Компрессия. Сущность. Причины. Стандарты. Достоинства

В 1979 году были образованы рабочие группы SMPTE и EBU по цифровой видеозаписи. В результате интенсивной совместной работы фирм-производителей телевизионной аппаратуры, вещательных компаний и международных организаций по стандартизации был создан стандарт компонентной цифровой видеозаписи, получивший название D-1.

Первый промышленный цифровой видеомагнитофон DVR-1000/DVPC-1000 формата D-1 был создан фирмой Sony в 1986 году. Аппараты этого формата, выпускаемые до сих пор, являются компонентными, т.е. предназначены для записи телевизионного видеосигнала в цифровой компонентной форме по стандарту 4:2:2

В цифровой видеозаписи развитие происходит очень быстрыми темпами. Цифровой видеомагнитофон для записи композитного видеосигнала формата D-2 был продемонстрирован фирмой Ampex через несколько месяцев после появления аппарата D-1. Аппарат D-2 - кассетный магнитофон, в котором используются те же кассеты, что и в аппарате D-1. Благодаря повышению плотности записи длительность работы одной большой кассеты превышает 3 часа. С 1991 года фирма Panasonic выпускает композитные видеомагнитофоны формата D-3. Это был первый формат, рассчитанный на ленту шириной 1/2". Несмотря на меньшую ширину ленты, длительность записи составила уже 4 часа, что было достигнуто благодаря повышению поверхностной плотности записи более чем в 3 раза (в сравнении с D-1). С тех пор новые форматы видеозаписи на магнитную ленту появлялись практически каждый год. Фирма Ampex разработала комплект цифровой компонентной аппаратуры DCT, в котором для записи использовалась лента шириной 3/4". Фирма Panasonic создала компонентный видеомагнитофон для записи на ленту 1/2" (формат D-5), причем его кассеты совпадают с кассетами формата D-3. Компонентный аппарат, рассчитанный на цифровую запись на полудюймовую ленту, разработала и фирма Sony (формат Digital Betacam).

Системы DCT и Digital Betacam были первыми, в которых стала использоваться видеокомпрессия, или сокращение скорости потока записываемых видеоданных за счет устранения свойственной телевизионному изображению пространственной избыточности. Используемая в них компрессия сравнительно невелика (степень компрессии около 2:1) и практически не вносит заметных искажений. Видеокомпрессия в видеозаписи - это не просто средство увеличить длительность воспроизведения одной кассеты. Достигаемое при компрессии уменьшение потока записываемых данных - это дополнительный фактор, содействующий достижению оптимального результата при проектировании системы видеозаписи с точки зрения количества видеоголовок, размеров кассеты, расхода ленты, помехозащищенности, надежности конструкции, стоимости и т.п.

сфере телевизионного вещания будущее за компонентными форматами цифровой видеозаписи, позволяющими перейти к новой технологии производства телепрограмм. Но одномоментная замена оборудования и полный переход к компонентной цифровой технологии просто невозможны (прежде всего по экономическим соображениям). Ведь, кроме закупки оборудования необходимо еще вложить значительные средства в приобретение ленты, подготовку персонала, решение проблемы использования архивных записей и т.п. Поэтому успех формата определяется не только его потенциальными техническими показателями, но и стратегией его внедрения в практику. В магнитофонах форматов D-5 и Digital Betacam впервые проявилась особенность, облегчающая совместное использование новых систем с действующей аппаратурой телевизионного вещания и решающая проблему использования архивных материалов, - совместимость с записями, сделанными на аппаратах других форматов. Компонентные магнитофоны формата D-5 позволяют воспроизводить записи композитного формата D-3, а цифровые компонентные аппараты Digital Betacam способны воспроизводить записи, сделанные на аналоговых компонентных видеомагнитофонах Betacam SP.

Требование плавного перехода от аналогового телевидения к цифровому вызывает появление цифрового компонентного формата, аппараты которого совместимы в режиме воспроизведения с записями композитного аналогового формата. Фирма JVC разработала формат Digital-S. Аппараты этого формата предназначены для записи компонентного цифрового сигнала стандарта 4:2:2 на ленту шириной 1/2". Они могут также воспроизводить записи, сделанные на аналоговых композитных видеомагнитофонах S-VHS. В системе видеозаписи Digital-S используется видеокомпрессия, сокращающая пространственную избыточность телевизионного изображения (степень компрессии 3,3:1).

Значительным этапом развития цифровой видеозаписи стало объединение усилий таких ведущих фирм, как Sony, Matsushita, Philips, Thomson, JVC, Hitachi, Sanyo, Sharp, Toshiba в рамках проекта DVC (Digital Video Cassette - цифровая видеокассета), имеющего целью разработку формата цифровой компонентной видеозаписи на ленту шириной 1/4" как для прикладного, так и для бытового применения. В результате совместной работы были разработаны спецификации на семейство кассет, формат ленты, стандарт видеокомпрессии. Фирма Panasonic выпускает аппараты бытового и прикладного применения формата DV для записи компонентного цифрового видеосигнала стандарта 4:2:0 (или 4:1:1) с внутрикадровой видеокомпрессией со степенью 5:1. Максимальное время записи составляет 270 минут на одну кассету. На базе формата DV разработан также формат DVCPRO профессионального и вещательного назначения. Аппаратура DVCPRO способна воспроизводить записи в формате DV. Аналогичные системы бытового (DV) и прикладного назначения (DVCAM) разработаны и фирмой Sony.

Фирма Sony также сохраняет приверженность направлению Betacam и выпускает аппаратуру видеозаписи формата Betacam SX (запись осуществляется на пленку 1/2"), предназначенную для использования в вещательных системах подготовки программ новостей. Это первый формат, в котором видеокомпрессия со степенью 10:1 осуществляется в соответствии с профилем 4:2:2 основного уровня (422P@ML) системы компрессии MPEG-2, предполагающей сокращение как пространственной, так и временной избыточности телевизионного изображения. Особенностью системы Betacam SX является возможность передачи цифрового сигнала со скоростью, большей чем в реальном времени при использовании последовательного цифрового интерфейса данных.

Десятилетия основным носителем в системах видеозаписи была магнитная лента. Но сейчас запись на диск завоевывает свое место в видеотехнике. Дисковые системы дороже ленточных и имеют меньшую емкость, но они обладают весьма важным преимуществом - практически мгновенным (в сравнении с ленточными системами) доступом к любому фрагменту записи. Это создает новые возможности для производства телевизионных программ.

Научно-технический прогресс приводит к совершенствованию носителей записи. Особенно быстро прогрессируют накопители с использованием жестких магнитных дисков. Однако нет оснований утверждать, что магнитные диски в ближайшее время вытеснят ленту. Свойства носителей в отношении плотности, предельной скорости записи, емкости, стоимости и других показателей различны, отличаются и требования к носителям для разных сфер применения. Поэтому наиболее перспективный путь развития средств видеозаписи связан с созданием систем накопителей данных, построенных по иерархическому принципу, объединяющих ленту, жесткие магнитные диски, магнитооптические диски. В них должна быть также оптимальная иерархия систем видеокомпрессии, они должны использовать достижения техники компьютерных сетей передачи данных. Создание таких систем - очень сложная задача, но появление гибридных видеомагнитофонов указывает на ее реальность.

Обилие форматов цифровой видеозаписи обусловлено многими факторами. Это отражает стремление фирм-производителей аппаратуры улучшить параметры и эксплуатационные характеристики цифровых видеомагнитофонов, расширить сферу их применения. Это объясняется и большей гибкостью, которая обеспечивается цифровыми методами обработки сигналов. Прогресс цифровой видеозаписи неразрывно связан также с увеличением плотности записи информации: уменьшением ширины ленты, шага строчек записи, скорости транспортирования ленты, что достигается благодаря новым и более совершенным носителям записи. В значительной мере прогресс цифровой видеозаписи определяется успехами в теории информации и кодирования и достижениями в электронике.