D-1 или 4:2:2 Component Digital — это стандарт цифровой видеозаписи SMPTE , представленный в 1986 году благодаря усилиям инженерных комитетов SMPTE . Он начался как продукт Sony и Bosch – BTS и стал первым крупным профессиональным форматом цифрового видео . SMPTE стандартизировал формат в рамках ITU-R 601 (оригинал CCIR-601), также известного как Rec. 601 , который был основан на стандартах SMPTE 125M и EBU 3246-E.
D-1 или 4:2:2 D-1 (1986) стал 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 со звуковыми дорожками PCM , а также тайм-кодом на 3/4-дюймовом (19) мм) видеокассета (хотя не путать с вездесущей 3/4-дюймовой кассетой U-Matic/U-Matic SP).
Несжатое компонентное видео использовало огромную для своего времени полосу пропускания: 167 Мбит/сек (битрейт). [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 Д-1 составляет 94 минуты. На средние ленты можно было записать до 34 минут, на маленькие — до 6 минут. [5]
В этом формате используется спиральное сканирование с рисунком намотки M, 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. Его диаметр составляет 75 мм, а спиральные дорожки, считываемые видеоголовками, установленными на барабане головки, имеют ширину 40 микрон. [1] Скорость записи на головках — 33,63 м/с, линейная скорость ленты — 286,588 мм/с для NTSC, 286,875 мм/с для PAL. [4]
Из-за бескомпромиссного качества изображения, обработки компонентов и несжатой записи D-1 был наиболее популярен в производстве высококачественной графики и анимации, где ранее за короткое время выполнялось многослойное наложение с помощью жестких дисков ( Quantel Harry, Генри, Харриет, Hal или Abekas DDR) или через несколько аналоговых машин, работающих одновременно. Жесткие диски 1980-х годов, на которых хранилось видео вещательного качества, обычно занимали от 30 секунд до нескольких минут, однако системы, обеспечивающие их работу, могли стоить 500 000 долларов. Напротив, машина D-1 позволяла записать 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 резолюции взяты из Рек. 601 . [8]
Небольшой вариант с удалением 6 верхних строк для экономии места был позже представлен и стал популярным в форматах 1/4 дюйма DV/DVCAM/DVCPRO и для цифрового вещания, которые имеют разрешение 720 x 480 пикселей для NTSC; а также используется в DVD-Video и телевидении стандартной четкости .
Устройства 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 кратным линейной скорости NTSC/PAL (6 x 2,5 МГц). Первым интерфейсом ввода-вывода был 25-контактный параллельный кабель (SMPTE 125M), а затем 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 Рек. ITU Rec. 601 или Рек. 709 цветовое пространство.
Формат Panasonic D-5 имеет аналогичные характеристики, но имеет 10-битную дискретизацию, в отличие от 8-битного формата D-1. У него было преимущество во времени разработки, поскольку он был выпущен намного позже, чем Sony D-1, и через год после того, как был представлен формат Sony Digital Betacam .
Вскоре, два года спустя, появилась система формата D-2 от Sony и Ampex, в которой использовалось композитное видео для снижения необходимой полосы пропускания. Это снизило цену D-2 вдвое по сравнению с D-1. Поскольку D-2 был композитным цифровым, а не компонентным, его можно было легко разместить в пространстве и инфраструктуре композитных аналоговых машин, использовавшихся в настоящее время (2-дюймовый Quadruplex, 1-дюймовый Type C и 3/4-дюймовый U-образный). Матич). Поскольку на D-2 записывалось меньше информации, чем на D-1, скорость ленты можно было уменьшить и удерживать максимум 208 минут по сравнению с 94 минутами D-1. Однако D-2 по-прежнему оставался компромиссом, поскольку представлял собой композитное видео.
Поскольку вещательные компании позже перешли с аналоговой проводки на цифровую, компонентная цифровая инфраструктура стала возможной. Популярный компонент Sony Digital Betacam поддержал этот переход, сохраняя цвета разделенными в компонентном цифровом пространстве (D1/D5), а не объединенными в составном пространстве (D2/D3). Digital Betacam могла воспроизводить предыдущие аналоговые ленты Betacam/Betacam SP, которые к настоящему времени создали библиотечный архив для вещательных компаний, используя свой формат ленты 1/2 дюйма (в отличие от более громоздких 19-миллиметровых кассет D1/D2). Таким образом, 1/2-дюймовая цифровая Betacam стала де-факто стандартом редактирования, доставки и архивирования телевещания стандартной четкости.
Несмотря на то, что после 2008–2010 годов вещание и доставка HD стали более обычным явлением в США, сетям часто требовались копии стандартной четкости на Digital Betacam. Телевизионные шоу, такие как «Шоу Рэйчел Рэй» на канале CBS , все еще записывались и архивировались на Digital Betacam даже в 2012 году.
D-1 был заведомо дорогим, и оборудование требовало очень больших изменений инфраструктуры на объектах, которые были переведены на этот формат цифровой записи , поскольку бескомпромиссные по качеству машины вернулись к компонентной обработке (где информация о яркости или черно-белом изображении) 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». "
Первые операции D-1 сопровождались трудностями, хотя формат быстро стабилизировался и до сих пор славится превосходным качеством изображения стандартной четкости. [9]
D-1 был самым первым форматом ленты цифрового вещательного качества в реальном времени. Рекомендуемая розничная цена оригинального Sony DVR-1000, представленного в 1986 году, в США (рекомендованная производителем розничная цена) составляла 160 000 долларов. Несколько лет спустя инженеры Sony смогли радикально уменьшить размер машины за счет сокращения объема электронной обработки, чтобы она поместилась в шасси основного кассетного привода, получившего название DVR-2000, снизив стоимость в США до 120 000 долларов.
Внешний однокорпусный блок позволит аппарату записывать дополнительный ключевой (матовый) канал (4:2:2:4) или удвоить горизонтальное разрешение (8:4:4) за счет объединения двух видеомагнитофонов, работающих одновременно.
Более поздние модели «SP» и «OS» использовали Off - S Peed, что делало их технически удобными для переноса 24-кадровой телекинопленки на ленту D1, а также позволяло одной ленте воспроизводить как NTSC (525 вертикальных строк), так и PAL (625 строк). ) мастера в свое время.
В то время как ранние эксперименты с цветным телевидением проводились в области компонентов RGB, большая часть цветного телевизионного вещания и постпроизводства была скомпрометирована в 1960-х и 1970-х годах, чтобы упростить инфраструктуру и передачу за счет объединения цвета и яркости (композитного). Однако, как только информация о цвете и яркости была объединена, ее уже невозможно было разделить так же чисто, как она была изначально.
Компонентное видео редко обрабатывалось с помощью видеосредств в формате RGB, как это происходит на компьютерных дисплеях. Необходимость поддерживать черно-белые сигналы существовала из исторического наследия. Кроме того, поскольку человеческий глаз более чувствителен к информации о черно-белом изображении, чем к цветному, инженеры подсчитали, что при размере самого большого экрана домашнего телевизора нет необходимости производить выборку строк цветного видео для каждого преобразованного цифрового пикселя.
В 1982 году компания Sony выпустила 1/2-дюймовый видеоформат Betacam, первую комбинацию видеокамер, ставшую компромиссной, известной как YUV. Буква «Y» обозначала яркость или детализацию черно-белого видеоизображения. Он содержал «кадр» синхронизации, необходимый для создания стабильного изображения. Если подключить только кабель «Y», можно увидеть черно-белое изображение, но не при подключении только двух других каналов цветной информации.
«УФ» представлял собой математический алгоритм RY (красный минус яркость) и BY (синий минус яркость). Зеленая информация была получена на основе разницы (поэтому YUV называется обработкой цветового различия). Например, если в коробке пять черно-белых плюшевых мишек-панд (Y); плюс восемь красных яблок (RY) и две черники (BY); и общее количество предметов должно равняться 20, можно легко подсчитать, сколько осталось зеленых яблок, поскольку 20 минус 15 дадут разницу в пять.
Когда инженеры стремились обработать и записать в реальном времени огромное количество цифровых данных, необходимых для создания первого формата цифровой видеокассеты, сохранение алгоритма Y, RY, BY или YUV было ключом к упрощению и сокращению выборки исходной информации об изображении, сохраняя ценную информацию. космос.
4:2:2 — это Y, RY и BY; не RGB; 4:2:2 часто ошибочно обозначается как 4, означающее красный цвет, а оставшиеся 2 обозначают зеленый и синий. Если бы это было правдой, это привело бы к неравномерной записи зеленых и синих данных по сравнению с красными.
В данном небольшом образце видеоизображения (например, первые четыре пикселя, идущие горизонтально в верхнем левом углу экрана), первая цифра «4» означает, что была выбрана более важная деталь яркости/черно-белого изображения. в каждом пикселе в этом 4-образце.
Следующие две двойки означают, что выборка RY и BY производилась в каждом втором пикселе, пропуская промежуточный. Глаз не должен видеть два промежуточных пикселя, не имеющих фактической информации о цвете, которую записала исходная камера — предыдущий цветовой пиксель просто копируется. Таким образом, при использовании формата 4:2:2 все цвета (красный, зеленый и синий) дискретизируются с половиной частоты детализации черно-белого (яркостного) изображения. Можно сказать, что на самом деле записывается 50% цвета – потому что для экрана телевизора этого было достаточно для человеческого глаза.
Популярный 1/4-дюймовый формат DV/DVCAM/DVCPRO 1995/96 года имел компонентную цифровую выборку YUV 4:1:1, что означает, что фактически записывается только 1 из 4 пикселей или 25% цвета, поэтому цвета выглядят «мутными» и не такими яркими по сравнению с любой записью 4:2:2. Это еще больше сделало невозможным идеальное матирование зеленого экрана в этом формате. Формат DV дополнительно сжимает цифровые данные в соотношении 5:1, что означает потерю информации об изображении на 80% для передачи 25 миллионов бит в секунду на небольшую ленту, движущуюся с низкой скоростью. Сравните качество DV с D1 1986 года с соотношением сторон 4:2:2, без сжатия и скоростью сохранения данных 173–226 миллионов бит в секунду.
Современные видеорегистраторы высокой четкости, такие как формат Sony HDCAM-SR (SR означает превосходное разрешение), имеют возможность переключаться между записью 4:2:2 и полной записью RGB для работы с фильмами на гигантском экране, таким образом, RGB дискретизируется в каждом пикселе и маркируется. 4:4:4.