Основы цифрового видео - II

Революция? Нет, эволюция

На самом деле, технологии развиваются не такими стремительными темпами, как это приписывают современности. Даже можно сказать о некоем замедленном режиме. Причиной тому служит все-таки эволюционный, а не революционный путь прихода нового, а все, что революционно, обычно забывается, долго пылится на книжных полках и так далее. Например, сегодня мы говорим об MPEG, а ведь сам базис, который лежит в основе этих стандартов, был широко изложен в научных трудах 60-70-начала 80-х. То есть полноценный переход на «цифру» был вполне предсказуем еще в тот период, но индустрия и пользовательский рынок не были готовы к принятию таких радикальных новшеств. Другое дело - эволюция. Как только базис был полностью подготовлен, встал вопрос о создании мирового стандарта.

Причины появления MPEG-2

MPEG-1 был разработан в первую очередь для VideoCD, и требования к качеству можно выразить в фразе «не хуже, чем VHS». Но вспомните, сколько тогда стоил VideoCD по сравнению с обычной видеокассетой, и какова была цена у устройства воспроизведения. Компьютеры в учет не берем, поскольку их часть на пользовательском видеорынке была предельно малой. То есть основная цель, поставленная разработчиками стандарта, не являлась актуальной, даже напротив. Вместе с тем, технология MPEG-1 демонстрировала наиболее современный подход к сжатию потока данных, что уже было интересным для вещателей. Например, в 1995 филиал NBC, именуемый KRON, начал применять компрессию MPEG-1 для трансляции телепередач на определенный район города Сан-Франциско. Само сжатие производилось «на лету», то есть в режиме реального времени, такой сигнал поступал на определенные приемники, которые декодировали его и стандартными методами распространяли на небольшую сеть вокруг себя. Этот вариант совмещения новых и старых технологий распространен и поныне, поэтому, если у вас проведено кабельное телевидение, то канал Discovery, передаваемый цифровым способом, вы можете смотреть на черно-белом телевизоре 1970 года выпуска (если такие еще где-то сохранились). Сам MPEG-1 не являлся совершенным в плане качества, поэтому экспертная группа поставила задачу усовершенствовать его таким образом, чтобы он соответствовал требуемым нормам стандартного вещания. Появилась необходимость в MPEG-2. В то время организация MPEG была не единственной из тех, кто разрабатывал стандарты цифрового телевидения. Например, в битве за американский рынок она серьезно схлестнулась с компанией AT&T. Причем последняя предлагала стандарт, который по оценкам многих специалистов превосходил по качеству разрабатываемый MPEG-2. Но в чем была вся соль ситуации? MPEG — это группа экспертов… специалистов от различных компаний и учреждений, и в нее даже входили некоторые сотрудники самой AT&T. В результате, в силу сотрудничества с множеством брендов, а также благодаря более простой технической реализации алгоритмов, MPEG-2 оказался победителем. Если многие скажут, что экспертная группа отхватила жирный кусок пирога, то они ошибутся. MPEG взяла весь пирог и забрала себе. Во избежание некоторых очевидных проблем, в 1993 году команда сделала очень интересный ход, создав отдельную дочернюю подгруппу по лицензированию авторских прав. Поскольку в разработках первых MPEG-стандартов участвовало множество специалистов из различных фирм, использовались различные технологические решения, было объявлено о том, что любая интересующаяся компания или организация может предъявить свои претензии, если увидит применение своих запатентованных технологий в рамках MPEG. Таких претензий набралось около сотни(!), но из всего этого было выделено девять: Fujitsu, General Instrument, Matsushita, Mitsubishi, Philips, Scientific Atlanta, Sony, Samsung Electronics и Колумбийский университет. То есть стандарты MPEG являются совместной интеллектуальной собственностью. А для упрощения самой процедуры лицензирования в 1995 году создали отдельную компанию MPEG LA, в которую были отданы все патенты от девяти участников. То есть покупая сейчас DVD-диск или плеер, вы платите определенную сумму MPEG LA, это распространяется вообще на все оборудование, ПО и носители, связанные с аббревиатурой MPEG. Леонардо Черильоне, руководитель MPEG, очень большой гуманист и философ, несмотря на его глубокие технические познания. Реализация MPEG-2 в его понимании была воплощением великой исторической миссии, которая подразумевала не только примирение различных телевизионных стандартов на разных континентах, противостояние которых длилось около полувека, но и вообще предопределила будущее телевидения. Несмотря на громкость фраз, так оно и получилось. Личность Черильоне очень интересна для изучения, его напористости можно только позавидовать. Ведь, по существу, он сам и создал MPEG, уговорив руководителя JPEG Хироси Ясуду (Hiroshi Yasuda) основать отдел под своим начальством и видя явные перспективы цифровых технологий в области видео. Для тех лет создание такого небольшого подразделения, скорее всего, было чем-то из области венчурных вложений, ведь телевизионщики тогда весьма отрицательно относились к переходу на цифровое вещание… Впрочем, хотя история интересна всегда, нам сейчас нужны более практические данные.

Из чего состоит MPEG-2?

MPEG-2 (ISO/IEC 13818) не является чем-то радикально новым, скорее, его можно назвать доведенным до ума и развитым вариантом MPEG-1. Всего стандарт предусматривает 10 частей, которые утверждались в период с 1994 по 1999 годы. Наибольший интерес для нас составляют три ключевых: 13818-1 — Systems, 13818-2 — Video, 13818-3 — Audio. Они и описывают суть технологии в целом, при этом уже становится очевиден больше компьютерный подход. Видеочасть (13818-2) стандарта описывает возможности кодирования/декодирования изображений в масштабируемых вариантах качества. Изначально решались задачи наращивания характеристик по сравнению с MPEG-1 и достижения уровня телестандартов. Алгоритмически MPEG-2 несколько отличен от MPEG-1, хотя основные этапы обработки, описанные в прошлом материале, сохранены, за исключением некоторых тонкостей. Вместе с тем, были достигнуты полноценные варианты европейской PAL (625 строк, 50 полей (полукадров) в секунду) и американской NTSC (525 строк, 60 полей в секунду), в то время как MPEG-1 предусматривал разрешение всего 352х240 точек. Помимо того, что были стерты принципиальные разницы между, как ранее казалось, несовместимыми стандартами телевещания, произошла интеграция с компьютерами. Ведь, как мы уже знаем, телевидение подразумевает чересстрочную развертку по полукадрам, а компьютеры прогрессивную, то есть каждый кадр там выводится строка за строкой. Проблемы такой совместимости были успешно решены. Сам стандарт является расширенным, и предусматривает различные варианты масштабирования. Соответственно, когда экспертная группа MPEG взялась за телевидение высокой четкости (HDTV) и собралась посвятить этому отдельный MPEG-3, то в процессе специалисты обнаружили, что при определенной доработке задача может быть решена в рамках MPEG-2. Таким образом, MPEG-3 как такового нет, поскольку он стал частью предыдущего стандарта. Что касается звука, то разработчики предложили новый вариант — MPEG-2 AAC, который подразумевает возможность передачи многоканального аудио в сжатом формате. По качеству звучания и коэффициенту компрессии он превосходит знаменитый МР3. Отдельно стоит сказать и о системной спецификации стандарта, а именно 13818-1. Она разрабатывалась, в первую очередь, с целью упорядочивания цифровых потоков данных, аудио и видео. Причем, если под одной программой подразумевается один элементарный поток, то системная спецификация описывает объединение сразу нескольких элементарных потоков в единый, подходящий для передачи по каналам цифровой связи, и, соответственно, для записи. С MPEG-2 ассоциируется первый виток цифрового вещания, поскольку этот стандарт лежит в основе DVB-T/S/C (Европа, Россия), ATSC (США, Канада, Южная Корея, Аргентина, Мексика) и ISDB (Япония, Бразилия). Сам факт цифрового вещания предусматривает возможность значительного увеличения телеканалов, улучшения качества. Как вы понимаете, при этом к телевидению начинается уже более компьютерный подход, а то, во что он выльется в будущем, предполагает следующий стандарт - MPEG-4.

Немного о MPEG-4 и после него…

MPEG-4 можно рассматривать как весьма далекое будущее. В принципе, в данном случае мы говорим о варианте интерактивного вещания, что чем-то идейно очень схоже с Интернетом, хотя в основе стандарта лежит и другой принцип, имеющий прямое отношение к языку моделирования виртуальной реальности VRML и вообще объектно-ориентированным моделям, использующимся в программировании. То есть телевизоры будущего будут напоминать по своим возможностям обычные компьютеры, в которых установлен специальный модуль, способный загружать данные и интерпретировать их определенным образом. Это касается не только возможностей выбора видеокамер просмотра при трансляциях матчей и концертов. Сие является самым очевидным, что лежит на поверхности (причем теоретически реализуется и без MPEG-4, а в MPEG-2, когда каждая камера «дает» отдельную программу). На самом деле, в стандарте предусмотрены варианты, когда в телевизор единоразово загружаются некоторые элементы (например, спрайты), а после они просто вставляются в рамках изображения, которое технически конфигурируется практически как программа. Причем сами элементы могут быть как натуральными, то есть закачиваемыми в готовом виде, так и синтезируемыми. Чтобы вы представили себе более иллюстративно, о чем идет речь, позволим себе провести аналогию с обычными HTML-страницами. В них указываются только шрифты, которые установлены у вас на компьютере, прописывается информация о цветах, а некоторые файлы помещаются в ваши директории временного хранения. И разница в подходах состоит в том, что вы не загружаете эту страницу в виде большой готовой картинки (BMP или JPEG), а используете только упорядоченный список объектов и их свойств (HTML-код), благодаря чему формируется готовый документ. Сколько при этом экономится трафика и приобретается дополнительных возможностей? VRML очень схож по структуре с тем же HTML, то есть такая параллель сравнения очевидна, как и понятны сами истоки разработки MPEG-4. Отдельным важным пунктом идет возможность защиты авторских прав. То есть тут намешано все, и не факт, что MPEG-4 станет каким-нибудь незыблемым стандартом, ведь все меняется, и возможно, в будущем необходимость в телевизорах вообще отпадет. А место всего этого займет компьютер. Такой вариант также не стоит сбрасывать со счетов, а, следовательно, MPEG-4 может и не появиться. Поскольку само описание возможностей стандарта уж очень сильно напоминает современный интернет, а там, как, собственно, и в компьютерном мире, несколько другие законы. И серьезной конкуренции в этом случае не избежать. Наверняка из этих соображений, в целях опережения событий, экспертная группа принялась за разработку MPEG-7, который, по существу, станет неким глобальным стандартом, объединяющим в рамках контекстной информации данные абсолютно различных типов и являющимся гибкой и масштабированной схемой описания аудио-визуальных данных. MPEG-5 и MPEG-6 нет, и даже не разрабатывались. Цифра 7 взята просто так, хотя раньше шутили, что за 1, 2 и 4 должна следовать 8 (по правилам двоичного кода).

В завершение

Итак, мы рассмотрели суть современных стандартов вывода и хранения видеоинформации, узнали, что к чему стремится. И теперь наш трудолюбивый читатель, увидев при «зависании» одного из телеканалов множество квадратиков на экране телевизора, может с точностью сказать, почему так происходит (все дело в алгоритмах MPEG). Ну, а в следующих материалах мы перейдем непосредственно к съемкам, обработке, монтажу, подбору оборудования и ПО. В общем, самое интересное еще впереди.