Лабораторная работа № 10. Основы телевидения и видеотехника. Стандарты видеозаписи (аналоговые и цифровые технологии видеозаписи) Цель работы
Изучить основы аналогового и цифрового способов видеозаписи, принцип действия, устройство и условия применения аналоговой и цифровой видеотехники, получить навыки ее практического применения.
Контрольные вопросы
1 Еще в конце 50-х годов XX в. почти все телепередачи шли в прямом эфире. Существенно облегчить жизнь телеведущим позволило применение студийных видеомагнитофонов, упоминание о которых появилось впервые в 1956 г. Первым производителем серийных видеомагнитофонов стала американская компания АМРЕХ, которую основал русский эмигрант Александр Михайлович Понятов. Как полковник царской армии, он имел право на обращение «Его Превосходительство», или по-английски – Excellence. Аббревиатура из его инициалов и двух первых букв обращения титула и стала названием фирмы.
2 Конструкция механизма видеомагнитофона с поперечно-строчной записью была достаточно сложна. Более простым решением оказалось применение наклонно-строчного способа записи (рис. 1), при котором головки крепились на барабане, ось вращения которого была расположена под определенным углом к продольной оси ленты. Дорожки видеозаписи в этом случае представляли собой отдельные строчки, расположенные под углом к продольной оси ленты.
Рис. 1. Применение БВГ позволяет использовать сравнительно небольшую скорость движения ленты
Следует отметить, что наклонно-строчный способ записи был известен задолго до экспериментов с видеозаписью. Так, еще в 1946 г. советский инженер Александр Федорович Малютин получил авторское свидетельство на изобретение устройства для записи аудиосигналов наклонно-строчным способом.
3 VHS. Наиболее распространенным сегодня в бытовой видеозаписи остается формат VHS (Video Home System), разработанный в 1975 г. За время своего существования он претерпел значительные изменения и существует в настоящее время в нескольких модификациях.
4 Видеоплеер, устройство, позволяющее лишь воспроизводить готовые видеозаписи. Выполненный на базе видеомагнитофона, но лишенный тракта записи, возможности принимать программы эфирного телевидения и чаще всего блока индикации режимов работы
Видеомагнитофон позволяет записывать программы с внешней антенны, без использования телевизора, в том числе и в автоматическом режиме, по запрограммированному вами таймеру. Видеотехника формата VHS за время своего развития претерпевала различные усовершенствования.
5 VHS. Наиболее распространенным сегодня в бытовой видеозаписи остается формат VHS (Video Home System), разработанный в 1975 г. За время своего существования он претерпел значительные изменения и существует в настоящее время в нескольких модификациях.
VHS-HQ. Формат VHS в первоначальном своем варианте обеспечивал качество изображения по современным меркам далекое от совершенства. При сопоставлении качества принимаемой из эфира телепрограммы и изображения, воспроизводимого с VHS-магнитофона, сравнение было явно не в пользу последнего.
Hi-Fi VHS. Ограниченные параметры звукового тракта формата VHS, записываемого и воспроизводимого с помощью неподвижных головок, не могли удовлетворить запросы потребителя. Поэтому была разработана разновидность формата, получившая название Hi-Fi VHS (High Fidelity VHS), которая позволила качественно улучшить параметры звукового канала.
Super VHS. Для дальнейшего улучшения качества записи видеосигнала был разработан формат Super VHS (S-VHS) (рис. 4). В этом формате составляющие яркости и цветности обрабатываются раздельно, что уменьшает перекрестную помеху. Расширена полоса частот сигнала цветности.
Рис. 4. Видеомагнитофон формата S-VHS Panasonic HS800, оснащенный монтажными функциями
D-VHS. Последние десятилетия в области бытовой электронной техники проходят под знаком цифровых технологий. Коснулось это и записи изображений. Новый, полностью цифровой формат D-VHS (Digital VHS) позволяет вести запись цифрового видео максимально возможного качества (поток видеоданных до 14,1 Мбит/с) длительностью до 8 часов в режиме STD (Standard) или 21 час на скорости в три раза меньшей (LS3) с качеством DVD-видео (4,7 Мбит/с).
Betacam. Главным недостатком VHS было малое число строк и, как следствие, невысокое качество изображения. Этот факт создал предпосылки для появления более совершенного стандарта. Им стал Betacam, представленный фирмой Sony в 1980 г. и обеспечивающий отличное разрешение в 500 телевизионных линий, достигнутое как с помощью специально разработанного способа записи видеосигнала Time Division Multiplex (или CTDM), так и более широкой по сравнению с VHS полосой сигнала (5 МГц). Звук в Betacam записывается на две продольные дорожки, расположенные в верхней части видеоленты, каждая из которых шириной по 0,6 мм; в нижней части ленты – дорожки управления и адресно-временного кода (так называемого продольного тайм-кода, или LTC).
6 Цифровые технологии обработки информации привели к появлению новых цифровых форматов видеозаписи, основанных на универсальности цифровой платформы новых оптических носителей CD и DVD,– Video CD, Super Video CD, Video DVD и т.д.
Одним из самых качественных на сегодняшний день источников видеопрограмм являются DVD-проигрыватели (DVD-плееры). Стандартом на DVD-video предусматривается запись на диск в цифровом виде сигналов цветного телевидения систем PAL и NTSC (10 бит/27 МГц) и сигналов звука (16, 20, 24 бит/48, 96, 192 кГц). Разрешающая способность цветного изображения, записанного на DVD-диске, составляет 720×572 точек. Для сравнения: в форматах видеозаписи VHS и Video CD разрешение по горизонтали составляет 240 линий. Для уменьшения объема записываемых данных сигнал изображения и звуковое сопровождение перед записью на диск «сжимается» по стандарту MPEG-2.
7 DVD-проигрыватель выступает в качестве источника высококачественного звука и изображения для построения систем домашнего кинотеатра. Данные в формате DVD записываются на диск, имеющий размеры и близкий по конструкции обычному аудио-компакт-диску (рис. 5, 6). Все разновидности дисков имеют размеры обычного CD-диска (диаметр 12 см, толщина 1,2 мм). В то же время диск DVD может содержать гораздо больший объем цифровой информации – минимум 4,7 Гбайт против 0,65 Гбайт на аудио-компакт-диске. Применение более эффективных схем модуляции цифровых данных и коррекции ошибок позволило почти на порядок повысить надежность считывания данных с DVD-диска по сравнению с CD. В считывающем устройстве используется «красный» лазер с длиной волны излучения 0,650 нм (в CD-проигрывателях – 780 нм). Уменьшение длины волны лазерного луча, а также увеличение апертуры (величины относительного отверстия) оптической системы позволило считывать более мелкие и более плотно расположенные, чем у обычных CD-дисков, питы информации. В отличие от обычных компакт-дисков, DVD-диски могут быть двухсторонними и иметь по два слоя информации на каждой стороне. Двухсторонний двухслойный диск имеет максимальную информационную емкость – 17 Гбайт.
Рис. 5. Сравнение плотности записи CD и DVD (увеличено электронным микроскопом)
Рис. 6. Сравнение физической структуры CD и DVD
8 По конструкции различают четыре типа DVD-дисков (в скобках приведена максимальная емкость записи):
– DVD-5 (Single-sided, single-layer disc) – однослойные односторонние диски. Запись данных только на одной стороне диска в одном слое (4,7 Гбайт);
– DVD-9 (Single-sided, double-layer disc) – односторонние диски, запись на которых осуществляется в двух слоях (8,5 Гбайт). Внутренний слой данных образуется прессованием и напылением отражающего слоя, как в обычном аудио-компакт-диске, внешний полупрозрачный слой наносится поверх внутреннего. Считывание данных с внутреннего или внешнего слоя производится с помощью перефокусировки оптической системы (рис. 7);
– DVD-10 (Double-sided, single-layer disc) – двухсторонний диск с одним информационным слоем (9,4 Гбайт);
– DVD-18 (Double-sided, double-layer disc) – двухсторонний диск с двумя информационными слоями (17 Гбайт).
9 Применение более эффективных схем модуляции цифровых данных и коррекции ошибок позволило почти на порядок повысить надежность считывания данных с DVD-диска по сравнению с CD. В считывающем устройстве используется «красный» лазер с длиной волны излучения 0,650 нм (в CD-проигрывателях – 780 нм). Уменьшение длины волны лазерного луча, а также увеличение апертуры (величины относительного отверстия) оптической системы позволило считывать более мелкие и более плотно расположенные, чем у обычных CD-дисков, питы информации. В отличие от обычных компакт-дисков, DVD-диски могут быть двухсторонними и иметь по два слоя информации на каждой стороне. Двухсторонний двухслойный диск имеет максимальную информационную емкость – 17 Гбайт.
Рис. 7. Основные различия одно- и двухслойных DVD-дисков
10 Для предотвращения несанкционированного распространения DVD-дисков и защиты авторских прав владельцев видеопрограмм стандартом на DVD-Video предусмотрено введение специального регионального кодирования как самих DVD-дисков, так и аппаратуры их воспроизведения. С этой целью весь мир условно поделен на 6 зон, каждой из которых присвоен соответствующий код: 1 – Канада, США; 2 – Европа, Ближний Восток (включая Египет), Южная Африка, Япония; 3 – Восточная и Юго-Восточная Азия (включая Гонконг); 4 – Австралия, Новая Зеландия, острова Океании, Мексика, Центральная и Южная Америка, Карибские острова; 5 – Страны бывшего СССР, Северная Корея, Монголия, Индия, Северная и Центральная Африка (кроме Египта); 6 – Китай.
Для каждой из этих зон выпускаются предназначенные для нее версии DVD-дисков и соответствующие им DVD-проигрыватели. При этом проигрыватели определенного регионального кода могут воспроизводить диски только «своего» региона. Номер зоны обязательно указывается на каждом DVD-диске и каждом DVD-проигрывателе (на задней панели). Эта маркировка имеет вид стилизованного изображения земного шара, внутри которого помещен номер регионального кода. Существует также мультизонный вариант DVD-дисков и проигрывателей. В этом случае на маркировке имеется надпись «ALL» или «1–6». Диски, имеющие такую маркировку, могут быть воспроизведены на проигрывателе любой зоны, а мультизонные проигрыватели могут воспроизвести любой диск.
11 Защита Macrovision определяет возможность перезаписи DVD-диска на аналоговые видеокассеты, например формата VHS. Видеомагнитофон и телевизор абсолютно разные устройства, хотя оба обрабатывают одни и те же видеосигналы. Преобразования видеосигнала для записи на магнитную ленту в видеомагнитофоне и для управления кинескопом, ЖК-экраном или плазменной панелью телевизора существенно различны. Эти различия и использует система защиты, разработанная специалистами фирмы Macrovision. Сигнал цветности DVD-программы изменяется определенным образом, в результате чего телевизор продолжает корректно отображать ее на своем экране, а видеомагнитофон сделает запись, которая при дальнейшем воспроизведении будет тусклой или содержать помехи.
CGMS/A (Copy Generation Management System / Analog). Если защита Macrovision используется для полного исключения копирования на аналоговый носитель, то CGMS/A применяется для ограничения количества копий. В выходной видеосигнал DVD-проигрывателя встраивается информация CGMS/A, определяющая возможное количество копий. Для работы с CGMS/A оборудование, осуществляющее копирование, должно уметь распознавать эту информацию. Эта система защиты имеет приоритет над защитой Macrovision.
CGMS/D (Copy Generation Management System / Digital) – система, выполняющая те же функции, что и предыдущая, но для случая копирования цифровым способом. Данные получают стандартный CGMS-код «копировать нельзя» или «копировать можно определенное количество раз». Устройства, осуществляющие соединение (DVD-проигрыватель и цифровой телевизор), обмениваются ключами и сертификатами для установления канала. DVD-проигрыватель с помощью ключа шифрует кодированный видеосигнал и посылает его на телевизор, который расшифровывает сигнал с помощью полученного ключа. Таким образом, цифровой телевизор сможет принять и показать все данные. Записывающие же устройства без ограничений смогут принять только те данные, на которых не стоит код «не копировать». В случае получения кода «можно копировать … раз», они обязаны уменьшить количество разрешенных копий на единицу. CGMS/D разработан для использования в следующем поколении цифровых телевизоров и цифровых записывающих устройств, оснащенных цифровыми входами и выходами.