D-1 или 4:2:2 Component Digital — это стандарт цифровой видеозаписи SMPTE , представленный в 1986 году усилиями инженерных комитетов SMPTE . Он начинался как продукт Sony и Bosch – BTS и был первым крупным профессиональным цифровым видеоформатом . SMPTE стандартизировал формат в ITU-R 601 (оригинал CCIR-601), также известный как Rec. 601 , который был получен из стандартов SMPTE 125M и EBU 3246-E.
D-1 или 4:2:2 D-1 (1986) был крупным достижением в области цифровой видеозаписи вещательного качества в реальном времени. Он хранит несжатое оцифрованное компонентное видео , закодированное в Y'CbCr 4:2:2 с использованием растрового формата CCIR 601 с 8 битами, [1] [2] вместе с аудиодорожками PCM , а также временным кодом на 3/4-дюймовой (19 мм) видеокассете (хотя не следует путать с вездесущей 3/4-дюймовой кассетой U-Matic/U-Matic SP).
Несжатое компонентное видео использовало огромную для своего времени пропускную способность: 167 Мбит/с (скорость передачи данных). [3] Один из первых видеомагнитофонов D-1, Sony DVR-1000, требовал отдельного большого видеопроцессора. [4] Его преемник, DVR-2000, интегрировал его в то же шасси, что и видеомагнитофон. Максимальное время записи на ленту D-1 составляет 94 минуты. Средние ленты могли записывать до 34 минут, а маленькие ленты — до 6 минут. [5]
Формат использует спиральное сканирование с рисунком M-обмотки, при котором лента оборачивается вокруг барабана головки с левой и правой стороны. [6] [7] Барабан спиральной сканирующей головки вращается со скоростью 10 800 об/мин для видео NTSC или со скоростью 9000 об/мин для PAL. Он имеет диаметр 75 мм, а спиральные дорожки, считываемые видеоголовками, установленными на барабане головки, имеют ширину 40 микрон. [1] Скорость записи на головках составляет 33,63 м/с, линейная скорость ленты составляет 286,588 мм/с для NTSC, 286,875 мм/с для PAL. [4]
Благодаря бескомпромиссному качеству изображения, компонентной обработке и несжатой записи, D-1 был наиболее популярен в графическом и анимационном производстве высокого класса, где ранее многослойная запись выполнялась за короткое время с помощью жестких дисков ( Quantel Harry, Henry, Harriet, Hal или Abekas DDR) или с помощью нескольких аналоговых машин, работающих одновременно. Жесткие диски в 1980-х годах, которые хранили видео вещательного качества, обычно вмещали от 30 секунд до нескольких минут, однако системы, которые заставляли их работать, могли стоить 500 000 долларов. Для сравнения, машина D-1 позволяла записывать 94 минуты на кассету стоимостью 200 долларов.
Разрешение D-1 составляет 720 (по горизонтали) × 486 (по вертикали) для систем NTSC и 720 × 576 для систем PAL ; эти разрешения взяты из Rec. 601. [ 8]
Позднее была введена небольшая вариация, в которой для экономии места были удалены верхние 6 строк, которая стала популярной в форматах DV/DVCAM/DVCPRO размером 1/4 дюйма и для цифрового вещания, имеющих разрешение 720 x 480 пикселей для NTSC; она также используется в DVD-Video и телевидении стандартной четкости .
Блоки D1 переключаются между NTSC и PAL. Яркость дискретизируется на частоте 13,5 МГц, а цветность — на частоте 6,75 МГц с общей скоростью передачи данных 27 МГц. Использовалась частота дискретизации 13,5 МГц, поскольку она является общим кратным частоты строк NTSC/PAL (6 x 2,5 МГц). Первым интерфейсом ввода-вывода был 25-контактный параллельный кабель (SMPTE 125M), а позднее он был обновлен до последовательного цифрового интерфейса на коаксиальном кабеле (SDI, SMPTE 259M, коаксиальный кабель 75 Ом, 270 МГц). Вспомогательные данные могут быть помещены в интервалы гашения H/V. Цветовое пространство для Y' B'-Y' R'-Y' также определено в цветовом пространстве ITU Rec. 601 или Rec. 709.
Формат Panasonic D-5 имеет схожие характеристики, но сэмплируется в 10 бит, в отличие от 8 бит D-1. Он имел преимущество во времени разработки, поскольку был выпущен намного позже, чем D-1 от Sony, и через год после того, как был представлен формат Sony Digital Betacam .
Система формата D-2 от Sony и Ampex вскоре последовала два года спустя, используя композитное видео для снижения необходимой полосы пропускания. Это снизило цену D-2 до половины от D-1. Поскольку D-2 был композитным цифровым, а не компонентным, его можно было легко поместить в пространство и инфраструктуру композитных аналоговых машин, которые в то время использовались (2-дюймовый Quadruplex, 1-дюймовый Type C и 3/4-дюймовый U-Matic). Поскольку на D-2 записывалось меньше информации, чем на D-1, скорость ленты можно было уменьшить и вмещать максимум 208 минут по сравнению с 94 минутами D-1. Однако D-2 все еще был компромиссом, будучи композитным видео.
Поскольку вещатели позже перешли с аналоговой на цифровую проводку, компонентная цифровая инфраструктура стала осуществимой. Популярный компонентный Digital Betacam от Sony поддерживал этот переход, сохраняя цвета разделенными в компонентном цифровом пространстве (D1/D5), а не объединенными в композитном пространстве (D2/D3). Digital Betacam мог воспроизводить предыдущие аналоговые ленты Betacam/Betacam SP, которые к тому времени создали архив библиотеки для вещателей, используя его формат ленты 1/2 дюйма (в отличие от более громоздких 19-миллиметровых кассет D1/D2). Таким образом, 1/2-дюймовый Digital Betacam стал фактическим стандартом редактирования, доставки и архивирования вещания стандартной четкости.
Даже когда вещание и доставка HD стали более распространенными в США после 2008–2010 годов, сети часто требовали копии стандартного разрешения на Digital Betacam. Телевизионные шоу, такие как CBS' The Rachael Ray Show, все еще записывались и архивировались на Digital Betacam вплоть до 2012 года.
D-1 был чрезвычайно дорогим, а оборудование требовало очень больших изменений инфраструктуры на объектах, которые перешли на этот формат цифровой записи , поскольку машины, не имеющие компромиссов в отношении качества, вернулись к компонентной обработке (где яркость или черно-белая информация изображения), а его основные цвета — красный, зеленый и синий (RGB) — хранились отдельно в алгоритме выборки, известном как 4:2:2, поэтому многие машины имеют значок «4:2:2» вместо «D-1».
Ранние операции D-1 сопровождались трудностями, хотя формат быстро стабилизировался и до сих пор славится своим превосходным качеством изображения стандартной четкости. [9]
D-1 был самым первым форматом ленты цифрового вещательного качества в реальном времени. Оригинальный Sony DVR-1000, представленный в 1986 году, имел рекомендованную производителем розничную цену в США в размере 160 000 долларов США. Несколько лет спустя инженеры Sony смогли радикально уменьшить размер машины, уменьшив электронную обработку, чтобы она поместилась в шасси основного кассетного привода, окрещенного DVR-2000, снизив стоимость в США до 120 000 долларов США.
Внешний одностоечный блок позволит машине записывать дополнительный ключевой (матовый) канал (4:2:2:4) или удваивать горизонтальное разрешение (8:4:4) путем объединения двух одновременно работающих видеомагнитофонов.
Более поздние модели «SP» и «OS» работали на Off - S Speed, что делало их технически удобными для переноса 24-кадровых телекинопленок на ленту D1 и позволяло на одной ленте одновременно записывать как мастер-файлы NTSC (525 вертикальных строк), так и PAL (625 строк).
В то время как ранние эксперименты с цветным телевидением проводились в компонентной области RGB, большая часть цветного телевещания и постпроизводства была скомпрометирована в 1960-х и 1970-х годах для упрощения инфраструктуры и передачи путем объединения цвета и яркости (композит). Однако после объединения информации о цвете и яркости ее уже нельзя было разделить так же чисто, как изначально.
Компонентное видео редко обрабатывалось через видеоустройство как RGB, как это происходит в компьютерных дисплеях. Существовала историческая необходимость поддерживать черно-белые сигналы. Кроме того, поскольку человеческий глаз более чувствителен к черно-белой информации изображения, чем к цвету, инженеры подсчитали, что при размере самого большого экрана домашнего телевизора цветные видеостроки не нужно было бы сэмплировать для каждого преобразованного цифрового пикселя.
Видеоформат 1/2-дюймового видео Betacam от Sony 1982 года, предназначенный для сбора новостей, стал первым комбинированным камкордером, который пришел к компромиссу, известному как YUV. «Y» обозначал яркость или детализацию видеоизображения в черно-белом варианте. Он содержал синхронизирующий «кадр», необходимый для создания стабильного изображения. Если подключить только кабель «Y», можно увидеть черно-белое изображение, но не при подключении только двух других каналов цветовой информации.
«UV» был математическим алгоритмом RY (красный минус яркость) и BY (синий минус яркость). Зеленая информация была получена из разницы (поэтому YUV называется обработкой цветового различия). Например, если в коробке есть пять черно-белых плюшевых мишек-панд (Y); плюс восемь красных яблок (RY) и две черники (BY); и общее количество предметов должно быть равно 20, можно легко подсчитать, сколько осталось зеленых яблок, так как 20 минус 15 даст разницу в пять.
Когда инженеры стремились обрабатывать и записывать в реальном времени огромный объем цифровых данных, необходимых для создания первого формата цифровой видеокассеты, сохранение алгоритма Y, RY, BY или YUV было ключевым фактором для упрощения и сокращения исходной выборки информации об изображении, что позволило сэкономить ценное пространство.
4:2:2 — это Y, RY и BY; не RGB; 4:2:2 часто ошибочно цитируется как 4, означающая красный, а оставшиеся 2 — зеленый и синий. Если бы это было правдой, это привело бы к неравномерной записи данных зеленого и синего по сравнению с красным.
В заданном небольшом образце видеоизображения, например, в первых четырех пикселях, расположенных горизонтально в верхнем левом углу экрана, первая цифра «4» означает, что наиболее важная деталь яркости/черно-белого изображения была отобрана в каждом пикселе в этом 4-образце.
Следующие две двойки означают, что RY и BY были выбраны в каждом втором пикселе, пропуская один между ними. Глаз не должен видеть два промежуточных пикселя, не имеющих фактической цветовой информации, записанной исходной камерой, — предыдущий цветовой пиксель просто реплицируется. Таким образом, при 4:2:2 все цвета, красный, зеленый и синий, выбираются с частотой, вдвое меньшей, чем детали черно-белого (яркостного) изображения. Можно сказать, что фактически записано 50% цвета — потому что для экрана телевизора этого было достаточно для человеческого глаза.
Популярный формат DV/DVCAM/DVCPRO 1995/96 годов имел компонентную цифровую выборку YUV 4:1:1, что означает, что фактически записывается только 1 из 4 пикселей или 25% цвета, поэтому цвет выглядит «мутным» и не таким ярким по сравнению с любой записью 4:2:2. Это еще больше сделало невозможным создание идеальных зеленых экранных масок в этом формате. Формат DV дополнительно сжимал цифровые данные до 5:1, что означало потерю информации об изображении на 80%, чтобы получить 25 миллионов бит в секунду на небольшой ленте, движущейся с низкой скоростью. Сравните качество DV с качеством D1 1986 года с 4:2:2, без сжатия и 173~226 миллионами бит в секунду сохраненных данных.
Современные видеорегистраторы высокой четкости, такие как формат HDCAM-SR от Sony (SR означает превосходное разрешение), имеют возможность переключения между форматами записи 4:2:2 и полной RGB-записью для работы с фильмами на большом экране, поэтому RGB оцифровывается в каждом пикселе и имеет фирменное обозначение 4:4:4.