Формати на видеозапис

 

 

Какво ще разгледаме тук и какво не?
Изглежда, има доста голямо объркване по отношение на огромния брой различни формати на видеозапис и техните характеристики. Информация трудно се намира и е разпръсната по различни издания. Този текст тук ще разгледа професионалните и полупрофесионалните формати, заедно с тези, които в момента са в развитие.

В случай, че друго не е отбелязано, информацията тук се отнася за цветова видеосистема PAL 625/50 Hz. Пропускаме SECAM, тъй като се използва твърде рядко, особено в студийно приложение.
За отбелязване е все пак, че 16 mm-киноформат “бие” по показатели всички разгледани видеоформати, особено когато става дума за яркостен диапазон, фотографска широта, разделителна способност.

Бележки по характеристиките и класификациите
Т.нар. “Broadcast quality”, т.е. “професионално качество, предназначено за телевизия”, тук няма да разглеждаме!
Тук, както и в по-голямата част от литературата, разглеждаща видеопродукцията, често ще се отнасяме до горното словосъчетание, без в действителност да го дефинираме, тъй като и не бихме могли – повечето специалисти и потребители го възприемат като описание на минималните изисквания за качество към една програма или продукт, предназначен за излъчване по телевизия. Не съществува технически стандарт за подобно обособяване и всъщност почти всеки нескопосан продукт може да бъде “реставриран” до някакво добро качество с помощта на Коректор за времевите отклонения (TBC=Time Base Corrector) и други цифрови процеси.
От техническа гледна точка, изразът “професионално качество на продукт за излъчване” може да бъде приет по следния начин – видеосигнал, осъществяващ експозиционния толеранс и сигнално ниво, установени от определени международни стандарти. По този начин не се казва нищо за видеочестотния диапазон (разделителната способност) или съотношението “Сигнал / Шум” на един действителен кадър, което обаче дава възможността да се преценява от некоректна гледна точка, например – предвид съдържанието на едно предаване, дали кадърът е достатъчно “гледаем”? Сега, поради изобилието на видеозаписни формати, “професионално качество на запис” обикновено наричат нещо, което не е значително по-лошо (забележимо с просто око!) от  директен композитен видеосигнал на една добра камера.

Композитен срещу компонентен

В този контекст, компонентно видео означава цветно видео, представено чрез три разделени сигнала – яркостен и два цветоразликови сигнала. Това най-често се представя като Y/Cr/Cb. RGB почти никога не се използва при видеозапис, тъй като изисква 3/2 пъти честотния диапазон на Y/Cr/Cb – представянето на цветовете, при желание за постигане на подобно качество. Видеоапаратурата би могла да има все още RGB входове и изходи, за да има възможност за лесно конвертиране на тези две компонентни системи.
S-Video (или Y/C) не се смята за компонентно видео, повечето композитни формати използват при запис разделени цветен и яркостен сигнал. 
Също така, цветния сигнал на S-video вече е модулиран в PAL или NTSC, за да се качи на подносещата честота и като такъв е лимитиран в честотния диапазон. 
Компонентното видео няма тези ограничения. 

Честотен диапазон и редове (линии)
”Редове” или “линии” се отнасят до броя на вертикалните редуващи се черни и бели линии, които могат да се поместят в кадъра и все още да се възприемат като отделни линии, а не като сива маса. Ясно е, че това не е съвсем научна дефиниция на разделителната способност, но я прави поне по-разбираема. Честотният диапазон се изразява като истинския електрически диапазон на честота на сигнала, поместен в някакви лимити, които могат лесно да се измерят в децибели (dB).
Тъй като има ограничение да се надвишават характеристиките на честотния диапазон както по редове, така и по честоти, ето как може да се конвертира от редове в честотен диапазон:

              4/3 x резолюцията в редове
     Честотен Диапазон =   ------------------------------------------------ / 2.
                                 дължината на активните редове в кадъра

Делителят 2 идва от фактът, че се нуждаеме от две линии (черна и бяла), за да се представи единична синусоида на един вълнов цикъл. За да усложним още повече нещата, дори хоризонталната резолюция по редове обикновено се изразява като броят на редовете, които могат да се представят вертикално, в случай, че хоризонталната и вертикалната резолюции бяха еднакви. По-нататък, уравнението съдържа делителят 4/3, който пък идва от аспектното съотношение (Aspect ratio) на телевизионния екран. Съмнително е дали всички рекламни консултанти и продавачи знаят това...
За 625/50 PAL-видеото, дължината на активната (видимата) част на част от един ред е 52, така че, например, 240-редовата хоризонтална резолюция на VHS-форматът става:

           4/3 x 240
                ЧД =  ---------------- / 2 = 3 MHz
 52

Значи 3 мегахерца честотен диапазон. Разбира се, не знаем лимитите, изразени в децибели, защото никой не ни е казал колко сиви стават тези 240 “черни и бели” линии. По тази именно причина, едни прилични характеристики на честотния диапазон от +/- 1 децибел биха изглеждали по-лошо, отколкото същото качество на кадъра, изразено в редове (което, от своя страна, обяснява защо редовете са предпочитани в рекламните брошури!). Обръщането на уравнението за изчисляване редовете от честотния диапазон, оставяме на читателя за упражнение. В спецификациите към компонентните камери, изразеният цветен честотен диапазон се прилага за двата цветови комонента поотделно.

Забележка: Тази опростена дискусия тук пропуска някои важни детайли, но все пак важи за обикновените 4 : 3 TV системи.

 

А какво става с вертикалната разделителна способност?
За разлика от хоризонталното, вертикалното направление в телевизионния кадър не е непрекъснато и е дискретно. В днешно време, все още на кинескопа редовете се застъпват и не се възприемат като отделни. По тази причина (а също и по други– например Кел-факторът - Kell factor), вертикалната резолюция не е твърде висока. Ако беше, хората отдавна щяха да изоставят 525-редовия NTSC-цветен тв формат. Тъй като всички аналогови формати записват редовете на кадъра съвсем независимо един от друг (с някои изключения, вж. по-долу), не възниква нуждата от определянето на вертикална разделителна способност. При PAL видимите редове са 575, а при NTSC – 485. Същото се отнася и до цифровите формати, които се разглеждат по-долу. Никой от тях не пропуска ред, за разлика например от CD-i. Дори форматите, използващи компресия, поддържат изцяло вертикалната резолюция, въпреки че всички методи на компресия са двуизмерни и работят с изображението като цяло, а не по отделни редове. Някой би могъл да отбележи, че в PAL, принципът, използван за анулиране грешката на цветовата фаза, намалява вертикалната цветова резолюция наполовина. Обаче, това не се случва до момента, в който  приемникът – видеорекордерът и самото PAL-видео все още носят пълната цветова вертикална резолюция. Изключенията тук са VHS и S-VHS, където методът, използван за намаляване на взаимното цветово влияние, наистина орязва вертикалната цветова резолюция наполовина върху записа на лентата. Цветът също се редуцира. Това е доста забележимо в първата генерация на записа, а още повече и във всяка следваща. 



Aналогови формати на запис

 

Некомпресирани цифрови формати на запис

 

Цифрови формати с компресия
С компресираните цифрови видеоформати, честотния диапазон не е толкова от значение като когато е без компресия или както е при аналоговото видео. Типът цветоразпределение (Quantization, sampling) и нивото на компресия са по-интересни тук; повечето от тези формати използват цветоразпределение, съобразно регулациите по международната конвенция CCIR (Rec. # 601), която е широкоразпространена като характеристика на “качество на тв изображение, предназначено за излъчване ("broadcast quality"), когато става дума за цифрово видео. Най-широкоразпространеният под-формат по CCIR 601 
е 4:2:2 цветоразпределение (quantization) със 720 активни active елемента на ред. 4:2:2 представлява Y/Cr/Cb (YUV) видеоформат, при който разпадното ниво и за двата цветоразликови сигнала е половината на честотата на яркостния сигнал.

 

 

Малко инфо за форматите
Тъй като много от тези видеоформати са почти непознати извън тв компаниите, които ги използват активно, поместваме информация за тях тук.

Betacam SP
Разработен от Sony, може би това е най-популярния компонентен формат както за локационни, репортажни снимки, така и за студийно приложение. Betacam ползва касети и лентодвижещи механизми (лентовози), подобни на тези от стария домашен видеоформат Betamax, но сходствата свършват дотук. Скоростта на лентодвижението е 6 пъти по-висока, а яркостния и цветовия сигнали се записват върху 2 отделни пътечки. Двата цветоразликови сигнала се компресират времево на две и се записват последователно върху 1 пътека (CTDM=Coded Time Divided Multiplex). 

M-II
M-II (чете се “em-two” = “ем две”) e разработен от Matsushita за японската национална тв компания NHK. Днес този формат е един от най-популярните компонентни формати, подобно на Betacam SP. Големите потребители са NHK и NBC. Технологията на видеозапис е подобна на Betacam SP, но има някои подобрения, компенсиращи по-ниската скорост на лентата. 

EBU C format
Тези машини използват 1-инчови отворени ролки с лента. Главните предимства са много бързият лентов транспорт и високата гъстота на запис, които представляват пречка за появата на пропадания на сигнала – т.нар. “drop-outs”. Стойността на лентата обаче е висока. Апаратите могат да записват единични кадри, които ги правят особено популярни при работата за компютърни анимации. Някои са снабдени с вакуумни ролки, с които се постига номинална скорост през стъпка от един видекадър (два полукадъра). Лентата обгръща барабана с видеоглавите почти изцяло и по този начин една видеоглава може да запише и възпроизведе целия видеосигнал. Повечето от другите хеликално сканиращи формати имат най-малко две видеоглави, които се включват между полукадрите.

За отбелязване е, че в C format, целият композитен сигнал се записва и възпроизвежда без разделянето му на Y/C, както повечето композитни рекордери правят, ограничаващи по този начин честотния диапазон. Многобройните производители включват Sony, Ampex и BTS. 

EBU B format
Подобен на C format, но използва сегментирано хеликално сканиране. Диаметърът на барабанът с видеоглавите е малък и един видеокадър се записва върху 6 отделни пътечки. Разработка на фирмата Bosch. “B format” няма някои специални режими на лентодвижение. Достъпни са само Play, FF и REW. 

U-Matic
Друг формат на Sony с 3 различни версии - LB, HB и SP, които се различават по честотите на подносещите, използвани за яркостния и цветовия запис. U-Matic LB (Low Band) се е появил през ранните 70 години на 20 век и е един от най-старите касетни видеоформати. HB (High Band) е с повишена подносеща честота, която подобрява цветната резолюция. В SP-вариантът са повишени подносещите честоти и на цветовия, и на яркостния сигнал.

U-Matic SP (в общия жаргон изписван като "3/4" – широчината на лентата в инчове) все още се използва от тези, които не могат да си позволят Beta SP или друг подобен по-добър формат. Въпреки че U-Matic не надминава по качество на изображението това на Super VHS, по-високата му цветна разделителна способност и по-доброто му съотношение “Сигнал / Шум”  го поставят на по-преференциално ниво пред S-VHS. Транспортният механизъм също така е доста по-бърз в сменянето на работните режими, което допълнително улеснява видеомонтажът.

LB и HB U-Matic-лентите често се използват за архивиране поради ниската си себестойност и ниската плътност на записа, което ги прави устойчиви на стареене. 

Серия “D” на цифровите формати

D-1 е практически първият цифров формат, представен от Sony през 1986.

D-2 е разработен от Ampex по същото време като D-1 и е бил предназначен за архивиране на композитно видео, както и за новинарска работа.

D-3 и D-5 са разработени от Matsushita. D-5-апаратите могат да използват 2 различни комбинации на резолюции и могат да възпроизвеждат ленти на D-3. Докато D-5 остава като студиен формат, D-3-камкордерите започват да се произвеждат от фирмата Panasonic.

Версия на D-5 с висока разделителна способност (D-5 HD) се появява малко по-късно. Тя използва 4:1 компресия, за да осъществи HDTV трансфер на данни от 1.2 гигабайт в секунда и може да работи с 1080 “преплетени” реда (interlaced lines) или със 720 “прогресивни” реда (progressive lines) – “американският” HDTV-формат.

D-6 е цифров HDTV зеписен формат на Toshiba и BTS. Записва 600 GB на огромна 64-минутна касета. Бяха пуснати слухове, че този формат е почти мъртъв вече и че лентовоза е закупен от Toshiba, но на изложението IBC'97 беше демонстриран видеорекордер D-6 с впечатлително качество на изображението.

DVCPRO ще стане D-7 по-късно. Също както Digital-S ще се бележи като D-9, по все още непотвърдена информация.

За куриоз, формат D-4 не съществува, тъй като числото 4 е главно табу в азиатската култура (произнася се като думата “смърт” на японски).  

Digital Betacam
Този формат е цифровото продължение на Betacam SP-форматът. Представен е през 1993 г. от Sony, използва подобни на SP-формата половин инчови видеокасети, като 40-минутните се налагат на пазара и правят Digital Betacam първият компонентен цифров новинарски видеоформат (ENG - electronic news gathering). Digital Betacam възпроизвежда, но не записва на аналоговата Beta SP-видеолента. Подобно на повечето съвременни видеокомпресионни технологии, тук е приложена компресия 2:1, базирана на т.нар. DCT-технология (discrete cosine transform) – всеки полукадър се компресира отделно.

Ampex DCT
Изцяло разработен от фирмата Ampex видеоформат (1992 г.) Съкращението идва от "Digital Component Technology" и не е това, което сигурно очаквате. Според производителя, главното преимущество пред другите цифрови формати е в малкия толеранс за грешки и пропуски в данните, от порядъка на 1 некорегирана грешка на час запис. Апаратурата може да работи в режими 525/60 и 625/50 и позволява максимално време на запис повече от 3 часа. Тези преимущества на DCT му отреждат централно място във схемата на филмовия мастеринг. 

DV/DVCam/DVCPRO
DV (преди наричан DVC) е сравнително нов формат, произвеждан от фирми като Sony, Philips, Thomson, Hitachi, Matsushita (Panasonic) и други. Това беше първият цифров формат на видеозапис, който достигна пазар на широко потребление.DV ползва 5:1 компресия, базирана на DCT-технологията. В зависимост от съдържанието на кадъра, енкодерът сам “решава” дали да компресира полукадрите отделно или да ги групира в общ компресиран блок. По този начин, DV кодирането може да се възприема като междинен вариант на Motion JPEG и MPEG. Забележителното в този формат е, че той ползва една технология на максимално плътен запис върху магнитна видеолента – над 0.4 мегабита на квадратен милиметър! Представете си данни от една стандартна 3.5"  флопи-дискета, записани върху едно парче видеолента с размери 5x6 мм. Режимът LP на Sony редуцира широчината на пътечките до 6.67 микрона, увеличавайки времето на запис с 1.5 пъти. Видеохарактеристиките остават същите.

DVCPRO е професионалния вариант на DV-форматът и е разработен от Panasonic. Съществената разлика тук е удвоената скорост на движение на видеолентата, което осигурява по-добър (по-малък) толеранс на допустимите грешки и пропуски на полукадри и по-висока степен на сигурност на записа. Възможно е възпроизвеждане със скорост 4 пъти нормалната. Това означава всъщност ускорен трансфер на данни, например при нелинейната система за видеомонтаж.

DVCAM, от друга страна, е вариантът на Sony “по темата”, заемайки място между DV и DVCPRO. Повишени са широчината на видеопътечките и скоростта на движение на лентата, но не в такава степен, в каквато при DVCPRO. Използва същото метално покритие върху видеолентата, както при DV-форматът, докато  DVCPRO ползва лента с метални частици. Не е особено ясно какво точно очаква Sony от този формат, при положение, че има два други цифрови новинарски видеоформата - Betacam SX и Digital Betacam.

В действителност, Panasonic анонсира своя  DVCPRO, заявявайки, че той ще може да “чете” DVCAM видеозаписи. Това става с препрограмиране на капстанния серво механизъм на различна широчина на пътечките (15 микрона при DVCAM, за разлика от 18 микрона при DVCPRO) и различната скорост на лентата.

Като говорим за качество на изображението, тези три формата са с близко такова, което можем да наречем “подходящо за излъчване”, като DV-форматът остава достъпен за видеолюбителите. За новинарска работа и друга подобна, качеството е напълно достатъчно, особено като се има предвид, че типичната постпродукция е цифрова, което не позволява деградация на качеството по-нататък. В същото време обаче, квантизацията (цветоразпределението, квантуването на данните от цветоразликовите сигнали) е 4:1:1 или 4:2:0, което се явява проблематично, когато заснетите кадри трябва да се сепарират по цветова компонента – “изрязване” по син или зелен трансперант (chroma keying). Наскоро SMPTE прие DVCPRO да се стандартизира като формат D-7. Panasonic произведе следващата си версия, с 4:2:2 квантуване - DVCPRO-50, която конкурира пряко стандарта Digital S на телевизионния пазар. 

Digital8
Наскоро Sony представи този формат. Digital8 записва същият сигнал, както DV, но използва по-евтини Hi8-видеокасетки и може да възпроизвежда “старите” аналогови 8mm/Hi8 видеоленти. 

D-VHS
Нов формат на JVC. Предназначен е за архивиране на цифрови видеоматериали директно в техния компресиран формат. Машините няма да имат конвенционалните видеовходове и изходи, а ще работят чрез “set-top” декодер и ще имат IEEE 1394 цифров интерфейс, подобно на някои DV формати. Най-голямата касета ще може да побере 44.4 гигабайта данни. Времето на запис зависи от избора на записния режим - между 3.5 часа HDTV-материал и 49 часа 2 Mbps видеоматериал в LP режим. Стандартният режим ще записва 7 часа видео с пренос на данни 19.14 Mbps. 

W-VHS
W-VHS беше представен от JVC през 1994 г. на NAB-презентационния семинар. Това е аналогов формат с висока разделителна способност (high 
definition), който използва касети от типа VHS.
Обикновено записва 1125 реда аналогово RGB видео, но може да се превключва в NTSC режим, в който може да записва два пъти по-добро качество от NTSC видеото, или дори секвенции за покадрово 3D видео.

Digital S
Digital-S е цифров формат, съвместим с конвенционалния S-VHS. Касетата е с базирана на W-VHS видеолента с висок коерцитивен интензитет в прахозащитена кутия на VHS. Digital-S конкурира по-скъпия Digital Betacam по критериите за качество на изображението, защото е с компресия 4:2:2.
Монтажният касетофон е снабден с видеоглава, която позволява да се възпроизвежда старият видеозапис, по времето, когато се записва нов видеосигнал веднага след него. Това прави т.нар. монтажен режим “A/B roll” възможен дори само при наличието на два касетофона.

Betacam SX
Betacam SX е цифров формат с кодировка 4:2:2 на варианта MPEG. Подобно на DVCPRO, този формат е замислен като изцяло цифрова концепция за новинарска дейност. Някои апарати могат да се превключват в режими 4:3 / 16:9.
Въпреки, че е замислен като лентов формат, някои машини са всъщност хибриди тип диск/лента и осигуряват възможности за нелинеен видеомонтаж. Разработен е и т.нар. “куфарен лаптоп”, също като този на Panasonic за неговия DVCPRO формат.  

Sony HDD-1000

Това е пълночестотен 1.2 Gbps цифров HDTV рекордер, базиран на едноинчов ролков видеоформат от C тип. Прототипът му е от 1987 г., но сега може да записва HDTV-видео при 1125 реда 
на 59.94 или 60 Hz кадрово ниво. Високата цена за един видеоапарат (~ 350 000 долара и 63-минутната лента за 1 300 долара!) правят този формат доста куриозен, но в действителност той не само се предлага, но се и купува и използва.

HDV

HDV стандартът беше основан през 2003 г. като видеоформат за запис на MPEG-2 видео с висока разделителна способност, със силно редуцирана цена в сравнение с HDCAM и другите професионални High Definition-формати.
HDV предлага отлично качество на изображението, на изключително приемлива цена на камерите - около и над 3000 USD. По същество, HDV е широкоекранна версия (16 : 9) с голяма резолюция на DV-форматът, която използва 4:2:0-видеосемплиране и почти същата MPEG-2 (long GOP) компресия, внедрена за HDTV излъчването.
Форматът записва звук в MPEG-1 компресия (48 kHz, 16-bit Stereo) и записва цветоразликови кадри (Y/Cb/Cr frames) в резолюция 1280х720p (progressive) и 1920х1080i (interlaced); освен това е високоадаптивен за потребителите, защото използва същите касети, както DV, същия bit-rate (25 Mbps при SONY HDV) и същия FireWire-транспорт (IEEE1394); не на последно място - поддържа се от производители на нелинеен софтуер и хардуер, като Avid, Adobe, Apple, Sony и др.