Каково качество записи в форматах на базе DV по сравнению с Betacam SP и 601?
      Digital Betacam смотрится лучше, чем DV. Ничего удивительного в этом нет. Но насколько лучше? Каково качество DV по сравнению с Betacam SP? А что можно сказать о 50-мегабитных форматах типа DV - DVCPRO50 и Digital-S? И как соотносится качество изображения во всех этих форматах со стандартом видео ITU-R BT.601?
      Множество всяких слухов и неформальных оценок побудили журнал Digital Video Magazine провести сравнительный анализ качества изображения для наиболее распространенных цифровых и основных аналоговых форматов видеозаписи. Этому и посвящена данная статья.
      В своем анализе качество изображения во всех форматах мы в конечном счете сравнивали с качеством 525-строчного телевизионного сигнала стандарта 601. Оценка форматов HDTV не проводилась. Трудно сравнивать изображение с размерами 4:3 с изображением 16:9. Более важно то, что подавляющее большинство выпускаемых сегодня видеоматериалов и телепередач пока еще имеет формат кадра 4:3. Мы оценивали видеомагнитофоны с кассетами Digital Betacam, Digital-S, DVCAM, DVCPRO, Betacam SP, Hi8 и 3/4-дюймовые U-Matic. Чтобы обеспечить корректность сравнения и получить максимально точные результаты измерений, для оценки каждого формата использовался магнитофон самого высокого класса, все компоненты которого имели высочайшее качество. Там, где было возможно, использовались видеомагнитофоны с вводом/выводом стандарта SDI, через который тестовый видеосигнал формата 601 записывался на видеомагнитофон, а обработанное видео из него выводилось. Использованные в тестах модели видеомагнитофонов перечислены на с. 12. В испытаниях также участвовал DDR модели Accom. В совокупности эти устройства охватывают широкий диапазон современных производственных форматов.
      Есть ряд форматов, которые мы не оценивали. Это, в частности, DVCPRO50 - мы считали, что для него результаты будут такими же, как для Digital-S, где используется тот же 50-мегабитный поток данных DV, что и в DVCPRO50. Мы также не тестировали видеомагнитофоны S-VHS и VHS, поскольку полагали, что S-VHS даст примерно такие же результаты, что и Hi8, а VHS - еще худшие.
      Не использовали мы и стандартный видеомагнитофон DV, потому что для базовых оценок требовался ввод/вывод SDI, а конвертера из SDI в 1394 у нас не было. Но мы полагаем, что качество стандартного DV должно быть близким к качеству других 25-мегабитных форматов - DVCAM и DVCPRO.
      Один из форматов на базе DV - DVCAM - тестировался с входом SDI и выходом Y/C, а также с входом и выходом Y/C. Эти данные будут интересны для тех, кто снимает или монтирует видео на базе DV, но пока не имеет системы нелинейного монтажа с интерфейсом 1394/FireWire или SDI.
      Мы также не проводили тестов с многократной перезаписью. Оценивались только первые копии, полученные из исходного видео стандарта 601. С появлением полностью цифровых систем видеопроизводства деградация качества при копировании перестает быть существенным фактором. Оценка качества первых копий позволяет определить максимально достижимые возможности каждого формата.
      Наши тесты проводились на онлайновом комплексе организации Bay Area Video Coalition - BAVC (www.bavc.org). Все деки обслуживались квалифицированными специалистами и имели умеренные времена наработки барабанов. Все видеомагнитофоны форматов на базе DV имели меньше 700 час наработки записывающих барабанов. У дек Digital Betacam и аналоговых время наработки было больше (но все еще приемлемое).
      Износ барабана может повлиять на качество, но этот эффект минимален, если видеомагнитофон хорошо обслуживается и износ не слишком велик. Данный фактор не оказал заметного влияния на полученные нами результаты.
      Аналоговые видеомагнитофоны не имели интерфейсов SDI, поэтому для преобразования сигналов SDI в аналоговые и обратно использовалось несколько устройств. В зависимости от формата выбирались разные комбинации конвертера "SDI-аналоговый компонентный сигнал" AJA Video D10C, конвертера "аналоговый компонентный сигнал - SDI" AJA Video D10A, транскодера DPS-210 и корректора временной базы Prime Image HR600+. Мы полагались и на собственные глаза и многолетний опыт просмотра видео.
      Абстрактные тест-сигналы и сцены, создающие предельные нагрузки на кодек, нужны инженерам при разработке и отладке систем, мы же хотели знать, как ведут себя ленточные форматы в реальных условиях. Мы подбирали видеоматериалы с типичными для повседневного видеопроизводства содержанием, насыщенностью деталями и характером движения. В итоге мы остановились на трех стандартных тестовых последовательностях: CCIR 36 Ferris Wheel, CCIR 30 Mobile and Calendar и CCIR 16 Susie.
      Много других факторов оказывают влияние на конечный вид изображения на видеоленте: камера и освещение, возможные ошибки перекодировки при вводе видео в нелинейную монтажную систему, которая может не поддерживать непосредственно тот же производственный формат ленты, и даже разные таблицы квантования при одном и том же формате видео в видеомагнитофоне и NLE. Однако изображения первое, второе и третье места занимали, как и следовало ожидать, соответственно DDR фирмы Accom, видеомагнитофон Digital Betacam и видеомагнитофон Digital-S. В хвосте постоянно плелись 3/4-дюймовый магнитофон и устройство Hi8. А вот то, что происходило в середине очереди, - как раз самое интересное.
      Измерения
      Наши измерения показывают качество записи для каждого ленточного формата при воспроизведении нескольких эталонных видеопоследовательностей стандарта 601. Измерения проводились с помощью системы Tektronix PQA-200. Эта система сравнивает эталонную последовательность 601 с той же последовательностью после ее кодирования испытываемым видеомагнитофоном. Система PQA-200 измеряет горизонтальные и вертикальные сдвиги в сигналах яркости и цветности, а также изменения усиления и уровней в этих сигналах. Кроме того, она определяет величину ограничения сигнала яркости.
      Для каждого видеомагнитофона измерялось много разных параметров. Важнейшими из них являются пиковое отношение сигнал/шум (PSNR) и рейтинг качества изображения (PQR).
      Величина PSNR устанавливает разности между яркостными компонентами эталонного и закодированного видеосигналов. При этом все разности имеют одинаковые веса, без учета особенностей зрительной системы человека. С помощью PQA-200 мы определяли PSNR как отношение пикового сигнала к среднеквадратическому уровню шума - разности эталонного и закодированного тестового видеосигналов. Значения PSNR для каждого поля усреднялись. Так формировалась суммарная оценка PSNR для каждой тестовой видеопоследовательности на каждом видеомагнитофоне. Чем выше PSNR, тем большесигнала и меньше шума. Устройство, которое бы записывало и воспроизводило эталонный сигнал 601, не изменяя значения ни одного пикселя, имело бы бесконечную величину PSNR.
      Измерения PQR
      Система PQA-200 измеряет качество изображения по алгоритму "едва заметного различия" (Just Noticeable Difference - JND), разработанному корпорацией Sarnoff. Алгоритм JND стремится точно воспроизвести восприятие зрительной системы человека. (Подробнее о PQA-200 и JND см. "Как измеряют качество видеосигнала" на с. 4.)
      В системе фирмы Tektronix оценка PQR строится по модели JND с использованием рейтингов качества, формируемых несколькими наблюдателями, которые просматривают сцены с расстояния, равного учетверенной высоте экрана.
      Для каждой последовательности система PQA-200 выполняет серию измерений и формирует значение PQR на основе измерений JND четырех полей, начиная с четвертого поля тестовой последовательности (см. рис. 1-3). Следующее измерение PQR получается путем отбрасывания значения JND самого первого поля и добавления значения для следующего поля. Общая оценка PQR для какой-либо сцены представляет собой совокупность этих последовательных значений PQR.
      При измерении яркостного PQR анализируется только яркостная информация видеосигнала, а при измерении яркостно-цветовых PQR учитываются ошибки во всех каналах. Изменения яркости сильнее влияют на субъективно воспринимаемое качество изображения, и поэтому их вес при формировании значения PQR больше.
      Чем ниже PQR, тем меньше наблюдателей заметило разницу между обработанной последовательностью и эталонным сигналом 601. Устройство с идеальной записью и воспроизведением сигнала 601 имело бы значение PQR, равное 0,00. Значения PQR порядка 1,00 указывают на визуально незначительную деградацию изображения. Значения PQR порядка 3,00 говорят о небольшом (но заметном глазу) ухудшении качества. Если же PQR превышает 10,00, то деградация изображения хорошо заметна.
      Анализ результатов тестов
      Тестовая последовательность Ferris Wheel - CCIR 36 - отличается изобилием яркостных и цветовых деталей и представляет собой сцену с интенсивным движением, где в разные стороны мчатся автомобили. Однако для большинства форматов записи качество передачи движения было хорошим.
      Дисковое устройство DDR обеспечивает прозрачную запись и воспроизведение тестовой видеопоследовательности 601, давая бесконечное отношение сигнал/шум и полностью неискаженное изображение. Что касается форматов с компрессией, то наименьшая деградация изображения была у Digital Betacam, где коэффициент сжатия составляет 1,6:1. Совокупные значения PQR были ниже 1,00 как для яркостных, так и для яркостно-цветовых измерений. Для формата Digital-S, где скорость записи составляет 50 Мбит/с при коэффициенте сжатия 3,3:1 (т. е. примерно вдвое большем, чем у Digital Betacam), значения PQR оказались примерно вдвое выше, чем для Digital Betacam.
      В форматах на базе DV - DVCAM и DVCPRO, - имеющих скорость записи 25 Мбит/с, сигнал 601 сжимается вдвое сильнее, чем в Digital-S, и, как и следовало ожидать, для них значения PQR были вдвое выше, чем для Digital-S. Для использованной нами видеопоследовательности у DVCAM получилась несколько лучшая оценка PQR, чем у DVCPRO, но разница была незначительна и для наблюдателей незаметна.
      С этим тестовым видео Betacam SP дает изображения практически такого же качества, что DVCPRO и DVCAM, хотя PSNR для него получилось ниже.
      DVCAM с выходом Y/C показал значение PQR всего лишь примерно на 0,5 хуже, чем DVCAM и DVCPRO с выходом SDI, - впечатляющий результат, свидетельствующий о том, что дополнительная деградация изображения невелика. Аналоговые некомпонентные форматы -3/4-дюймовый и Hi8, а также DVCAM с вводом и выводом сигнала в формате Y/C - дали самую сильную визуальную деградацию. Видеосигнал Hi8 выглядел явно искаженным по сравнению с исходным сигналом 601.
      На данном видеосюжете с интенсивным движением все цифровые форматы (кроме DVCAM с входом и выходом S-Video), а также Betacam SP показали очень приемлемое качество видео.
      Тест-последовательность Mobile and Calendar - CCIR 30 - содержит детальные, насыщенные цветом объекты и фоны. Несколько объектов движутся в разных направлениях, и камера тоже движется, осуществляя медленное панорамирование. Данный тест оказался самым трудным при записи для всех форматов, причем у некомпонентных форматов наблюдалась заметная деградация изображения. У DDR никакой деградации изображения не было.
      Digital Betacam снова оказался форматом с минимальной деградацией изображения, хотя для него (как и для всех остальных форматов) значения PQR были выше (т. е. хуже), чем в тесте Ferris Wheel. Для Digital-S, DVCAM и DVCPRO значения PQR оказались примерно вдвое больше, чем в тесте Ferris Wheel, причем у DVCAM и DVCPRO деградация была заметной, хотя и незначительной.
      DVCAM дал значения PQR чуть меньшие, чем DVCPRO; но опять же разница была незначительна.
      С насыщенным деталями содержанием теста Mobile and Calendar легче справился Betacam SP, который показал значения PQR примерно на один пункт лучшие, чем DVCPRO и DVCAM.
      В этом тесте, богатом объектами и цветом, Betacam SP дал несколько лучшие, но визуально заметные, результаты по сравнению с 25-мегабитными цифровыми форматами. Некомпонентные форматы - Hi8 и 3/4-дюймовый - дали сильно искаженные изображения. И только DDR, работающий без компрессии, показал такие же результаты, как и на более легком тесте Ferris Wheel.
      Тест-последовательность Susie - CCIR 16 - воспроизводит "говорящую голову" с медленным, плавным движением (диктор наклоняется вперед). Крупный план лица, мелкие детали кожи и волос дают изображение, требующее аккуратной компрессии. Для нескольких, но не всех, форматов записи наилучшее качество изображения получилось при кодировании именно этой тестовой видеопоследовательности.
      Digital Betacam и Digital-S - два цифровых формата с минимальной компрессией - показали наилучшие для ленты значения PQR. Однако эти значения и степень деградации изображения были хуже, чем в тесте Ferris Wheel.
      Как DVCAM, так и DVCPRO продемонстрировали результаты в пределах полпункта PQR от Digital-S и в пределах одного пункта от Digital Betacam - это впечатляет, учитывая их более низкую скорость записи и более высокую компрессию. В данном тесте DVCPRO дал чуть лучшие оценки, чем DVCAM; но, как и в остальных тестах, различия между этими двумя форматами не были заметными.
      Betacam SP дал хорошие изображения, но не столь хорошие, как у 25-мегабитных форматов на базе DV - DVCAM и  DVCPRO.  Однако  и  Betacam  SP, и 25-мегабитные DV-форматы наилучшее качество изображения показали при кодировании именно этого сюжета с "говорящей головой". Для всех вышеуказанных форматов визуально воспринимаемая деградация изображения либо отсутствовала, либо была незначительной.
      При выводе из DVCAM сигнала в форме Y/C (после ввода в форме SDI), деградация была заметной, но не раздражающей. Форматы 3/4-дюймовый и Hi8 дали видео с существенными искажениями изображения. Для данного сюжета все цифровые форматы и Betacam SP продемонстрировали приемлемое качество изображения.
      Победитель - это . . .
      Результаты наших тестов на качество изображения вполне соответствовали нашим ожиданиям. Чем меньше компрессии, тем лучше. Компонентное видео лучше, чем Y/C и композитное видео. Однако, кроме этих очевидных выводов, мы сделали и ряд других наблюдений.
      Чем более детальное и сложное изображение мы воспроизводим, тем больше пользы от невысокой компрессии. На сюжете Susie значения PQR были ниже 2,00 для большего числа форматов, чем на сюжетах Ferris Wheel и Mobile and Calendar.
      Субъективное различие между форматами Digital Betacam и Digital-S является наблюдаемым; но для сюжетов с "говорящей головой" и интенсивным движением разница в качестве изображений не очень заметна. Более существенна она для очень детального и сложного изображения в последовательности Mobile and Calendar; тем не менее, Digital-S и здесь дает очень качественное видео.
      Как и следовало ожидать на основании скоростей записи, 50-мегабитные форматы на базе DV дают примерно вдвое меньшую деградацию изображения, чем 25-мегабитные DV-форматы. Для тестирования 50-мегабитного DV-формата мы использовали видеомагнитофон Digital-S, но полагали, что DVCPRO50 показал бы такое же улучшение качества изображения по сравнению как и  25-мегабитные  DVCAM и DVCPRO. DVCAM и DVCPRO продемонстрировали практически одинаковые результаты. Очень насыщенные деталями и сложные сцены представляют для этих форматов определенные трудности, приводя к различимому, хотя и слабому, ухудшению качества изображения. На сюжетах же с "говорящей головой" и интенсивным движением 25-мегабитные форматы на базе DV выглядят очень хорошо.
      У этих двух форматов значения PQR всегда различались между собой не более чем на одну десятую пункта. Мы полагаем, что стандартный DV может дать изображение, равное по качеству DVCAM и DVCPRO, если сигнал записывать на ленту и считывать с нее без преобразования его в форму Y/C.
      Быть может, одно из наших самых интересных открытий связано с 25-мегабитными форматами на базе DV. Если вы можете сделать запись в формате на базе DV без конверсии сигнала в Y/C, то во многих случаях вы сможете получить с этой ленты хорошее изображение, даже если выводить сигнал через аналоговый стык Y/C. Хорошо смотрится 25-мегабитный DV с выходом Y/C. По сравнению с цифровым компонентным выводом качество изображения будет ниже, но совсем ненамного. Это хорошая новость для тех, чей комплекс NLE не имеет входов SDI и 1394/FireWire.
      Формат Betacam SP сохраняет сильные позиции по сравнению с дешевыми цифровыми новшествами. Если вас устраивает качество изображения Beta, нет причин отказываться от этого формата. Но, если исходить только из субъективно воспринимаемого качества изображения, нет и особых оснований исключить из рассмотрения 25- или 50-мегабитные форматы на базе DV. Для многих задач DV-форматы обеспечивают такое же или лучшее качество изображения за те же или меньшие деньги.
      Hi8 и 3/4? Ну, каждый из них был хорош в свое время, только времена эти кончились.
      Так какой же формат вам выбрать? Ответ на этот вопрос зависит от многих факторов. Нужно учесть качество камеры, возможности видеомагнитофона, совместимость с вашим нынешним и будущим оборудованием. Если только у вас не замкнутый производственный цикл, когда все работы по съемке, монтажу и выводу готовых программ делаются собственными силами, вам потребуется возможность воспроизведения и записи в тех форматах, которыми пользуются ваши производственные партнеры и клиенты.
      Заплатив дороже, можно получить более высокое качество изображения. Но наши тесты показывают, что превосходное качество изображения больше не является исключительной принадлежностью одного-единственного формата записи.

Джим Фили 

по материалам журнала "625" N7-1999 г.