Видеомагнитофоны и видеоплееры
История видео насчитывает чуть больше 60 лет. За время применения видеозапись перешагнула черту исключительно профессионального использования, получив широкое распространение и бытовое воплощение. Возможности и преимущества, которые предоставили начинающим режиссерам цифровые технологии, позволяют говорить о настоящей революции в области видеосъемки.
Тем не менее «старые» аналоговые форматы бытового видео, в силу различных причин (широкая распространенность, определенная консервативность пользователей), по-прежнему продолжают успешно уживаться со своими цифровыми конкурентами, поэтому их рассмотрение не может не представлять интереса.
Видеомагнитофон и видеоплеер
Наибольшее распространение получили видеомагнитофоны формата VHS. На заре развития бытовой видеотехники цена первых видеомагнитофонов была достаточно высока. В результате на рынке появился «усеченный» вариант видеомагнитофона – 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, видеоплеер был более доступным по цене устройством.
Позднее появились «пишущие» видеоплееры. Они имеют записывающий тракт, но, в отличие от видеомагнитофона, не имеют тюнера – устройства, преобразующего высокочастотные, получаемые с антенны радиосигналы в низкочастотные, пригодные для записи сигналы звука и изображения.
Для записи эфирных телепрограмм с помощью пишущего видеоплеера используется тюнер телевизора. Низкочастотный видеосигнал снимается с разъемов настроенного на записываемую программу телевизора и по кабелю подается на пишущий видеоплеер. Недостатком такой схемы является необходимость использования телевизора в процессе записи.
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. Рассмотрим разновидности существующих форматов магнитной видеозаписи.
VHS. Наиболее распространенным сегодня в бытовой видеозаписи остается форматVHS(Video Home System), разработанный в 1975 г. За время своего существования он претерпел значительные изменения и существует в настоящее время в нескольких модификациях.
В видеомагнитофоне используется магнитная лента шириной 12,65 мм, упакованная в кассету размером 188×104×25 мм. В зависимости от толщины используемой ленты, возможна запись программ продолжительностью до 300 минут на одну кассету при стандартной скорости ленты (SP–Standard Play).
Первоначально для записи и воспроизведения изображения применялись две видеоголовки, размещенные на вращающемся барабане, расположенном наклонно относительно ленты (рис. 3). В дальнейшем для возможности увеличения времени записи и воспроизведения при меньшей скорости ленты (режим LP – Long Play), а также для улучшения качества воспроизводимой картинки в режимах замедленного, ускоренного и покадрового воспроизведения стали использовать четыре видеоголовки.
Рис. 3. Фрагмент ленточно-протяжного механизма магнитофона VHS
Запись звука осуществляется на продольной дорожке, расположенной по верхнему краю видеоленты, с помощью неподвижной головки. Позднее для записи стереозвука начали применять блок из двух головок. Так как линейная скорость движения ленты составляет всего 2,399 см/с (для сравнения: скорость движения ленты в режимах записи-воспроизведения кассетного магнитофона – 4,76 см/с), был ограничен и диапазон записываемых звуковых частот. В первых моделях видеомагнитофонов он составлял 70–8000 Гц. В дальнейшем с улучшением качества лент и применением более совершенных головок этот диапазон удалось расширить до 40–13000 Гц.
По нижнему краю видеоленты записываются управляющие сигналы, синхронизирующие вращение барабана при воспроизведении таким образом, чтобы головки точно попадали на дорожки записи. За счет вращения видеоголовок относительная скорость видеозаписи составляет 4,84 м/с. Это позволило записывать и воспроизводить видеосигналы с разрешающей способностью около 240 линий по горизонтали. Формат VHS позволяет записывать и воспроизводить сигналы всех трех основных систем цветного телевидения PAL, SECAM и NTSC.
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. Ухудшение качества видео еще в большей степени проявлялось при нескольких перезаписях с видеомагнитофона на видеомагнитофон. Для улучшения качества VHS видеофирмой JVC была разработана технологияHQ(High Quality Picture Technology), полностью совместимая с обычной VHS. По этой технологии перед записью на ленту производится коррекция видеосигнала, повышающая четкость воспроизводимого изображения. Эта и другие технологии, повышающие качество записи видеосигналов, позволили в настоящее время получать качество записи даже на недорогих VHS-магнитофонах, сравнимое с качеством эфирных программ.
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 названиеHi-Fi VHS(High Fidelity VHS), которая позволила качественно улучшить параметры звукового канала. Запись звука теперь осуществлялась не только неподвижными головками, но и двумя вращающимися головками, расположенными на барабане вместе с видеоголовками. Звуковые сигналы подаются на вращающиеся видеоголовки не напрямую, а в виде частотно-модулированных колебаний, с определенной несущей частотой для каждого стереоканала (1,4 и 1,8 МГц). Видеосигнал записывается поверх аудиосигнала, но так как более низкочастотные аудиосигналы записываются на большую глубину магнитного слоя ленты, при воспроизведении имеется возможность разделить записанные на общих наклонных строчках видео- и аудиосигналы. При воспроизведении с помощью частотного детектора выделяются первичные аудиосигналы. Такой метод записи позволил получить диапазон звуковых частот не менее 20–20 000 Гц при отношении сигнал/шум около 80 дБ и коэффициенте нелинейных искажений менее 0,3 %, что соответствует параметрам высококачественных звуковых кассетных магнитофонов. Подобная система записи звука была применена и в усовершенствованном формате Super VHS.
Super VHS. Для дальнейшего улучшения качества записи видеосигнала был разработан форматSuper VHS(S-VHS) (рис. 4). В этом формате составляющие яркости и цветности обрабатываются раздельно, что уменьшает перекрестную помеху. Расширена полоса частот сигнала цветности. Для формата разработана новая лента, обладающая большей способностью к намагничиванию. Форматы S-VHS и VHS односторонне совместимы. Это означает, что записи формата S-VHS не могут быть воспроизведены на видеомагнитофоне формата VHS, в то же время на формате S-VHS можно воспроизводить как S-VHS, так и VHS-записи.
Рис. 4. Видеомагнитофон формата S-VHSPanasonicHS800, 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 форматD-VHS(Digital VHS) позволяет вести запись цифрового видео максимально возможного качества (поток видеоданных до 14,1 Мбит/с) длительностью до 8 часов в режимеSTD(Standard) или 21 час на скорости в три раза меньшей (LS3) с качеством DVD-видео (4,7 Мбит/с). Данные записываются в том виде, в котором они поступают на вход видеомагнитофона, без восстановления сжатых данных.
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 DivisionMultiplex (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). В видеокассетах серий Betacam SP используется лента шириной полдюйма. Есть два типа кассет: съемочная – длительностью записи до 30 минут и размером 155×95×25 мм; монтажная – длительностью до 90 минут и размером 250×140×25 мм.
DVD-видео и система домашнего кинотеатра
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.
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 CDиDVD(увеличено электронным микроскопом)
Рис. 6. Сравнение физической структуры CD и DVD
В зависимости от вида и назначения различают следующие типы дисков:
– DVD-Video– для записи видеопрограмм в цифровом виде, подвергнутых процедуре сжатия цифрового потока;
– DVD-Audio– для записи высококачественного цифрового звука с параметрами дискретизации 16, 20, 24 бит /48, 96, 192 кГц, без сжатия данных;
– DVD-ROM– для записи компьютерных программ и другой цифровой информации;
– DVD-R– диски с возможностью однократной записи цифровой информации;
– DVD-RAM (DVD-RW) – диски с возможностью многократной перезаписи информации.
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).
Рис. 7. Основные различия одно- и двухслойных DVD-дисков
Кроме высокой емкости и высокого качества воспроизводимых видеопрограмм, DVD-диски обладают большим количеством дополнительных сервисных функций. Приведем лишь две из них, демонстрирующие явные отличия от предыдущих форматов видеозаписи:
– запись звукового сопровождения фильма на восьми языках одновременно с возможностью выбора необходимого языка при воспроизведении при помощи меню на экране;
– запись субтитров на 32 языках с возможностью выбора языка субтитров или их отключения.
Звуковое сопровождение DVD-дисков может быть записано в одной из трех систем цифрового многоканального звука: Dolby Digital,DTSилиMPEG-5.1(MPEG Multichannel) с параметрами 24 бит/96 кГц (диапазон частот 4–48 000 Гц при динамическом диапазоне более 120 дБ). Видеопроигрыватели DVD позволяют также воспроизводить аудио-компакт-диски с параметрами дискретизации 16 бит/48 кГц (диапазон частот 4–24 000 Гц при динамическом диапазоне 96 дБ). Для записи высококачественных звуковых программ на дисках DVD-Audio предусмотрен режим 24 бит/192 кГц (диапазон частот 4–96 000 Гц при динамическом диапазоне более 120 дБ).
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.
Кроме регионального кодирования, формат DVD-дисков имеет еще одну особенность – наличие нескольких систем защиты от несанкционированного копирования. Основные из них – это CSS, Macrovision, CGMS/AиCGMS/D. Необходимость активизации той или иной системы защиты определяется при записи диска.
Система шифрования CSS (Content Scrambling System) используется для защиты при попытках перезаписи с помощью записывающих приводов DVD или, например, на жесткий диск компьютера. Содержание диска кодируется, и доступ к нему можно получить лишь с помощью трехкратно зашифрованного ключа. Для предотвращения копирования на компьютере используется взаимная аутентификация воспроизводящего и записывающего устройств. А для предотвращения перехвата и замещения данных после аутентификации привод использует шифрование данных с помощью зависящего от времени ключа.
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.