Rozwiązania techniczne

1. Rozwiązania techniczne

       Zadaniem kamery wideo jest zbieranie z otoczenia informacji wizyjnych i dźwiękowych oraz przetworzenie ich na dane celem zapisu na taśmie magnetycznej bądź innym nośniku danych. Niezależnie od rodzaju nośnika zapisany materiał zawiera ciąg nieruchomych obrazów zwanych klatkami (ang. frames), które odtwarzane w odpowiedniej sekwencji i z odpowiednią prędkością wywołując wrażenie ruchu. Szybkość odtwarzania czyli fps (frames per second – klatki na sekundę) jest różna dla różnych standardów zapisu. Standardy wideo określają jakość transmitowanego obrazu. W chwili obecnej na świecie stosowane są trzy podstawowe standardy analogowego zapisu wideo i przekazu telewizyjnego. W europie i krajach azjatyckich dominuje PAL, o szybkości odtwarzania 25 fps i rozdzielczości pionowej 625 linii . Japonia i USA wykorzystuje NTSC – 29,97 fps, 525 linii. W pozostałej części świata w tym w Rosji, Francji w krajach azjatyckich, Afryce i Środkowym Wschodzie wykorzystywany jest SECAM - również 25 fps, 625 linii. Wszystkie wymienione standardy zostaną w najbliższej przyszłości zastąpione standardami cyfrowymi. Przykładem może być DTV, w którym już dzisiaj nadaje sygnał wiele stacji telewizyjnych w tym polski TVN. W 2006 roku Stany Zjednoczone zapowiadają oficjalne wprowadzenie nowego standardu. DTV łączy w sobie trzy "podstandardy" – SDTV, HDTV 720 i HDTV 1080 a jego obraz tworzy 1125 linii. Celem ich wprowadzenia jest znaczna poprawa jakość odbieranego sygnału [tabela 1.].
 

       Stosunek szerokości obrazu do jego wysokości nosi nazwę proporcji (ang. aspect ratio). Obraz wyświetlany na monitorze komputera i obraz telewizyjny mają proporcje 4:3 (inaczej 1,33:1). DTV oraz klatki na taśmach filmowych charakteryzują się proporcjami 16:9 (1,78:1 lub 1,85:1), [rysunek 4.]. *4

Rysunek 4. Proporcje obrazu.

2. Kodeki w cyfrowym wideo    

        Kodeki są podstawą cyfrowych danych multimedialnych. Aby na taśmie wideo zapisać jak najwięcej materiału stosowana jest kompresja danych. Słowo KODEK składa się z dwóch części. Pierwsza z nich KOmpresja (ang. Compression) odpowiada za kodowanie. Druga DEKompresja (ang. DECompression) umożliwia odtworzenie skompresowanego pliku. W cyfrowych kamerach wideo stosowane są kodeki sprzętowe. Kamery DV, jak i Digital8 używają tego samego kodeka określanego jako DV. Kamery zapisujące bezpośrednio na płycie DVD wykorzystują kodek o nazwie MPEG-2. Najnowsze miniaturowe kamery zapisujące dane na pamięciach typu flash mają zabudowany kodek MPEG-4. Rozróżniamy dwa typy kodeków – z kompresją stratną i bezstratną.

Kompresja stratna

    Kodeki z kompresją stratną doskonale nadają się do zastosowań w sieci WWW. Niestety kosztem zmniejszenia rozmiarów pliku wynikowego jest widoczna utrata jakość obrazu. Najczęściej używane kodeki z kompresją stratną dla wideo to MPEG-1, MPEG-2 , MPEG-4 i SVCD.

       MPEG-1 to starszy ale wciąż używany kodek o kompresji stratnej. Jego zaletą jest możliwość odczytu zarówno na platformie Macintosh jak i PC. Dodatkowo odtworzenie takiego pliku jest możliwe w starszych komputerach o częstotliwości pracy procesora powyżej 300 Mhz. Nie słusznie kojarzony jest ze słabą jakością wynikającą z użycia marnych narzędzi do kodowania. Pliki bardzo dobrej jakości można uzyskać używając takie programy jak: TMPGEnc, Panasonic, Cinemacraft. Słabością MPEG-1 jest odtwarzanie szybko zmieniających się obrazów, które niestety są rozmazane. Stosowany jest do kodowania płyt wideo CD (VCD), których jakość odpowiada jakości VHS. W celu poprawienia jakości należy zwiększyć wartość współczynnika gęstości bitowej co gwarantuje poprawę jakości materiału wideo.

       MPEG-2 to kodek używany do zapisu filmów na płytach DVD. Został zaprojektowany dla telewizji cyfrowych. Jest wyraźnie wydajniejszy od MPEG-1. Dwu godzinny materiał zakodowany w MPEG-2 zajmuje ponad 4 gigabajty przestrzeni dyskowej. Podobnie jak w przypadku MPEG-1 należy zwrócić uwagę na jakość kodera. Najlepsze to Cinemacraft i TMPGEnc.

       MPEG-4 opracowała firma Microsoft w roku 1993. Kod źródłowy programu został wykradziony przez hackerów i po wprowadzeniu modyfikacji miedzy innymi dopuszczono zapis dźwięku w formacie MP3 został nazwany DivX. Kolejnym etapem rozwoju DivX było stworzenie przez zapaleńców z grupy Project Mayo kodeka OpenDivX na bazie standardu kompresji MPEG-4. Kod został napisany praktycznie od początku i jest obecnie dostępny dla każdego. Jego najnowsza wersja to DivX 5.05.

       SVCD powstał w Chinach jest pomostem pomiędzy DVD a VCD. Podobnie jak DVD bazuje na kodeku MPEG-2. Różni je maksymalna szybkość transmisji danych wideo wynosząca 2.8 Mb/s (mega bita / sekundę) dla SVCD wobec 10 Mb/s dla DVD. Format SVCD wykorzystuje rozdzielczość 480x480 dla standardu NTSC i 480x576 dla PAL.

Kompresja bezstratna

       Kompresja bezstratna również używa kodeków. Ponieważ ludzkie oko nie jest w stanie dostrzec jej rezultatów nazywana jest bezstratną. Kodeki z kompresją bezstratną umożliwiają zachowanie bardzo dobrej jakości wideo dzięki zastosowaniu odpowiedniej kompresji i dekompresji. Stanowią doskonałe rozwiązanie dla edycji wideo wysokiej jakości.

       Najpopularniejszym obecnie kodekiem bezstratnym jest DV. Szybkość transmisji danych wynosi 25 Mb/s. Wykorzystywany jest w większości najpopularniejszych formatów cyfrowych (miniDV, Digital8, DVCAM i DVCPRO). Do najlepszych kodeków DV należą: SoftDV, Main Actor DV i Cannopus DV.

        MJPEG to pierwszy kodek z kompresją bezstratną. Używany głównie do przetwarzania sygnału analogowego. Pozwala osiągnąć jakość porównywalną z jakością kodeków DV. Wymaga do tego większej ilości danych przez co jest mniej wydajny. MJPEG był najpopularniejszym z kodeków bezstratnych do czasu pojawienia się kodeka DV. *3 

3. Formaty cyfrowego wideo do zastosowań amatorskich

    Rynek konsumencki zdominowany jest przez dwa formaty – MiniDV i Digital8. Oba do zapisu wykorzystują kodek DV. Różnice między nimi polegają na różnych rozmiarach kasety z taśmą. Pozostałe standardy to MicoroMV i MPEG2. W ostatnim czasie pojawiły się miniaturowe kamerki, wykorzystujące do zapisu standard MPEG4.

MiniDV

       Format MiniDV jest najpopularniejszym z formatów dostępnych na rynku. Zapis danych realizowany jest przy użyciu kodeka DV. Nośnikiem danych jest kaseta z taśmą o wymiarach zbliżonych do pudełka zapałek . Szerokość taśmy to zaledwie 6 mm. Typowa długość taśmy wynosi 60 minut w standardowym trybie nagrywania lub 90 w trybie longplay. Maksymalna długość to 80 minut. Umożliwia zapis sygnału wideo z rozdzielczością do 500 linii poziomych. W formacie MiniDV zastosowano dodatkowe metody kompresji znane z formatów M-JPEG czy MPEG. Jest to kompresja wewnątrzklatkowa i międzyklatkowa (polegająca głównie na przewidywaniu ruchu obiektów). Efektem jest stały stopień kompresji 5:1, co daje przepływność potoku wideo na poziomie 25 Mb/s. Dźwięk w standardzie MiniDV rejestrowany jest z jakością CD (dwa kanały stereo, częstotliwość próbkowania 48 kHz, wielkość próbki 16 bitów) lub nieco niższą 32 kHz, 12 bitów. Obniżenie jakości pozwala na dogranie dwóch dodatkowych ścieżek stereo, np. komentarzy lub podkładu dźwiękowego. 
 

Digital8

       Jakość rejestrowanego za pomocą kamer Digital8 obrazu i dźwięku jest identyczna jak w kamerach MiniDV. Wykorzystuje kodek DV. Digital8 jest standardem stosowanym tylko przez jednego producenta firmę Sony. Zapis danych odbywa się na zwykłej kasecie 8 mm lub Hi8. Wielkość kasety jest porównywalna z wielkością kaset formatu VHSC. Różnica między nimi polega na szerokości taśmy, która dla Digital8 wynosi 8 mm.
 

MicroMV

       MicroMV to jednen z najnowszych obecnie formatów. Opracowany przez firmę Sony. Do zapisu wykorzystuje kodek MPEG2. Jako nośnik służy taśma, która jest dwa razy mniejsza niż w przypadku MicroMV. W porównaniu z DV oferuje on nieznacznie gorszą jakość i funkcjonalność (więcej strat podczas kompresji, brak możliwości dogrania ścieżki dźwiękowej). Nagranie w tym formacie zajmuje mniej miejsca na kasecie. Przepływność potoku wideo jest o połowę mniejsza niż w przypadku DV i wynosi 12 Mb/s. Umożliwiło to dalszą miniaturyzację sprzętu i kaset aż o około 70 % w stosunku do MiniDV. *6
 

DVD

        Format DVD umożliwiający nagrywanie staje się kluczowym formatem służącym do rozpowszechniania nagrań wideo wysokiej jakości. Korzysta z kodeka MPEG2. Rozpoczął swą karierę w roku 1994. Nośnik danych stanowi dysk optyczny. Umożliwia to szybki podgląd interesujących nas scen oraz możliwość bezpośredniego odtwarzania materiału na stacjonarnych odtwarzaczach DVD. Zapis na płytach typu DVD-RW (płyta wielokrotnego zapisu) lub DVD-R ( płyta jednokrotnego zapisu). W zakresie dźwięku DVD umożliwia korzystanie z czystego dźwięku stereo, jak również z systemu dźwiękowego 5.1 Digital Dolby lub DTS. *3
 

MPEG4

        Format MPEG4 umożliwił rozwój miniaturowych kamer cyfrowych wielkością przypominających myszkę komputera. Zastosowano standard kompresji MPEG4. Nośnikiem danych są karty pamięci typu flash. W chwili obecnej urządzenia stosujące ten format posiadają mierną optykę i słabej jakości przetworniki CMOS / CCD. Maksymalna rozdzielczość rejestracji wideo wynosi 640´480 punktów przy 10 kl/s. Zaletą tego typu sprzętu jest brak jakiejkolwiek mechaniki. Do tego typu urządzeń będzie należeć przyszłość. *8

4. Formaty cyfrowego wideo używane profesjonalnie

        Rynkiem profesjonalnych kamer wideo niepodzielnie rządzą dwa główne formaty bazujące na kodeku DV – są to DVCAM i DVCPRO. Są one uważane za profesjonalne głównie ze względu na niezawodność, mniejszą podatność na zakłócenia, lepszą jakość zarejestrowanych sekwencji oraz większą gamę dostępnych kamer i obiektywów. Dodatkową różnicą jest cena, która kilkakrotnie przewyższa ceny kamer do zastosowań amatorskich.

DVCAM

       Format DVCAM został opracowany przez firmę Sony. Na rynku od 1996 roku. Szybkość przesyłu danych 25 Mb/s. Wykorzystuje kodek DV. Charakteryzuję się wyższą prędkością przesuwu taśmy niż format MiniDV, ale niższą niż DVCPro. Do zapisu wykorzystuję takie same taśmy jak format DV. W standardowym trybie rejestracji używa ścieżek 15 – mikronowych. Maksymalna długość taśmy 210 minut, szerokość taśmy 6,35 mm. Stosowany w profesjonalnych produkcjach filmowych. Ostatnio coraz bardziej popularny w stacjach telewizyjnych.
 

DVCPRO

       DVCPRO opracowała firma Panasonic w roku 1995. Szybkość przesyłu danych 25 Mb/s. Kompresja materiału przy pomocy kodeka DV. Taśmy używane w DVCPRO są większe od taśm DV i taśm Digital8. Na taśmach DVCPRO zastosowano 18 – mikronowe ścieżki zapisu oraz dwie oddzielne ścieżki przeznaczone dla dźwięku i kontroli taśmy. Dzięki tej technologii jest to najsolidniejszy z formatów. Maksymalna długość taśmy 210 minut, szerokość 6,35 mm. Oferuje najstabilniejszy obraz oraz małą podatność na zakłócenia oraz gubienie klatek. Najczęściej stosowany w lokalnych stacjach telewizyjnych.
 

Digital Betacam

        W roku 1993 firma Sony wprowadziła na rynek system Digial Betacam. Była to nowa cyfrowa wersja formatu analogowego Betacam SP. Doskonała jakość obrazu przyczyniła się do szybkiego rozpowszechnienia tego formatu w stacjach telewizyjnych. Stopień kompresji wynosi 2:1, a materiał jest rejestrowany na taśmach o szerokości pół cala. Jest to obecnie standardowy format używany w przemyśle telewizyjnym. Jedną z najpopularniejszych kamer pracujących w tym systemie jest Sony DVW – 700 [rysunek 5.]. *4


 

Rysunek 5. Kamera Sony DVW-700.

5. Porównanie najpopularniejszych formatów MiniDV–Digital8

        Zdecydowanym liderem wśród kamer cyfrowych są urządzenia pracujące w standardzie MiniDV. Wylansowany przez firmę Sony standard Digital8 traci na swojej popularności. Obecnie spotykamy coraz mniej nowych modeli kamer pracujących z kasetami tego typu. W obu przypadkach metoda zapisu danych na taśmach jest taka sama, różni się tylko z technicznego punktu widzenia.

        W kamerach DV do rejestracji sekwencji wideo używa się zazwyczaj kaset typu MiniDV, które wielkością zbliżone są do pudełka zapałek. Tak małe rozmiary udało się uzyskać dzięki zapisowi danych na taśmie magnetycznej o szerokości zaledwie 6,35 mm. Natomiast w przypadku standardu Digital8 zapis realizowany jest na taśmach szerokości (8 mm). Kamery formatu Digital8 umożliwiają rejestrację obrazu zarówno na kasetach zgodnych z tym standardem, jak również na taśmach Hi8. Różnica polega tylko na maksymalnej długości nagrania, która jest krótsza o ok. 25% w przypadku kaset Hi8.

        Rejestracja danych wideo w formatach Digital8 i Digital Video odbywa się w inny sposób. W przypadku formatu MiniDV jedna ramka filmu zapisywana zostaje na dwunastu ścieżkach. Natomiast w formacie Digital8 - dzięki zapisowi dwóch ścieżek w pionie informacja dla jednej ramki nagrywana jest na obszarze, który zajmuje nie dwanaście, lecz sześć ścieżek. Właśnie dzięki temu można utrwalić cyfrowy obraz na taśmach Hi8

        Wspólną cechą obu wyżej opisanych technologii jest format zapisu danych w obrębie jednej ścieżki. Każda ścieżka dzieli się na cztery obszary spełniające różne funkcje. Pierwszy z nich to sektor kodów pomocniczych, który składa się z informacji o znacznikach czasu, identyfikatorach indeksowych oraz PP. Informacje te służą do nagrywania i odtwarzania nieruchomego obrazu. Kolejnym sektorem jest obszar obrazu, na którym dzięki algorytmom kompresji danych zapisana zostaje maksymalna ilość informacji o obrazie. Obraz rejestrowany w formacie DV poddawany jest kompresji algorytmem DCT (Discrete Cosine Transform) - dyskretna transformata kosinusowa ze współczynnikiem 5:1. Dzięki temu pięciokrotnie zmniejszono przepływność strumienia danych wideo do wartości 32 Mb/s. W sektorze fonii natomiast zapamiętywany jest 16– lub 12–bitowy dźwięk w formacie PCM. Ostatni sektor to obszar ITI, gdzie gromadzone są dane potrzebne np. do wyszukiwania informacji niezbędnych przy dogrywaniu dodatkowej ścieżki dźwiękowej [rysunek 6.]. *9


 

Rysunek 6. Różnice w cyfrowych formatach zapisu danych