Динамический трекинг

Стандартные системы трекинга предполагают воспроизведение видеозаписи при скорости магнитной ленты, точно совпадающей со скоростью её движения при записи. При других скоростях качественное воспроизведение невозможно из-за изменения траекторий относительного движения видеоголовок и ленты. Наиболее совершенные профессиональные видеомагнитофоны обладают системами автотрекинга, позволяющими воспроизводить видео с высоким качеством на скоростях, отличающихся от стандартной, позволяя создавать на экране эффекты замедления или ускорения движения. Такие системы получили название динамического трекинга (англ. Dynamic tracking, Dynamic Motion Control) и основаны на подвижном креплении видеоголовок на барабане. Такое крепление позволяет головке перемещаться в направлении, перпендикулярном направлению записи и принудительно удерживает её на видеодорожке. Перемещение головки осуществляется при помощи пьезокерамических пластин, устанавливаемых между барабаном и головкой. На пластины подаётся переменное напряжение, формируемое системой автоматического регулирования на основе величины выходного видеосигнала головки, зависящего от точности её следования по видеодорожке. Кроме возможности воспроизведения на скоростях, отличных от стандартной, автотрекинг позволяет получать видеосигнал вещательного качества и повысить плотность записи, уменьшив или исключив защитный промежуток между видеодорожками. Кроме того, автотрекинг полностью устраняет проблему совместимости видеозаписей с разных видеомагнитофонов.

В табл. 1.2 приводятся основные параметры упомянутых выше четырех форматов бытовой видеозаписи.

Таблица 1.2

Параметры форматов бытовой видеозаписи (50 Гц, 625 строк PAL, SECAM)

1 Іараметр	Форматы бытовой видеозаписи
	VHS	V2000	Betamax	8Vidio
Скорость ленты, мм/с	23,39	24.42	18,73	20.05
Скорость записи, м/с	4,85	5,08	5,83	3,14
Диаметр диска видеоголовок, мм	62	• 65	74.4	40
Угол наклона магнитных строчек	5°56'7"	2°38'	5°	4°53'7"
Ширина строчки записи, мкм	49	22,6	32,5	34,4
Азимутальный угол, град.	±6	± 15	+ 7	± 10
Ширина ленты, мм	12,65	12,65	12,65	8
Ширина поля видеозаписи, мм	10,6	2x4,85	10,6	5,6
Плотность записи, кбит/мм2	40	84	54	90
Расход лепты, м2 /ч	1,07	0,56	0,85	0,58
Размер кассеты, мм	188х 104x25	183х 110x26	155х 94x25	95х 62x14

Наиболее распространенный формат VHS имеет наклонную магнитную строчку записи длиной около 90 мм, на которой записано 313 строк телевизионного изображения. Отсюда понятно, что на одну телевизионную строку приходится около 300 мкм длины магнитной строчки. Поэтому при минимальной длине волны записи около 1 мкм рассчитывать на высокое качество изображения в классическом варианте формата VHS не приходится. Так, четкость изображения по горизонтали находится на уровне 250-300 линий, что вдвое хуже показателя профессионального студийного видеомагнитофона. Тем не менее подавляющее число пользователей это устраивает, ибо возможность посмотреть в домашних условиях любимое кино в любое удобное время и любое число раз компенсирует некоторые потери в качестве изображения. Качество звукового сопровождения в бытовых видеомагнитофонах с продольной записью неподвижными головками также невысокое. Как следует из данных табл. 1.2, скорость движения ленты составляет всего 23 мм/с, что более чем в два раза ниже скорости кассетного звукового магнитофона, который, кстати сказать, тоже не блещет высоким качеством звука.

Во всех форматах бытовой магнитной видеозаписи спектры сигналов, записываемых на ленту, совершенно не похожи на спектры сигналов в профессиональных видеомагнитофонах как по ширине полосы записываемых частот, так и по структуре. Как уже кратко упоминалось выше, в бытовых форматах записывается не композитный цветной видеосигнал, а компонентный. Это значит, что спектр цветоразностных сигналов не должен лежать в области частот, занимаемых сигналом яркости. Надо отметить, что сделать это было очень непросто, так как весь спектр частот, занимаемых видеосигналом бытового видеомагнитофона (включая цвет), пришлось укладывать в диапазон до 5 мГц.

Лекция 10

Упрощенная функциональная схема бытового видеомагнитофона представлена на рис. 1.7. Сигнал на запись может поступать из двух источников – либо по радиочастотному каналу через специальный радиоприемник телевизионных каналов (тюнер), либо в виде видеосигнала и сигнала звука от других источников (другой видеомагнитофон, телекамера). Проследим вначале путь видеосигнала от входа до выхода (запись и последующее воспроизведение). Перед записью видеосигнал, поступивший от любого источника, нормируется по уровню с помощью системы АРУ. Этот сигнал имеет композитную структуру, т. е. цветоразностные сигналы размещены в высокочастотной части спектра сигнала яркости на несущих частотах примерно 4,2 и 4,4 мГц. Поскольку ширина спектра сигнала яркости в бытовом магнитофоне не превышает 3 мГц, подавать на запись полный композитный телевизионный сигнал нельзя, так как цвета будут полностью потеряны.

АРУ (AGC) — процесс, при котором выходной сигнал некоторого устройства, как правило электронного усилителя, автоматически поддерживается постоянным по некоторому параметру (например, амплитуде простого сигнала или мощности сложного сигнала), независимо от амплитуды (мощности) входного сигнала. В аппаратуре, использующейся для прослушивания радиовещательного эфира, АРУ также называют устарелым термином автоматическая регулировка громкости (АРГ), а в приёмниках проводной связи — автоматической регулировкой уровня. В импульсных приёмниках (радиолокационных и других) применяют АРУ, учитывающие особенности работы в импульсном режиме.

Здесь необходимо напомнить о том, что в принятой в России и многих других странах системе цветного телевидения SECAM цветоразностные сигналы «красного» и «синего» передаются в эфир по очереди, через строку телевизионной развертки, а в приемнике перед подачей на кинескоп каждая из них задерживается линией задержки на длительность строки и повторяется тогда, когда в эфире данного цветоразностного сигнала нет. Это вдвое снижает четкость цветопередачи по вертикали, но практически зритель этого не замечает, так как четкость изображения в основном формирует сигнал яркости. Именно он дает окантовку мелких деталей изображения. Кстати, разрешающая способность цветопередачи по горизонтали получается примерно такая же, как и по вертикали, потому что ширина спектра цветоразностных сигналов гораздо меньше ширины спектра сигнала яркости. После нормировки амплитуды видеосигнала в системе АРУ сигнал поступает в блок записи-воспроизведения, где и формируется компонентный видеосигнал с сокращенной шириной спектра, который способен записать и воспроизвести бытовой видеомагнитофон. К структуре блока записи-воспроизведения вернемся несколько позднее, а пока продолжим изучения схемы по рис. 1.7.

Рис. 1.7. Функциональная схема бытового видеомагнитофона

После формирования видеосигнал поступает на запись вращающимися головками через бесконтактный вращающийся трансформатор. Головки Г1 и Г2 – это и есть вращающиеся головки, записывающие на ленту сигнал изображения на наклонные магнитные строчки. Работают головки поочередно, одна записывает один полукадр (телевизионное поле), другая – второй, и получается полный кадр. Поскольку кадры идут со скоростью 25 в 1 с, с такой же скоростью вращается диск магнитных головок, на котором под углом 180° закреплены две видеоголовки, осуществляющие запись 50 магнитных строчек в 1 с. Кроме двух вращающихся головок в схеме имеются еще четыре головки:

ГЗ – головка звука;

Г4 – стирание звука;

Г5 – общее стирание;

Г6 – головка синхронизации.

В режиме записи головки Г4 и Г5, расположенные перед блоком вращающихся головок, стирают старую запись, а головка Г6 записывает по нижнему краю ленты на дорожку синхронизации сигнал с частотой, равной или кратной частоте следования телевизионных полей. Это необходимо для работы систем автоматическою регулирования в режиме воспроизведения, В режиме воспроизведения видеосигнал, считанный с наклонных видеострочек, через бесконтактный вращающийся трансформатор поступает в блок записи-воспроизведения, где после усиления и специальной обработки вновь превращается в композитный видеосигнал. Однако этот видеосигнал существенно отличается от того, который поступал на блок записи-воспроизведения в режиме записи. Это отличие связано с недостаточно широким спектром видеосигнала яркости, который может записывать бытовой видеомагнитофон, что приводит к снижению четкости изображения. С выхода блока записи-воспроизведения видеосигнал может подаваться на выход магнитофона либо непосредственно на видеовход телевизора, либо через УКВ-передатчик, где он модулирует несущую частоту передатчика и превращается в радиосигнал одного из дециметровых каналов, который телевизионный приемник принимает с антенного входа. Что касается канала звука, то здесь ничего нового по сравнению с обычным аудиомагнитофоном нет. Звук пишется по верхнему краю ленты неподвижной головкой с высокочастотным подмагничиванием, этой же головкой считывается и после усиления в блоке записи-воспроизведения подается на выход.

Рис. 1.8. Схема формирования сигнала записи

Теперь подробнее рассмотрим устройство и работу блока записи-воспроизведения. Работу этого блока удобно рассматривать по рис. 1.8, где приводится схема формирования сигнала записи. Стандартный полный телевизионный видеосигнал, пришедший на запись либо с тюнера, либо с профессионального видеомагнитофона высокого качества, поступает на два фильтра – ФНЧ и ПФ1. Фильтр нижних частот ФНЧ, имеющий полосу пропускания около 3 мГц, вырезает из спектра сигнала яркости его низкочастотную часть, не затрагивая сигналы цветности, которые расположены на несущих частотах свыше 4 мГц. Затем этот сигнал поступает в качестве модулирующего на частотный модулятор с несущей частотой 4,4 мГц, в результате чего на выходе частотного модулятора образуется ЧМ-сигнал с шириной спектра примерно от 1,4 до 7,4 мГц. Поскольку бытовой видеомагнитофон данного формата имеет ограничение по верхней записываемой частоте, сигнал пропускается через фильтр ПФ2. В результате получается яркостная составляющая компонентного видеосигнала. Цветовой компонент из полного видеосигнала выделяется полосовым фильтром ПФ1, а затем гетеродинируется вниз по частоте с помощью смесителя и полосового фильтра ПФЗ в диапазон частот 0,3-1,2 мГц. Оба компонента – яркости и цветности – суммируются в сумматоре и подаются на запись в блок вращающихся видеоголовок. Спектральный состав полученного в результате этих преобразований сигнала записи представлен на рис. 1.9. В результате ограничения по спектру частотно-модулированного сигнала яркости большая часть высокочастотных компонентов спектра, лежащих правее несущей частоты, оказывается отрезанной. Как известно из теории сигналов, это приводит к значительной паразитной амплитудной модуляции. В процессе воспроизведения перед подачей сигнала на частотный демодулятор его усиливают, а затем пропускают через амплитудный ограничитель, снимая или сильно ослабляя паразитную амплитудную модуляцию. Однако полностью скомпенсировать потери, нанесенные качеству сигнала яркости, это не может. То же самое можно сказать и о сигнале цветности. Полоса частот, отведенных сигналу цветности в спектре сигнала бытового видеомагнитофона (рис. 1.9), гораздо уже той, что занимают цветоразностные сигналы в спектре полного видеосигнала, выдаваемого телевизионной камерой или профессиональным видеомагнитофоном. Поэтому в бытовом видеомагнитофоне четкость хуже не только по сигналу яркости, но и по сигналу цветности. Все это является естественным следствием того, что полоса записываемых частот бытового видеомагнитофона втрое меньше, чем профессионального.

Рис. 1.9. Спектр видеосигнала бытового видеомагнитофона

. ЦИФРОВЫЕ ВИДЕОМАГНИТОФОНЫ

Как известно, низкочастотный телевизионный видеосигнал, подаваемый на модулятор передатчика, является композитным, т. е. представляет собой результат сложения канала яркости, двух цветоразностных сигналов, а также синхроимпульсов, причем частоты цветоразностных сигналов лежат в пределах спектра сигнала яркости. Из-за строчной структуры телевизионного разложения в спектральной области все они имеют гребенчатую структуру. При этом частоты поднесущих сигналов цветности выбраны так, чтобы спектральные линии сигналов цветности находились между спектральными линиями сигналов яркости. В принципе эти сигналы можно разделить, используя специальные гребенчатые фильтры. Но такие фильтры весьма сложны и дороги и поэтому используются только в профессиональной аппаратуре высокого качества.

Чтобы избавиться от этих недостатков композитного телевизионного сигнала, придумали компонентный видеосигнал, в котором сигнал яркости и оба цветоразностных сигнала разнесены в три независимых канала. Ясно, что такое представление сигнала возможно и желательно, но только до стадии передачи его в эфир на одном из телевизионных каналов, где структура сигнала должна иметь композитную форму. Однако для записи и воспроизведения компонентного телевизионного сигнала в цифровом магнитофоне никаких препятствий нет.

Как и в звуковых цифровых магнитофонах, в цифровых видеомагнитофонах производятся дискретизация и квантование всех трех компонентов телевизионного сигнала. Отличие состоит в том, что частоты дискретизации приходится брать очень высокие из-за широких спектров телевизионных сигналов. Так, в большинстве форматов цифровой видеозаписи частота дискретизации яркостного канала выбрана 13,5 мГц, а для цветоразностного – 6,75 мГц. Если взять, как принято, в качестве условной (базовой для иерархии цифровых стандартов) единицы частоту 3,375 мГц, то частоты дискретизации яркостного и двух цветоразностных сигналов будут находиться в соотношении 4:2:2, которое и дает часто используемое название стандарта. Приведенные выше цифры настраивают на грустные размышления. Ведь по всем трем компонентам видеосигнала в 1 с производится 27 млн отсчетов мгновенных значений, а каждый из них должен быть оцифрован определенным числом бит двоичного сигнала. К счастью, человеческий глаз не так чувствителен к искажениям сигнала, как человеческое ухо, поэтому можно оцифровывать телесигнал 8-битовым кодированием. Но все равно, умножив 27 млн на 8, мы получаем скорость цифрового потока более 200 Мбит/с, и это еще без учета кодирования и сигналов звукового сопровождения телевизионных программ.

Величинам 13,5 и 6,75 мГц кратны частоты развертки стандартов 625/50 и 525/60. Собственно, выбор в качестве базовой именно частоты 3,375 во многом связан с соображениями кратности с частотами строчной развертки двух международных стандартов. Это важно потому, что позволило ввести единый мировой стандарт цифрового кодирования компонентного видеосигнала, при котором в активной части строки содержится 720 отсчетов яркостного сигнала и по 360 – каждого цветоразностного. При 10-битовом кодировании, используемом для лучшего качества изображения, полная скорость передачи цифрового компонентного видеосигнала составляет 10x13,5+10x6,5+10x6,5 = 270 Мбит/с.За 15 лет после создания первого формата цифровой видеозаписи появилось более 20 самых различных форматов. В последнее время их становится все больше – несколько форматов в год. Причина простая – конкуренция, ведь рынок устройств магнитной цифровой видеозаписи еще не стабилизировался, для этого необходимо значительное время. Среди многочисленных форматов есть и профессиональные, и бытовые, с компонентной и композитной записью, а также с различным разрешением по горизонтали и по вертикали телеэкрана.

3.1. ФОРМАТЫ ЦИФРОВОЙ ВИДЕОЗАПИСИ

Формат D1. Первый формат цифровой видеозаписи D1 появился в 1986 г. и был разработан японской фирмой Sony. Запись осуществлялась на магнитную ленту шириной 19,01 мм в варианте 4:2:2. Записи подвергался компонентный видеосигнал. Одно телевизионное поле записывалось на 12 наклонных дорожках, следовательно, запись была сегментная. Даже при наличии на диске четырех головок для записи одного телевизионного поля диск вращающихся головок должен совершить З об., что за 1 с дает 150 об. Магнитные строчки видеозаписи наклонены относительно края ленты на угол 5°24'. На рис. 3.1 показан вид магнитограммы формата D1. Чтобы не загружать рисунок, показана лишь одна наклонная магнитная строчка. Кроме наклонных строчек записи, имеются еще три продольных дорожки – монтажная звуковая дорожка, дорожка управления и дорожка временного кода. Как видно из рис. 3.1, наклонная дорожка состоит из шести секторов, из которых два крайних несут видеоинформацию, а четыре средних — четыре канала звука очень высокого качества. Длина всей строчки записи составляет 170 мм, длина каждого из двух видеосекторов – по 77,7 мм, а каждого звукового сектора – по 2,55 мм. Сигналы изображения кодируются 8-разрядным кодом, при этом скорость цифрового потока составляет 216 Мбит/с. Сигналы звука кодируются 16-разрядным кодом, скорость цифрового потока при этом составляет 3,072 Мбит/с. С учетом сигналов помехоустойчивого кодирования полная скорость цифрового потока составляет 227 Мбит/с.

Рис. 3.1. Магнитограмма формата D1

Магнитная лента размещается в кассетах трех размеров. Время записи на кассету малого размера при толщине ленты 16 мкм составляет 11 мин, средней – 34 мин, а самой большой – 76 мин. При более тонкой ленте 13 мкм время записи соответственно увеличивается и при использовании максимальной кассеты достигает 94 мин, Магнитная лента используется с металлопорошковым покрытием с продольной ориентацией частиц.

Скорость движения ленты составляет 24 см/с при скорости движения головок относительно ленты около 36 м/с. Угол охвата лентой видеодиска составляет 260°.

Данные, записываемые в каждый из шести секторов магнитной дорожки, имеют определенную организацию. Информация, содержащаяся в секторах, состоит из трех блоков – преамбулы, данных фиксированной длины с коррекцией ошибок и постамбулы. Каждая телевизионная строка кодируется посредством 1440 байт, из которых 720 байт соответствуют отсчетам сигнала яркости, а каждый из двух цветоразностных сигналов кодируется посредством 360 байт. В начале строки пишется синхросигнал протяженностью 4 байта. На ленту записывается информация, принадлежащая только активной части строк, причем в четных полях записываются строки 11.. .310, а в нечетных – 324.. .623.

Формат D2. Этот формат был предложен фирмами Атрех и Sony для записи композитного сигнала. Основные данные магнитной ленты и магнитных строчек напоминают формат D1, но, поскольку цветоразностные сигналы отдельно не квантуются, скорость цифрового потока существенно ниже – 154 Мбит/с, а полное телевизионное поле пишется на восьми наклонных дорожках. Этому формату присущи все недостатки композитного телевизионного сигнала изображения, но зато звук у него более высокого качества, так как квантуется 20 битами при частоте дискретизации 48 кГц. Этот формат характеризуется более низкой стоимостью оборудования по сравнению с форматом D1 и позволяет вести ускоренный просмотр в цвете при 60-кратном превышении номинальной скорости воспроизведения.

Формат Digital Betacam. Интерес к его разработке был вызван тем, что в настоящее время самым распространенным и популярным форматом полупрофессиональной аналоговой компонентной записи является формат Betacam и его модификация Betacam SP и накоплено огромное количество записанных в этих форматах телевизионных программ. Разработчики нового цифрового формата решили, что его ввод в эксплуатацию не должен привести к значительным затратам и замене архивов ТВ- программ. Поэтому возможность их воспроизведения на аппаратах нового формата является его большим достоинством. Кроме того, это гарантирует использование комплексов видеожурналистики Betacam SP для съемок в течение их естественного срока службы. Этими соображениями руководствовалась фирма Sony при разработке нового формата компонентной цифровой видеозаписи для телевизионного вещания – Digital Betacam.

Каждое телевизионное поле в формате Digital Betacam записывается на шести наклонных дорожках. Соседние дорожки записываются с азимутальным разворотом головок на ±15° при ширине каждой дорожки всего 24 мкм, что обеспечивает скорость протяжки ленты даже немного меньше, чем в формате Betacam SP. В результате длительность записи на большую кассету достигает 124 мин. Продольные дорожки сигналов временного кода и управления идентичны в двух форматах, а монтажная звуковая дорожка в формате Digital Betacam совпадает с дорожкой второго звукового канала в формате Betacam SP. В формате Digital Betacam записывается четыре канала звука, причем звуковые секторы расположены в середине магнитной дорожки, что обеспечивает их лучшую защиту при возможных повреждениях края ленты.

В формате Digital Betacam используется лента с металлопорошковым покрытием шириной 0,5 дюйма, аналогичная ленте формата Betacam SP.

Скорость вращения барабана вращающихся головок составляет 75 об/с, что вдвое меньше скорости в формате D1. На барабане кроме четырех записывающих головок имеются четыре головки опережающего воспроизведения с динамическим трекингом, четыре головки сквозного воспроизведения и две головки стирания. Запись видеосигнала ведется с временной компрессией 2:1. В канале видеосигнала используется 10-разрядное квантование при частоте дискретизации 13,5 мГц, а цветоразностных – 6,75 мГц. В четырех звуковых каналах при частоте дискретизации 48 кГц применяется 20-битовое квантование, обеспечивающее очень высокое соотношение сигнал/шум.

Лекция 11, 12