Лекция 6 • Цифровая запись. Общие принципы представления сигнала в цифровой форме. Цифровое представление видеосигнала. • Основные протоколы представления: JPEG, MPEG 2 , MPEG-4, MPEG-7 и их модификации, используемые в магнитной записи. • Сжатие сигнала. Принципы сжатия. • Цифровые видеомагнитофоны. Стандарты DVCAM, DVCPro, D-BETACAM, их модификации. • Цифровая запись видеосигнала на дисковые накопители. Пакетное представление сигнала. Файловая запись сигнала. Накопители на жестких дисках (винчестеры), используемые в видеозаписи.
Цифровая запись. Общие принципы представления сигнала в цифровой форме. Цифровое представление видеосигнала. Преимущества цифрового представления видеосигнала: - Помехоустойчивость трактов записи/воспроизведения; - Возможность многократной перезаписи без ухудшения качества; - Уменьшение мощности ТВ-передатчика при передаче сигнала; - Существенное увеличение ТВ - программ, передаваемых в заданной полосе частот (мультиплексы – по 6, 8 и даже до 16 каналов); - Повышение качества изображения и звука; - Реализация систем распознавания, обработки, сжатия, обнаружения; - Создание систем ТВЧ (Full HD TV), объемного ТВ (3 D TV); - Расширение функциональных возможностей студийной аппаратуры при подготовке видеоконтента, обработке и передаче в эфир; - Расширение функциональных возможностей пользователей (оконечного тер- минала): программирование, запись файлов, селекция и много другое; - Передача в ТВ-сигнале дополнительной (сервисной – телетекст и др. ) и другой информации (видео по запросу, охранные системы видеонаблюдения и контроля, IP – сервисы и т. д. , , когда ТВ-приемник – уже МФУ; - Создание интерактивных систем.
Цифровое представление сигналов. Процедура преобразования аналогового сигнала в цифровой включает: - дискретизацию в плоскости изображения x, y (времени t); - квантование дискретной структуры отсчетов по амплитуде; - представление каждого квантованного отсчета в виде кодовой комбинации (n – разрядного двоичного слова). Во временной области дискретизация – это перемножение сигнала s(t) и функции дискретизации δ(t), а в частотной – это операция свертки соответствующих спектров: В приведенной формуле: Fд – спектр дискретизированного сигнала, F(ω) – спектр исходного сигнала, δ(ω - kωд) - функция дискретизации.
Из формулы видно, что преобразованный спектр Fд имеет регулярную (повторяющуюся) структуру с частотой kωд (Рис. 1 б). Чтобы сигнал восстановить, необходим некий фильтр Н(ω) с прямоугольной АЧХ (Рис. 1 в). Тогда на выходе (Рис. 1 г) получим почти исходный. Заштрихованные области на рисунке – результат проникновения боковых гармоник в спектр из-за неидеальности Пфильтра - Н(ω). Если Н(ω) не Const. , То спектр восстановленного сигнала будет: Рис. 1 Спектры исходного (а), дискретизированного (б, г) сигналов и низкочастотного (в) фильтра.
Квантованиие Основная характеристика преобразователя аналогового сигнала в квантованный по уровню является характеристика квантования Sвых = f (Sвх) c равномерным (Рис. 2 а) или неравномерным (Рис. 2 б) квантованием. Рис. 2 Характеристики квантователей видеосигналов. α – шаг квантования; Δs – интервал квантования.
Теорема Котельникова Теоре ма Коте льникова (в англоязычной литературе - теорема Найквиста - Шеннона или теорема отсчётов) гласит, что, если аналоговый сигнал x(t) имеет финитный (ограниченный по ширине) спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой строго большей удвоенной верхней частоты fc : f >2 fc Такая трактовка рассматривает идеальный случай, когда сигнал начался бесконечно давно и никогда не закончится, а также не имеет во временно й характеристике точек разрыва. Именно это подразумевает понятие «спектр, ограниченный частотой fc» . Разумеется, реальные сигналы не обладают такими свойствами, так как они конечны по времени и, обычно, имеют во временно й характеристике разрывы. Соответственно, их спектр бесконечен. В таком случае полное восстановление сигнала невозможно и из теоремы Котельникова вытекают 2 следствия: - Любой аналоговый сигнал может быть восстановлен с какой угодно точностью по своим дискретным отсчётам, взятым с частотой f >2 fc , где fc - максимальная частота, которой ограничен спектр реального сигнала. - Если максимальная частота в сигнале превышает половину частоты дискретизации, то способа восстановить сигнал из дискретного в аналоговый без искажений не существует. где - максимальная скорость передачи; H - ширина полосы пропускания канала, выраженная в Гц; М - количество уровней сигнала, которые используются при передаче. Т. е. бессмысленно сканировать линию чаще, чем удвоена ширина полосы пропускания.
Однако теорема Котельникова Найквиста не учитывает шум в канале, который измеряется как отношение мощности полезного сигнала к мощности шума: S/N. Эта величина измеряется в децибелах: 10 log 10 (S/N) d. B. Например, если отношение S/N равняется 10, то говорят о шуме в 10 d. B если отношение равняется 100, то - 20 d. B. На случай канала с шумом есть теорема Шеннона-Хартли, по которой максимальная скорость передачи данных по каналу с шумом равняется: W = H◦log 2 (1+S/N), бит/сек. Где: W - пропускная способность канала, бит/с; Н - полоса пропускания канала, Гц; S - полная мощность сигнала над полосой пропускания, Вт или H²; N - полная шумовая мощность над полосой пропускания, Вт или Н²; S/N - частное от деления отношения сигнала к его шуму на гауссовский шум, выраженное как отношение мощностей. Здесь не важно количество уровней в сигнале. Эта формула устанавливает теоретический предел, который редко достигается на практике. Например, по каналу с полосой пропускания в 3000 Гц и уровнем шума 30 d. B (это характеристики телефонной линии) нельзя передать данные быстрее, чем со скоростью 30 000 бит/сек.
Шумы квантования Это достаточно серьезная проблема. Используются специальные методы по уменьшению шумов: - компрессия/экспандирование в аналоговом виде с последующей оцифровкой; - нелинейное квантование, т. е. компрессия и экспандирование в цифровой форме непосредственно; - блочное квантование ( подробнее при компрессии). Цифровое представление видеосигнала Очень часто используется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), когда видеосигнал подвергается кодированию в виде последовательности m - ичных кодовых комбинаций. А они представляются в виде двоичных кодовых комбинаций. Вся процедура преобразования сигнала: дискретизация, квантование и представление в виде последовательности 2 -ичных импульсов показана на Рис. 3. Устройства, реализующие такой алгоритм называются АЦП, а обратное преобразование осуществляют ЦАП. При ИКМ в каналах связи достигается хорошая помехоустойчивость, но существенно рас- Рис. 3 Оцифровка сигнала ширяется спектр сигнала, по сравнению с исходным.
Методы цифрового кодирования видеосигналов 1. Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) (PCM) – является базовым методом. Здесь (повторяем) квантованному по времени и амплитуде отсчету на входе соответствует закодированное в цифровую форму слово на выходе (Рис. 3). 2. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ) (DPCM). Здесь каждому цифровому слову на выходе соответствует дискретизированная и квантованная разность между мгновенным значением отсчета и его предсказанным значением (кодирование с предсказанием). 3. Дельта-модуляция. Здесь соответствующее кодовое слово формируется одним кодовым символом, отражающим знак разности между значением элемента изображения и его предсказанным значением. 4. Кодирование с преобразованием. Суть в том, что отсчеты, преобразованные по времени и амплитуде (обычно ИКМ) из временной области переносятся в область преобразования (например, в спектральную). Это дает преимущества в устранении избыточности и упрощает математические процедуры. 5. Специальные методы кодирования. Это сочетание вышеприведенных с учетом особенностей видеосигнала, например, энтропийное кодирование, когда длина слова зависит от частоты появления одинаковых элементов изображения.
На Рис. 4 представлена последовательность операций ИКМ при разрядности 4 (как пример). Преимущества: - Двоичная форма представления информации универсальна для всех операций над сигналами; - низкая чувствительность к шуму, интерференционным помехам; - простота восстановления циф- рового сигнала с помощью реге нерации его формы. Метод ИКМ разработан в 1937 году А. Х. Риверсом. Рис. 4 Принцип импульсно-кодовой модуляции а) – функциональная схема; б) – эпюры сигналов.
Рис. 5 Кодер дифференциальной импульсно-кодовой модуляции s(t) – входной аналоговый сигнал; T – интервал дискретизации по времени; e(t) – разностный сигнал до квантования; eq(n. T) – разностный сигнал после квантования; F(ω) – частотный фильтр. Метод разработан в 1952 году К. Китлером. Предсказание в этой схеме осуществляется вычитанием на входе сигнала после фильтра, т. е из предсказанного значения текущего. Обратное преобразование осуществляет декодер. В нем, наоборот, суммируется предсказанное значение с разностным сигналом и восстанавливается исходный сигнал. Есть много вариантов реализации ДИКМ.
Рис. 6 Структурная схема кодера и декодера дельта-модуляции Т – период дискретизации; К – уровень квантования; β – усилитель с коэффициентом усиления меньше 1. Разработана в 1945 году Е. М. Делорейном. Это частный случай ДИКМ, когда кодирование одноразрядное. Используется при более высоких частотах квантования. К принимает только два значения « 0» или « 1» при положительном разностном сигнале и отрицательном соответственно. К определяет фактически шаг квантования.
Рис. 6 а. Структурная схема дельта-модулятора (а) и форма сигналов (б)
В каждый момент отсчёта сигнал сравнивается на компараторе с пилообразным напряжением от интегратора на каждом шаге дискретизации. Если отсчёт сигнала превышает по амплитуде пилообразное напряжение, то последнее нарастает до следующей точки дискретизации, в противном случае оно спадает. В простейшей системе наклон пилообразного напряжения сохраняется неизменным на всём протяжении процесса. Полученный бинарный сигнал можно рассматривать как производную от пилообразного напряжения. Выбирая достаточно малым значение шага Δ, можно получить любую заданную точность представления сигнала. Фактически, дельта-модуляция представляет собой разновидность - импульснокодовой модуляции (ИКМ), в которой число уровней квантования равно двум. При ДМ по каналу связи передаётся не абсолютное значение сигнала, а разность между исходным аналоговым сигналом и аппроксимирующим напряжением (сигнал ошибки). По сравнению со своими вечными конкурентами, ИКМ и АДИКМ, дельта-модуляция характеризуется меньшей сложностью технической реализации, более высокими помехозащищённостью и гибкостью изменения скорости передачи. Пилообразное напряжение можно восстановить из бинарного сигнала путём интегрирования, а более гладкая апроксимация достигается последующим пропусканием сигнала через фильтр нижних частот. Скорость передачи цифровых кодов, необходимую для получения заданного качества, можно значительно уменьшить, используя, например, линейное кодирование с предсказанием.
Кодирование с преобразованием. Для цифровой обработки и передачи видеосигналов в ИКМ системе необходима скорость передачи в 100 -140 Мбит/с. Это очень много. Методы эффективного кодирования основаны на сокращении объемов психофизиологической и статистической избыточности составляющих видеоинформации. В кодировании с преобразованием осуществляется сокращение этой избыточности на основе преобразования видеоинформации из временной области в частотную (спектральную) (ортогональные преобразования). В общем случае – это 3 -х мерные преобразования. Но чаще всего 2 -х мерные по фрагментам изображения M x N и 1 -мерные по N элементам по строке. Обычно – это линейные ортогональные преобразования: Карунена-Лоэва (статистические свойства), Хаара, дискретное преобразование Фурье (ДПФ), БПФ (например, алгоритм Кули-Тьюки), дискретное косинусное преобразование (ДКП) (DCT), БДКП, преобразование Уолша-Адамара (устранение избыточности), S – преобразование и т. д. когда не учитываются почти статистические свойства видеоизображения, обобщенная фильтрация Винера. Линейные преобразования можно осуществить и с непрерывным и с дискретным сигналом – будет интегральная или матричная формы записи.
Эффективность преобразований - Сигналы ступенчатой (пилообразной) формы эффективнее преобразуются при S-преобразовании; - Сигналы выпуклой и вогнутой формы – посредством ДКП и S-преобр. ; - Синусоидальные сигналы – эффективнее преобразуются ДКП. Рис. 7 Структурная схема системы кодирования с преобразованием s(i, j) – дискретные сигналы блока Nx. N; F(u, ν) – коэффициенты двумерного унитарного преобразования; s(F) – спектральные коэффициенты. - с «титлом» сверху - после обратного преобразования.
Форматы видеопотоков Cinepak Div. X — Digital Video Express DV — Digital Video H. 263 — стандарт кодирования видео для видеоконференций H. 264, AVC, MPEG-4 Part 10 — Advanced Video Codec (стандарт ISO/IEC 14496 -10) Huff. YUV Indeo 3 MJPEG — Motion JPEG MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 — семейство форматов Mpotion Picture Engeneering Group Real. Video Theora VP 3, VP 4, VP 5, VP 6, VP 7, VP 8 — On 2 True. Motion VC-1 — Video Codec 1 WMV — Windows Media Video Xvi. D
Контейнеры Так сложилось, что некоторые контейнеры могут представлять видеопоток только в определенном формате. Это «именные» файл - контейнеры. К контейнерам видеопотоков можно отнести следующие форматы файлов: avi — Audio Video Interleave divx — Div. X Media Format flv — Flash Video m 1 v — MPEG 1 Video m 2 v, m 2 p — MPEG 2 Video, MPEG 2 Program Stream m 4 v, mp 4 — MPEG 4 Video, MPEG 4 Program Stream mkv — Matroska Video mov — Apple Quick Time Movie mpg — MPEG 1/2/4 Video rm, rmvb — Real. Video ts, tp, trp, m 2 ts, mts, vob — MPEG 2 Video транспорт для оптических носителей CD/DVD/BD wmv — Windows Media Video
Основные протоколы сжатия видеоизображений Все форматы сжатия семейства MPEG (MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, MPEG 7) используют высокую избыточность информации в изображениях, разделенных малым интервалом времени. Между двумя соседними кадрами обычно изменяется только малая часть сцены – например, происходит плавное смещение небольшого объекта на фоне фиксированного заднего плана. В этом случае полная информация о сцене сохраняется выборочно – только для опорных изображений. Для остальных кадров передается разностная информация: о положении объекта, направлении и величине его смещения, о новых элементах фона, открывающихся за объектом по мере его движения. Причем эти разности можно формировать не только по сравнению с предыдущими изображениями, но и с последующими (поскольку именно в них по мере движения объекта открывается ранее скрытая часть фона). Объем информации сокращают следующим образом: - Устраняется временная избыточность видео (учитывается только разностная информация); - Устраняется пространственная избыточность изображений путем подавления мелких деталей сцены; - Устраняется часть информации о цветности; - Повышается информационная плотность результирующего цифрового потока путем выбора оптимального математического кода для его описания.
Форматы сжатия MPEG сжимают только опорные кадры – I-кадры (Intra frame – внутренний кадр). В промежутки между ними включаются кадры, содержащие только изменения между двумя соседними I-кадрами – P-кадры (Predicted frame – прогнозируемый кадр). Для того чтобы сократить потери информации между I-кадром и P-кадром, вводятся так называемые B-кадры (Bidirectional frame – двунаправленный кадр). В них содержится информация, которая берется из предшествующего и последующего кадров. При кодировании в форматах сжатия MPEG формируется цепочка кадров разных типов. Типичная последовательность кадров выглядит следующим образом: IBBPBBIBB… Соответственно, последовательность кадров в соответствии с их номерами будет воспроизводиться в следующем порядке: 1423765…
JPEG Это один из наиболее эффективных и употребительных методов сжатия неподвижных изображений. Изложен в ISO стандарте JPEG (Joint Photographic Experts Group). Относится к методам сжатия изображений с потерями и используется в основном при записи неподвижных изображений для экономии объема ЗУ. Обычно он позволяет уменьшить объем информации в 5 -10 раз без заметного ухудшения визуально воспринимаемого качества. Последовательность операций: - Разбиение изображения на блоки по 8 х8 пикселов; - Выполнение БДКП в каждом блоке; - Квантование полученных коэффициентов ДКП с использованием таблицы коэффициентов квантования (таблица Q); - Энтропийное кодирование квантованных коэффициентов ДКП каждого блока изображения (кодер Хаффмана). Метод JPEG реализуется обычно программными средствами на РС. Основные области применения: - Архивирование изображений на магнитных и оптических дисках; - Передача неподвижных изображений по каналам связи (Internet, GSM и пр. ); - Запись отснятых кадров с электронных фотокамер. JPEG может использоваться и для сжатия подвижных изображений (покадровый режим). Это Motion JPEG. В основном – при студийной работе. Существует JPEG без потерь (Loseless JPEG), основанный на кодировании с предсказанием по соседним элементам.
Форматы сжатия видео изображения MPEG 1 и MPEG 2 Формат сжатия MPEG 1 используется в основном при записи видеопрограмм на компакт-диски. Был утвержден в 1993 году. Стандарт MPEG 2 предназначен для телевизионного вещания. Был принят в 1994 году. Принцип работы: Сначала форматы сжатия MPEG 1 и MPEG 2 разбивают опорные кадры изображения на несколько равных блоков, над которыми затем производится дискетное косинусное преобразование ДКП (DCT). По сравнению с MPEG 1, формат сжатия MPEG 2 обеспечивает лучшее разрешение изображения при более высокой скорости передачи видео данных за счет использования новых алгоритмов сжатия и удаления избыточной информации, а также кодирования выходного потока данных. Формат сжатия MPEG 2 дает возможность выбора уровня сжатия за счет точности квантования. Для видео с разрешением 352 х288 пикселей формат сжатия MPEG 1 обеспечивает скорость передачи 1, 2 – 3 Мбит/с, а MPEG 2 – до 4 Мбит/с. Формат сжатия MPEG 2 обладает следующими преимуществами: Как и JPEG 2000, формат сжатия MPEG 2 обеспечивает масштабируемость различных уровней качества изображения в одном видеопотоке. При этом точность векторов движения увеличена до 1/2 пикселя. Можно выбрать произвольную точность ДКП. В MPEG 2 включены дополнительные режимы прогнозирования.
Уровни и профили MPEG-2: - Low (352 x 280 элементов) – уровень телевидения пониженной четкости (видео телефоны, видеоконференции); - Main (720 x 576 элементов) – уровень телевидения обычного разрешения; - High-1440 (1440 x 1152 элементов) – уровень телевидения высокого разреше ния с форматом экрана 4: 3; - High (1920 x 1152 элементов) – уровень телевидения высокого разрешения с форматом экрана 16: 9. Степень сжатия. В MPEG-2 за исходную скорость можно взять 216 Мбит/с. Это соответствует формату дискретизации 4: 2: 2. При переходе к 4: 2: 0 (обычное качество) поток падает до 162 Мбит/с. Как правило, в студиях сжимают до скорости 9 Мбит/с. , т. е. в в 18 раз. А если до обычного PAL изображения, то поток уже 4… 5 Мбит/с. , те. в 30… 40 раз. Для качества типа VHS достигается 1, 5 Мбит/с и сжатие более чем в 100 раз.
MPEG 4 Начало работ по этому проекту – июль 1993 года, а рабочий проект закончен в ноябре 1996. В 1999 году появилась вторая версия. Назначение: - Цифровое телевидение и видеозапись; - Интерактивная графика, синтез изображений; - Интерактивные мультимедийные приложения, в т. ч и для Интернет. MPEG-4 использует технологию фрактального сжатия изображений. Фрактальное (контурно-основанное) сжатие подразумевает выделение из изображения контуров и текстур объектов. Контуры представляются в виде т. н. сплайнов (полиномиальных функций) и кодируются опорными точками. Текстуры могут быть представлены в качестве коэффициентов пространственного частотного преобразования (например, ДКП или вейвлет - преобразования). Диапазон скоростей передачи данных, который поддерживает формат MPEG-4, гораздо шире, чем в MPEG-1 и MPEG-2. MPEG-4 поддерживает широкий набор стандартов и значений скорости передачи данных. MPEG-4 включает в себя методы прогрессивного и чересстрочного сканирования и поддерживает произвольные значения пространственного разрешения и скорости передачи данных в диапазоне от 5 кбит/с до 10 Мбит/с. В MPEG 4 усовершенствован алгоритм сжатия, качество и эффективность которого повышены при всех поддерживаемых значениях скорости передачи данных.
MPEG 7 В октябре 1996 года группа MPEG приступила к разработке формата сжатия MPEG 7. Он получил название Multimedia Content Description Interface. MPEG 7 предназначен для описания мультимедийных данных, представленных в любой форме (в том числе в аналоговой) и не зависит от среды передачи данных. В отличие от предыдущих стандартов, MPEG-7 стандартизирует некоторые элементы, которые должны поддерживаться как можно большим количеством приложений. Формат сжатия MPEG 7 использует многоуровневую структуру описания аудио и видео информации. На высшем уровне прописываются свойства файла, такие как название, имя создателя, дата создания и т. д. На следующем уровне описания MPEG 7 указывает особенности сжимаемой аудио или видео информации – цвет, текстура, тон или скорость. Одной из отличительных особенностей MPEG 7 является его способность к определению типа сжимаемой информации. Если это аудио или видео файл, то он сначала сжимается с помощью алгоритмов MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, а затем описывается при помощи MPEG 7. Основное преимущество MPEG 7 состоит в применении уникальных дескрипторов и схем описания, которые делают возможным автоматическое выделение информации как по общим, так и по семантическим признакам.
MPEG-21 Формат сжатия MPEG-21 - "Система мультимедийных средств" (Multimedia Framework), разрабатывается с июня 2000 года. На первых этапах планировалось провести расширение, унификацию и объединение форматов MPEG 4 и MPEG 7 в единую обобщающую структуру. Рекомендации Н. 261, Н. 262, Н. 263 Рекомендация Н. 261 принята в 1993 году. Определяет методы кодирования/ декодирования видеосигналов для передачи по узкополосных цифровым каналам связи с υ = n*64 кбит/с. , где п = 1… 30. В основном – для РС связи. Изображения могут быть в формате CIF (352 x 288) или QCIF (176 x 144). Формат дискретизации 4: 2: 0, т. е. разрешение по цвету в 2 раза меньше и по вертикали и по горизонтали. Развертка прогрессивная 29, 97 Гц, возможно снижение до 15, 1 и даже до 7, 5 Гц. Методы сжатия схожи с применяемыми в MPEG-1 и в MPEG-2. Рекомендация Н. 263 принята в 1996 году. Является развитием Рекомендации Н. 261. Дополнена : - Кроме форматов CIF и QCIF могут использованы SQCIF, 4 CIF, 16 CIF; - Векторы движения определяются до ½ пикселя; - Допускается использование В кадров; - Более совершенное кодирование с переменной длиной кодовых слов. Рекомендация Н. 262 принята в 1995 году. Более широкая, чем 261 и 263 и почти совпадает со стандартом MPEG-2. Может использоваться не только для систем видеосвязи, но и для передачи программ ТВ вещания.
Методы сжатия для мультимедиа Cell – предложен компанией Sun Microsystems. Имеет два варианта: Cell. A и Cell. B. Изображение делится на ячейки (cell) по 4 х4 пикселов. Коэффициент сжатия – 12: 1. NV (Network Video) – предложен подразделением PARC компании Xerox. Часто используется для видеоконференции. Особенность в том, что сжимаются только значимые изменения с использованием ДПФ, либо преобразований Хаара. Сжатие до 20: 1. Indeo – разработан фирмой Intel. Основан на предсказании текущего кадра по предыдущему. Сжатие по методу FST (Fast Slant Transform) - быстрое наклонное преобразование. Степень сжатия составляет 1, 7: 1.
Цифровые видеомагнитофоны. Стандарты Ограничения по полосе пропускания тракта цифровой записи Если в аналоговом видеомагнитофоне для записи видеосигнала с полосой в 6, 5 МГц требуется записывать ЧМ сигнал с полосой около 12 МГц, то в цифровом, если писать напрямую, требуется полоса уже в 120 МГц. Это просто нереально! Поэтому и используются различные методы сжатия, вплоть до нескольких МГц. Канальное кодирование - Простой двоичный код записать на ленту напрямую сложно, т. к. в цифровом потоке нет строчных и кадровых синхроимпульсов (как в аналоговом). Необходимо вводить импульсы синхронизации и сам код приводить к некоторой однородности. - Запись без возврата к нулю (БВН); - Скремблирование (скремблер/дескремблер); - Маскирование ошибок и коррекция ошибок.
Основные параметры форматов цифровой видеозаписи
Основные параметры систем передачи ТВ изображения
-композитный сигнал - по одному каналу передаётся вся информация о видео изображении (за исключением фонограммы при низкочастотном подключении). -композитная запись - на одну дорожку носителя пишутся все составляющие видео сигнала (за исключением фонограммы). -компонентный Y/C сигнал - яркостная (Y) и цветовая (C = Cr + Cb = [R-Y]+[B-Y]) составляющая передаются по раздельным каналам. -компонентная Y/C запись - яркостная (Y) и цветовая (C = Cr + Cb = [R-Y]+[B-Y]) составляющая пишутся на раздельные дорожки носителя. -компонентный YUV сигнал - яркостная (Y) и раздельно цветоразностные подне сущие (U=Cr=R-Y и V=Cb=B-Y) передаются по раздельным каналам. -компонентная YUV запись - яркостная (Y) и раздельно цветоразностные подне сущие (U=Cr=R-Y и V=Cb=B-Y) пишутся на раздельные дорожки носителя. -дискретизация 4: 4: 4 - частота дискретизации цветоразностных сигналов совпадает с частотой дискретизации яркостного сигнала. -дискретизация 4: 2: 2 - частота дискретизации цветоразностных сигналов в 2 раза ниже частоты дискретизации яркостного сигнала (пропуск каждого чётного отсчёта). -дискретизация 4: 1: 1 - частота дискретизации цветоразностных сигналов в 4 раза ниже частоты дискретизации яркостного сигнала (выборка на каждый четвёртый отсчёт). -дискретизация 4: 2: 0 - частота дискретизации цветоразностных сигналов в четыре раза ниже частоты дискретизации яркостного сигнала, при этом пропускаются каждый второй отсчёт вдоль строки и цветовая информация распределена по парам строк (нельзя восстановить 1 -ую строку из пары, не прочитав вторую).
Рис. 8 Структурная схема цифрового видеомагнитофона формата D 2 АЦП – аналого-цифровой преобразователь; Кд – кодер помехоустойчивого кодирования; Ск – скремблер; СГ – синхрогенератор; БЗУ 1 и БЗУ 2 - буферные запоминающие устройства ввода синхроимпульсов и сжатия; К 1 и К 2 – коммутаторы; КК – канальный кодер (цифровой модулятор); УЗ – усилитель записи; У – усилитель тракта воспроизведения; Дк – декодер; Дс – дескремблер (преобразователь канального кода в исходную структуру сигнала); БЗУ 1 и БЗУ 2 – БЗУ восстановления исходной скорости передачи сигнала; К 3 и К 4 – коммутаторы переключения БЗУ последовательно; ГТИ – генератор тактовых импульсов с тактовой частотой fт; Дк. КК – декодер корректирующего кода (корректор ошибок); ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь.
D 1 Цифровой формат, разработан фирмой Sony и утвержден МККР в 1986 году. Запись осуществляется на магнитную ленту шириной ¾ дюйма (19, 01 мм) в соответствии со стандартом CCIR 601 в варианте 4: 2: 2. Запись видео- и аудиосигналов сегментная, четырехканальная; скорость движения ленты - 286, 9 мм/с. Одно телевизионное поле записывается на 12 наклонных дорожках шириной 30 мкм. Кроме наклонных дорожек имеются 3 продольные - монтажная звуковая дорожка, дорожка управления и дорожка временного кода. В центре наклонных дорожек для записи видеоданных размещены 4 сектора с сигналами звука. Запись производится на кассеты трех размеров, которые обеспечивают 11, 34, 76 минут непрерывной записи при толщине ленты 16 мкм. При меньшей толщине ленты длительность записи, соответственно, увеличивается. Этот формат один из наилучших для студийной работы, так как используется компонентный сигнал, сохраняется полная полоса частот сигналов, которая позволяет делать высококачественные плавные переходы в рир -проекции, обеспечивается высокое качество при копировании и монтаже. Оборудование формата D 1 можно подсоединять без дополнительного транскодирования почти ко всем системам цифровых видеоэффектов, кинотелепреобразователям, дисковым запоминающим устройствам и т. п.
D 2 Формат D 2 был предложен фирмами Ampex и Sony для обработки, записи и воспроизведения композитного сигнала стандартов PAL и NTSC. Запись сигнала производится на ¾ дюйма (19, 01 мм) металлопорошковую ленту, упакованную в кассеты трех видов: малые, средние и большие. Способ записи наклонно-строчный сегментированный. Одно телевизионное поле записывается на 8 -ми дорожках шириной 35 мкм. Уровневое квантование - 8 бит. Частота дискретизации аудиосигнала - 48 к. Гц, квантование - 20 бит. Записываемый цифровой поток достигает 154 Мбит/с. Кроме наклонных дорожек имеются 3 продольные - управления, монтажная звуковая, дорожка временного кода. Звуковые сектора располагаются в начале и конце программных строчек. D 2 характеризуется более низкой стоимостью оборудования по сравнению с аппаратурой формата D 1, способностью воспроизведения изображения в широком интервале скоростей и его просмотре в цвете при 60 -кратном превышении номинальной скорости и возможностью многократной перезаписи с минимальными потерями качества.
D 3 Формат D 3 цифровой видеозаписи на полудюймовую ленту разработан мощной вещательной корпорацией NHK в 1991 году, и его аппаратурная реализация стали значительным достижением фирмы Panasonic. Оборудование D 3 работает с композитными 8 -битовыми видеосигналами стандартов PAL и NTSC. Видеофонограмма примерно такая же, как и у формата D 2, разница только в числовых характеристиках. Так ширина наклонных дорожек составляет 18 мкм, общая длина программной дорожки - 117. 71 мм, а видеосектора - 108. 9 мм, угол наклона дорожек - 4. 9 градуса. Дорожка временного кода примыкает к нижнему краю наклонных дорожек. Длительность записи на одну кассету D 3 - от 50 до 245 минут. Характеристики оборудования в целом такие же, как в D 2. Благодаря использованию полудюймовой ленты (12, 65 мм) создана полная линейка оборудования формата D 3, обеспечивающая студийное и внестудийное производство, репортажные съемки, запись, монтаж и выдачу программ в эфир, все этапы которых выполняются в едином стандарте. При этом расход ленты оказался в два раза меньше, чем у 19 мм композитных форматов. Плотность записи - 13. 7 Мбит на квадратный сантиметр. При заметно более низкой стоимости и массе аппаратура формата D 3 не уступает по функциональным возможностям, качеству сигнала и защите от ошибок аппаратам форматов D 1 и D 2. Впервые стал возможен режим предварительного чтения (Pre-read), при котором один и тот же аппарат используется и как источник сигнала, и как мастер, т. е. можно проводить на 2 -х аппаратах монтаж, рассчитанный на 3 аппарата.
D 5 Оборудование компонентного формата D 5 использует те же кассеты, что и D 3, т. е. с полудюймовой лентой (12, 65 мм), но составляющие цветового сигнала снимаются с изображения в соответствии с рекомендациями для 10 битовой записи, изложенными в документе CCIR 601, который распространяется на цветоразностные цифровые и RGB-сигналы, определяет уровни и частоты квантования, матрицирование RGB/Y, R-Y, B-Y и характеристики фильтров. Видеофонограмма такая же, как и у D 3, только видеодорожки сдвоенные, т. к. сигнал в D 5 компонентный. Записываемый цифровой поток составляет 270 Мбит/с. Используется металлопорошковая лента шириной 12. 65 мм в такой же кассете, как и у D 3. Продолжительность записи в зависимости от величины кассеты составляет - 32, 62, 132 минуты. Видеомагнитофоны D 5 имеют встроенные декодеры и могут воспроизводить запись с ленты формата D 3, а также выдавать на линейный выход составляющие цвета. Имеют возможность формировать изображение как в формате растра 4: 3, так и в широкоэкранном формате 16: 9. Т. к цифровая запись ведется без компрессии сигнала, формат D 5 обладает всеми преимуществами D 1 и дает абсолютное качество изображения. Данный формат пригоден и для ТВЧ (телевидение высокой четкости) с компрессией сигнала 4: 1. Формат D 5 обеспечивает "прозрачную запись" сигнала в цифровом стандарте 4: 2: 2 при 8 и 10 -битовом квантовании при его многоступенчатой обработке. Видеомагнитофоны D 5 фирмы Panasonic установлены во многих известных телестудиях по всему миру.
D 6 Цифровой широкополосный формат D 6 разработан фирмами Toshiba и BTS в 1993 году специально для записи цифровых сигналов ТВЧ с соотношением сторон изображения 16: 9. Он рассчитан на исключительно высокую пропускную способность до 1, 2 Гбит/с. Первый видеомагнитофон формата D 6 - DCR 6000 фирма BTS выпустила в 1994 году. Он позволяет записывать цифровые сигналы ТВЧ обоих стандартов 1250/50/2: 1 и 1125/60/2: 1 на кассету с ¾ дюймовой (19, 01 мм) лентой наклонно-строчным способом в виде блоков цифровых данных. В каждом блоке находятся данные о видеосигнале и звуке, вспомогательной и служебной информации, а также содержится запись параметров и местоположения специальных зазоров, облегчающих монтажные операции. Запись производится на металлопорошковую ленту улучшенного качества толщиной 11 мкм. Шаг дорожки записи - 21 мкм, угол наклона дорожек - +/-15 градусов. Продолжительность записи в зависимости от величины кассеты составляет 8, 28, 64 минуты. Отличительной чертой аппаратуры D 6 является невероятно эффективная встроенная система коррекции ошибок. При вероятности появления сбоев на ленте (обусловленных системой лентаголовка) не более 4 х10 -4, выходной сигнал с аппаратуры D 6 может содержать битовые ошибки, но их вероятность появления не превышает 10 -11.
Digital Betacam Этот цифровой формат видеозаписи был разработан фирмой Sony. Для записи используется та же полудюймовая лента (12, 65 мм), что и в аппаратах Betacam SP. Имеются продольные дорожки управления, режиссерская и временного кода. Все видео- и аудиосигналы записываются сегментным наклонно-строчным способом. Каждое телевизионное поле записывается на 6 ти наклонных дорожках. Соседние дорожки записываются с азимутальным разворотом рабочих зазоров видеоголовок на +/- 15 градусов. Записываемый цифровой поток составляет 125. 58 Мбит/с. Digital Betacam обеспечивает запись 10 -битного компонентного цифрового сигнала с соотношением частот дискретизации 4: 2: 2 для сигналов яркости и цветности. Поддерживаются 4 канала звукового сопровождения, частота дискретизации аудиосигнала 48 к. Гц при 20 -битном квантовании. Миникассеты Digital Betacam обеспечивают 40 минут цифровой записи, а большие - более 2 -х часов. В системе Digital Betacam используется очень эффективный способ обработки информации - BRR (уменьшение скорости потока данных). Благодаря этому одно и тоже количество видеоинформации может быть представлено меньшим объемом данных, чем раньше. Способ компрессии сигнала внутриполевой (intraframe) с использованием дискретного косинусного преобразования (DCT), коэффициент компрессии сигнала - 2: 1. Имеется мощная система коррекции и маскирования ошибок.
Рис. 9 Видеофонограмма формата Digital BETACAM
Betacam SX Видеоформат фирмы Sony, который обеспечивает запись 8 -битных компонентных цифровых видеосигналов с соотношением частот дискретизации 4: 2: 2 для сигналов яркости и цветности. Поддерживает 4 канала цифрового звука (16 бит/48 к. Гц). Схема сжатия, используемая в Betacam SX, основана на алгоритме 4: 2: 2 P@ML стандарта MPEG 2 с коэффициентом компрессии 10: 1. Поток видеоданных составляет 18 Мбит/с. Запись производится на полудюймовую (12. 65 мм) металлопорошковую ленту. Максимальное время записи - 184 минуты на кассету типа L и 60 минут на кассету типа S. Формат Betacam SX обеспечивает вещательное качество изображения от съемки до компоновки программ. Оборудование этого формата позволяет монтировать материал прямо на месте и передавать его с высокой скоростью без потери качества. При переносе видеоматериалов между аппаратами формата Betacam SX используется последовательный цифровой интерфейс SDDI (последовательный цифровой интерфейс передачи данных), обеспечивающий четырехкратную скорость передачи, с аппаратурой цифровых форматов используется интерфейс SDI (последовательный цифровой интерфейс). Оборудование Betacam SX совместимо с аналоговой аппаратурой форматов Betacam, Betacam SP.
Рис. 10 Видеофонограмма формата BETACAM SX
D 9 (Digital-S) Bидеоформат, предложенный фирмой JVC, обеспечивает запись 8 -битных компонентных сигналов с соотношением частот дискретизации 4: 2: 2 для сигналов яркости и цветности. Скорость передачи данных - 50 Мбит/с. Для сжатия применяется алгоритм внутрикадрового сжатия (intraframe), использующий метод дискретного косинусного преобразования (DCT). Маленький коэффициент компрессии 3. 3: 1 обеспечивает отсутствие каких-либо искажений сигнала, благодаря чему максимально сохраняется вся информация. Кассеты обеспечивают запись до 120 минут видеопрограмм. Полудюймовая (12. 65 мм) лента дала возможность использовать существующие проверенные высоконадежные лентопротяжные механизмы, записывать широкие наклонные дорожки с данными (видео, аудио, субкод), записывать 2 линейные аудиодорожки (вспомогательные) и дорожку управления. Каждый видеокадр записывается на 12 -ти наклонных дорожках (PAL) шириной 20 мкм и углом наклона 5. 96 градусов. Скорость лента-головка - 14. 5 м/с, скорость движения ленты - 57. 8 мм/с. Имеется полная линейка аппаратов Digital-S, включая систему нелинейного монтажа MW-S 1000. Монтажный видеомагнитофон BR-D 85 E обладает функцией предварительного чтения (Pre-read). Возможно воспроизведение кассет S-VHS на аппаратуре Digital-S.
Рис. 11 Видеофонограмма формата Digital S
DV Это бытовой формат цифровой компонентной видеозаписи с обработкой по стандарту 4: 2: 0 (PAL) и 4: 1: 1 (NTSC) на 1/4 -дюймовую (6. 35 мм) ленту с напылением металла. Этот формат разработан консорциумом DV, объединившим основных производителей бытовой аппаратуры. Каждый кадр располагается на 12 -ти наклонных дорожках шириной 10 мкм. На наклонные дорожки записывается видео/аудиоданные, субкод, служебные данные (ITI - Insert and Track Information). Часть области субкода используется для записи вспомогательных данных и сигналов временных кодов: линейного LTC и полевого VITC. Продольных дорожек нет. Применяется алгоритм внутрикадрового сжатия, использующий метод DCT. Коэффициент компрессии - 5: 1. Обеспечивается разрешение по горизонтали - 500 твл. В DV предусмотрена специальная схема исправления и маскирования ошибок. Кассеты, записанные в формате DV, могут воспроизводиться на некоторых моделях аппаратов форматов DVCPRO и DVCAM. Для передачи данных в оборудовании этого формата предусмотрен универсальный последовательный интерфейс IEEE 1394, позволяющий переносить цифровые файлы напрямую на жесткий диск компьютера.
Mini DV Цифровой полупрофессиональный формат, созданный за счет упрощения и, как следствие, удешевления профессионального формата DV. Использует специальные кассеты mini DV (ширина ленты - 6, 35 мм, скорость - 18, 831 мм/с), которые воспроизводятся либо с камеры, либо на специальном цифровом видеомагнитофоне. Продолжительность записи на одну кассету - 60 минут SP (90 минут LP). Разрешение изображения - до 540 линий по горизонтали. Стереозвук качества CD (PCM stereo - 48 к. Гц/16 бит/2 канала или 32 к. Гц /12 бит/ 4 канала). Нелинейный (цифровой) монтаж. Мультимедийный интерфейс: запись с аналоговой в цифровую и наоборот, с компьютера/на компьютер, через параллельный порт (RS 232 C), через i. LINK (IEEE 1394), через скоростной USB-интерфейс, а также на карты памяти (до 128 Mb). В старших дорогих моделях применяются профессиональные объективы, трехматричные и мегапиксельные ПЗС, оптические стабилизаторы изображения и новейшие технологии. В mini DV видеокамерах развивается функция цифровой фотосъемки - т. е. сохранение стоп-кадров. Многие видеокамеры уже превысили первоначальный режим VGA (640 x 480), достигая разрешения 1600 х1200 и выше, резко повысили полноту стоп-кадра ПЗС-матрицы с прогрессивным сканированием и мегапиксельные ПЗС-матрицы достигшие 1, 5 млн. пикселей. Цифровые камкодеры догоняют качественные фотокамеры. Формат mini DV предоставляет наилучшее качество изображения и звука, доступное любителям. На стандарте mini DV сошлись практически все ведущие производители электроники. Поэтому камеры mini DV производили все: Sony, Panasonic, Canon, JVC, Samsung и Thomson.
D 7 (DVCPRO) Формат видеозаписи, предложенный фирмой Panasonic, использующий для записи цифрового компонентного видеосигнала с обработкой по стандарту 4: 1: 1 металлопорошковую ленту шириной 1/4" (6. 35 мм). Каждый кадр изображения записывается на 10 -ти дорожках для стандарта NTSC (525/60) или 12 -ти дорожках для стандарта PAL (625/50) шириной 18 мкм. Имеются две продольные дорожки - режиссерская (монтажная) и управляющая. Применяется алгоритм внутрикадрового сжатия, использующий метод DCT. Коэффициент компрессии 5: 1. Для передачи материала с увеличенной в 4 раза скоростью используется интерфейс CSDI (последовательный цифровой интерфейс для передачи сжатых данных). DVCPRO-50 Формат видеозаписи фирмы Panasonic. Характеризуется скоростью передачи данных 50 Мбит/с, обработкой сигнала по стандарту 4: 2: 2, четырьмя несжатыми каналами звука 16 бит/48 к. Гц. Для записи одного кадра используются 24 наклонные дорожки. Имеются 2 продольные дорожки - режиссерская (монтажная) и управления. Здесь предусмотрен способ внутрикадрового сжатия с коэффициентом компрессии 3. 3: 1. Возможен покадровый монтаж. Скорость движения ленты по сравнению с DVCPRO в 2 раза больше - 67. 626 мм/с. Время записи на 1/4" кассеты DVCPRO 50 - 61. 5 и 31. 5 минут. Совместим с форматом DVCPRO.
DVCAM Формат видеозаписи фирмы Sony. Этот формат разработан для записи компонентного цифрового сигнала на 1/4" ленту с металлическим напылением с обработкой по стандарту 4: 2: 0 (PAL) и 4: 1: 1 (NTSC). Видеофонограмма аналогична формату DV. Каждый кадр записывается на 12 (PAL) наклонных дорожках шириной 15 мкм. На наклонных дорожках записывается видео/аудио-сигнал, субкод, служебные данные (ITI). Благодаря ITI и временному коду, который записывается в области субкода, удается достичь высокой точности в процессе монтажа. Применяется алгоритм внутрикадрового сжатия, использующий метод DCT. Для оптимизации работы предусмотрена функция Clip. Link. Для передачи данных между аппаратами формата DVCAM используется интерфейс QSDI (четырехкратный последовательный цифровой интерфейс), обеспечивающий четырехкратную скорость передачи данных. В некоторых аппаратах DVCAM используется компьютерный интерфейс IEEE-1394 (i. LINK).
Рис. 12 Видеофонограмма формата DVCAM
Цифровая запись видеосигнала на дисковые накопители Пакетное представление сигнала. Одна из доминирующих тенденций в развитии видеотехники - слияние с информатикой, использование компьютерных технологий. В основе такого функционирования лежат методы пакетной передачи и коммутации, использующие простую идею представления любого вида информации (данные, изображения, речь, звук, служебные и управляющие посылки и т. д. ) в виде цифровой последовательности и последующего членения этой последовательности на «кванты» — пакеты, снабженные всей необходимой информацией для их идентификации, маршрутизации, коррекции ошибок и прочее. В большинстве случаев в вычислительных сетях, в том числе и обработки, хранения видеоданных, для формирования пакетов используется протокол Ethernet, который определяет проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802. 3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 90 -х годов прошлого века, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.
Ранние модификации Ethernet Xerox Ethernet — оригинальная технология, скорость 3 Мбит/с, существовала в двух вариантах Version 1 и Version 2, последняя до сих пор имеет применение. 10 BROAD 36 — широкого распространения не получил. Один из первых стандартов, позволяющий работать на больших расстояниях. Использовал технологию широкополосной модуляции. В качестве среды передачи данных использовался коаксиальный кабель. 1 BASE 5 — также известный, как Star. LAN, стал первой модификацией Ethernetтехнологии, использующей витую пару. Работал на скорости 1 Мбит/с. 10 Мбит/с Ethernet 10 BASE 5, IEEE 802. 3 (называемый также «Толстый Ethernet» ) - первоначально - 10 Мбит/с. Используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8), с максимальной длиной сегмента 500 метров. 10 BASE 2, IEEE 802. 3 a (называемый «Тонкий Ethernet» ) — используется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 185 метров, компьютеры присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Требуется наличие терминаторов на каждом конце. Многие годы этот стандарт был основным для технологии Ethernet. Star. LAN 10 — Первая разработка, использующая витую пару для передачи данных на скорости 10 Мбит/с. В дальнейшем эволюционировал в стандарт 10 BASE-T.
10 BASE-T, IEEE 802. 3 i — для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента 100 метров. FOIRL — (акроним от англ. Fiber-optic inter-repeater link). Базовый стандарт для технологии Ethernet, использующий для передачи данных оптический кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя 1 км. 10 BASE-F, IEEE 802. 3 j — Основной термин для обозначения семейства 10 Мбит/с ethernet-стандартов, использующих оптический кабель на расстоянии до 2 километров: 10 BASE-FL, 10 BASE-FB и 10 BASE-FP. Из перечисленного только 10 BASE-FL получил широкое распространение. 10 BASE-FL (Fiber Link) — Улучшенная версия стандарта FOIRL. Улучшение коснулось увеличения длины сегмента до 2 км. 10 BASE-FB (Fiber Backbone) — Сейчас неиспользуемый стандарт, предназначался для объединения повторителей в магистраль. 10 BASE-FP (Fiber Passive)- Топология «пассивная звезда» , в которой не нужны повторители — никогда не применялся.
Быстрый Ethernet (Fast Ethernet, 100 Мбит/с) 100 BASE-T — общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных витую пару. Длина сегмента до 100 метров. Включает в себя стандарты 100 BASE-TX, 100 BASE-T 4 и 100 BASE-T 2. 100 BASE-TX, IEEE 802. 3 u — развитие стандарта 10 BASE-T для использования в сетях топологии «звезда» . Поддерживается дуплексная передача данных, расстояние до 100 м. 100 BASE-T 4 — стандарт, использующий витую пару категории 3, передача данных идёт в полудуплексе. Практически не используется. 100 BASE-T 2 - Поддерживается полный дуплекс, когда сигналы распространяются в противоположных направлениях по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении — 50 Мбит/с. Практически не используется. 100 BASE-SX — стандарт, использующий многомодовое волокно. Максимальная длина 400 метров в полудуплексе или 2 километра в дуплексе. 100 BASE-FX — стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина от 2 х до 10 километров 100 BASE-FX WDM — стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только величиной затухания в волоконнооптическом кабеле и мощностью передатчиков. Интерфейсы бывают двух видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами (длина волны) либо одной латинской буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать только парные интерфейсы: с одной стороны передатчик на 1310 нм, а с другой — на 1550 нм.
Гигабитный Ethernet (Gigabit Ethernet, 1 Гбит/с) 1000 BASE-T, IEEE 802. 3 ab - В передаче данных участвуют 4 пары. Скорость передачи данных — 250 Мбит/с по одной паре. Метод кодирования PAM 5, частота основной гармоники 62, 5 МГц. Расстояние до 100 метров 1000 BASE-TX был создан Ассоциацией Телекоммуникационной Промышленности (англ. Telecommunications Industry Association, TIA) и опубликован в марте 2001 года На основе данного стандарта практически не было создано продуктов, хотя 1000 BASE-TX использует более простой протокол, чем стандарт 1000 BASE-T. 1000 BASE-X — общий термин для обозначения стандартов со сменными приёмопередатчиками GBIC или SFP. 1000 BASE-SX, IEEE 802. 3 z — стандарт, использующий многомодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 550 метров. 1000 BASE-LX, IEEE 802. 3 z — стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 80 километров. 1000 BASE-CX — стандарт для коротких расстояний (до 25 метров), использующий твинаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом (каждый из двух волноводов). Заменён стандартом 1000 BASE-T и сейчас не используется. 1000 BASE-LH (Long Haul) — стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 100 километров.
10 -гигабитный Ethernet 10 GBASE-CX 4 — Технология 10 -гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 15 метров), используется медный кабель CX 4 и коннекторы Infini. Band. 10 GBASE-SR — Технология 10 -гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 26 или 82 метров, в зависимости от типа кабеля), используется многомодовое волокно. Он также поддерживает расстояния до 300 метров с использованием нового многомодового волокна (2000 МГц/км). 10 GBASE-LX 4 — использует уплотнение по длине волны для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому волокну. Также поддерживает расстояния до 10 километров при использовании одномодового волокна. 10 GBASE-LR и 10 GBASE-ER — эти стандарты поддерживают расстояния до 10 и 40 километров соответственно. 10 GBASE-SW, 10 GBASE-LW и 10 GBASE-EW — Эти стандарты используют физический интерфейс, совместимый по скорости и формату данных с интерфейсом OC-192 / STM-64 SONET/SDH. Они подобны стандартам 10 GBASE-SR, 10 GBASE-LR и 10 GBASE-ER соответственно, так как используют те же самые типы кабелей и расстояния передачи. 10 GBASE-T, IEEE 802. 3 an-2006 — принят в июне 2006 года после 4 лет разработки. Использует экранированную витую пару. Расстояния — до 100 метров. Идет освоение протоколов 40 -гигабитного и 100 -гигабитного Ethernet.
Накопи тель на жёстких магни тных ди сках (НЖМД = HDD) От англ. hard (magnetic) disk drive, [magnetic hard disk storage, Hard Disk Drive - HDD], HMDD, жёсткий диск, винче стер, «хард-диск» - устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи. НЖМД типа Винчестер созданы в 1973 г. Информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В настоящее время для покрытий используется гамма-ферритоксид, изотропный оксид и феррит бария, однако наиболее широкое распространение получили диски с напыленной металлической пленкой (например, кобальта). Плотность записи достигает 10 Гбит на квадратный дюйм. В НЖМД используется одна или несколько пластин (дисков) (Platters) на одной оси. Количество дисков может быть различным - от 1 до 5 и выше. Головки чтения/записи (read/write head) в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском в современных дисках около 0, 10 мкм, обычно около 0, 13 мкм от поверхности , а в перспективных же моделях - до 0, 05 мкм. Отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. Пакет Дисков вращается с постоянной скоростью (3600 об/мин), а в современных моделях - 4500, 5400 или даже 7200 об/мин. , совмещён с приводом и блоком электроники и обычно установлен внутри системного блока компьютера.
Рис. 13 Устройство накопителя на жестких магнитных дисках (НЖМД = HDD)
Параметры HDD - Интерфейс (interface) — совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил (протокола) обмена. Как правило, НЖМД могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA, e. SATA, SCSI, SAS, Fire. Wire, SDIO и Fibre Channel. - Ёмкость (capacity) — количество данных, которые могут храниться накопителем. У современных жёстких дисков (с форм-фактором 3, 5 дюйма) более 3000 ГБ (3 Терабайт). Производители при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как « 200 ГБ» , составляет 186, 2 ГБ. - Физический размер (форм-фактор) (dimension). Почти все современные накопители для РС и видеосерверов имеют ширину либо 3, 5, либо 2, 5 дюйма -под размер стандартных креплений в РС. Существуют форматы и на 1, 8 дюйма, 1, 3 дюйма, 1 дюйм и 0, 85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5, 25 дюймов. -Время произвольного доступа (random access time) — время, за которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон невелик — от 2, 5 до 16 мс. Серверные диски - 3, 7 мс. Современные диски поддерживают технологию S. M. A. R. T. - Скорость вращения шпинделя (spindle speed) - в об. /мин. От этого зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. Сейчас выпускаются на 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 7200 и 10 000 (РС), 10 000 и 15 000 об/мин (видеосерверы и рабочие станции). - Количество операций ввода-вывода в секунду — у современных дисков это около 50 оп. /с при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп. /сек при последовательном доступе. - Скорость передачи данных (Transfer Rate) при последовательном доступе: внутренняя зона диска: от 44, 2 до 74, 5 Мб/с; внешняя зона диска: от 60, 0 до 111, 4 Мб/с. - Объём буфера (кэш-память) —промежуточная память, для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В совр. дисках он обычно варьируется от 8 до 64 Мб.
![Дисковый массив RAID [Redundant Array of Inexpensive/Independent Disks] – эта технология была впервые](https://present5.com/presentation/3/27217835_388206813.pdf-img/27217835_388206813.pdf-58.jpg "Дисковый массив RAID [Redundant Array of Inexpensive/Independent Disks] – эта технология была впервые")
Дисковый массив RAID [Redundant Array of Inexpensive/Independent Disks] – эта технология была впервые разработана в 1987 г. сотрудниками Калифорнийского университета в Беркли. Ее основная цель - обеспечение надежности хранения данных в дисковой памяти ПК. Основные признаки технологии: - предполагает использование наборов дисков, доступных пользователям как один логический диск; - данные распределяются по набору дисков определенным способом, соответствующим одному из уровней RAID; - на случай неисправностей (“отказов”) дисков массив содержит дополнительную (“избыточную”) емкость, обеспечивающую восстановление данных. - набор спецификаций устройств хранения данных связанны с “Уровнями RAID”, определяющими способы распределения данных на дисковом массиве, их резервирования и восстановления. Изначально было определено шесть уровней RAID, позднее появились дополнительные смешанные уровни (всего определено 8 уровней). Массивы RAID делятся на две категории - с программным и аппаратным контролем.
RAID 0 – “Дисковый массив без дополнительной отказоустойчивости”; RAID 1 – “Дисковый массив с зеркалированием данных”; RAID 2 – “Дисковый массив, использующий алгоритм Хамминга для проверки/восстановления данных”; RAID 3 – “Дисковый массив с вычислением контрольной суммы параллельно с передачей данных”; RAID 4 – “Дисковый массив с независимыми дисками данных и общим диском для хранения контрольных сумм”; RAID 5 – “Дисковый массив с независимыми дисками данных и равномерным распределением контрольных сумм между дисками”; RAID 6 – “Дисковый массив с независимыми дисками данных и двумя независимыми схемами контрольных сумм, распределенными между дисками”; RAID 7 – “Дисковый массив с асинхронным вводом/выводом и высокой скоростью передачи данных”; RAID 10 – Комбинация технологий RAID 1 и RAID 0; RAID 53 – Комбинация технологий RAID 3 и RAID 0 ; RAID 0/1 – Комбинация технологий 0 и 1.
Рис. 13 Устройство винчестера
Табл. 2 Интерфейсы НЖМД для хранения видеоданных
Скачать презентацию Лекция 6 Цифровая запись Общие принципы представления
Л.6_Цифровая магнитная запись.Цифровые ВМ_2015.ppt