Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

Главное преимущество DVD-дисков по сравнению сCD – существенно более высокая информационная емкость, обеспечивается большей поверхностной плотностью пит. Достичь такого показателя позволили новые технологические решения, среди которых в первую очередь стоит отметить следующие:

§двухкратное уменьшение геометрических размеров пит;

§более чем двухкратное уменьшение шага спирали между соседними дорожками пит;

§применение лазерного луча с меньшей длиной волны;

§использование более эффективных схем модуляции цифровых данных и улучшенной схемы коррекции ошибок, позволяющих на порядок повысить надежность считывания данных, несмотря на

более высокую плотность их записи.

Еще одно важное отличие DVD-дисков заключается в том, что они всегда двухсторонние. Два отдельных диска(толщина каждого со-

авторая является пустой.

Скаждой стороны может быть не один, а два рабочих информационных слоя: первый – «основной» – выполняется по стандартной технологии создания пит (прессования или выжигания) и напыления отражающего слоя, а второй – полупрозрачный (коэффициент отражения 40%) – наносится поверх первого.

Для считывания двухслойных дисков применяются сложные оптические головки с переменным фокусным расстоянием. Луч лазера, проходя через полупрозрачный слой, сначала фокусируется на внутреннем информационном слое, а после завершения его чтения– на внешнем. Типы DVD-дисков емкостью от 4,7 до 17 Гбайт приведены ниже. Цифра, содержащаяся в названии их типа, соответствует округленному значению емкости.

Пропорционально емкости возрастает допустимая длительность

видеофильма, который может быть размещен на диске: для DVD-5 и каждой стороны DVD-10 – 133 мин, для DVD-9 и каждой стороны DVD-18 – 240 мин. В настоящее время наибольшее распространение получили DVD-5 и DVD-10.

DVD-Video как DVD-ROM. DVD-ROM – это фабрично изготовленный DVD-диск, предназначенный только для чтения (ROM – сокращение от Read Only Memory). Такие диски предполагают массовое тиражирование, что, несмотря на сложность технологии, позволяет существенно снизить себестоимость одного диска. На них можно серийно воспроизвести самую различную информацию, поэтому DVD-ROM может быть DVD-Video, DVD-Audio или компьютерным диском, содержащим, например, мультимедийные приложения. Все типы дисков

(DVD-Video, DVD-ROM, DVD-Audio) содержат цифровые данные

в файлах, причем файловая система для всех дисков общая. Но DVDVideo и DVD-Audio содержат данные в особых директориях, которые не могут быть пустыми – VIDEO_TS и AUDIO_TS. У обычных DVDROM эти директории отсутствуют. Поэтому, говоря о DVD-ROM, часто подразумевают диск с компьютерными данными, а современные компьютеры сегодня нередко оснащаются DVD-ROM-приводами, хотя это дополнение пока не очень популярно(напомним, что для того чтобы проиграть DVD-фильм на компьютере, кроме привода необходим еще и декодер MPEG-2).

Все данные на дискахDVD-Video подразделяются на две взаимосвязанные категории: навигационные, или управляющие (Control Data), и воспроизводимые объекты (Object or Presentation Data). Нави-

гационные данные служат указателями(адресами) на соответствующие объекты, подобным образом соотносятся таблица FAT (File Allocation Table) компьютерной операционной системы и файлы с данными. Объекты воспроизведения в свою очередь делятся на видео, аудио и графику. Таким образом, DVD-Video диск содержит данные четырех типов.

Компрессия видео. Несложно подсчитать, что при объеме данных 4,7 Гбайт длительность воспроизведения 133 мин определяет среднее значение потока данных, равным 4,7 Мбит/с. При этом максимальный поток данных(включая видео, аудио + субтитры + меню) ограничивается 9,8 Мбит/с (а с учетом контрольной информации– 10,08 Мбит/с). Очевидно, что на долю видео приходится основная часть данных в потоке, и она существенно зависит от числа звуковых

каналов. Но в любом случае для передачи видео остается около 4 Мбит/с, поэтому для обеспечения его высокого качества требуется эффективный алгоритм сжатия. Для DVD-Video выбрана компрессия

в формате MPEG-2 по схеме 420 MP@ML со структурой GOP 15/3. ML означает основной уровень(Main Level), т.е. стандартное телевизионное разрешение кадра 720x576. MP – это основной профиль (Main Profile), который предполагает временную компенсацию движения между смежными кадрами и наличие опорныхI-изображений (Intra), P-изображений с предсказанием вперед(P – Predictive) и B-изобра-

жений с предсказанием как вперед, так и назад(Bi-directional). Вся временная последовательность изображений разбивается на группы GOP (Group Of Pictures). Каждая GOP обязательно начинается с I-кадра и с определенной периодичностью содержитP-кадры. Ее структуру описывают как M/ N, где M – общее число кадров в группе (расстояние между I-кадрами), а N – интервал между P-кадрами. Так, типичная для Video-CD и DVD IPB группа 15/3 имеет следующий вид: IBBPBBPBBPBBPBB. Здесь каждый B-кадр восстанавливается по окружающим его P-кадрам (в начале и конце группы – по I и Р), а в свою очередь каждый Р-кадр – по предыдущему Р-кадру (или I). В то же время I-кадры самодостаточны и могут быть восстановлены независимо от других, но являются опорными для всехP- и тем более B-кадров группы. Наконец, цифры 420 характеризуют цветовое разрешение и определяют, что цветоразностные U- и V-сигналы по сравнению с яркостью Y представлены в 2 раза реже как по вертикали, так и по горизонтали. MPEG-2 действительно обеспечивает весьма эффективное сжатие, так что при среднем потоке всего около4 Мбит/с (в пике – до 10) результирующее качество видео оказывается сравнимым со студийным.

Компрессия звука. DVD-диски могут нести до восьми цифровых потоков аудио (вариантов звукового сопровождения на разных языках). Каждый из них в свою очередь может содержать от двух (стерео) до шести (или даже восьми) каналов. В последнем случае реализуется концепция объемного звучания5.1 (или 7.1), при которой звук поступает к слушателю с пяти (или семи) сторон:

§из центра спереди,

§слева и справа спереди,

§слева и справа по бокам(только для варианта 7.1),

§слева и справа сзади.

Влюбом варианте присутствует низкочастотный канал, который называют сабвуфером (sub-woofer). В DVD-проигрывателях, не оснащенных декодером объемного звука, «лишние» каналы смешиваются до стандартного стерео.

DVD-стандарт допускает следующие кодировки цифрового звука: LPCM, Dolby Digital, MPEG-1 и MPEG-2, DTS. LPCM (Linear Pulse Code Modulation линейная импульсно-кодовая модуляция) – единственный некомпрессированный цифровой формат. Он подобен тому, что используется в аудио CD, но обеспечивает более качественный звук за счет увеличенных частоты дискретизации и глубины квантования. Если аудио CD – это стерео на 44,1 кГц при 16 бит, то LPCM – это от одного до восьми звуковых каналов с частотой дискретизации48 или 96 кГц и глубиной оцифровки 16, 20 или 24 бит. При этом полоса частот для 48 кГц составляет 4…24 000 Гц, а для 96 кГц – 4…48 000 Гц, а динамический диапазон записи – 96дБ при 16 битах и более 120 дБ

354 Глава 10. Аудио- и видеозапись

при 20-битном звуке. Платой за такое высокое качество является слишком большой поток данных, требуемый для передачи звука. Максимальный цифровой поток данных приLPCM составляет 6,144 Мбит/с, а значит, на долю видео остается недопустимо мало. Поэтому некомпрессированный звук используется только в стандарте DVD-Audio, а для DVD-Video, как правило, применяются различные схемы сжатия.

Система Dolby Digital, известная также как AC-3 (Audio Coding 3),

обеспечивает звук по схеме5.1: пять полноценных каналов в диапазоне 20…20 000 Гц и еще один низкочастотный канал в диапазоне 20…120 Гц. Для компрессии звука используется разработанный в ла-

боратории Dolby специальный алгоритм (Multichannel Perceptual Coding), учитывающий особенности человеческого слуха(он пренебрегает неслышимыми или плохо различаемыми человеческим ухом звуками). При этом происходит определенная потеря данных, зато в результате на шесть каналов звука приходится меньшая доля в потоке данных, чем на два исходных некомпрессированных канала. Для полного варианта 5.1 требуется 348 кбит/с.

MPEG-компрессия звука также связана с потерей данных, каки следствие, с определенным ухудшением качества по сравнению с исходным. Различают MPEG-1 и MPEG-2 форматы. Более простой MPEG-1, предназначенный только для моноили стереозвучания с постоянным потоком данных (CBR – Constant Bit Rate), характеризу-

ограничивается потоком данных 128 кбит/с на канал. Layer 3, известный также как MP3 формат, обеспечивает максимум качества звука при минимальном объеме – до 64 кбит/с на канал. Это определило его популярность в Интернет-приложениях, однако для DVD основное значение имеет формат MPEG-2. Он может быть многоканальным, обеспечивая объемный звук по схеме5.1 или 7.1, с переменным или постоянным суммарным потоком данных от 32 до 914 кбит/с. В MPEG-2 фиксированная частота оцифровки – 48 кГц. Важно отметить, что для стереозвука кодирование в MPEG-1 и MPEG-2 идентично. В первоначальной формулировке стандарта DVD система MPEG-2 5.1 была оп-

ределена в качестве основной для записи звука на видеодиски PAL/SECAM (т.е. для Европы). Однако впоследствии из-за отсутствия серийно выпускаемых дешевых кодеров–декодеров многоканального звука MPEG-2 это требование было снято. И сегодня основным звуко-

вым форматом для DVD-Video является Dolby Digital.

Разработанный в США метод DTS (Digital Theater System) является альтернативой Dolby Digital. Он во многом схож сAC-3 (те же методы компрессии и те же алгоритмы кодирования, частота дискретизации

танный для записи звуковых дорожек к кинофильмам для современных кинотеатров, стал довольно популярным. По мнению американских специалистов, он обеспечивает лучшее воспроизведение пространственных звуковых эффектов, но при этом требует в4 раза больше данных. Отметим, что большинство современных DVD-проиг- рывателей уже поддерживают как AC-3, так и DTS.

Субтитры, графика и навигация. В состав DVD-Video кроме ди-

намически меняющегося основного видео могут входить фиксированные изображения (кадры) с различной информацией, требующей внимательного просмотра (чтения), например, страницы со сведениями об авторских правах, предупреждениями против несанкционированного копирования, слайд-шоу из включенных в содержание фотографий или сложные меню. С целью экономии дискового пространства они хранятся на диске не в виде последовательностей, а как отдельные I-кадры.

В DVD-Video присутствуют и особые графические субизображения (произвольного размера – от нескольких пикселей до полного кадра 720х 576), состоящие всего из четырех цветов(три + прозрачный). Они используются для отображения поверх видео субтитров, кнопок меню, другой дополнительной графической или текстовой информации. Поскольку стандартом для любого фильма допускается до32 вариантов субтитров на различных языках(и это в дополнение к восьми вариантам звукового сопровождения), то сохранение на диске субтитров в виде самодостаточных готовых графических файлов, а не специфических кодов букв различных алфавитов, представляется более гибким и надежным решением. Возможность выбора одного из

трех цветов отображения позволяет добиваться читаемоститек ста/графики на любом фоне.

Фильм на DVD-диске превосходит его VHS-копию не только по качеству звука и видео. Не менее привлекательны возможность произвольного доступа к любой части записанного фильма и интерактивное управление различными функциями его просмотра. Иерархическая структура построения DVD-Video является многоуровневой и многослойной. Все содержимое диска делится на различные главы(Titlesнаименования, фильмы, альбомы) – их может быть до99. Главы в свою очередь состоят из разделов(Chapters – сцен, клипов, программ) – максимальное их число тоже99. Переход на любую из частей диска может выполняться мгновенно. Каждая глава допускает несколько различных версий развития, связанных, например, с выбором угла наблюдения (камеры), варианта финала, установкой ограничений показа некоторых сцен(родительская защита). Функция ограничение просмотра детьми – как правило, реализована во всех проиг-

рывателях. Разные фильмы имеют разные ограничения по возрасту и соответствующую маркировку:

G – фильм могут смотреть зрители любых возрастов;

PG – желательно смотреть фильм в присутствии родителей;

PG-13 – некоторые эпизоды не предназначены для просмотра детьми до 13 лет;

PG-R – просмотр ограничен возрастом до17 лет, рекомендовано присутствие родителей при просмотре;

NC-17 – фильм содержит сцены, которые не должны смотреть зрители до 17 лет.

Зритель через экранное меню с помощью дистанционного пульта может выбирать язык для звукового сопровождения и субтитров, угол камеры или даже возможное развитие сюжета, вызывать дополнительную видео и графическую информацию (биографии актеров, подробности съемки и т.д.). Хотя все эти возможности и предусмотрены стандартом, то, насколько они реализуются, зависит от конкретного производителя, и очень часто на DVDдиске размещают только одну главу (например, один фильм).

Защита от копирования. Для защиты авторских прав и предотвращения несанкционированного распространения DVD-дисков стандартом предусмотрено специальное региональное кодирование как самих дисков, так и проигрывателей для них. Для этого весь мир условно поделен на 6 регионов, каждому из которых присваивается соответствующий код:

1 – США и Канада; 2 – Европа, Япония, ЮАР, Ближний Восток;

3 – Юго-Восточная и Восточная Азия, включая Тайвань и Гонконг; 4 – Центральная и Южная Америка, Карибские острова, Австралия

и Новая Зеландия; 5 – Территория бывшего Советского Союза, Африка, Индийский полу-

остров (Индия, Пакистан), Монголия и Северная Корея; 6 – Китай.

Для каждого из регионов выпускаются свои, предназначенные только для него, версии DVD-дисков и соответственно проигрывателей. Только при совпадении кодов проигрыватель будет воспроизводить установленный в него диск. В нашей стране сложилась весьма странная ситуация: Россия (вместе с Африкой, Индией и Пакистаном) попала в пятую зону, хотя в основном у нас продаются диски из Европы (вторая зона) или Америки (первая зона). Впрочем, и DVD-проиг- рыватели, предлагаемые у нас, предназначены, в основном, для второй зоны. Что касается российских DVD-дисков, то их ассортимент пока очень мал, но зато их выпускают в мультизонном варианте(их можно воспроизвести на любом DVD-плеере). Сейчас на рынке широко представлены и мультизонные проигрыватели.

Защита от копирования (только аудио и видео) сочетает как цифровые, так и аналоговые методы. Цифровая защита основана на кодировании исходных данных с заданными ключами, которые, в свою очередь, в зашифрованной форме записаны на сам диск. Декодер (плеер) расшифровывает ключи и по ним восстанавливает исходные данные. Для дисков разных типов применяются свои схемы кодиро-

вания. В DVD-Video используется метод CSS (Content Scrambling System), в DVD-Audio – CPPM (Content Protection for Pre-Recorded Media), в записываемых дисках – CPRM (Content Protection for Recordable Media). CSS-защита требует лицензирования: каждому из лицензиатов «выдается» фиксированный ключ из мастер-набора, содержащего 400 различных ключей. Именно этот ключ записывается на каждыйCSSзащищенный диск (по ключу можно определить правообладателя).

Аналоговая защита APS (Analogue Protection System) основана на технологии фирмы Macrovision, заключающейся в том, что волновой фронт аналогового сигнала на выходе проигрывателя подвергается особому роду искажений(в состав видеосигнала вводятся особые импульсы), которые не мешают смотреть программы на экранах -те левизоров, но делают невозможной их запись– блокируется работа схемы АРУ видеомагнитофона. Таким образом, хотя исходная картинка остается «идеальной», запись на VHS-ленту видеомагнитофона идет с помехами, так что последующее воспроизведение полученной копии теряет смысл. Правда, APS работает только по композитному выходу, а если получать сигнал через выходыRGB или YUV, он пойдет без искажений. Впрочем, в настоящее время ведется работа по защите от копирования и через «профессиональные» выходы.

Продолжая тему эффективности методов защиты от копирования, интересно отметить, что студентами Массачусетского технологического института была написана простая программа из семи строк -ко да, которая снимает цифровую scramble-защиту. Правда, сами разработчики подчеркивают, что она настолько загружает вычислительные мощности компьютера, что смотреть фильм уже практически нельзя, так как даже с процессором мощностью 1 ГГц он идет рывками.

Наконец, стоит упомянуть, что сейчас завершается разработка специальной системы «водяных» знаков – скрытых от просмотра идентификаторов, позволяющих по копии проверить и установить исходный источник и истинного владельца.

Отображение широкоформатного видео. Классическое соотно-

шение сторон телевизионного экрана равно4:3, и именно в таком формате раньше снималось большинство видеофильмов. Но в настоящее время более комфортным признано другое соотношение– 16:9 (а в Америке – даже 25:16), так что современные телевизионные и видеопрограммы уже производятся под такой более широкий формат. Однако парк старых телевизоров столь велик, что задача пра-

вильного отображения видео16:9 на экране 4:3 весьма актуальна. Существует несколько возможных вариантов ее решения. Первый из них связан с заполнением всего экрана по вертикали и обрезанием части изображения по горизонтали слева, справа или симметрично с обоих краев (вариант Pan and Scan). Второй основан на сохранении изображения по всей ширине, что при соблюдении геометрических пропорций приводит к появлению сверху и снизу горизонтальных черных полос (вариант Letterbox). Наконец, возможен и третий вариант (Anamorphic) – заполнение всего экрана при нарушении геометрических пропорций. Стандартом предусмотрена возможность самостоятельного выбора зрителем любого из этих вариантов.

Файловая система DVD-Video. Как уже отмечалось, для дисков всех типов (DVD-ROM, DVD-Video, DVD-Audio) используется общая файловая система, названная UDF Bridge Format. Она является ком-

бинацией Micro-UDF и ISO 9660. UDF (Universal Disk Format) – это файловая система, разработанная ассоциацией OSTA (Optical Storage Technology Association) на базе стандарта ISO 13346. Она явля-

ется очень гибким, многоплатформенным стандартом, используемым, в частности, в магнитооптических накопителях иDVD. ISO 9660 – стандарт файловой системы дляCD-ROM в РС-приложениях. Он включен в UDF Bridge для обеспечения совместимости с существующим программным обеспечением.

Принципиальная файловая структура диска является следующей. На самом верхнем уровне DVD-диск – это том (Volume), содержащий файлы данных различного типа(в рамках UDF Bridge Format системы). Том делится на зоны видео(директория Video_TS), аудио (директория Audio_TS) и зону данных остальных типов например( , компьютерных данных общего назначения, обычно составляющих основное содержимое DVD-ROM). Видеозона содержит все цифровые данные, необходимые и достаточные для воспроизведения записанного DVD-Video. Все файлы DVD-Video диска находятся в директории VIDEO_TS. Согласно ограничениям формата Micro-UDF, их размер не может быть более 1 Гбайта и они должны быть записаны в виде непрерывной последовательности. Имена файлов удовлетворяют правилу 8.3 (8 символов – название файла, 3 – его расширение). Все другие файлы, не соответствующие данным правилам, DVD-плеером просто игнорируются.

Видеозона состоит из видеоменеджераVMG (Video Manager) и на-

бора глав VTS (Video Title Set): VTS_01, VTS_02, …, VTS_N, где N Ô 99.

Видеоменеджер является мастер-директорией последующего содержимого DVD-Video и фактически представляет собой базовое оглавление диска. Для зрителя он обеспечивает воспроизведение вводного клипа (короткая аудио-видео последовательность, например, логотип компании производителя) и меню для выбора одной из последующих

Рис. 10.17. Структурная схема файловой структуры DVD-диска

глав. На языке файлов VMG состоит из управляющих данных (файлы

Video_TS.IFO & Video_TS.BUP) и меню (Video_TS.VOB). Отметим, что на пульте управления DVD-плеером есть особая кнопка Title, нажатие которой всегда возвращает зрителя именно к этому исходному меню.

Каждая глава в свою очередь состоит из меню-оглавления по разделам (навигационные файлы VTS_01_0.IFO & VTS_01_0.BUP и файл меню VTS_01_0.VOB) и набора файловVOB с содержимым главы

(VTS_01_1.VOB, VTS_01_2.VOB, …, VTS_01_n.VOB, где n Ô 9). Всего в главе может быть до10 файлов VOB, а их максимальный размер – 1 Гбайт.

Базовой единицей файловой системы диска являются файлы VOB (Video Object). Они включают в себя не только видео и аудио, н вспомогательные субизображения и данные по навигации. VOBфайлы используются для записи основного содержания соответствующей главы. Кроме того, VOB-файлы могут входить в состав меню главы, если оно кроме статичных картинок включает вводные видеоклипы по последующим разделам. При проигрывании VOB-файла плеер не только воспроизводит аудио-видео содержание, но и подчиняется заложенным в нем инструкциям по отображению меню, по переходам на пункты программы в соответствии с выбором зрителя(по командам с пульта управления).

Каждый VOB-файл построен из ячеек(Cells) – самых мелких единиц DVD, к которым можно адресоваться при интерактивном -про смотре. Они состоят из целого числа групп изображений(MPEG GOP). Минимальная длина ячейки совпадает сMPEG GOP, но ее можно задать и равной всей главе(в этом случае разбиение на разделы уже не имеет смысла). Ячейки связаны друг с другом навигационными цепочками PGC (Program Chains), определяющими порядок

воспроизведения ячеек (переходов между ними) в соответствии с выбранной программой. Очередность взаимосвязанного показа сцен задается соответствующей цепочкой программыPGC. Глава может иметь как одну цепочку(One_Sequental_PGC_Title), так и несколько (Multi_PGC_Title). Одни ячейки одновременно могут быть задействованы в нескольких цепочках, а на другие зритель будет попадать только в особых случаях.

Разработка полноценного проекта DVD-Video, в котором задействованы все возможности, является трудоемкой творческой задачей, требующей тщательной проработки всех деталей. Программные пакеты, позволяющие реализовывать любые творческие задумки и создавать полноценный образ диска, который соответствует спецификации стандарта, весьма сложны и дорогостоящи. Цена подобных профессиональных программ для DVD-авторинга измеряется тысячами и десятками тысяч долларов. Но уже появились разнообразные облегченные и упрощенные версии таких программ(Impression DVD-SE, Sonic DVDit! LE, Spruce MyDVD, PixelTools SimpleDVD, Ulead GoDVD и

др.) стоимостью всего несколько сотен долларов(а некоторые из них условно бесплатны, поскольку входят в комплект поставки плат нелинейного монтажа). Конечно, такие версии ограничивают пользователя минимальным набором функций: только один вариант языка, статичные меню, только стереозвук, упрощенная структура глав. Эти программы ориентированы на непрофессионалов, сравнительно просты

восвоении и помогают справиться со сложной задачей построения необходимых связей и создания образаDVD. Только сделав это, можно приступать к финальному этапу – записи созданного образа

вформате UDF на DVD-диск.

Контрольные вопросы

1.Перечислите основные достоинства и недостатки магнитной записи электрических сигналов.

2.Поясните принцип работы устройства магнитной записи электрических сигналов.

3.Нарисуйте обобщенную структурную схему устройства магнитной записи электрических сигналов.

4.Дайте общую характеристику АЧХ магнитофона.

5.С какой целью при магнитной видеозаписи используется ЧМ?

6.Поясните основные способы магнитной записи ТВ сигналов.

7.Назовите основные преимущества наклонно-строчной видеозаписи.

8.Перечислите основные форматы наклонно-строчной видеозаписи и дайте их общую характеристику.

9.Нарисуйте обобщенную функциональную схему бытового магнитофона.

10.Поясните особенности цифровой магнитной записи ТВ сигналов.