Константин Гласман, Иллюстрации Маргариты Покопцевой

Cоздание в 1986 году цифрового видеомагнитофона формата D-1 доказало, что цифровая магнитная видеозапись может обеспечить превосходное качество воспроизводимого изображения при длительности записи на одну кассету, сопоставимой с длительностью записи в аналоговом аппарате. Более того, качество остается на соответствующем требованиям телевизионного вещания уровне и после 10-20 перезаписей, что совершенно невозможно в случае применения аналогового видеомагнитофона. Однако цифровые аппараты формата D-1 не вытеснили аналоговые магнитофоны. Этому воспрепятствовали, в первую очередь, сравнительно высокая стоимость и эксплуатационные расходы, а также значительные габариты и вес. Область применения магнитофонов формата D-1 осталась ограниченной сферами перезаписи кинофильмов и машинной графики, специализированными системами компоновки программ, в которых требование абсолютного качества перевешивает экономические факторы. Кроме того, компонентные цифровые магнитофоны не слишком хорошо соответствовали аналоговому композитному окружению, типичному для телевизионных студий второй половины 80-х годов. Более широкому применению цифровой видеозаписи способствовало появление композитных видеомагнитофонов форматов D-2 и D-3. Но уже в начале 90-х годов стало ясно, что техническое оснащение телевизионных студий неумолимо движется к полностью компонентным системам, одним из главных элементов которых должен быть цифровой видеомагнитофон. Однако для реального перехода к цифровым компонентным способам создания телевизионных программ необходим формат видеозаписи, в котором были бы оптимально сбалансированы качество и затраты на приобретение и эксплуатацию аппаратуры. В начале 90-х годов были продемонстрированы новые способы решения этой проблемы: в цифровую видеозапись проникли видеокомпрессия и совместимость.

Видеокомпрессия, или уменьшение количества двоичных знаков, необходимых для записи каждого кадра телевизионного изображения, позволяет упростить и удешевить аппаратуру видеозаписи. Но применение видеокомпрессии может быть сопряжено с искажениями изображения и появлением артефактов. Поэтому исследования должны были дать ответы на следующие вопросы: какая степень компрессии допустима в системах подготовки телевизионных программ?, какие артефакты появятся при последовательных перезаписях на видеомагнитофонах с различными алгоритмами компрессии?, какие дополнительные артефакты появятся при использовании таких видеомагнитофонов в системах цифрового телевизионного вещания со значительной компрессией?

Величина эксплуатационных расходов может стать критическим фактором при одобрении новых форматов, ведь изменение формата видеозаписи потребует значительных финансовых затрат со стороны вещательных организаций. Эти затраты определяются не только стоимостью нового оборудования, но и расходами на техническое обслуживание и обучение персонала, закупку кассет, перезапись архивных материалов. Совместимость, то есть возможность воспроизведения магнитофоном нового формата телевизионных программ, записанных на аппаратах предшествующего формата, имеет большое значение. Она позволит провести постепенную модернизацию и замену оборудования, и таким образом избежать значительных затрат, связанных как с заменой сразу всей аппаратуры, так и с расходами на подготовку персонала. Использование одних и тех же кассет и лент приведет к снижению стоимости видеоленты из-за обострения конкуренции между ее производителями. Однако совместимость неизбежно связана с некоторым усложнением и, следовательно, удорожанием аппаратуры. Поэтому возникает естественный вопрос: является ли создание семейств частично совместимых аппаратов цифровой магнитной видеозаписи эффективным способом экономии капиталовложений при долгосрочном использовании оборудования?

Практики телевизионного вещания включились в дискуссию о проблемах совместимости и применения видеокомпрессии в цифровой видеозаписи в 1992 году. Импульсом к обсуждению этих вопросов и событием года в мире видеозаписи стала демонстрация на выставках NAB и IBC'92 видеомагнитофонов форматов Ampex DCT, Panasonic DX-10, Sony Digital Betacam.

Ampex DCT

Система DCT (Digital Component Technology - цифровая компонентная технология) была создана фирмой Ampex. Именно эта фирма разработала во второй половине 80-х годов цифровую композитную видеозапись (формат D-2) в стремлении упростить и ускорить включение цифрового видеомагнитофона в аналоговую композитную среду телецентра. Но было ясно, что это лишь тактический ход, что будущее телевидения связано с компонентным сигналом. Ведь современные требования к компоновке ТВ-программ превосходят возможности аналоговой композитной среды. Аналоговая видеозапись не обеспечивает необходимое качество изображения при многократных перезаписях. Композитный ТВ-сигнал должен многократно декодироваться (преобразовываться в компонентный) и снова кодироваться при использовании цифровых систем видеографики и специальных эффектов, что также приводит к искажениям сигнала. И только в полностью цифровой компонентной среде возможен монтаж, прямое введение различных эффектов и создание многослойной видеографики без перекрестных искажений цветность-яркость, ухудшения отношения сигнал/шум, потерь качества изображения. Поэтому фирма Ampex предложила систему DCT не просто для замены цифровых композитных аппаратов формата D-2, а в качестве цифровой компонентной системы компоновки ТВ-программ, соответствующей Рекомендации 601 МККР и поставляемой одной фирмой-производителем. Система DCT включает: цифровой компонентный видеомагнитофон DCT 700d и семейство кассет DCT 700t, коммутатор DCT 700s, контроллер монтажа DCT 700e, систему цифровых эффектов DCT 500a и интерфейсное оборудование (многоканальный преобразователь аналог-цифра и цифра-аналог DCT 700i, и цифровой распределитель сигналов DCT 710i). Для большей гибкости и удобства в межэлементных соединениях система DCT может быть построена в версиях с параллельными и последовательными (по одному кабелю) связями. Система DCT может работать и в новых стандартах телевизионного вещания, например, PAL-plus c форматом кадра 16:9. И такие изменения могут быть выполнены без аппаратурных трансформаций благодаря программируемости основных устройств, входящих в систему DCT. Нельзя не отметить, что создателями DCT двигал системный подход и стремление совершенствовать весь процесс создания ТВ-программ.

Цифровой компонентный видеомагнитофон DCT 700d имеет систему обработки цифрового компонентного сигнала, соответствующую стандарту 4:2:2 МККР 601 и обеспечивающую качество изображения и прозрачность, необходимые для многократных перезаписей (табл. 1). В системе обработки используется компрессия записываемых данных со степенью 2:1. В начале 90-х годов видеокомпрессия была новым для практики телевидения явлением, и наибольший интерес вызывали заметность артефактов и их возможное накопление при перезаписи. Показательно, что прямо на стенде выставки IBC'92 с помощью магнитофона DCT 700d было получено 17 перезаписей достаточно критичного к искажениям и артефактам сюжета. Фрагменты исходного изображения и его перезаписанных копий наблюдались одновременно на экране одного монитора, причем глазу не были заметны артефакты даже на последней.

 

Таблица 1. Параметры кодирования входных сигналов форматов Ampex DCT, D-5, Digital Betacam
Параметр		Ampex DCT	D-5	Digital Betacam
Видео
Частота дискретизации, МГц		13,5 (Y) 6,75 (R-Y/B-Y)	13,5 (Y) 6,75 (R-Y/B-Y)	13,5 (Y) 6,75 (R-Y/B-Y)
Числ отсчетов в строке		720 (Y) 360 (R-Y/B-Y)	720 (Y) 360 (R-Y/B-Y)	720 (Y) 360 (R-Y/B-Y)
Число строк в поле	(625/50)	-	-	304
	(525/60)	-	-	256
Записываемые строки	(625/50)	-	-	7-310, 320-623
	(525/60)	-	-	10-265, 273-3
Квантование, бит/отсчет		8	10	10
Компрессия		2:1	-	2:1
Звук
Частота дискретизации, кГц		48	48	48
Квантование, бит/отсчет		16-20	20	20
Число каналов		4	4	4

В DCT 700d использованы новая система коррекции ошибок и усовершенствованные методы обработки и пространственной фильтрации сигнала типа фирменных систем Ampex ADO и Zeus, обеспечивающие замедленное воспроизведение изображения без дрожания и размытости.

В системе DCT применена усовершенствованная лента с металлопорошковым покрытием (табл. 2), обеспечивающая повышенную отдачу на малых длинах волн (ширина ленты 19,01 мм, толщина 13 мкм). Были предложены кассеты трех размеров, которые обеспечивают время записи до 208 минут (стандарт 525/60) и до 187 минут (стандарт 625/50). На одной кассете может быть записан полнометражный художественный фильм, что облегчает копирование и распределение фильмов.

 

Таблица 2. Общие параметры форматов Ampex DCT, D-5, Digital Betacam
Параметр		Ampex DCT	D-5	Digital Betacam
Ширина ленты, мм		19,01	12,65	12,65
Рабочий стол		Металлопорошковый (1500 Э)	Металлопорошковый (1800 Э)	Металлопорошковый (1550 Э)
Размеры кассет, мм:       S		172 х 109 х 33	161 х 98 х 25	156 х 96 х 25
M		254 х 150 х 33	-	-
L		366 х 206 х 33	212 х 124 х 25	245 х 145 х 25
XL		-	296 х 167 х 25	-
Минимальная длина волны, мкм	525/60	0,85	-	0,69
	625/50	-	0,709	0,59
Диаметр барабана головок, мм		96,4	76	81,4
Частота вращения барабана, оборотов/с	525/60	90/1,001	-	89,91
	625/50	-	100	75
Число строчек/поле		6	16	6
Длина строчки, мм		150	-
Ширина строчек, мкм			18	24
Шаг строчек, мкм		39	18	52 (пар)
Азимут		+/- 15	20	-15,269; +15,231
Скорость транспортирования ленты, мм/с		131,7	167,228	96,7 режим Digital Betacam 101 режим Betacam
Продольные дорожки		Дорожки временного кода, управления, монтажного звука	Дорожки временного кода, управления, монтажного звука	Дорожки временного кода, управления, монтажного звука
Толщина ленты, мкм		13	14                 11	14
Время записи на кассеты, мин.:       S		32	22                 32	40
M		94	-                    -	-
L		208	48                 62	124
XL		-	92                123

В видеомагнитофоне DCT 700d используется надежный и хорошо отработанный в течение пяти лет 19-миллиметровый лентопротяжный механизм, принципы построения которого были найдены при создании видеомагнитофонов Ampex формата D-2. Направляющие стойки с наддувом (воздушной смазкой), ведущий вал без прижимного ролика и другие усовершенствования, предусматривающие сокращение контакта ленты с какой-либо поверхностью до минимума, позволили добиться того, что лента могла ускоряться до полной скорости перемотки (60-кратной нормальной скорости) менее чем за одну секунду (для малых и средних кассет). Видеомагнитофон системы DCT оказался настолько надежным, что послужил основой для сопутствующего DST-семейства устройств накопления данных для компьютеров, а ведь в вычислительной технике недопустимо маскирование ошибочных данных, и требования к точности записи выше, чем в телевидении.

Среди других особенностей можно отметить:

• переключение между стандартами 525/60 и 625/50;
• возможность использования аппарата в качестве накопителя для систем компьютерной графики и перевода кинофильмов на магнитную ленту;
• переменную скорость воспроизведения в диапазоне от -1 до +3 номинальной скорости;
• "замораживание" изображения с ленты и возможность демонстрации первого поля, второго поля и полного кадра;
• диагностику аппарата в реальном времени.

В магнитофоне DCT 700d - четыре цифровых звуковых канала (18 бит, 48 кГц) с AES-интерфейсом. DCT 700d был единственным в свое время видеомагнитофоном, в котором расширение функциональных возможностей системы могло быть выполнено путем изменения программного обеспечения работы аппарата. Для этого магнитофон был оснащен встроенным дисководом для 3,5" гибких дисков.

Большинство параметров видеомагнитофона системы DCT свидетельствует о высоком уровне качества и о заложенном в конструкцию аппарата потенциале. Однако значение одного параметра - ширины ленты, равной 19 мм, выявило со временем просчет разработчиков. При такой ширине ленты практически невозможно создать конкурентоспособную видеокамеру. Система DCT оказалась лишь совершенной системой компоновки телевизионных программ, функциональные возможности которой не могли быть расширены до съемки.

Panasonic D-5

Появление формата DX-10, впоследствии получившего наименование стандарта D-5, ознаменовало начало второго этапа в применении цифровой технологии записи, разработанной Panasonic. Создание форматов D-3 и D-5 происходило почти одновременно, но более важным является то, что их разработка осуществлялась с использованием общей технической платформы. Это позволило проверить основные методы в варианте D-3 и затем сделать следующий шаг в системе D-5. Поэтому компонентная цифровая система видеозаписи D-5 дополняет композитную систему D-3, с которой она имеет много общего в техническом отношении.

Разработчики формата D-5 стремились сделать видеомагнитофон таким же "прозрачным", как предлагаемые для цифровых систем микшеры, коммутаторы и другие устройства. Они полагали, что цифровой видеомагнитофон общего назначения не должен быть узким местом в процессе производства телевизионных программ, каким был аналоговый аппарат. Формат D-1, хотя он и обеспечивает предельное для 8-разрядного цифрового сигнала качество и "прозрачность", не может быть конкурентоспособным в условиях, когда важны стоимость аппарата, габариты, большое время записи, простота и низкая стоимость эксплуатации и обслуживания. D-5 предлагает более высокое качество, которое достигается благодаря увеличению числа разрядов цифрового представления видеосигнала с 8 до 10, причем ширина ленты уменьшена с трех четвертей до половины дюйма (табл. 1, 2).

Полное использование возможностей технологии высокоплотной записи, отработанной в варианте D-3, обеспечило лучшую (в сравнении с D-1) взаимозаменяемость записей при одновременном уменьшении расхода ленты, но без введения компрессии данных и сокращения скорости цифрового потока. Отсутствие компрессии гарантирует информационную прозрачность и минимизацию искажений в различных приложениях, требующих большого количества перезаписей. Стоимость видеомагнитофона в значительной мере определяется электронными компонентами. Благодаря применению новых методов проектирования и современной технологии производства больших интегральных схем, разработанных для аппаратов D-3, удалось добиться того, что магнитофон D-5, записывающий 10-разрядный цифровой сигнал с более мощной системой исправления ошибок и с сохранением информационной прозрачности, оказался более дешевым, чем аппарат формата D-1.

Основной целью проектирования семейства видеомагнитофонов D-3 и D-5 было стремление обеспечить максимальную продолжительность жизни формата записи. Фирма, понимая временный характер применения композитной цифровой записи, стремилась сделать переход от композитной записи к компонентной плавным и недорогим и разрабатывала форматы D-3 и D-5 как элементы единой технологии 1/2" цифровой видеозаписи. Совместимость двух стандартов записи является принципиальной особенностью этой технологии, поскольку она должна обеспечить высококачественную взаимосвязь между автономными композитными и компонентными системами. Композитные программные материалы и архивные видеофонограммы могут воспроизводиться непосредственно компонентными аппаратами D-5, обеспечивающими основной выходной сигнал в компонентной форме и дополнительный сигнал в композитной форме (для наблюдения, перезаписи на композитных аппаратах и композитной передачи). Кассеты, записанные в телевизионных студиях, оборудованных аппаратами D-3, могут направляться в любые вещательные организации, оснащенные как компонентным, так и композитным оборудованием. Такая совместимость позволяет экономить капиталовложения при долгосрочном использовании 1/2" цифровых видеозаписей.

Видеомагнитофон формата D-5 предназначен для цифровой записи телевизионного видеосигнала в компонентной форме, соответствующей Рекомендации 601 (частота дискретизации сигнала Y - 13,5 МГц, число разрядов 10), и четырех звуковых каналов AES/EBU (48 кГц, 20 бит). В видеоканале возможно переключение на частоту дискретизации яркостного сигнала 18 МГц при числе разрядов, равном 8. Видеомагнитофоны формата D-5 спроектированы для работы со специализированными металлопорошковыми лентами для цифровой записи в кассетах типа D-3. Лента имеет два значения толщины: 11 и 14 мкм. Все аппараты способны работать с обоими типами ленты, причем лента толщиной 11 мкм применяется только при необходимости получения максимального времени записи. Оно составляет 32, 62 и 123 минуты в кассетах S, M и L соответственно.

Многие параметры формата D-5 имеют большую степень общности с параметрами D-3. Видеофонограммы форматов D-3 и D-5 во многом одинаковы: шаг строчек записи, минимальная длина волны записи, канальный код, спаривание звуковых секторов. Одинаковы также диаметр и частота вращения барабана, имеют много общего конструкция и компоновка барабанов видеоголовок. Оба формата предполагают одинаковую поверхностную плотность записи (13 Мбит/см2). Увеличение скорости потока записываемых данных, связанное с компонентной формой представления видеосигнала, достигается в аппаратах формата D-5 за счет перехода к четырехканальному 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. Если в аппаратах формата D-3 за один оборот барабана записывается четыре строчки, то формат D-5 предполагает запись восьми строчек за оборот. В этом принципиальное отличие форматов. Однако общее подобие параметров форматов делает сравнительно простым обеспечение совместимости D-5 с D-3 в рамках единой технологии 1/2" цифровой видеозаписи.

Sony Digital Betacam

Создание нового формата видеозаписи связано с разработками магнитных лент, лентопротяжных механизмов и способов обработки сигналов. Магнитные ленты толщиной 14 мкм с металлопорошковым покрытием уже обеспечивают довольно хорошее соотношение между стоимостью и качественными показателями. Разработка высокоточных механизмов транспортирования ленты позволяет добиться уменьшения ширины дорожек записи, но надо учитывать, что при этом обостряются проблемы выпадений и взаимозаменяемости записей, столь важные для практической реализации. Поэтому новое решение может быть найдено, прежде всего, по другому направлению, связанному с цифровой обработкой сигналов, сокращением избыточности ТВ-сигнала, а также способами их практической реализации с помощью интегральной полупроводниковой технологии. Однако переход на новый формат не должен привести к значительным затратам и замене архивов ТВ-программ. В настоящее время в мире используется очень большое число аппаратов Betacam и Betacam SP и накоплено огромное количество записанных в этих форматах телевизионных программ. Поэтому возможность их воспроизведения на аппаратах нового формата является большим достоинством. В первую очередь это обеспечит сохранность существующих и продолжающих расти библиотек и архивов программ. Кроме того, это гарантирует использование видеокамер Betacam SP для съемок в течение их естественного срока службы. Этими соображениями, составляющими сущность эволюции системы Betacam, руководствовалась фирма Sony при разработке нового формата компонентной цифровой видеозаписи для телевизионного вещания под названием Digital Betacam.

Видеофонограмма

Видеофонограмма формата цифровой компонентной видеозаписи Digital Betacam для стандарта разложения 625/50 показана на рисунке 2. Каждое телевизионное поле записывается на шести наклонных дорожках (рисунок 3). Соседние дорожки записываются с азимутальным разворотом рабочих зазоров видеоголовок приблизительно на 15о. На рисунке 2 показана также структура дорожек формата Betacam SP. Продольные дорожки сигналов временного кода и управления идентичны в двух форматах, монтажная звуковая дорожка в формате Digital Betacam совпадает с дорожкой второго звукового канала в Betacam SP. В формате Digital Betacam записывается четыре цифровых канала звука, причем звуковые секторы расположены в середине наклонных дорожек, что обеспечивает лучшую защиту звуковых данных от возможных дефектов, связанных с краевыми повреждениями ленты и неполным совмещением траектории головок воспроизведения со строчками записи из-за растяжения ленты. Формат допускает также увеличение в будущем числа записываемых звуковых каналов.

Дорожки, записываемые двумя противоположно расположенными на барабане головками (A и C), содержат также блоки пилот-сигналов. Они используются для обеспечения точного совмещения траектории головок со строчками записи при воспроизведении и монтаже в режиме вставки. В цифровой видеозаписи не нужны такие широкие дорожки, как в аналоговой, но более плотная упаковка строчек требует либо усложнения и повышения точности работы лентопротяжного механизма, либо применения систем автотрекинга. Фирма Sony пошла по пути разработки новой системы трекинга с пилот-сигналом, что позволило снизить стоимость и упростить обслуживание механизма. Низкочастотный пилот-сигнал Fl записывается на частоте приблизительно 400 кГц, а высокочастотный Fh - на частоте приблизительно 4 МГц. При монтаже в режиме вставки блоки пилот-сигналов не стираются и образуют опорные точки для работы системы трекинга. Благодаря этому не накапливаются ошибки рассовмещения при вставках в одном и том же месте. При обычном воспроизведении (без монтажа) используется только низкочастотный пилот-сигнал, необходимый для обеспечения быстрого входа в синхронизм системы регулирования.

Лента, головки, барабан

В аппаратах Digital Betacam используется лента с металлопорошковым покрытием, подобная той, которая применяется в Betacam SP. Однако параметры ленты согласованы с спектральными характеристиками канального кода. Принятые меры по улучшению воздушной смазки и скольжения ленты уменьшили потери в области верхних частот в сравнении с Betacam SP и обеспечили большее число воспроизведений цифровой записи и большее число повторных записей на ленте. Это один из факторов, способствующих уменьшению расходов на эксплуатацию Digital Betacam в сравнении с аналоговыми аппаратами.

При линейной скорости транспортирования ленты, равной 96,7 мм/с, (это даже меньше, чем в Betacam SP), время записи достигает 124 минут (табл. 2), что более чем достаточно для большинства приложений. Такое время обеспечено, конечно, благодаря сокращению скорости записываемого потока. Этого результата удалось добиться при сравнительно невысокой частоте вращения барабана (75 Гц, что в два раза меньше, чем в формате D-1) и всего четырех записывающих головках. Преимущества такого решения - малые габариты и сниженный акустический шум, что очень важно для использования видеомагнитофона в составе видеокамеры.

Помимо четырех головок записи (REC A, REC B, REC C, REC D), на барабане Digital Betacam (рис. 4) находятся также четыре головки опережающего воспроизведения с динамическим трекингом (ADV), четыре головки сквозного воспроизведения (CONFI) и две головки стирания (ERASE), то есть всего четырнадцать головок (число головок должно было бы достичь двадцати шести, если бы не использовалась компрессия и требуемый цифровой поток записывался бы не двумя, а сразу четырьмя головками).

Для обеспечения необходимой скорости "головка-лента" при угле охвата около 180o был выбран диаметр барабана 81,4 мм (в Betacam SP - 74,5 мм). Вращающейся является средняя часть барабана, верхняя и нижняя части - неподвижны. Такая конструкция позволила добиться более равномерного скольжения ленты и высокой стабильности снимаемого с ленты сигнала.

Воспроизведение записей Betacam/Betacam SP

То, что число головок на барабане в Digital Betacam сравнительно невелико, позволило создать аппарат, совместимый в режиме воспроизведения с записями на кассетах Betacam SP. На барабане видеоголовок совместимых аппаратов (рис. 4) установлены четыре дополнительных головки с динамическим трекингом (C-A, Y-A, C-B, Y-B) и с полностью независимыми электронными схемами воспроизведения яркостного сигнала (Y) и сжатых цветоразностных сигналов (C). Это сделано для того, чтобы не ухудшать качества ни аналогового, ни цифрового воспроизведения. После автоматического определения типа вставленной кассеты в совместимом аппарате Digital Betacam происходит установка необходимых параметров систем регулирования: частоты вращения барабана, ведущего вала и натяжения ленты. Так как диаметры барабанов в аппаратах Digital Betacam и Betacam SP несколько отличаются (81,4 мм и 74,49 мм соответственно), то воспроизводимые видео и звуковые сигналы аналоговой записи подвергаются сжатию во времени. Компенсирующее расширение видеосигнала осуществляется в корректоре временных искажений, частотно-модулированные колебания звуковых каналов претерпевают временную трансформацию (расширение во времени) в специально разработанном экспандере. Экспертиза показала, что качество воспроизведения ТВ-программ в формате Betacam SP на совместимом аппарате Digital Betacam субъективно не хуже, чем при использовании обычного аналогового видеомагнитофона Betacam SP.

Принципы кодирования

Параметры кодирования в системе записи Digital Betacam (табл. 1) соответствуют Рекомендации 601. В канале видеосигнала используется 10-разрядное квантование при частоте дискретизации яркостной составляющей - 13,5 МГц, а цветоразностных - 6,75 МГц. В четырех звуковых каналах при частоте дискретизации 48 кГц квантование выполняется при 20 битах на отсчет.

В канале видеосигнала используется компрессия. Кодирование с целью сокращения избыточности телевизионного сигнала и уменьшения скорости цифрового потока построено по схеме с дискретным косинусным преобразованием. При этом последовательно выполняются следующие три операции: собственно дискретное косинусное преобразование (ДКП), квантование, кодирование словами переменной длины (энтропийное кодирование).

Применение дискретного косинусного преобразования к массиву (блоку) отсчетов изображения является средством декорреляции и приводит к концентрации энергии в области постоянной составляющей и низкочастотных компонентов изображения. Размеры блока выбираются на основе компромисса между степенью декорреляции, сложностью практической реализации и заметностью артефактов при возникновении неисправленных ошибок. В Digital Betacam блок образован прямоугольной матрицей из восьми элементов по горизонтали и четырех по вертикали. Квантование позволяет еще больше сократить объем данных путем деления коэффициентов дискретного косинусного преобразования на числа, установленные на основе модели зрительного восприятия (известно, что зрительное восприятие менее чувствительно к искажениям квантования высокочастотных компонентов изображения). В результате квантования (в системе видеокомпрессии) сокращается число уровней квантования для высокочастотных компонентов видеосигнала, что и является способом уменьшения потока данных. Блок квантованных коэффициентов сканируется в определенном порядке, начиная с постоянной составляющей. Полученные последовательности подвергаются энтропийному кодированию, то есть кодируются словами переменной длины, причем эта длина определяется распределением вероятности, основанным на оценках большого числа типичных изображений. Частовстречающиеся последовательности кодируются словами малой длины, длинные кодовые слова соответствуют редко встречающимся последовательностям. Энтропийное кодирование также уменьшает объем данных, необходимых для описания изображения.

Коэффициент компрессии, равный 2:1, является сравнительно небольшим (общая скорость цифрового потока записываемых данных для стандарта 625/50 равна 125,6 Мбит/с). Производится лишь минимальное сокращение избыточности, которое, тем не менее, обеспечивает формату ряд важных преимуществ: большее время записи, лучшую взаимозаменяемость записей, меньшие эксплуатационные расходы. Сокращается только пространственная избыточность ТВ-сигнала, обусловленная сильными (для типичных изображений) корреляционными связями в пределах телевизионного поля. Это исключает появление заметных артефактов при записи динамичных изображений, упрощает осуществление замедленного и ускоренного воспроизведений, снимает ограничения на выбор монтажных точек.

Применение компрессии на базе косинусного преобразования и кодирования с переменной длиной слова вступает в некоторое противоречие со структурой видеофонограммы и требованием постоянства скорости записываемого потока данных. Блок косинусного преобразования, взятый с участка изображения с маломеняющейся яркостью, может быть передан с помощью сравнительно небольшого количества данных, описывающих постоянную составляющую яркости и несколько низкочастотных коэффициентов косинусного преобразования. А для описания блока, содержащего мелкие детали, потребуется большее количество данных, включающих высокочастотные коэффициенты. Поэтому необходимо управлять потоком данных так, чтобы поддерживать его скорость на некотором фиксированном среднем уровне. Например, надо добиваться, чтобы кадр телевизионного изображения всегда был записан на шести строчках видеофонограммы в виде пакетов данных фиксированного объема независимо от наличия или отсутствия мелких и высокочастотных деталей. Управление скоростью потока данных достигается в процессе квантования. Если, например, кадр телевизионного изображения содержит большое количество мелких деталей и его не удается представить в виде пакета данных заданного объема, квантование делается более грубым (число уровней квантования должно быть уменьшено для большинства высокочастотных компонентов). Более грубое квантование сопряжено с появлением артефактов компрессии, но, с другой стороны, эти артефакты менее заметны на таком изображении благодаря свойствам зрения. Для кадров с малым количеством мелких деталей число значимых высокочастотных компонентов в блоках косинусного преобразования сокращается, но число уровней квантования для оставшихся низкочастотных компонентов делается большим и кадр упаковывается в блок данных того же фиксированного объема.

Важным является выбор размера блока входных данных системы видеокомпрессии, который будет упакован в пакет фиксированного объема (в описании формата Digital Betacam такой блок назван энтропийным). Энтропийный блок должен быть большим для достижения высокой эффективности кодирования и снижения заметности артефактов компрессии. Но для обеспечения работы видеомагнитофона в специальных режимах (например, для просмотра при ускоренном воспроизведении) длина энтропийного блока должна быть малой. В качестве компромисса выбрана величина энтропийного блока, равная 20 блокам дискретного косинусного преобразования, в каждом из которых по 32 отсчета яркостного или цветоразностных компонентов изображения.

В результате компрессии энтропийный блок должен быть сжат до двух синхроблоков (рисунок 5), содержащих по 162 байта записываемых видеоданных. Это достигается следующим образом: на вход системы компрессии подается 20 блоков косинусного преобразования, причем в квантователе сначала используется задаваемая по умолчанию исходная таблица квантования, определяющая интервал квантования для каждой пространственной частоты в блоке косинусного преобразования. Затем находится длина упакованного блока на выходе системы компрессии (после энтропийного кодирования). Если длина упакованного блока превышает заданную длину полезной нагрузки двух синхроблоков, то есть 324 байта, то в таблицу квантования вносится поправка, увеличивающая интервалы квантования косинусных коэффициентов, и снова находится длина упакованного блока на выходе системы компрессии. Процесс обычно завершается за 6-7 этапов.

В системе кодирования, обнаруживающего и исправляющего ошибки в канале записи-воспроизведения, используется код Рида-Соломона и для внешнего и для внутреннего кодов. Принцип обнаружения и исправления ошибок в магнитофонах формата Digital Betacam такой же, как и аппаратах формата D-1, но параметры системы обладают более высокой степенью защиты от ошибок. К 162 байтам видеоданных и 2 байтам слова-опознавания добавляются 14 проверочных байтов внутреннего кода. Это позволяет исправлять в каждом слове внутреннего кода до семи ошибок. Внутренний код может обнаружить в кодовом слове до четырнадцати ошибок, которые затем могут быть исправлены с помощью внешнего кодирования. Кодовое слово внешнего кода длиной 126 байтов включает в себя 12 байтов проверочных данных, что позволяет исправлять до двенадцати ошибочных строк матрицы при использовании информации об ошибках, обнаруженных с помощью внутреннего кода. Матрица кода-произведения объемом 22680 байтов (126 синхроблоков), составляющая одну двенадцатую часть телевизионного поля, дополняется преамбулой и постамбулой и записывается в одном видеосекторе программной дорожки (рис. 7).

Даже при мощном кодировании возможны случаи, когда длинные пакетные ошибки, возникшие, например, из-за выпадений или отказа головки, не могут быть исправлены. Поэтому в магнитофоне формата Digital Betacam используется перемешивание данных. Блоки размером 8 на 4 пиксела, сформированные для выполнения дискретного косинусного преобразования, перераспределяются в пределах телевизионного поля. Используется также маскирование обнаруженных, но не исправленных ошибок. Уменьшение скорости цифрового потока в принципе сужает возможности маскирования ошибочных отсчетов в изображении. Однако сравнительно небольшая степень сокращения пространственной избыточности в сочетании с соответствующим распределением данных между головками позволяет осуществлять эффективную пространственную и временную интерполяции даже в случае отказа одной головки.

При обработке звуковых и видеоданных используется общее внутреннее кодирование (рис. 6), но внешнее кодирование в звуковом канале является более мощным. Это обусловлено тем, что возможности маскирования ошибок в сигнале звука более ограничены, чем в видеосигнале. К 9 байтам звуковых данных добавляется 9 проверочных байтов внешнего кода, что позволяет исправлять до девяти ошибочных строк матрицы, то есть до половины общего количества записываемых на ленту данных. В каждом канале звука на шести строчках одного телевизионного поля записываются две матрицы кода-произведения объемом в 18 синхроблоков, то есть в одном звуковом секторе программной дорожки находится 6 синхроблоков. При обработке звуковых данных также используется перемешивание. Звуковые данные каждого канала накапливаются в буферной памяти, объем которой равен двум вертикальным столбцам матрицы кода-произведения, и затем перемешиваются на интервале времени, определяемом размерами этой памяти. После внешнего кодирования звуковые данные еще раз перемешиваются на интервале одного телевизионного поля (на этот раз перемешиваются синхроблоки).

В качестве канального кода в магнитофонах формата Digital Betacam использован усовершенствованный код, до тех пор не применявшийся в промышленных аппаратах из-за сложности технической реализации, - это скремблированный код без возвращения к нулю (БВНМ) в сочетании с парциальным кодированием класса IV. При воспроизведении используется процедура декодирования Витерби. Спектральная характеристика кода имеет явно выраженный полосовой характер и хорошо соответствует частотной характеристике канала магнитной записи-воспроизведения. Такой код обеспечивает повышение отношения сигнал/шум и лучшее подавление азимутальных помех от соседних дорожек благодаря очень низкому уровню низкочастотных компонентов.

Теория методов кодирования, примененных в аппаратах Digital Betacam, давно и хорошо разработана. Однако их практическое воплощение в реальном масштабе времени (при частотах порядка 100 МГц) стало возможным лишь с использованием субмикронной полупроводниковой технологии. Это дало возможность разместить на одной плате, встроенной в корпус лентопротяжного механизма, все устройства обработки сигнала в каналах записи и воспроизведения. Найденные решения в области обработки сигналов и сокращения избыточности в сочетании с достижениями полупроводниковой технологии позволили фирме Sony создать не только студийный видеомагнитофон Digital Betacam с размерами и энергопотреблением, близкими таким же параметрам аналоговых аппаратов Betacam SP, но и цифровую компонентную видеокамеру, что, несомненно, ускорило продвижение к полностью цифровому производству телевизионных программ.

Заключение

Судьба форматов Digital Betacam, D-5 и DCT сложилась по-разному. Формат Digital Betacam был признан в Европе самым перспективным по результатам опроса, проведенного в апреле 1997 года журналом TVB Europe, тогда как формат D-5 намного отстал от победителя. Но и Digital Betacam не стал доминирующим, его рейтинг составил лишь 35%. Производство системы DCT было прекращено вскоре после начала промышленного выпуска, что, видимо, предопределило драматическую судьбу и фирмы-разработчика. Корпорация Ampex, создавшая первый в мире промышленный видеомагнитофон, ушла из сферы производства аппаратуры для телевизионного вещания. Но, несмотря ни на что, появление видеомагнитофонов форматов DCT, D-5 и Digital Betacam следует отметить как веху в истории видеозаписи. Видеокомпрессия превратилась в важнейший фактор проектирования и стала неотъемлемым признаком аппаратов цифровой магнитной видеозаписи. Совместимость проявила себя как способ продления срока жизни форматов и экономии капиталовложений при долгосрочном использовании телевизионной аппаратуры. Стало понятно, что в условиях конкуренции форматов успех обеспечит лишь системный подход: создаваться должны не просто форматы видеозаписи и видеомагнитофоны, а системы производства телевизионных программ с максимально широкой областью применения.