Попов Ю.А.
MPEG-IMX — больше, чем просто новый
формат вещания
(сокращенный
вариант)
MPEG-IMX — так называется большое семейство новых продуктов фирмы Sony, работающих на основе стандарта MPEG-2 со скоростью передачи данных 50 Мбит/с. Аппараты различного назначения — от получения данных до их распределения — работают на общей платформе, не ограничивая при этом возможности существующих систем. Ниже дано введение в стандарт MPEG-IMX.
Введение в MPEG
MPEG (Motion Picture Expert Group) представляет
международную организацию, перед
которой поставлена задача
международной стандартизации
различных способов сжатия при
передаче движущихся изображений.
Соответствующий международный
стандарт под наименованием ISO 11172
состоит из ряда подразделов
(система, видео и аудио) и
предлагает широкие возможности
выбора подходящего сжатия
(компрессии) из набора инструментов
MPEG-Toolkit, содержащихся в
многочисленных уровнях и профилях.
Стандарт MPEG-1 разработан для
кодирования видеоданных при записи
на CD-ROM и мультимедийных применений.
Он предназначен преимущественно
для потребительских продуктов,
тогда как MPEG-2 оптимизирован для
области вещания и делает
возможными кодирование и передачу
цифровых сигналов с полноценным
студийным качеством.
Сжатие данных
При видеоизображениях с 576
активными строками и 720 пикселами
на строку скорость видеоданных
вычисляется по формуле [720 (Y) + 360 (U) +
360 (V)] x 8 бит x 576 строк x 25 = 166 Мбит/с
(при структуре дискретизации 4:2.2 с 8
бит на отсчет по CCIR-601). Если
исходить из 608 строк, подлежащих
сжатию, то скорость передачи данных
повышается до 177 Мбит/с. 608 активных
строк выбирают для того, чтобы
можно было записывать и
дополнительную информацию
(например, видеотекст, контрольные
строки и строку данных). На рис. 1
схематически показана структура
ТВ-сигнала, причем строки с 11 по 15
(первого полукадра) и с 323 по 328
(второго полукадра) используются
для телетекста.
Рис. 1. Структура ТВ-сигнала с дополнительной информацией
Чтобы передать
конечному пользователю без
каких-либо потерь такое количество
несжатых данных, понадобилось бы
использовать оборудование (для
записи сигналов, сети и
распределения) с чрезмерно широкой
полосой пропускания. А это очень
удорожает процесс.
Свои услуги предлагает кодирование
по MPEG-2, которое обеспечивает
разнообразные и гибкие возможности
при выборе наиболее подходящего
способа сокращения скорости
передачи данных. Эти возможности
сегодня успешно используются в
профессиональной видеотехнике.
Наряду с кодированием по MPEG-2-MP@ML (Main
Profil at Main Level), которое сегодня
применяется преимущественно в
снабжающих линиях и при
распределении данных, при съемке
изображений и обработке (съемка и
постпроизводство) применяется и
кодирование по MPEG-2-422P@ML (4:2:2-Profile at Main
Level). К этому семейству кодирования,
наряду с форматом Betаcam-SX, относится
формат MPEG-IMX. Он объединяет в
определенной мере ряд стандартов
MPEG-2 и работает со строго
фиксированной скоростью передачи
данных 50 Мбит/с и GOP 1 (Group of Picture =
1/I-кадр только). MPEG-IMX полностью
совместим со стандартом MPEG-2 и
допускает соответствующее
транскодирование.
Преимущества
MPEG
В MPEG-кодировании может
использоваться временное
предсказание, и это существенно
отличает его от других способов
сокращения данных.
В отличие от способов кодирования,
базирующихся на стандартах DV или
М-JPEG, в которых применяют так
называемое внутрикадровое
кодирование (Intrafield), в потоке
сигналов MPEG-2 дополнительно можно
использовать сходство и
соответственно избыточность
данных в следующих друг за другом
изображениях. Руководствуются
здесь соображением, что в
видеопоследовательности кадры,
следующие один за другим,
относительно мало, а порой совсем
не отличаются друг от друга. В
кодере MPEG оцениваются изменения,
происходящие в этих кадрах, в
результате чего отдельным кадрам
передаются лишь различия,
обнаруженные между ними и
предшествующими полностью
передаваемыми кадрами.
В потоке данных MPEG различают три
разновидности кадров: l-, P- и B-кадры.
Они объединены в GOP (Group of Pictures —
группы кадров), причем длина GOP
определяется расстоянием от одного
I-кадра до следующего I-кадра.
I-кадр (Intra-frame) содержит наиболее
полное кодирование изображения в
данной GOP — нескомпрессированное
или скомпрессированное с помощью
внутрикадрового сжатия (например,
согласно М-JPEG или DV). Это опорный
кадр, с которым сравниваются
последующие изображения,
передаваемые данной GOP. Он требует
наибольшей скорости передачи
данных.
Другие кадры каждой GOP — Р-кадры
(Predicted frame) и B-кадры (Bidirectional frame) —
содержат значительно меньше
информации. Они передают только
отличия от I-кадра, появившиеся в
изображении к моменту съемки
соответствующего Р- или В-кадра (при
частоте 25 кадров/с этих отличий
может и не быть вовсе). Поэтому для
передачи в отведенное «кадровое
время» содержащейся в них
информации достаточна значительно
меньшая скорость передачи данных.
Длинные GOP наиболее часто
используются там, где
распределяются сигналы (сети сбора
и распределения информации). Чтобы
оптимально использовать ширину
полосы канала, требуется очень
высокая эффективность данных. С
другой стороны, GOP должна быть по
возможности короткой, если
материал нуждается в дальнейшей
обработке (монтаж,
постпроизводство). Способ MPEG-2
предлагает в этом отношении
высокую гибкость, так как в любой
момент обеспечивает возможность
изменения длины GOP. Благодаря
процессу транскодирования профиль
и уровень данных можно
перекодировать в другой профиль и
уровень без тех недостатков
каскадирования сигнала, которые
всегда проявляются, например, при
кодировании в «несовместимых друг
с другом» форматах. Здесь хорошо
видно одно из важных преимуществ
кодирования MPEG. Поскольку сегодня
способы кодирования по MPEG-2 следует
рассматривать почти как стандарт
для техники передачи сообщений
(DVB-T/-C/-S, ЕBU-линии радиорелейной
связи, спутниковые линии связи и
т.д.), то логичным следствием этого
является применение рекомендаций
MPEG-2 в области съемки и
ТВ-производства.
Многочисленные испытания показали,
что частое каскадирование сигнала
влечет за собой визуально заметное
ухудшение его качества.
Транскодирование сигнала,
обеспечиваемое в MPEG, сохраняет раз
закодированный сигнал в его
первоначальном семействе
кодирования (MPEG) и гарантирует
очень малые потери.
MPEG-IMX в
иерархии MPEG
MPEG-кодирование хорошо
приспосабливается к различным
требованиям производства и
качества. В зависимости от
применения можно работать с малой
(следовательно, с высоким
коэффициентом сжатия и длинными GOP)
или высокой скоростью передачи
данных (с малым сжатием и короткими
GOP). При этом MPEG-2 обеспечивает
возможность обрабатывать сигналы
вплоть до ТВЧ-области со скоростями
передачи данных до 300 Мбит/с (рис. 2).
Рис. 2. Иерархия MPEG и структура форматов IMX и Betacam-SX в стандартной ТВ-области
В стандартах MPEG-2 предусмотрена скорость передачи данных до 300 Мбит/с. Это позволяет кодировать по MPEG-2 сигналы ТВЧ.
Стандартизация
MPEG
MPEG-2 сегодня поддерживается большим
количеством ведущих
производителей. Активность
производителей ограничивается
техникой производства и передачи
(спутники, телекоммуникации и т.д.),
а также независимыми поставщиками
микросхем.
Совместимость продукции различных
производителей станет оптимальной
только тогда, когда применяемые
алгоритмы кодирования и параметры
систем будут стандартизованы во
всем мире и доступны всем. Форум
ProMPEG, объединяющий многих
производителей и пользователей
отрасли, с самого начала выступал
за это и ставил целью форсирование
стандартизации. В 2001 г. формат MPEG-IMX
официально признан SMPTE как стандарт
D-10 (SMPTE-365M и SMPTE-356M).
Исходя из этого, был
стандартизирован также интерфейс
SDTI-CP (SMPTE-326M), позволяющий с помощью
существующей SDI-инфраструктуры без
потерь воспроизводить исходный
IMX-материал.
В дальнейшем форум ProMPEG намерен
стандартизировать метаданные.
Дискуссии о применении метаданных
в сетевой вещательной
инфраструктуре ведутся уже
продолжительное время, и теперь
применение метаданных форсируется
в процессе стандартизации IMX. В
будущем метаданные должны
содержать важные сведения о видео-
и аудиоданных отснятого материала,
чтобы эффективнее были, например,
процессы архивного хранения и
производства. Сегодня стандарт UMID
(Unique Material Identifier — Единый
идентификатор материала)
представляет собой первый шаг в
этой стандартизации. UMID (SMPTE-330M) уже
поддерживается всеми
IMX-устройствами (видеокамеры и ВМ).
Таким образом, решение в пользу
формата IMX может тоже
рассматриваться как шаг в будущий
мир использования метаданных.
2/3-"
высокоэффективные HAD-EX-сенсоры
Камкордер IMX содержит вновь
разработанные сенсоры ПЗС,
работающие по IT-принципу (со
строчным переносом). По параметрам,
однако, они соответствуют
сегодняшним FIT-сенсорам (сенсорам с
кадрово-строчным переносом заряда
по способу Frame-Interline-Transfer).
IT-сенсоры в последние годы
разрабатывались значительно
интенсивнее, чем FIT-сенсоры.
Предыдущее поколение IT-сенсоров
достигало только уровня –125 дБ
(граница смазывания красного
цветоразностного сигнала). Новое
поколение Power-HAD-EX (рис. 3) с граничным
значением –140 дБ находится на
уровне современных FIT-сенсоров. За
уровнем –130 дБ эффект смаза
фактически не возникает. Новые ПЗС
обеспечивают запас отсутствия
смаза до диафрагмы 21.
Рис.3.
Устройство ПЗС Power-HAD-EX в сравнении
с устройством его предшественника
Power-HAD:
1 — микрообъектив на чипе; 2 —
внутренний объектив;
3 — фотоэкранирующая пленка; 4 —
тонкая изолирующая мембрана;
5 — сенсор; 6 — поли-Si
Радикальное
уменьшение смаза у новых IT-сенсоров
достигнуто благодаря интеграции
еще одной линзы на пиксел, в
результате чего стал активнее
аккумулироваться свет, падающий на
светочувствительную часть сенсора.
С одной стороны, это способствует
тому, чтобы лучи света направлялись
только туда, где они образуют
изображение, а с другой стороны,
повышает светочувствительность
видеокамеры до диафрагмы 11 при
освещенности 2000 люкс (на 1/3 деления
диафрагмы выше по сравнению с
предшествующим поколением ПЗС
IT-POWER-HAD). Дополнительная
изолирующая мембрана поверх
сенсора служит для того, чтобы ни
один из блуждающих электронов не
попадал в вертикальный регистр
сдвига и не вызывал смаза.
Наряду с более высокой
чувствительностью и заметно
улучшенным значением смаза новые
сенсоры IT-Power-HAD-EX имеют значительно
больше пикселов (всего 1,2 млн на
ПЗС), которые, как и стандартная
чересстрочная развертка, могут
осуществлять и прогрессивную
развертку. Таким образом, с помощью
стандартной ТВ-видеокамеры можно
получать изображения с
прогрессивной разверткой, которые
особенно ценятся в сценическом
производстве, так как они больше
всего похожи на киноизображения.
Режим развертки переключается с
помощью нажатия кнопки в меню
камеры, по которому можно также
переключиться из формата
изображения с соотношением сторон
16:9 (исходный формат сенсоров ПЗС) на
формат 4:3 .
Свойства
Новые 2/3" сенсоры ПЗС
представляют собой наиболее
значительную разновидность
видеокамеры MSW-900P, но им присущи
новые функции, которые нельзя найти
в другой вещательной видеокамере.
Функция Re-Take (ре-дубля). Новая функция Re-Take позволяет оператору удалять дубль непосредственно после записи. Эта функция незаменима в том случае, если уже во время съемки видно, что данный дубль будет непригоден (технические недостатки и т.д.).
Функция End-Search-Function (поиска конца). Функция поиска конца используется при воспроизведении уже снятых сцен. Если оператор должен в режиме воспроизведения под фонограмму быстро подготовить видеокамеру для съемки, он может, активировав функцию End-Search, молниеносно перейти к заключительному изображению сцены на кассете.
Включение отдельных изображений/Интервалометр. Видеокамеру MSW-900P можно дополнительно оборудовать платой Picture-Cache-Board (MSDW-903), позволяющей «вручную», как в обычной пленочной камере, записывать отдельные кадры. Оператор может устанавливать по меню, сколько изображений в течение выбранного интервала времени будет экспонироваться. С помощью функции интервалометра можно управлять выдержкой в широких пределах полностью автоматически. Отдельные изображения передаются в RAM-память платы Picture-Cache-Board. Как только наберется достаточно отдельных изображений, они записываются на ленту в виде последовательности.
Операции с
Memory-Stick
Вместо Setup-карты (BSC-1, которая
известна по семейству видеокамер
Digital-Betacam), в МSW-900P (рис. 4)
используется карта Memory-Stick. Этот чип
памяти в зависимости от выполнения
обладает информационной емкостью
до 128 MБ. Он может использоваться не
только для запоминания более 100
установочных данных камеры, но и
для расширения программного
обеспечения камеры и внешнего
обращения с метаданными GPS.
Рис. 4. Принцип
действия платы Picture-Cache и выполнение
функции
Loop-Recording для записи изображений в
обратном порядке
Стандартная
гамма-кривая и гамма-кривая пленки
Функции меню предлагают различные
кривые гамма-характеристики,
достаточно лишь нажать кнопку
запроса. Можно выбирать между пятью
гамма-кривыми пленки и шестью
стандартными гамма-кривыми, что
позволяет оптимально согласовать
передачу контраста в изображении с
условиями съемки
Упрощение
работы по меню
Несмотря на обширную систему меню,
получить доступ к желаемым
страницам меню можно очень быстро,
так как отдельные страницы меню
объединены по функциональному
признаку (субменю). В главном меню
можно выбрать субменю
«User-Menu-Customize/Operation/Paint/Maintenance/File/Diagnosis».
Каждому функциональному признаку
предпослано изложение содержания,
поэтому при выборе доступ к
желаемой странице меню открывается
быстро с помощью курсора.
Как и в видеокамерах Digital-Beтacam,
аппарат MSW-900P позволяет оператору
индивидуально программировать
меню (пользовательское меню).
Беспроводной
микрофон-приемник Slot-ln
Беспроводной микрофонный приемник
(WRR-855) может интегрироваться
непосредственно в камеру через
предусмотренное для этого гнездо.
Распределение дорожек
беспроводного аудиоканала
происходит с помощью нажатия
кнопки в аудиопанели видеокамеры;
электропитание осуществляется
автоматически через встроенный
интерфейс. В видоискателе камеры
указывается RF-уровень.
Аудиохарактеристики
IMX
Запись звука в формате IMX
производится по восьми
аудиоканалам (16-бит квантование),
причем возможно переключение в
четырехканальный режим (с 24-бит
квантованием). Видеокамера MSW-900P
может записывать звук максимум по
четырем аудиодорожкам, независимо
от того, какой режим квантования
выбран (16 бит или 24 бит).
Вход/выход
сигнала
Видеомагнитофоны семейства MSW-2000P
имеют все обычные входы и выходы
для сигналов (рис. 5 и 6) в аналоговой
и цифровой форме. Наибольший
интерес представляют вход и выход
SDTI-CP, которые обеспечивают
неискаженную передачу исходных
битовых потоков D-10 в пределах
SDI-инфраструктуры (IMX-формат) от
одного видеомагнитофона к другому.
 Рис. 5. Видеовходы и выходы в аппаратах серии MSW-2000P |
 Рис. 6. Аудиовходы и выходы в аппаратах серии MSW-2000P |
Передача сигналов
IMX быстрее, чем в реальном времени
С дополнительной платой ВКМW-705
(с конца 2001 г. поставляется для
MSW-M2000P и MSW-M2100P) битовый поток D-10 (IMX)
может вводиться с двойной
скоростью в системы на жестких
дисках (СНМ или серверы).
Плейер J-серии
для журналиста
Для офисов предлагаются плейеры
J-серии, которая в настоящее время
объединяет три типа аппаратов (J1, J2,
J3), отличающихся друг от друга
только совместимостью при
воспроизведении.
Плейер J1 может воспроизводить
форматы Betacam, Betacam SP и Betacam SX. Плейер J2
может воспроизводить
дополнительно IMX-материал, а плейер
J3 выполнен как мультиформатный
плейер и воспроизводит всю
1/2"-линейку, в том числе Digital Betacam.
Плейеры J-серии компактны и легки,
занимают на столе журналиста мало
места и могут работать как в
горизонтальном, так и в
вертикальном положении.
Различаются устройства J-серии
A-типа (с аналоговыми выходами
сигнала: FBAS, Component и S-Video) и
альтернативные устройства в
SDI-исполнении (дополнительно к
аналоговым выходам сигнала FBAS и
S-Video установлен цифровой SDI-выход).
Семейство
форматов IMX
Наряду с видеокамерами и
видеомагнитофонами, фирма Sony
предлагает полный набор аппаратуры
для работы в сфере IMX.
Накопитель на жестких дисках MAV-555
тоже относится к семейству IMX,
поскольку работает со сжатием MPEG-2 и
обеспечивает максимальную
скорость передачи данных 50 Мбит/с.
Замыкает платформу
воспроизводящий сервер MAV-70 и
сервер для производства MAV-2000.
Полный текст - в № 12 журнала "ТКТ" за 2002 г.
