Форматы цифрового видео

VCD. Формат VideoCD был создан, чтобы обеспечить диало­говую среду, которая была бы недорога для копирования, под­держивала полный экран и видео полного движения и функцио­нировала бы в широком диапазоне различных платформ ПЭВМ, телевидения, игровых приставок или мультимедийного оборудо­вания.

В середине 1993 г. Philips, Sony, Matsushita и JVC согласова­ли спецификации VideoCD, позже получившие известность как «Белая Книга». Стандарт использует определения, описанные в стандартах «красной» (CD-DA) и «желтой» (CD-ROM) книг и вводит дополнительную гибкость, чтобы учесть защиту автор­ского права, вставки библиографической информации, абстракт­ных данных, компьютерных программ, обеспечить диалоговый контроль в течение воспроизведения.

Формат стал чрезвычайно популярным в Азии, и начиная с середины 1990-х гг. почти все гонконгские фильмы были дос­тупны на VCD, а по сделанной в конце тысячелетия оценке, только в Китае ежегодно производились более чем 2 млн плейе­ров VCD. Формат никогда не завоевывал популярность на запа­де и остается малоизвестным в Северной Америке и Европе.

VCD использует CD-ROM XA Mode 2, чтобы делать запись первой дорожки диска (Track 1), который содержит файловую структуру ISO 9660 и информационную область. Файловая сис­тема ISO может также включать расширения Joliet, чтобы под­держивать длинные имена файлов Windows.

VCD 1.1 поддерживает понятие выбираемых треков, но толь­ко в VCD 2.0 версии (1995 г.) поддерживалась полная интерак­тивность через дистанционное управление. VCD 2.0 позволяет организовать до 98 треков, каждый из которых может быть ин­дексирован в 99 сценах. Каждый трек может содержать и воспроизводить сцены, которые могут быть видео, звуковыми или фотоизображениями. В основном этот формат можно трактовать как Audio CD с дополнением видео или фотофрагментами и средствами навигации по содержанию.

Стандарт поддерживает обратную совместимость, так что версия 1.1 VCD работает в плейерах версии 2.0. VCD имеет вместимость до 74/80 минут (на носителе 650/700 Мбайт соответственно) видео полного движения, сопровождаемого стереозвуком. Используется технология сжатия MPEG-1 для обеспечения ка­чества видео, эквивалентного пленке VHS или аудио CD-DA. Таблица 3.3 содержит ключевые характеристики вариантов VCD-стандарта.

SVCD. Выпущенный в 1998 г. консорциумом, который вклю­чал Philips, Sony, Matsushita и JVC, формат «VCD Высшего каче­ства» (SuperVCD) — впоследствии стандартизированный как ISO IEC 62107 — является естественным развитием стандарта VCD. Основное различие в том, что для видеопотока используется ко­дирование MPEG-2 (вместо MPEG-1), которое обеспечивает бо­лее высокое разрешение и скорость, а также поддерживает суб­титры и переменную скорость видеопотока. Как последствие, CD способен к показу в 2 раза более четких видеоизображе­нии, чем его предшественник, за счет уменьшенной вместимости (35 и 80 мин на диск в зависимости от средней используемой оптовой скорости).

Формат имеет обширную поддержку субтитров и режима караоке. Видеопоток SVCD может содержать до четырех независимых каналов субтитров для различных языков, которые накладываются на видеоизображения в процессе воспроизведения и могут подключаться или удаляться по желанию. Так как субтит­ры сохранены как битовая графика, они не привязаны к како­му-то специфическому набору символов. Наконец, SVCD стан­дарт поддерживает гиперсвязи типа HTML, позволяет подклю­чать фотографии, автоматическое проигрывание слайдов ц музыкальных фрагментов, поддерживает многоуровневые иерар­хические меню и оглавления (индексацию). Характеристики формата приведены в табл. 3.4.

XVCD и XSVCD (extended VCD и extended SVCD - расши­рения соответственно) являются неофициальными вариантами стандартов VCD и SVCD, предназначенными, чтобы достигнуть улучшенного качества изображения, например, увеличивая бито­вую скорость (битрейт) в соответствии с более быстрой способно­стью передачи данных современными накопителями CD-ROM-XSVCD работает на принципах, обычных для уровня DVD, что обеспечивает скорость, близкую к DVD-Video (до 9, 8 Мбит/с — поддерживает полное разрешение DVD в дополнение к обычному SVCD 480x576/480x480).

DivX. Формат DivX базируется на видеотехнологии MPEG-4 с дополнением звукового потока МРЗ. Поскольку сжатый в формате DivX кинофильм составляет от 10 до 20 % размера оригинала DVD (обычно 5 Гбайт), 80—90 минутное DVD-кино занимает приблизительно 650 Мбайт в разрешении 640 х 480 — фильм Гол­ливуда может вообще поместиться на единственном CD-ROM. Единственным весомым недостатком является то, что не предусмотрено возможности развернуть изображение формата 16: 9 до 4: 3. Просмотр осуществляется на широко распространенном Windows Media Player (Microsoft) с небольшими добавлениями.

К концу 2001 г. появилась новая версия DivX — проект с от­крытыми исходными программами кодека, известный как «Project Mayo» или как «OpenDivX» или «DivX для Windows/Linux/Mac». В отличие от оригинала DivX, OpenDivX не имеет ничего общего с Microsoft. Однако, подобно его предше­ственнику, он также базируется на формате сжатия MPEG-4.

Формат DV. Panasonic и Sony были первыми, кто использо­вал стандарт цифрового видео на своих видеокамерах, и хотя он и не был первоначально предназначен для профессионального использования, обе компании впоследствии объявили их собст­венные расширения для стандарта — Panasonic DVCPRO в 1995 г., a Sony — DVCAM в 1996 г. Однако оба изготовителя придерживались формата MiniDV для производимого цифрового оборудования.

Формат DV использует пленку с металло-оксидным напыле­нием ширины ¹/₄" (6, 35 мм), способную к записи до 3 часов ви­део в стандартном режиме (standard play, SP) на кассете, которая имеет размеры 125 х 78 х 14, 6 мм.

Технически DV использует дискретное косинус-преобразование, используя процесс с тремя стадиями. Первая стадия использует DCT-сжатие, удаляющую информацию, которая не может замечена человеческим глазом. При этом в каждом пикселе отделяют цветовую и яркостную информацию, что сокращает данные на одну треть. Затем сигнал RGB преобразуется в YUV – Y для яркости и U и V для цвета, по формуле YUV 4: 2: 2. Затем цифровой видеокодек оптимизирует формулу к YUV 4: 2: 0, связывая цветовую информацию от смежных пикселей в блоки 4x4. Далее, система аппаратного сжатия, размещенная на камере, сжимает видео с использование алгоритма подобного M-JPEG.

Система DV отличается способностью записи различных частей каждого кадра с различной степенью сжатия. Так, синее небо в фоне изображения может быть сжато, скажем, к 25: 1, в то время как лес на переднем плане, который нуждается в большем ко­личестве деталей, только до 7: 1. Этим способом цифровое видео может оптимизировать видеоструктуру потока кадров. Наоборот M-JPEG должен иметь установленную норму сжатия для видео в целом и не может разумно регулировать сжатие каждого изобра­жения. Кроме того, также используется техника, известная как адаптивное межстрочное сжатие, которое заключается в том, что перекрывающиеся строки кадра (как в PAL, например) соединяются в одну, если различие между ними невелико. В теории это означает, что сцены с меньшим количеством движения обраба­тываются лучше, чем быстрые сцены. Номинальный поток данных DV — 25 Мбит/с, который увеличивается до 36 Мбит/с с учетом аудио и различных средств управления данными и кор­рекции ошибок.

Mini-DV (мини-цифровое видео). Главное преимущество формата MiniDV состоит в том, что лента, являющаяся ¹/₁₂ от размера стандартной пленки VHS, позволяет сделать запись 1 часа в формате SP или до 90 мин более низкого качества выхода в «долгоиграющем режиме» (long play, LP) при горизонтальном разрешении до 500 линий. Видеокамеры этого формата являются часто достаточно маленькими, чтобы удобно размещаться в ла­дони руки.

Digital8. Введенный в начале 1999 г., формат видеокамеры Sony Digital8 может рассматриваться как шаг между 8 мм или Hi-8 и MiniDV. Запись здесь производится почти в том же са­мом качестве как для MiniDV, но на ленты 8 мм и Hi-8, которые имеют размер ¹/₄ размера VHS и вместимость до 1 часа. Формат — хороший выбор для тех, кто переходит к цифровой видео­камере, так как видеокамера Digital8 может также воспроизво­дить старые записи аналоговых видео на 8 мм и Hi-8;

MICROMV. В 2001 г. Sony объявила ряд цифровых видеока­мер MICROMV, использующих формат сжатия MPEG-2 при записи сигналов качества DV на ленты, размер которых составляет 70 % от кассет MiniDV. При скорости в 12 Мбит/с ультракомпактный формат MICROMV имеет битовую скорость, вполовину меньшую, чем для miniDV, что делает редактирование видео на ПЭВМ намного менее ресурсопоглощающей задачей.

Форматы DVD. Фирма Hitachi объявила первую цифровую видеокамеру, способную к записи на носитель DVD (в данном случае это был DVD-RAM) летом 2000 г., что было очередным шагом в движении видеоприложений к области ПЭВМ. Важное преимущество формата DVD — способность к прямой выборке видео и непосредственному переходу к определенным сценам видеозаписи, экономя время и ресурсы, затрачиваемые на запись/редактирование.

DVD видео. Видео DVD обычно кодируются в формате MPEG-2. MPEG-2 предлагает более высокую степень сжатия, чем MPEG-1, и приводит к намного более четкому и чистому изображению (табл. 3.5). Раскодированный из MPEG-2 видео­сигнал обычно использует 480 горизонтальных строк в кадре (или 720 х 480 пикселей) по сравнению с 425 строками для CD-видео и 250—270 строками для VHS-видео.

Переменная битовая скорость (VBR) позволяет достичь более высокого качества изображения и более низкой средней скорости передачи информации в битах, при этом используется больше данных для кодирования тех частей видеопоследовательности, которые более сложны и плохо сжимаются. При использовании постоянной битовой скорости (CBR) скорость передачи данных должна быть достаточно высокой, чтобы одинаково хо­рошо кодировать все сцены видео.

Ранние диски DVD-ROM использовали два метода для запи­си MPEG-2 видео:

• аналоговый оверлей (наложение видеоизображений или просто оверлей);

• метод встраивания VGA, иногда упоминаемый как VideoInlay.

Оба метода отображают видео в окне или полном экране, но они реализуют различные подходы. Videolnlay использует графи­ческий адаптер PC, чтобы масштабировать видео и вывести его на монитор. Оверлейные платы обеспечивают масштабирование собственными аппаратными средствами и выводят видео само­стоятельно, встраивая его в графический выводом, который при­ходит от платы VGA. При использовании этих плат дополни­тельный кабель соединяет выход адаптера VGA с вводом на пла­те декодера.

Главный недостаток подхода VideoInlay — нагрузка на систе­му. При проходе сцен, закодированных с высокой скоростью пе­редачи информации, метод VideoInlay может перегрузить инфор­мацией старые, более медленные адаптеры дисплея, что может потребовать сокращения горизонтальной разрешающей способ­ности для получения приемлемого изображения.

Требуя немного большего количества усилий по установке и конфигурированию, платы наложения видеоизображений требу­ют меньше системных ресурсов и допускают более широкое раз­нообразие аппаратных средств. В то время как видеовывод мо­жет быть менее четким, чем в случае встраивания VGA, наложе­ние видеоизображений имеет то преимущество, что может дать приличное качество фактически с любыми видеоплатами.

Односторонний (DVD 5) диск может вместить ти­пичный кинофильм, длительность которого составляет в сред­нем 133 минуты. MPEG-2 кодирование использует сжатие с потерями, которое удаляет избыточную информацию (например, неизменяющиеся области изображения) и информацию, кото­рая не воспринимается человеческим глазом. Выходной видео­сигнал, особенно когда он сложен или содержит быстрые изме­нения, может иногда включать визуальные недостатки в зависи­мости от качества обработки и коэффициента сжатия. При использовании сжатия MPEG-2 полномасштабное изображение требует минимальную скорость передачи данных 3500 кбит/с. Звуковое окружение — центральный, левые, правые, лево-тыловые и право-тыловые каналы, плюс ненаправленный басовый громкоговоритель — требует дополнительно еще 384 кбит/с. Если учесть добавочную память для фонограмм дублирования а различных языках и титров, необходимо увеличение скоро­сти до 4, 692 кбит/с (минимум 4 Мбит/с, требуемых для высоко – качественных результатов). Окончательный итог — требование размера памяти в 4, 68 Гбайт.

Более высокие скорости передачи данных могут привести к повышению качества, почти неотличимому от оригинала, при скоростях более чем 6 Мбит/с. С развитием MPEG-технологий сжатия лучшее качество достигается при более низких скоро­стях. Кроме того, DVD-видео обычно поддерживают множест­венные коэффициенты сжатия, позволяя при просмотре выбрать по меньшей мере из пары широкоэкранных форматов (например 16: 9 или более обычного 4: 3). Кроме того, DVD-видео также обычно позволяет выбрать один из восьми языков и предостав­ляет 32 различных набора субтитров.

Двухслойный (DVD 9) диск. Здесь вместимость увели­чивается до 240 мин. Двусторонний однослойный диск (D VD 10) будет вмещать немного больше (около 266 ми­нут), но он должен быть перевернут, чтобы была доступна вторая сторона. Многие производители видео DVD используют двусто­ронние диски, помещая версию, отформатированную для нор­мального телевидения или монитора с экраном 4: 3 на одной стороне и широкоэкранную версию, отформатированную для эк­рана 16: 9 — на другой.

Существуют два способа записи двухслойных DVD — па­раллельный проход дорожки (Parallel track path — РТР) и противоположный проход дорожки (Opposite track path — ОТР). В дисках РТР оба слоя считываются от внутренней части Диска к внешней, тогда как в диске ОТР сначала считывается внешний слой от внутренней части к внешней, а затем — внутренний слой обратным ходом. Это позволяет дисководу читать оба слоя почти непрерывно, с коротким перерывом, чтобы перефокусировать линзу лазера.

В 1998 г. Цифровой Видео Экспресс (DVE) — партнерство жду одним из крупнейших американских розничных продавцов электроники, Circuit City, и видной Лос-анджелесской юридической фирмой — объявил альтернативный формат DVD-видео, использующий подход «оплата за использование» при прп смотре фильмов, и быстро получил поддержку таких ведущих студий, как Disney, Paramount, Universal и MGM.

Региональное кодирование. Поскольку обычно выход фильма на экраны не является одновременным (фильм может выйти на видео в США, когда только выходит на экраны в Европе) киностудии хотят контролировать выпуск видеокопий в раз­личных странах. Поэтому потребовалось, чтобы стандарт DVD включал коды, которые могут предотвратить воспроизведение некоторых дисков в определенных географических областях (регионах). Каждый видеопроигрыватель получает код для ре­гиона, в котором он продан. Это означает, что диски, куплен­ные в одной стране, не могут считываться на плейерах, куп­ленных в другой стране.

Региональные коды являются дополнительными для изгото­вителя диска и отсутствие кода означает отсутствие региональ­ных ограничений. Это — не система кодирования, а только ин­формационный байт, обозначающий восемь различных регио­нов, который проверяется при проигрывании диска (табл. 3.6).

В сводной табл. 3.7 приводятся основные технические характеристики цифровых видеоформатов, перечисленных выше.