Видеостандарты и видеоформаты
Тема: Обработка видеоданных
1 Видеостандарты и видеоформаты
2 Цифровое видео и его основные характеристики
3 Сжатие видео
4 Форматы цифрового видео
5 Линейный и нелинейный монтаж
Видеостандарты и видеоформаты
Самым ранним методом передачи видеосигналов является аналоговый метод. Одним из первых видеоформатов на основе этого принципа стал композитный видеосигнал.
Для передачи цветного изображения необходимо передавать не только характеристику яркости каждого пикселя изображения, но и его цвет. Для отображения цвета пикселя на электронно-лучевой трубке необходимо определить три цветовые составляющие: красную (Red), зеленую (Green) и синюю (Blue). Передача отдельных сигналов RGB теоретически требует увеличить обычный диапазон сигнала в три раза, и, как следствие, появляются проблемы, связанные с синхронизацией трех независимых сигналов.
Решением этих проблем является добавление отдельного сигнала цветности (chrominance or chroma signal) к существующему сигналу яркости (luminance signal). Последний несет информацию о яркости в данной точке изображения, в то время как сигнал цветности представляет цвет. Сигнал цветности - это синусоидальная волна, моделируемая на сигнал яркости в качестве поднесущей (subcarrier). Такое совместное использование сигналов яркости и цветности называется композитным видеосигналом (composite signal). Наиболее часто этот видеосигнал используется в бытовой видеотехнике формата VHS.
Из-за объединения этих элементов в одном сигнале качество композитного видео далеко от совершенства. В результате мы имеем неточную передачу цвета, недостаточно "чистую" картинку и другие факторы потери качества.
Композитное видео быстро уступило дорогу компонентному видео, в котором различные видеокомпоненты представлены как независимые сигналы. Дальнейшие усовершествования этого формата привели к появлению различных его вариаций: S-Video, RGB, Y, Pb, Pr и др.
Компонентный видеосигнал (component signal) - это способ хранения и обработки видеосигнала, при котором компоненты видеосигнала хранятся по отдельности. Наиболее популярным вариантом компонентного сигнала является видеосигнал Y/C, состоящий из разделенных сигналов яркости (компонента Y) и цветности. Канал цветности содержит в себе информацию об оттенке и насыщенности цвета и называется компонентой C. Сигнал Y/C используется в системах S-VHS и Hi-8. В профессиональной видеотехнике используется YUV-сигнал. Этот сигнал также является компонентным сигналом и позволяет получать максимальное качество изображения, так как требует минимальной обработки при записи и воспроизведении видеоизображения. Данный сигнал обычно используется в видеотехнике форматов U-Matic, Betacam, Betacam SP, M-II и D-3. YUV-сигнал состоит из трёх независимых сигналов, яркостного сигнала Y с синхроимпульсами и двух независимых цветоразностных сигналов, U и V. Для YUV сигнала не существует понятия системы, в которой он кодирован, PAL, SECAM, NTSC или что-то ещё. Именно YUV сигнал получается в телевизионных приёмниках в результате декодирования любого другого сигнала, закодированного по любой системе. Качество YUV сигнала считается профессиональным, и именно с YUV сигналом работает профессиональная видеоаппаратура.
Существенная и принципиальная разница в устройстве систем цветного телевидения заключается в способах передачи цветной телевизионной информации от передающей камеры к приемнику. Поэтому под выражением «система цветного телевидения» в настоящее время понимают метод передачи сигнала по центральной части тракта цветного телевидения, т. е. способ передачи сигнала цветности. В основе построения всех систем цветного телевидения лежат следующие физические процессы.
1. Оптическое разложение передаваемого многоцветного изображения на три одноцветных изображения в основных цветах — красном R, зеленом G и синем В.
2. Преобразование трех одноцветных изображений R, G и В в электрические сигналы Er, Еg и Eb.
3. Образование электрического сигнала яркости (сигнал черно-белого изображения) Еу и так называемых цветоразностных сигналов Er-у Eg-y и Eb-y
Вычитание из сигнала основного цвета сигнала яркости формально означает, что цветоразностный сигнал содержит информацию только о цветности, но не о яркости. Поэтому главной особенностью цветоразностных сигналов является то, что на черно-белых и серых местах изображения они равны нулю, а это, в свою очередь, устраняет мелкоструктурную сетку от поднесушей частоты (помеху) на экране кинескопа.
Из трех составляющих R, G и В наибольшую интенсивность (59%) и широкую полосу частот имеет зеленый сигнал G. В этом смысле он очень близок к яркостному сигналу Y. Иными словами, если на черно-белый телевизор подать сигнал ЕС, то изображение на его экране будет довольно близко к изображению, получаемому от яркостного сигнала Еу. Сигналы Er и Еb требуют значительно меньшей полосы частот, чем сигнал Еg имеют меньшую интенсивность (соответственно 39 и 11%). Поэтому выгодно не передавать самый интенсивный и широкополосный сигнал из трех цветоделенных сигналов. Во всех системах цветного телевидения при передаче формируют только красный Еr-y и синий Eb-y цветоразностные сигналы, а зеленый сигнал Еg-у восстанавливается в самом телевизоре.
4. Передача и прием трех электрических сигналов изображения Еу, Er-y и Eb-y по линиям связи.
5. Обратное преобразование электрических сигналов Еу, Er-y и Eb-y и выделение из них сигналов Еу, Er, Еg и Еb.
6. Преобразование электрических сигналов Еу, Er, Еg и Еb в три одноцветных оптических изображения — красного R, зеленого G и синего В цветов.
7. Смешение одноцветных составляющих R, G и В в одно многоцветное изображение.
Несмотря на широкую популярность аналогового телевидения, такой принцип имеет очевидные недостатки. Во-первых, во время передачи видеосигнала возникают различные электромагнитные помехи, ухудшающие изображение, а во-вторых, запись и копирование аналогового видеосигнала всегда сопровождается некоторой потерей качества. В связи с этим дальнейшее развитие технологий передачи и обработки видеоизображения пошло по пути использования цифрового видеоизображения.
Видеостандартом называется описание формы кодирования видеоизображения определенным видеосигналом. Такое описание является неизменным и поддерживается различными производителями видеооборудования. В настоящее время в мире существует множество видеостандартов, определяющих различные типы телевизионного вещания.
Исторически сложилось, что видеостандарты варьируются в зависимости от географического расположения той или иной страны.
В мире существуют три группы систем цветного телевидения:
NTSC (от англ. National Television Standards Committee — Национальный комитет по телевизионным стандартам), применяется в Америке и Японии.
Наиболее старым видеостандартом является стандарт NTSC (National Television Systems Committee). Стандарт NTSC был создан в 1948 году как национальный стандарт для телевещания. NTSC определяет все параметры, которые позволяют любому телевизору в Северной Америке принимать телевещательный сигнал. Стандарт определяет метод кодирования информации в композитный видеосигнал.
Этот стандарт имеет частоту 30 кадров в секунду в череcстрочном режиме (нечетные строки отображаются за первый проход, четные - за следующий). Такая система показа делит каждый кадр на два поля и, следовательно, каждую секунду - на 60 полей. Вертикальное разрешение NTSC составляет 525 сканирующих строк, но диапазон видимых строк составляет 484 строки. Обеспечивается поддержка 16 миллионов разных цветов. В настоящее время разрабатываются новые разновидности стандарта NTSC "Super NTSC" и "16х9", которые будут входить в состав стандарта MPEG и стандарта разработки DVD.
PAL (от англ. Phase Alternation Line — строки с переменной фазой), применяется в Западной Европе, Африке, Азии;
PAL предполагает следующую частоту кадров: 25 череcстрочных кадров в секунду, имеющих 625 сканирующих строк. Разработанный после NTSC, PAL выдает более широкий диапазон для модуляции цветности, что, естественно, улучшает разрешение цвета. В 1967 году видеостандарт PAL был адаптирован в Англии, Западной Германии и Нидерландах, а затем распространился и в других странах мира. Однако в Бразилии используется модификация этого стандарта, названная PAL-M, которая объединяет улучшенный диапазон цветности и частоту кадров, равную 30 кадрам в секунду, с 525 строками в кадре.
SECAM (от франц. Systeme Sequentiel Couleurs a Me moire — последовательная передача цветов с запоминанием), применяется в России, Восточной Европе, Франции, на Ближнем Востоке;
Частота кадров в SECAM соответствует частоте кадров в стандарте PAL. Для кодирования сигнала цветности используется частотная модуляция. Эта система также дает более высокое разрешение цвета, чем NTSC стандарт. Существуют две модификации SECAM стандарта - горизонтальный SECAM и вертикальный SECAM.
Так как частота кадров и количество строк соответствует стандарту PAL, есть возможность просматривать видео в формате SECAM на видеоплеере PAL стандарта (и наоборот), но в монохромном варианте.
Внутри каждой группы имеются определенные отличия. Мы рассмотрим лишь те особенности систем цветного телевидения, которые учитываются при бытовой видеозаписи. Во всех системах телевидения отношение ширины к высоте изображения составляет 4:32. Для устранения мерцаний экрана используется чересстрочная кадровая (вертикальная) развертка (частота полей вдвое превышает частоту кадров). В SECAM и PAL частота кадров равна 25 Гц (количество строк — 625), в NTSC — 29,97 Гц (количество строк — 525). Примерно 10 % передаваемого растра на телеэкране не отображается.
Видеоформаты. Для хранения и воспроизведения видеоизображения применяются специальные устройства, называемые видеомагнитофонами. В зависимости от конструкции видеомагнитофонов видеоизображение хранится в различных видеоформатах.
Видеоформаты, прежде всего, классифицируются по ширине магнитной пленки. Все видеомагнитофонамы используют так называемые бобинные форматы (reel-to-reel formats), поскольку запись/считывание основаны на перемещении магнитной ленты вблизи магнитной головки видеомагнитофона.
Физический принцип действия видеомагнитофона основан на эффекте намагничивания. В момент записи изображения магнитное поле, создаваемое магнитной головкой, ориентирует магнитные элементы на ленте. При воспроизведении магнитная головка воспринимает магнитное поле, создаваемое магнитной лентой, и специальная электронная схема соответствующим образом формирует видеосигнал. Следует отметить недостатки такой системы записи/воспроизведения. Во-первых, система очень чувствительна к пыли и загрязнению. Во-вторых, с годами основа магнитной ленты стареет, что приводит к частичному осыпанию магнитного слоя и соответственному ухудшению изображения. В-третьих, в процессе эксплуатации видеолента может порваться, помяться, растянуться и т.д. Однако в настоящее время такой принцип хранения видеоизображения является доминирующим.
На качество воспроизводимого изображения влияет множество различных факторов. Основным из них является размер видеопленки и скорость протяжки ленты. В зависимости от конструктивных особенностей и предназначения видеомагнитофонов, применяются различные схемы записи. Например, бытовые магнитофоны используют видеокассету закрытого типа (что защищает ленту от пыли) с шириной ленты 1/2 дюйма. Такая же по размеру лента, но с другим магнитным покрытием используется в профессиональных видеомагнитофонах, работающих в стандартах S-VHS и Betacam.
В проффессиолнальном телевизионном оборудовании используются не видеокассеты, а специальные бабины с видеолентой шириной 3/4 дюйма. Такая ширина ленты позволяет записывать видеоизображение более высокого качества с минимальными потерями при перезаписи и воспроизведении.
Стандарты записи видеоинформации на магнитные носители:
VHS (Video Home System) формат объединяет видеодорожку, предназначенную для записи видеоизображения в форме композитного сигнала, и звуковую дорожку для записи стереозвука стандарта Hi-Fi (High-Fidelity). Запись осуществляется на магнитную ленту шириной 12,6мм, находящуюся в кассете. Разрешение при записи в этом формате низкое — 240 линий по горизонтали, и уже первая копня имеет плохое качество. Звук монофонический, записывается продольным способом. Стоимость минуты записи самая низкая. Длительность записи на одну кассету до 4 часов. Для архивов необходимо использовать особую пленку, которая будет стоить в 2 раза дороже. Видеокамеры формата VHS отличаются большими габаритами и высоким энергопотреблением (более 12 Вт). Съемка ведется с плеча. Кассеты можно воспроизводить на обычном видеомагнитофоне, что уменьшает износ видеоголовок камеры.
VHS-C. Разновидность предыдущего формата для компактных видеокамер, отличающаяся уменьшенным размером кассеты. Характеристики изображения и звука низкие, как и у VHS, но стоимость минуты записи высокая, примерно в 8 раз выше VHS. Длительность записи на одну кассету — 45 минут, пленка допускает архивирование. Энергопотребление малое или среднее (4-8 Вт). Возможно воспроизведение записей на обычном видеомагнитофоне с помощью специального адаптера для кассеты.
S-VHS (Super Video Home System). Он использовал такие же по размеру кассеты, как и VHS, но с лучшим магнитным слоем пленки. Улучшенный стандарт записи на кассету с магнитной лентой шириной 12,6мм. Разрешение по горизонтали — 400-420 линии. Звук стереофонический, записывается наклонно-строчным способом вращающейся головкой, качество звука высокое. Есть и продольная звуковая дорожка. В этом формате используется специальная видеопленка, допускающая архивирование. Длительность записи па одну кассету до 4 часов, стоимость минуты записи невысокая (в 3 раза выше VHS). Воспроизведение на VHS-видеомагнитофоне невозможно, для этого стандарта предназначены S-VHS-видеомагнитофоны. Видеокамеры S-VHS имеют большие габариты, плечевого исполнения, энергопотребление высокое (больше 10 Вт). Кассеты можно воспроизводить на магнитофонах S-VHS.
S-VHS-C. Модификация S-VHS для малогабаритных видеокамер (используется компактная кассета). Характеристики аудио- и видеотрактов такие же, как и в стандарте S-VHS.
Video-8. Формат разрабатывался специально для компактных видеокамер. Запись ведется на малогабаритную кассету с 8-миллиметровой пленкой. Разрешение и никое — 240-250 линий по горизонтали, для модификации Vitleo-8XR разрешение среднее— 280 линий. Звук стереофонический, высокого качества, записывается вращающимися видеоголовками в начале каждой дорожки после служебной информации (применяется импульсно-кодовая модуляция). Вращающаяся стирающая головка позволяет делать бесшумные вставки. Длительность записи на одну кассету— 90 минут, стоимость одной минуты невысокая (в 4 раза выше VHS). Видеомагнитофоны формата Vidcor8 дороги.
Hi8.Улучшенный стандарт формата Video-8. Разрешение по горизонтали хорошее — 380-420 линий, для модификации H18XR —420. Звук высококачественный, стереофонический. Длительность записи на одну кассету — 90 минут, стоимость одной минуты средняя (в 6 раз выше VHS). Видеомагнитофоны формата Hi8 очень дорогие (дороже видеокамер).
Digital-VHS.Видеомагнитофоны этого формата записывают видео па обычную кассету VHS с оцифровкой и сжатием по стандарту MPEG-2. Цифровой способ записи не дает потерь качества при копировании и хранении информации. Длительность записи зависит от заданного разрешения (степени сжатия информации) и может достигать при качестве VHS десятков часов. На Digital-VHS-видеомагнитофонах можно воспроизводить кассеты формата (S) VHS, то есть пользоваться обширными старыми архивамп.
Betacam SP (Superior Performance) является вторым поколением формата Betacam, разработанного фирмой Sony. Этот формат стал достаточно популярным в области промышленного и конечного телевещания, поскольку он использует форму компонентного видеосигнала на 1/2" пленке. Betacam SP может использовать как стандартные металлооксидные пленки, так и пленки с "металлическим" покрытием, что улучшает качество изображения.
Цифровые форматы отличаются высокими характеристиками изображения и звука. Нет необходимости преобразовывать в аналоговый вид сигналы с матрицы чувствительного элемента. Не бывает потерь при перезаписи. Встречаются форматы Mini-DV, Digitals и DVD для 3,5-дюймовых видеодисков.
Mini-DV. Запись осуществляется па кассету размером 66 х 48 х 12 мм: с пленкой шириной 6,35 мм. Время записи на одну кассету — 60 минут (для LP — 90 минут). Стоимость минуты самая высокая, в 20 раз дороже VMS.
Digital 8. Запись осуществляется на кассету формата 1118 или Vidco-8 (при воспроизведении на той же камере), но с увеличенной в 1,5 раза скоростью. Время записи на одну кассету — 60 минут.