Телевидение и видеозапись

История развития форматов видеозаписи началась сравнительно недавно. Для оптимизации работы телевидения инженеры были вынуждены заняться разработкой методов консервации телевизионных программ, руководствуясь следующими требованиями:

1. В отличие от киноформатов должна осуществляться возможность воспроизведения только что записанного изображения и звука.

2. Носитель и звукозаписывающая аппаратура должны иметь характеристики, позволяющие записать телевизионный сигнал в неискаженном виде.

Оптическая или фотографическая запись этим параметрам не соответствовала, так как процесс получения записи изображения был длительным и многоступенчатым. Поэтому инженеры-разработчики остановили свой выбор на магнитном носителе, представляющем собой ленту из полимерных материалов, покрытую рабочим слоем - магнитным порошком в связующем веществе. Но для реализации задуманного им было необходимо решить несколько трудностей, связанных с такими факторами, как:

1. Малая скорость транспортировки ленты. Для записи высокочастотных компонент телевизионного сигнала, занимающего широкий диапазон частот, потребовалась бы малая длина волны записи, которую можно достичь либо уменьшением рабочего зазора магнитной головки, что технологически невозможно, либо увеличением скорости транспортировки ленты. Последнее было достигнуто путем создания блока вращающихся головок (БВГ). Таким образом была увеличена скорость магнитного носителя относительно головок.

2. Широкий частотный диапазон телевизионного сигнала, не позволяющий без искажений зафиксировать запись в связи с характеристиками магнитного носителя. Для устранения этой трудности была реализована идея смещения спектра видеосигнала в высокочастотную область путем частотной модуляции. Перечисленные выше проблемы были основными, но кроме них существовал целый ряд определенных трудностей, которые пришлось решать разработчикам видеоаппаратуры. Каждому решению можно посвятить целую или даже несколько статей, но в рамках данной мы ограничимся лишь описанием основных аналоговых и цифровых форматов.

Самое краткое, исчерпывающее и понятное определение этого термина дается в учебнике для вузов «Телевидение» под редакцией профессора В. Е. Джакония: «Формат записи - это упорядоченное расположение на поверхности ленты строчек и дорожек, намагниченных под действием разнообразных сигналов. Описание формата и его параметров дает однозначное указание, каким образом производится запись или воспроизведение информации».

Первый аналоговый формат, который получил название Q, был построен на принципе поперечно-строчной записи на 2-дюймовую ленту с помощью четырех вращающихся видеоголовок. Скорость каждой головки относительно ленты составляла 41,27 м/с. Звук писался на одну из трех продольных дорожек обычной магнитной головкой, остальные две служили для записи контрольных сигналов управления и режиссерских меток.

Время шло, техника совершенствовалась, и в телевидение стала внедряться наклонно-строчная видеозапись. Благодаря спиралеобразному обхвату блока вращающихся головок лентой, записанные дорожки получались с наклоном, что позволило существенно увеличить информационную емкость носителя. Одним из форматов, использующих этот принцип, был аналоговый формат В, разработанный фирмой Bosh. В отличие от предыдущего, этот формат позволял запись двух звуковых дорожек вдоль носителя, помимо обычной режиссерской и управляющей. На блоке вращающихся головок располагались 2 записывающие и 2 стирающие головки. Скорость головок относительно ленты составляла уже 24 м/с. Впервые была применена кассетная конструкция носителя, вместо более ранней - катушечной.

Видеомагнитофоны формата C, разработанные фирмами Ampex и Sony, использовали 1-головочную запись или 1,5-головочную на однодюймовую ленту. Скорость движения ленты относительно головки составляла 21,39 м/с. На барабане располагались головка записи/воспроизведения телевизионного сигнала и головка записи/воспроизведения кадрового синхроимпульса, 2 головки контрольного воспроизведения и 2 стирающие головки. В отличие от других форматов, запись была несегментной, то есть записывалась вся активная часть поля, а гасящий импульс дописывался второй головкой - головкой записи кадрового синхроимпульса. В 1971 году фирма Sony создала 19.01-миллиметровый формат U-matic, в котором сигнал цветности записывался по частоте ниже, чем сигнал яркости. Видеосигнал записывался двумя вращающимися видеоголовками. В формате были предусмотрены: продольная дорожка для записи управляющего сигнала, 2 дорожки для записи звукового сигнала и дорожка временного кода. Именно тогда впервые заговорили о «прорыве» на рынке видеотехники.

Настоящий прорыв конечно же случился чуть позже, с появлением формата VHS в 1976 году, который уже в 80-х годах стал де-факто стандартом бытовой видеозаписи. Но в рамках данной статьи нас интересует больше то значение, которое имело для телевидения и тележурналистики создание форматов Betacam. Их развитие можно проследить по названиям: Betacam, Betacam SP, Betacam SP 2000PRO, Betacam SP 1000PRO. По данному стандарту на полудюймовые ленты со скоростью 101,5 мм/с производится запись компонентного сигнала, состоящая из сигналов яркости и цветности. За каждую из составляющих отвечает отдельная видеоголовка, пишущая на свою дорожку. Кроме того, формат предусматривает запись двух продольных звуковых дорожек, а также дорожек управления и адресно-временного кода.

Благодаря ряду преимуществ техники, работающей с форматом Betacam, таких как малые габариты и высокое качество полученного изображения, этот стандарт прочно вошел в историю тележурналистики и в течение десятилетий являлся для этой сферы телевидения основным. Была реализована моноблочная конструкция видеокамеры, в которой камерная головка и рекордер находились в одном корпусе. После его внедрения стало возможным готовить репортажи к эфиру за считаные часы. Betacam SP является своего рода потомком формата Betacam и отличается от своего предшественника тем, что в нем используется металлопорошковая лента, а также имеются 2 дополнительные звуковые дорожки, записанные вращающимися головками рядом с сигналами яркости. Цветоразностные сигналы сдвинуты в область высоких частот, что дало возможность расширить диапазон сигнала яркости. Этот аналоговый формат долгое время был одним из популярнейших. До сих пор он используется при создании репортажей во многих региональных телевизионных компаниях.

Та же фирма Sony в 1984 году разработала формат Video-8 для записи изображения на 8-мм ленту. Техника, созданная для работы с этим форматом, соперничала с Betacam по массогабаритным показателям, но уступала по качественным.

В конце 80-х и в начале 90-х в телевидение, как и во многие другие области техники, стали проникать цифровые устройства. Формат D-1 - первый формат цифровой видеозаписи - предусматривает запись сигналов цифрового телевидения 625- или 525-строчных стандартов разложения и формируемых в соответствии со стандартом цифрового кодирования МККР 601. В соответствии с этим стандартом осуществляется запись яркостного и цветоразностных сигналов на 3/4-дюймовую магнитную ленту (на основе порошков двуокиси кобальта или гамма-окиси железа, легированных кобальтом), перемещающуюся со скоростью 286,87 мм/сек. При цифровом кодировании компонентного сигнала формируется поток с частотой дискретизации яркостного сигнала 13,5 МГц, а цветоразностных - 6,75 МГц. Квантование по уровню 8-разрядное. Звук записывается на 4 дорожки с разрядностью 20 бит и частотой дискретизации 48 кГц. Полный цифровой поток сигналов звукового сопровождения около 4 Мбит/с. Кроме этого, стандарт предусматривает три продольные дорожки: управления, монтажа и временного кода. Магнитная лента размещена в кассете трех возможных размеров: малая (172х109х33 мм), средняя (254х150х33 мм) и большая (366х206х33 мм). При толщине ленты 16 мкм кассеты обеспечивают соответственно 11,34 и 76 минут непрерывной записи. Данный формат очень удобен для осуществления монтажа и цифровых видеоэффектов.

Формат D-2 во многом схож с форматом D-1. Запись сигнала тоже производится на 3/4-дюймовую, но уже металлопорошковую ленту, упакованную в кассеты трех видов: малые, средние и большие. Запись производится без межстрочных промежутков, а для устранения помех от соседних строчек применяется канальное кодирование, обеспечивающее малый уровень низкочастотных компонент записываемого сигнала. В системе используется азимутальный разворот рабочих зазоров головок на углы около 15°, вследствие этого плотность записи по сравнению с D-1 повышена, и, следовательно, более чем в 2 раза возросло время записи на одну кассету. Оборудование, работающее с форматом D2, стоит дешевле аппаратуры формата D-1, кроме того оно примечательно возможностью многократной перезаписи с минимальными потерями качества.

Формат D-3 был разработан мощной вещательной корпорацией NHK в 1991 году, но немалую роль в его продвижении на рынок сыграла фирма Panasonic. Оборудование D-3 работает с композитными 8-битовыми видеосигналами стандартов PAL и NTSC. Видеомагнитофоны D-3 во многом подобны аппаратам формата D-2. Но количественные отличия параметров формата D-3 от D-2 весьма значительны. Ширина ленты равна половине дюйма, что делает возможным создание цифровой видеокамеры. Ширина наклонных дорожек и шаг строчек записи значительно меньше, чем в предшествующих цифровых форматах D-1 и D-2, а именно 18 мкм (угол наклона составляет 4,9°). Поверхностная плотность записи данных намного больше, а расход ленты - намного меньше, за счет применения усовершенствованных носителей, головок и более мощной и совершенной системы обработки и кодирования. Длительность записи на одну кассету D-3 составляет от 50 до 245 минут. Создание форматов D-3 и D-5 (DX-10) происходило почти одновременно, но более важным является то, что их разработка осуществлялась с использованием общей технической платформы.

Видеомагнитофон формата D-5 осуществляет цифровую запись телевизионного видеосигнала в компонентной форме, соответствующей рекомендации CCIR601 (частота дискретизации сигнала Y - 13,5 МГц, число разрядов - 10), и четырех звуковых каналов (48 кГц, 20 бит). В видеоканале возможно переключение на частоту дискретизации яркостного сигнала 18 МГц при числе разрядов равном 8. D-5 предлагает более высокое качество, достигаемое благодаря увеличению числа разрядов цифрового представления видеосигнала с 8 до 10. При этом ширина ленты уменьшена с трех четвертей до половины дюйма. D-3 и D-5 имеют одни и те же форматы: шаг строчек записи, минимальную длину волны записи, канальный код, спаривание звуковых секторов, диаметр и частоту вращения барабана. Несмотря на то, что поверхностная плотность записи у обоих форматов одинакова - 13 Мбит/смІ, скорость потока увеличена за счет перехода к 4-канальному принципу построения видеоканала - запись осуществляется сразу четырьмя вращающимися видеоголовками при удвоенной скорости транспортирования магнитной ленты. Естественно, это приводит к двукратному уменьшению длительности записи на одну кассету. Она составляет 32, 62 и 123 минуты в кассетах S, M и L соответственно. Лента имеет 2 значения толщины: 11 мкм, которая применяется для получения максимального времени записи, и 14 мкм.

Фирмами Toshiba и BTS в 1993 году был разработан формат D6, предназначенный для записи цифровых сигналов ТВЧ с соотношением сторон изображения 16:9, а в 1994 году был выпущен первый видеомагнитофон этого формата. Стандарт рассчитан на высокую пропускную способность до 1,2 Гбит/с и обладает мощной системой коррекции ошибок. Он позволяет записывать цифровые сигналы ТВЧ обоих стандартов - 1250/50/2:1 и 1125/60/2:1 на кассету с 3/4-дюймовой лентой наклонно-строчным способом с шагом дорожек 21 мкм (угол наклона дорожки - 15°) в виде блоков цифровых данных, в каждом из которых находятся данные о видеосигнале и звуке, вспомогательной и служебной информации, а также содержится запись монтажных меток. Продолжительность записи, в зависимости от величины кассеты, составляет 8, 28, 64 минуты.

В настоящее время в мире используется очень большое число аппаратов Betacam и Betacam SP и накоплено огромное количество записанных в этих форматах записей, поэтому возможность их воспроизведения на аппаратах нового формата определило то направление, в котором двигалась фирма Sony при разработке нового формата компонентной цифровой видеозаписи для телевизионного вещания под названием Digital Betacam. Как и в аппаратах Betacam SP, при записи используется полудюймовая лента, на которую фиксируется телевизионное поле в виде 6 наклонных дорожек (азимутальный разворот рабочих видеоголовок - 15°), продольные дорожки управления, режиссерская и временного кода.

В Digital Betacam компонентный цифровой сигнал пишется с разрядностью 10 бит и с соотношением частот дискретизации 4:2:2 для сигналов яркости и цветности. Поддерживаются 4 канала звукового сопровождения, частота дискретизации аудиосигнала - 48 кГц при 20-битном квантовании. В итоге получаемый цифровой поток составляет 125,58 Мбит/с. Мини-кассеты Digital Betacam обеспечивают 40 минут цифровой записи, а большие - более 2-х часов.

Еще один из форматов фирмы Sony - Betacam SX. По этому стандарту запись компонентного цифрового сигнала производится с разрядностью 8 бит и с соотношением частот дискретизации 4:2:2 для сигналов яркости и цветности на полудюймовую металлопорошковую ленту. В итоге цветовая информация сохраняется с детальностью, необходимой для выполнения монтажа и введения специальных эффектов на уровне, соответствующем требованиям производства и разработки программ. Поддерживает 4 канала цифрового звука (16 бит/48 кГц). Таким образом, поток видеоданных составляет 18 Мбит/с. Максимальное время записи - 184 мин. на кассету типа L и 60 мин. на кассету типа S.

Формат Digital S, разработанный фирмой JVC, предусматривает дискретизацию изображения в компонентном формате 4:2:2. Запись каждого видеокадра производится на 12 наклонных дорожек шириной 20 мкм (угол наклона - 5,96°) на металлопорошковую ленту шириной 12,65 мм в кассете типа S-VHS, время записи может достигать 2 часов. При этом получается маленький коэффициент компрессии 3.3:1. В итоге максимально сохраняется вся информация. Достоинства формата состоят в способности многократной перезаписи и ускоренном просмотре без потери качества, а также в точности монтажных операций.

Записи стандарта Digital S совместимы с записями формата S-VHS. Каждый видеокадр записывается на 12 наклонных дорожках (PAL) шириной 20 мкм и углом наклона 5,96°.

Крупнейшие компании мира - Sony, Matsushita (Panasonic), JVC, Hitachi, Mitsubishi, Toshiba, Sanyo, Sharp, Philips, Thomson и другие - создали консорциум Digital Video Cassette (Цифровая видеокассета) или DVC. Таким образом, был создан формат DV. При ширине ленты 6,35 мм наклонные дорожки занимают полосу шириной 5,24 мм. Скорость движения ленты - 18,8 мм/с. Один кадр записывается на 12 дорожках. Запись состоит из служебных данных, сигналов звука, видео и субкода. Между этими частями сигналограммы на каждой из дорожек предусмотрены защитные или монтажные интервалы, а часть области субкода используется для записи вспомогательных данных и сигналов временных кодов: линейного LTC и полевого VITC. Формат DV разрабатывался и используется как бытовой, но стал базой рассматриваемых ниже профессиональных версий. Одна из этих версий - DVCPRO 50 - была разработана фирмой Panasonic. Характеризуется скоростью передачи данных 50 Мбит/с, обработкой сигнал кодируется по стандарту 4:2:2 с четырьмя несжатыми каналами звука с разрядностью 16 бит и частотой дискретизации 48 кГц, в результате получается цифровой поток размером 50 Мбит/c. Сигналограмма состоит из 24 наклонных дорожек, записанных с шагом 18 мкм на четвертьдюймовую ленту и содержащих один кадр, а также режиссерской и управляющей продольных дорожек. Как и в DV, коэффициент компрессии составляет 3.3:1. Время записи на 1/4» кассеты DVCPRO 50 - 61.5 и 31.5 мин. Фирма Sony тоже не отставала. Ее разработкой явился формат DVCAM, разработанный для записи компонентного цифрового сигнала на металлопорошковую ленту шириной 6,25 мм по стандартам 4:2:0 (PAL) и 4:1:1 (NTSC). Впервые он был представлен в 1996 году. На наклонных дорожках записывается видео/аудиосигнал (один кадр на 12 наклонных дорожках шириной 15 мкм), субкод, служебные данные (ITI). Благодаря последним удается достичь высокой точности в процессе монтажа. Частота квантования в каждом из четырех звуковых каналов - 32 кГц, разрядность уровневого кодирования - 12 бит. Итоговая скорость потока представляет собой небольшую величину - 25 Мбит/с.

Кроме того, в кассеты этого формата встроены специальные микросхемы, на которые записываются необходимые в дальнейшем справочные данные: информация о временных кодах начала и конца каждого видеосюжета и всей произведенной записи, монтажные метки, номера сцен и дублей, показатели качества произведенной съемки.

Такова вкратце история появления и краткое описание основных аналоговых и цифровых профессиональных форматов видеозаписи.

Заключение

Телевизионная видеотехника, в которой используются цифровые методы записи на ленту, поставляется в Россию уже несколько лет. Однако большинство работников телевидения нашей страны все еще не имеют достаточно ясного представления о том, что такое «цифра», зачем она нужна и стоит ли на ней работать. Средства массовой информации, специализирующиеся на телевизионной технике, сконцентрировались на качестве изображения, сравнении качества цифровых форматов, цифровой компрессии, артефактах и т.п. Общение с телевизионными инженерами показывает, что отрицательное мнение чаще всего складывается из опыта работы на неправильно сконфигурированном, неисправном оборудовании или из-за незнания особенностей и тонкостей новейшей техники. Именно поэтому те, кто сейчас занимается телевидением, продолжают путаться в новых понятиях и предпочитают использовать старый добрый Betacam SP или плохонький, но привычный S-VHS. А некоторые руководители телевизионных структур, желая идти в ногу со временем и пытаясь разобраться в новом оборудовании, приобретают ложные представления из-за недостатка информации и концентрируют свое внимание на несущественных мелочах, упуская при этом очень выгодные возможности. А тем временем, цифровые форматы стремительно развиваются, расширяется ассортимент соответствующего оборудования, расширяются сферы его применения.

 

Список литературы

1. Кинг Г. Руководство по звукотехнике. Л., 1980

2. Бугров В.А. Теория фонограмм. М., 1984

3. Щербина В.И. Цифровая звукозапись. М., 1989

4. Колесников В.М. Лазерная звукозапись и цифровое  радиовещание. М., 1991

5. Оптические дисковые системы. М., 1991

6. Бродский М.А. Аудио- и видеомагнитофоны. Минск, 1995