Особенности формата DVCAM фирмы Sony 

В. Хлебородов

Сказано: «Теория без практики мертва». Более того, практика иногда оказывается «врагом» теории, и яркий пример этого являет применение бытовой видеокамеры DV в телевещании. Теоретики от телевидения утверждают, что этого делать нельзя, а компания Би-би-си, известная своими высокими требованиями к качеству изображения, снимает документальный сериал, пользуясь видеокамерой (камкордером) DCR-VX1000 Sony [1]. Если создан прецедент успешного применения бытового формата* DV вещательными компаниями, то почему же некоторые эксперты отказывают в этом профессиональному формату DVCAM Sony? По мнению автора, причина кроется в ошибочной трактовке одного из выводов заключительного отчета международной Целевой группы EBU/SMPTE по гармонизированным стандартам для обмена программными материалами в виде цифровых потоков [2]. Раздел C.2 отчета гласит: «Для решения основных задач производства и компоновки программ ТВ стандартной четкости в будущем телепроизводстве на базе сетей в качестве предпочтительных кандидатур в настоящее время пропагандируются два различных семейства цифрового сжатия, аппаратура которых имеется на рынке:
· Семейство DV/на основе DV с потоком 25 Мбит/с и структурой отсчетов 4:1:1 и семейство на основе DV с потоком 50 Мбит/с и структурой отсчетов 4:2:2, причем используется исключительно фиксированное значение цифрового потока и внутрикадровое кодирование. Семейство на основе DV с потоком 25 Мбит/с и структурой отсчетов 4:2:0 следует применять в специальных случаях …».

Из этого заявления ЦГ вытекает признание безусловной применимости варианта 4:1:1 формата DVCAM даже в будущем телепроизводстве с обменом цифровыми потоками. Можно согласиться с тем, что европейский вариант 4:2:0 этого формата менее удобен для взаимного преобразования 525- и 625-строчных стандартов, неизбежного при международном обмене. Но это вовсе не означает нецелесообразность применения формата DVCAM/4:2:0 в Европе, включая Россию, для решения всех задач телепроизводства.

- - - - - - - - -
*Автор использует традиционный термин «формат», хотя по существу речь идет о полноценном стандарте цифровой видеозаписи.

существующих 625-строчных комплексах, не объединенных в сети (networked) для обмена цифровыми потоками.
На IBC99 сопредседатель ЦГ от EBU г-н Шахльбауэр разъяснил смысл фразы «… 4:2:0 следует применять в специальных случаях», допускающей различные толкования. Не отрицая возможности применения этого варианта формата DVCAM в вещании, он в качестве примера таких случаев назвал видеожурналистику (ENG). Г-н Шахльбауэр сообщил также, что эксперты группы приступили к стандартным испытаниям видеомагнитофонов формата DVCAM.
Тем временем практики телевидения многих стран уже давно и в больших объемах применяют аппаратуру формата DVCAM. Так, телестанция Tele 24 в Цюрихе организовала весь цикл производства новостийных и спортивных программ, пользуясь исключительно аппаратурой DVCAM. Филиал Demain! французской компании Canal+ также выбрал эту аппаратуру. Как отметил его технический директор, «DVCAM предоставляет прекрасное решение для небольших каналов». Аналогичного мнения придерживается директор региональной испанской телекомпании Barcelona TV. В Великобритании аппаратуру DVCAM можно встретить в компаниях BBC, ITN и Granada TV. В Японии такой аппаратурой пользуются телекомпания NHK и приблизительно 200 операторов КТВ, в США – компания CNN. Китайская компания Shaihai TV также закупила изделия формата DVCAM. Монтажный портативный видеомагнитофон DVCAM использовался для освещения спортивных событий – марафона (Великобритания), хоккея (Финляндия), бейсбола и воздушного серфинга (США) и тенниса (Япония).
Видеокамера DVCAM побывала на Северном Полюсе (Нидерланды) и даже в космосе (NASA). Известный московский путешественник Олег Алиев, снимающий документальные сюжеты о жизни малых народов мира, объехал весь земной шар со своей видеокамерой DVCAM. На Крайнем Севере Росии ему приходилось работать при температурах от до –30 0С, а в джунглях Амазонки жара достигала +40 0С при очень высокой влажности. Довелось ему снимать сюжеты и на высоте 3000 м. По его отзывам, аппаратура DVCAM во всех этих экстремальных условиях работала безотказно.
На выставке IBC99 стало известно, что суммарный объем продаж аппаратуры формата DVCAM достиг уровня 90 тыс. единиц. О высокой надежности и востребованности такой аппаратуры свидетельствует свежий факт (август 1999 г.) ее применения в труднейших условиях «водного слалома» на плотах во время проведения ежегодных международных соревнований в ЮАР.
Цель данной статьи – ознакомить читателей с основами формата DVCAM Sony, без чего трудно понять феномен популярности аппаратуры этого формата за рубежом.
Успех любого формата цифровой видеозаписи во многом зависит от способа цифрового сжатия, параметров видеофонограммы, типа магнитной ленты и конструкции видеомагнитофона. Поскольку формат DVCAM предусматривает применение известных алгоритмов цифрового сжатия с коэффициентом 5:1 (и соответствующих микросхем), разработанных для формата DV [3], этот аспект здесь не обсуждается.

Видеофонограмма

Рис. 1 иллюстрирует расположение, размеры и структуру наклонных дорожек видеофонограммы DVCAM, а табл. 1 содержит соответствующие цифровые данные. Азимутальная сегментная запись производится двумя головками с незначительно отличающиеся азимутальными углами. В 625-строчной системе 576 строк одного кадра записываются на 12 дорожках. При записи яркостного и цветоразностных сигналов используются 8-бит квантование и частоты дискретизации 13,5 и 6,75 МГц соответственно. Записываемый поток видеоданных 24,948 Мбит/с, общий записываемый поток 41,85 Мбит/с. Минимальная длина волны записи 0,488 мкм, что соответствует продольной плотности записи 4098 бит/мм.

Т а б л и ц а 1. Расположение и размеры наклонных дорожек на видеофонограмме DVCAM

Размеры		Номинальное значение, мм
Не	нижний край программной зоны	0,56
Но	верхний край программной зоны	5,80
We	ширина программной зоны	5,24
Wt	ширина ленты	6,350
М1	длина сектора ITI	0,878
M2	длина звукосектора	2,817
М3	длина видеосектора	27,616
М4	длина сектора подблока	0,878
Hx	длина преамбулы сектора ITI	0,341
Х0	начало зоны SSA	0
Х1	начало синхроблоков звукосектора	0,811
X2	начало синхроблоков видеосектора	3,799
X3	начало синхроблоков сектора подкода	31,963
Em	длина запасной зоны записи	0,305
Lr	длина рабочей зоны	32,598
r	угол наклона дорожки, град	9,150
0	азимутальный угол дорожки T0, град	19,97
1	азимутальный угол дорожки T1, град	20,03
Тр	шаг дорожек	0, 015

Назначение отдельных секторов каждой дорожки следующее (рис. 2). В начале каждой дорожки записывается сектор ITI (Insert and Track Information – дословно «информация о вставке и трекинге»), содержащий преамбулу, зону SSA (Start Sync. Area – «зона стартовых синхроблоков»), зону TIA (Track Information Area – «зона информации о дорожках») и постамбулу. В зоне TIA записываются идентификатор применения APT (Application ID – «идентификация применения»), определяющий структуру данных дорожки для бытового и профессионального применений, указатель шага дорожки (7, 10 или 15 мкм) и данные сервоуправления, которые определяют параметры пилот-сигнала, подаваемого на систему автоматического регулирования (САР). Пилот-сигнал f1 (449,5 кГц) идентифицирует дорожку F0, а пилот-сигнал f2 (674,25 кГц) - дорожку F1; на дорожке F0 пилот-сигналы не записываются, но она опознается по узким провалам глубиной 9 дБ на частотах f1 и f2 огибающей спектра модулированного сигнала записи (применен канальный код 24-25). В кадре дорожки чередуются в порядке F0, F1, F0, F2 и т. д.
Далее следует межсекторный промежуток G1, «выбирающий» ошибки лентопротяжного механизма (ЛПМ) при монтаже и защищающий постамбулу сектора ITI и преамбулу звукосектора от неумышленного стирания. Для этой же цели введены промежутки G2 и G3.
Звукосектор содержит преамбулу, программные и вспомогательные звукоданные (например, значение частоты дискретизации), идентификатор APT и постамбулу; в видеосектор входят программные и вспомогательные видеоданные (например, данные настройки телекамеры), идентификатор APT и постамбула; сектор подкода включает преамбулу, временной код SMPTE/EBU, индивидуальный номер дорожки (23-бит номер позволяет однозначно идентифицировать все дорожки видеоматериала в течение почти восьми часов), идентификатор APT и постамбулу.
В звукосекторах первых шести дорожек кадра (625/50) записываются звукоданные канала 1; остальные звукосекторы кадра служат для записи звукоданных канала 2. Для качественного монтажа звуковых сигналов в каждом поле записывается точно 1920 отсчетов с параметрами 48 кГц/16 бит (в формате DV используется несинхронная запись звуковых сигналов, при которой число отсчетов в кадре переменно: 1920 +/-24). Число звуковых каналов можно увеличить до четырех за счет снижения качественных показателей: в одном кадре следует записывать только 2х1280 отсчетов с параметрами 32 кГц/12 бит.
Некоторых настораживает отсутствие дорожки управления, импульсы которой обычно используется для позиционирования лентопротяжного механизма (ЛПМ) в процессе поиска монтажных точек. В формате DVCAM задача монтажного поиска надежно решается с помощью пилот-сигналов f1 и f2.

Магнитная лента

Своим высоким качественным и эксплуатационным показателям аппараты DVCAM во многом обязаны замечательным свойствам металлизированной ленты AME (Advanced Metal Evaporated – «улучшенная металлонапыленная»), разработанной Sony. Целесообразно ознакомить читателей с основами технологии изготовления такой магнитной ленты.
Установка вакуумного напыления содержит плавильный тигель, в котором расплавленный чистый кобальт разогревается до нескольких тысяч градусов направленным электронным лучом. Испаряемые частицы металла осаждаются на поверхности ленточной основы, огибающей ту часть охлаждающего барабана, которая заходит в высокотемпературную камеру с тиглем, причем непосредственно в зону напыления через трубку подается кислород. Подающая и приемная катушки ленты находятся в откачанной (до 10-5 Па) части вакуумной установки.
Металлизированная лента обычного качества имеет один тончайший напыленный слой (рис. 3,а), а лента для изготовления видеофонограмм-оригиналов (master tapes) – два напыленных слоя (рис. 3,б). Согласно данным эксперта фирмы, стоимость последней почти вдвое больше.
В отличие от металлопорошковой ленты, напыленная лента не имеет связующего и содержит более мелкие, плотно упакованные (коэффициент заполнения 80%) металлические частицы, поэтому она обладает прекрасными магнитными свойствами, а именно коэрцититивной силой 105 кА/м и остаточной намагниченностью 500 мТл.
Для радикального повышения износостойкости металлизированной ленты при циклическом воспроизведении и в режиме стоп-кадра применено защитное алмазное покрытие DLC (Diamond Like Carbon – “алмазоподобный углерод”, т. е. технический алмаз), показанное на рис. 3,а. (Попутно отметим, что технологию алмазного покрытия освоила также FUJIFILM, выпустившая недавно аналогичную ленту для формата DV). Чтобы сделать защитный слой максимально гладким (рис. 4) и тем самым минимизировать контактные потери, процесс его нанесения контролируется с нанометровой точностью. Для уменьшения коэффициента трения в контакте лента-головка поверх алмазного покрытия наносится тончайший антифрикционный слой органического происхождения. По данным Sony, непрерывное использование режима стоп-кадра (натяжение ленты 7 г, скорость записи 10 м/с, температура –50С) в течение 10-12 ч практически не сказывается на отношении С-Ш воспроизводимого сигнала.
Лента AME с основой из предварительно напряженного полиэтилентерефталата (майлара) отличается исключительно малым коэффициентом усадки 0,05% во времени и при воздействии высокой температуры, что обеспечено благодаря специальной обработке в процессе производства.
Основные характеристики ленты AME для формата DVCAM приведены в табл. 2.

Т а б л и ц а 2. Параметры магнитной ленты для формата DVCAM

Характеристика
Тип ленты	Металлизированная
Наличие защитного покрытия	да
Толщина магнитного слоя, мкм	0,2
Толщина основы, мкм	6,3
Толщина антистатического слоя, мкм	0,5
Полная толщина, мкм	7,0
Ширина, мм	6,35
Коэрцитивная сила, кА/м (Э)	105 (1320)
Остаточная намагниченность, мТ (Гс)	500 (5000)
Прямоугольность петли гистерезиса	0,78

Металлизированная ленты помещается в прецизионные кассеты (с микросхемой памяти емкостью 16 кбит для системы ClipLink, см. ниже) двух типов: мини-серии PDVM и стандартной серии PDV (рис. 5). Номенклатура этих видеокассет представлена в табл. 3.

Т а б л и ц а 3. Номенклатура видеокассет с микросхемой памяти для формата DVCAM

Тип	Продолжительность записи, мин	Длина ленты, м	Масса кассеты, г
PDVM-12ME	12	24	61
PDVM-22ME	22	41	62
PDVM-32ME	32	58	63
PDVM-40ME	40	71	64
PDV-34ME	34	61	124
PDV-64ME	64	112	128
PDV-94ME	94	163	132
PDV-124ME	124	214	135
PDV-184ME	184	315	142

Выпускаются также удешевленные видеокассеты PDVM-32N, PDVM-40N, PDV-64N, PDV-124N и PDV-184N без микросхемы памяти для клиентов, не пользующихся системой ClipLink.

Видеомагнитофон DSR-80Р

Особенности формата DVCAM удобно показать на примере его типичного представителя – монтажного видеомагнитофона DSR-80Р (рис. 6) [6]. Поскольку этот аппарат разработан специально для работы в составе существующих аналоговых видеомонтажных аппаратных, он снабжен корректором временных искажений (КВИ) и полным набором аналоговых видео- и звуковых интерфейсов, и в этом смысле он эквивалентен Betacam SP. Для работы в составе цифровых аппаратных предусмотрены обычный (SDI) и скоростной (SDTI) цифровые интерфейсы.
В DSR-80Р применен блок вращающихся головок (БВГ) стандартного диаметра 21,7 мм, скорость вращения верхнего барабана, несущего шесть магнитных головок, составляет 150 об/с. Одна универсальная головка записывает и считывает четные дорожки с номерами 0, 2, 4, 6, 8, 10 и 12, а расположенная рядом стирающая головка стирает эти дорожки «на лету». Пара диаметрально противоположных идентичных головок контактирует с нечетными дорожками кадра (номера 1, 3, 5, 7, 9 и 11). Пара воспроизводящих головок с удлиненным до 19-мкм рабочим зазором, сдвинутая по окружности барабана на 900, обеспечивает воспроизведение в режимах нестандартной скорости. (Уместно отметить, что другая европейская модель, DSR-85P, существенно отличается от остальных моделей формата DVCAM. Чтобы обеспечить четырехкратную скорость воспроизведения, на ее верхнем барабане, совершающем 300 об/с, установлены 14 магнитных головок; в режиме номинальной скорости барабан вращается со скоростью 75 об/с).
Основой ЛПМ DSR-80Р служит литое алюминиевое шасси, обладающее высокой механической прочностью и стабильностью. БВГ, ведущий вал и катушки – подающая и приемная – снабжены прямым приводом. Электродвигатель ведущего вала отличается высоким крутящим моментом. Для направления ленты в тракте ЛПМ используются неподвижные стойки. Благодаря действию эффективной системы автоматического регулирования натяжения удалось избежать динамических механических перегрузок ленты.
В процессе видеомонтажа оператору приходится непрерывно производить откат (pre-roll) видеомагнитофона, чтобы к моменту прохождения очередной входной монтажной метки аппарат уже находился в синхронном режиме. В DSR-80Р, где не используется дорожка управления, время отката 5 с обеспечено благодаря разработке новой быстродействующей САР, использующей информацию стартового сектора ITI.
Чтобы отказаться от сервисной дорожки, используемой обычно в качестве звуковой при монтаже, разработана специализированная микросхема, способная считывать звукоданные дорожек «на быстром ходу» для восстановления разборчивого монтажного звука. Не менее важен реализованный режим поиска фрагментов записи по звуку Jog Audio, в котором пошаговое медленное продвижение ленты не сопровождается прерыванием звука (эффект «заикания»).
Исключение двух неподвижных головок минимизирует усилие транспортирования ленты по тракту и ее износ, поскольку устраняется эффект прилипания к ней. Кроме того, повреждение краев ленты, неизбежно возникающее в процессе длительной эксплуатации, практически не сказывается на работе видеомагнитофона.
Кассетоприемник DSR-80 рассчитан как на стандартные, так и на малые видеокассеты DVCAM и DV. Важно отметить, что бытовые кассеты MiniDV загружаются напрямую без каких-либо приспособлений. В кассетоприемнике предусмотрены контакты для подключения к микросхеме памяти видеокассеты, хранящей данные о снятых видеокамерой сюжетах. При загрузке видеокассеты в аппарат эти данные немедленно считываются и подаются на систему видеомонтажа EditStation Sony для просмотра в многоэкранном режиме начальных мини-кадров каждого сюжета, что позволяет многократно ускорить монтажный процесс.
Применение ленты AME с исключительно гладким алмазным покрытием благоприятно сказывается на сроке службы БВГ. Кроме того, в процессе эксплуатации с поверхности такой ленты практически не отделяются магнитные частицы, оседающие на барабане, поэтому очищать БВГ приходится гораздо реже, чем при использовании металлопорошковой ленты. В результате Sony установила для БВГ всех аппаратов формата DVCAM рекомендуемую периодичность замены 1500 ч, причем фактически это изделие может заменяться гораздо реже.
Встроенные генератор и считыватель временного кода и высокоточная САР ленты позволяют производить видеомонтаж с нуль-кадровой точностью в режимах вставки и продолжения. Предусмотрены также знакогенератор с блоком ввода в видеосигнал (VIDEO OUT 2), индикатор времени эксплуатации (общее время работы, время вращения барабана головок, время функционирования ЛПМ и число операций заправки/выгрузки видеокассеты) и система автодиагностики с файлом неисправностей.

Таким образом, на основе положительного опыта Sony конструирования цифровых видеомагнитофонов, начиная с самого первого аппарата DVR-1000 формата D-1, создан недорогой (менее 10 тыс. долл.) аппарат DSR-80P для профессионального видеопроизводства в Европе, отличающийся повышенной механической и электрической надежностью, технологической гибкостью и экономичным расходом магнитной ленты.
Основные характеристики DSR-80P приведены в табл. 3. Увеличенная полоса частот воспроизводимых цветоразностных сигналов (2 МГц +1/-2 дБ), обеспечиваемая этим аппаратом, способствует повышению качества цветовой рирпроекции и более качественной проработке мелких цветных знаков.


Т а б л и ц а 4. Характеристики видеомагнитофона DSR-80P (Sony)

Характеристика
Формат видеозаписи	DVCAM
Магнитная лента	металлизированная
Ширина ленты, мм	6,35
Толщина ленты, мкм	7
Скорость ленты, мм/с	28,221
Максимальная продолжительность записи, мин	184
Время перемотки вперед/назад, мин	< 3
Время отката при монтаже, с	5
Максимальная скорость поиска с воспроизведением в цвете	32
Скорость покадрового поиска (JOG)	2
Скорость пошагового поиска по звуку (JOG AUDIO)	1/30–1
Скорость непрерывного поиска (SHUTTLE)	0–1/16 (8 позиций)
Скорость замедления (DIGITAL SLOW)	0, 1/5, 1/10
Воспроизведение видеокассеты DV	да (кроме типа LP)
Частота дискретизации при записи, МГц
сигнал яркости (8 бит)	13,5
цветоразностные сигналы (8 бит)	6,75
Стандарт цифрового кодирования при записи	4:2:0
Ширина полосы частот при записи*, МГц
сигнал яркости
	5,5 (+1/-2 дБ)
	5,75 (0/-3 дБ тип.)
цветоразностные сигналы	2 (+1/-2 дБ)
Относительная задержка цветоразностных сигналов, нс	< 30
К-фактор (2Т-импульс), %	< 2
Отношение С-Ш*, дБ	> 55
Частота дискретизации при записи звуковых сигналов, кГц
	48 (2 канала)
	32 (4 канала)
Разрядность квантования при записи звуковых сигналов, бит
	16 (2 канала)
	12 (4 канала)
Ширина полосы частот при записи звуковых сигналов, Гц
	20–20000 (+0,5/-1 дБ) (2 канала)
	20–14500 (+0,5/-1 дБ) (4 канала)
Динамический диапазон, дБ	> 85
Нелинейные искажения и шум, %	< 0,05
Скоростной интерфейс данных	SDTI (QSDI)
Габариты, мм	427 х 174 х 494
Масса, кг	19
Напряжение питания 50/60 Гц, В	200–240
Потребляемая мощность, В.А	145
Диапазон рабочих температур, 0С	5–40
Диапазон относительной влажности, %	< 80

__________________________________________________________________
*При подаче на вход аналоговых раздельных сигналов Y/R-Y/B-Y.

Литература

[1] Bischofberger C. BBC produces TV series with Sony’s consumer DV system//International Broadcasting. 1996. July/August. Vol. 19. P. 9.
[2] Final Report of the EBU/SMPTE Task Force for Harmonized Standards for the Exchange of Television Programme Material as Bitstreams//SMPTE Journal. 1998. № 9. Vol. 107. P. 605-815.
[3] Uchida H., Isaka T., Safar J. DVCPRO: A comprehensive format overview//SMPTE Journal. 1996. № 7.
[4] Digital Videocassette Recorder DSP-80P/DSR-60P//Проспект MK-4198/V9812/50-90-65-20-20 Sony Corporation. 1998. Декабрь.