:3, 16:9
4:3, 16:9

Алгоритм сжатия
MPEG-4 AVC/H.264

Частота дискретизации для сигнала яркости
74.25 МГц 55.7 МГц
74.25 МГц
13.5 МГц
13.5 МГц

Разложение сигнала
4:2:0

Квантование
8 бит

Audio
Алгоритм сжатия
Dolby Digital (AC-3)
Linear PCM

Битрейт после сжатия
64-640 кбит/c
1.5Мбит/c

Режим аудио
1-5.1 канал
1-7.1 канал

Система
MPEG-2 Transport Stream

Битрейт системы
До 18 Мбит/c

Что касается новых HD камкодеров на основе кодека AVCHD , то в ноябре 2006г. Panasonic анонсировал две новые бюджетные модели: HDC-SD1 и HDC-DX1. В первой модели в качестве носителя используется SD карта памяти, во второй — DVD диск.

В табл. 2 приведена информация по приблизительному времени записи видео на карты памяти в зависимости от емкости карты и режима записи (используемого битрейта) для камеры HDC-SD1.

Таблица 2
Режимы записи
Тип носителя

DVD
SDHC
SD Memory Card

1.4 Гб
4 Гб
2 Гб
1 Гб
512 Мб

ХР (13 Мбит/c)
в разработке
40мин
20мин
10мин
5 мин

SP (9 Мбит/c)
1 слой — 20 мин 2 слоя — 40 мин
59мин
30мин
15 мин
7мин

LP (6Мбит/c)
1 слой — 31 мин 2 слоя — 62 мин
8 8 мин
4 5 мин
22мин
10мин

Оба камкодера записывают видеосигнал в формате 1080i и поддерживают запись объемного звука Dolby Digital 5.1, имеют встроенный HDMI интерфейс.
В ближайшем будущем компания Panasonic анонсирует профессиональную модель камкодера на SD-картах — AG-HSC1E. Эта модель, как и бюджетная HDC-SD1, будет записывать видео в формате AVCHD, но в двух режимах: 1080i и 720p, также она будет наделена возможностью улучшенной цветопередачи с использованием различных типов гамма-кривых. Помимо этого, в комплект поставки будет включен портативный жесткий диск для копирования записанных материалов с SD-карты.

О поддержке формата AVCHD в ближайшем будущем уже заявили следующие компании — разработчики программного обеспечения:
Adobe System Incorporated;
Canopus Co., Ltd;
ArcSoft, Inc;
CyberLink Corporation;
Focus Enhancements, Inc;
Inter Video, Inc.;
Nero AG;
PIXELA CORPORATION;
Ulead Systems, Inc.

В линейку профессионального оборудования AVCHD от Panasonic также будет включено многозадачное устройство, обладающее такими функциями как воспроизведение с SD-карт, предварительный просмотр отснятого материала, конверсия между форматами AVCHD и DVCPRO HD, передача сигнала по интерфейсам HD SDI и IEEE1394.

Таким образом, с созданием новых устройств на базе технологии AVCHD, пользователи получать мощные и надежные инструменты для создания высококачественного малобюджетного HD контента.

AVC-Intra — Для истинных профессионалов

Если мы говорим о профессиональной записи форматов высокой четкости на карты памяти, в частности, в технологии P2HD, то запись осуществляется с использованием кодека DVCPRO HD, поток данных в котором составляет 100Мбит/c. На сегодняшний день это один из самых высококачественных кодеков для создания HD контента. Появление новой технологии сжатия H264/MPEG-4 позволило создать новый, более совершенный кодек AVC-Intra для записи видео высокой четкости на твердотельные носители. Разработанный компанией Panasonic, кодек AVC-Intra обеспечивает внутрикадровую компрессию сигнала с глубиной 10 бит и с битрейтом почти в два раза ниже. Тем самым, время записи на Р2 карту увеличивается практически вдвое без потерь качества. AVC-Intra будет работать в двух режимах: 100Мбит/c — для обеспечения высочайшего качества сигнала, и 50Мбит/c — при создании высококачественных HDTV программ с эффективным использованием носителей (Р2 карт). Качество видео при записи с потоком 50Мбит/c будет примерно таким же, как и при работе с уже существующим кодеком DVCPRO HD.

Выпуск кодека начнется летом 2007 года в виде дополнительных плат расширения для уже существующих P2HD камкодеров AJ-HPX2000/2100 и для новых моделей AG-HPX300 и AG-HPX500. Изначально, камкодеры Panasonic линейки P2HD работают в формате DVCPRO HD, но если пользователям необходимо перейти на формат AVC-Intra, то достаточно будет приобрести аппаратное решение в виде дополнительной платы. Здесь можно провести некоторую аналогию между линейкой кодеков стандартной четкости DVCPRO и DVCPRO50 и новым форматом AVC-Intra. Сейчас в HD, также как и в стандартном разрешении, можно будет выбирать поток записи и требуемое качество сигнала. Например, при работе с кодеком AVC-Intra с потоком 50Мбит/c на пять P2 карт общей емкостью 40Гбайт можно будет записать до 80 мин видео в формате 720/60p, что в сравнение с DVCPRO HD в два раза больше, причем качество останется таким же высоким за счет использования новой технологии H264/MPEG-4.

Таким образом, компания Panasonic предоставляет широкий выбор форматов высокой четкости для работы с твердотельными носителями, которые позволят оптимально использовать P2 карты, в зависимости от задач видеопроизводства, будь то съемки кино для показа в обычных и цифровых кинотеатрах или создание HDTV программ для наземного и спутникового вещания.

Материалы предоставлены компанией Panasonic