История развития видеоформатов (статья плюс ролик)
С девятнадцатого века люди начали добиваться успехов в создании систем движущихся картинок. Фенакистископ, Кинеограф, Праксиноскоп — примитивные, но успешные попытки показать зрителю движение. Весь двадцатый век и дальше кино и видеоформаты развивались, становясь лучше, сложнее, дешевле и доступнее, приведя в итоге к рождению стриминговых видеосервисов, где можно посмотреть об этом интересный ролик. Для Гиктаймса я подготовил его в формате статьи, а внизу оставил видео.
Статья удобнее наличием ссылок для более подробного ознакомления с интересными форматами, а ролик содержит множество иллюстраций.
Много картинок
До кинематографа
В 1832-м году Жозеф Плато создал фенакистископ. В приборе был вращающийся диск, на который надо было смотреть через отверстие. Нарисованные с равным интервалом «кадры», быстро сменяя друг друга, создавали иллюзию движения.
Зоотроп, как считается, изобрел Уильям Джордж Горнер в 1833-м, хотя о похожем приборе говорится в китайских летописях еще от 180-го года. Внутри полого барабана, на стенках были нарисованы кадры.
В 1868-м году Джон Бернс Линнет запатентовал слово «кинеограф» в качестве названия приспособления для быстрого листания страничек бумаги с нарисованными кадрами фильма. Навроде тех, что вы рисовали в школе на полях тетради.
В 1877-м Эмиль Рейно запатентовал праксиноскоп. По сути — это зоотроп с призмой, которая так отражает изобрежение, чтоб компенсировать отклонение «кадра» вплоть до следующего.
С семнадцатого века существует идея проектора. Только тогда это называли волшебным фонарем, а в качестве источника света в конструкции использовали, например, свечку, над которой был дымоход.
Кинопленка
Среди устройств, позволяющих записать движущееся изображение из кадров, кинетограф в 1891-м году использовал целлулоидную пленку в качестве запоминающего устройства.
В 1895-м году братья Люмьер собрали кучу наработок прошлого и сделали синематограф, на который и сняли знаменитое Прибытие поезда.
Частота кадров была ограничена 16-ю: в аппарате использовался надежный и сердитый грейфер для смены кадров рывками, и при более частых рывках пленка рвалась. По этой же причине не получалось использовать пленку длиннее 17-и метров: тяжелый рулон не хотел так быстро крутиться и пленка снова рвалась.
В 1897-м эту проблему решил Вудвил Латам, запатентовав свою петлю. То есть, создав буфер между непрерывным вращением рулона пленки и скачковым механизмом, который резко меняет кадры.
Уже тогда вопрос стандартов остро встал перед индустрией. За первые десять лет двадцатого века более-менее была приведена к стандарту ширина кинопленки — те самые 35 мм. Сложнее оказалось найти единый стандарт перфорации, проще говоря дырочек по краям пленки, позволяющих сдвигать ее ровно на кадр. С нестандартными дырочками мучались вплоть до тридцатых и даже сороковых годов.
Сегодня за стандартизацию дырочек отвечает Общество инженеров кино и телевидения СИМПТИ. Основано оно было в 1916-м, хотя кинопроизводители еще в 1908-м пытались привести перфорацию к одному знаменателю. Попытки киноделов сэкономить, покупая неперфорированную пленку и кое-как дырявя ее на собственных станках или даже внутри съемочного аппарата приводили не только к несовместимостям, но и к скачущему изображению при воспроизведении. Нормальная заводская перфорация решает обе проблемы.
Магнитная лента
В 1944-м русский эмигрант Александр Понятов основал компанию AMPEX. В 56-м компания изобрела поперечно-строчную видеозапись, в которой использовалась магнитная лента на бобинах.
В том же году БиБиСи уже использовала технологию для трансляции новостей не в прямом эфире. Сложно переоценить возможность записывать эфиры для телевизионщиков, это был прорыв. Именно от телевидения многие форматы унаследовали чересстрочную развертку.
В 59-м Тошиба предложила использовать изобретенную японцем Норикадзу Савадзаки наклонно-строчную запись вместо поперечно-строчной: строки, расположенные под углом к видеоголовке, позволяли, например, поставить видео на паузу с замиранием картинки на экране: в таком формате считывающая головка перекрывает строки для вывода одного экрана в любой момент времени.
В 65-м Ампекс разработал цветную пленку.
В то время пленка хранилась на бобинах, а значит запись можно было легко испортить, потрогав пленку руками. А заправка ее в аппарат для воспроизведения была процессом, требующим понимания, примерно как при заправке нитки в швейную машинку. И если со швейными машинками за эти годы проще не стало, то вот индустрию видеопроизводства изменили кассеты.
От аналога к цифре
Первым индустриальным форматом кассет стал U-matic от Сони. Профессионалы 1971-го года были счастливы: кассеты жили дольше бобин с пленкой, имели разрешение в 400 строк и отличное качество благодаря широкой ленте почти в два сантиметра (¾ дюйма) и высокой скорости прокрутки, да двухканальный звук.
Для домашнего использования формат не подошел: кассеты были огромными, с ограничением в 90 минут. Магнитофоны были еще более огромными. Так что, несмотря на дальнейшие доработки, Сониевские ¾ не покорили мир.
Зато его покорила JVC, выпустив на рынок в 76-м кассеты формата Video Home System. Или просто VHS, который к 84-му стал основным форматом бытового видео.
Кассеты с лентой шириной 12,5 мм (½ дюйма) могли хранить до шести часов видео разрешением 240 строк, хотя чаще хранили до трех часов. У кассет не было никакой защиты от копирования, что уже было неплохим аргументом против использования проприетарного Бетамакса — формата-конкурента от Сони, наследника U-matic.
VHS-плееры были дешевле. Вдобавок, Сони сильно просчиталась, запретив продавать на своих кассетах порно.
В 83-м году вышел знаменитый советский магнитофон Электроника ВМ-12. Тот самый, с выпрыгивающим вверх слотом для кассеты, и слизанный с Панасоника NV-2000.
Но хоть Бетамакс и проиграл войну за пользовательский рынок, его Бетакам-версия активно использовалась в профессиональной нише. В телевещании, например. Потому что VHS для профессионального использования не подходил: с каждой перезаписью кассеты качество падало, а искажения росли. Это следствие композитной записи, которая накапливает так называемые перекрестные искажения. На Бетакам записывался компонентный сигнал: видео делилось на каналы яркости и цветности, что уменьшало износ и искажения при перезаписи.
Для профессионалов было не менее важно, что камеры Бетакам писали сразу на свою кассету, и не нужно было тянуть провода к отдельному рекордеру. А это дополнительные удобство и мобильность.
Бетакам развивался параллельно остальным форматам, но был всегда профессиональным решением.
Поговаривают, что кое-где до сих пор в эфир идут записи с бетакамовских кассет.
У нас VHS прекрасно жили вплоть до массового прихода дешевых «домашних кинотеатров» и DVD-дисков, а на западе в это время появлялись новые форматы.
Через восемь лет после выхода VHS, Сони выпустила конкурента: Video-8.
Формат был компактным: восемь — это как раз ширина пленки. Формат давал качество чуть получше VHS«ного с разрешением 250 строк. Не путать с Супер-8 65-го года: популярным форматом домашней съемки, в котором использовалась кинопленка. Но рынок бытового видео восьмерка так и не захватила, хотя определенную популярность снискала: эти маленькие удобные кассеты нашли свою нишу, став стандартом для видеокамер Handycam. Вполне вероятно, что у ваших родителей где-нибудь в столе лежит такая кассета с их свадьбой.
На смену пришли S-VHS и Hi-8. Качество видео выросло, принципы записи сигнала изменились, покрытие пленки улучшилось, ленты перестали быть оксидными и стали металло-порошковыми.
S-VHS отошла от композитного сигнала к двухкомпонентному: отдельно писались каналы яркости и цветности. Разрешение выросло до 400 строк. Формат начали то ли с гордостью, то ли с сомнением называть полупрофессиональным, появились устройства для профессионального монтажа и вещания на его основе. Кассеты выглядели так же, как обычные VHS, а магнитофоны были обратно-совместимыми.
Hi-8 — самый качественный из бытовых аналоговых форматов. Разрешение — 420 строк. Выглядит кассета, как Video-8.
На этом история развития аналоговых форматов заканчивается, но не заканчивается история видеокассет. Просто теперь на кассеты пишут цифровой сигнал.
Но сперва поговорим о дисках. Которые тоже сперва хранили аналоговое видео.
Первые попытки записать видео на диск были предприняты еще в конце девятнадцатого века.
Первый патент на такую систему, способную хранить чуть больше минуты видео, был зарегистрирован в 1907-м.
Двадцатисантиметровый Ted в начале семидесятых хранил от пяти до десяти минут.
В 78-м 12-дюймовый (30 см) виниловый VISC хранил по часу на каждой стороне, но даже не позволял поставить видео на паузу.
Потенциально успешный CED планировался в 64-м, а вышел в 81-м, сразу устаревшим и провальным.
Локально знаменитый 30-сантиметровый Laserdisc 78-го года хранил до часа на стороне в разрешении 440 строк. Кроме штатов и Японии нигде успешным не стал.
25-сантиметровый VHD 83-го года хранил по часу на стороне, но не стал успешным и через три года умер.
Цифровые диски начинаются с компактов. Первым адекватным форматом стал Video CD 93-го года, который давал VHS-качество, но не самый экономный кодек MPEG1, о котором чуть позже, ограничивал продолжительность такой записи часом с четвертью. Ну, а через три года вышел DVD и с ним долго никто не мог конкурировать.
А теперь вернемся к кассетам, которые стали цифровыми.
До этого цифровые модули в рекордерах и магнитофонах были. Например, манипуляции с записью компонентного сигнала требуют диджитал-вычислений, а значит, процессора (как минимум в системе рекордера), но на сами кассеты сигнал писался аналоговый.
Теперь же, вместо каналов яркости и цветности, на кассеты писались цифровые потоки данных, в остальном все было похоже.
И если для зрителя это означало лишь приятное улучшение качества, то вот профессионалам видеопроизводства приход цифровых технологий записи невероятно упростил жизнь.
Аналоговую кассету особо не разгонишь, а цифровую можно разгонять пятидесяти- и даже стократно, без потери возможности считывания записи. А это очень упрощает монтаж и критически уменьшает время от футажа до готовой к трансляции записи.
Ну и наконец-то: цифровой сигнал можно копировать и перезаписывать (почти) сколько угодно раз, никакой деградации не происходит — цифра есть цифра.
Первый цифровой формат: D1 от Сони. Где Д — значит Диджитал, а 1 — значит, что первый. Появился в 86-м.
Интересно, что кассеты очень похожи на кассеты самого первого видеоформата U-matic: тоже пленка шириной ¾ дюйма, причем — оксидная, а не металло-порошковая. Система обеспечивала поток данных в 270 Мбит/с. Интересно, что с современными кодеками, видео в 8К нормально выглядит всего при 50-и, но об этом позже.
Формат подразумевает кодирование компонентного сигнала в 4:2:2 и был очень любим профессионалами за обилие удобных устройств для монтажа и обработки и удобства самого формата.
Формат D2 числится не за Сони, а за Ампексом, хотя первая принимала участие в разработке.
Формат получился холиварным: кассеты были дешевле, магнитофоны стыковались с аналоговым оборудованием без дополнительных ЦАПов, но качество было хуже и заточен формат был для бытового использования. Лучшее, что можно было услышать от профессионалов о D2: «ну, это лучше, чем ВХС».
D3 уплотнил запись вдвое, сделав производство видео дешевле.
D4 не существовало на рынке.
D5 наконец-то вернул радость в глаза профессионалов: 10-битное кодирование и отсутствие компрессии перекрыли потребности в D1. Его HD версия позволила выбирать между чересстрочными 1080 и прогрессивными 720 с частотой до 30 к/с.
D6 в 93-м году дал возможность писать поток в безумный по компьютерным меркам 1,2 Гбит/с без компрессии. Для нормальной реализации такой плотности данных пришлось разработать новую систему коррекции ошибок. И на этом скучные форматы D заканчиваются.
В том же 93-м Сони выпустила на рынок Digital Betacam.
Преемник перекрывал D1 и позволял достаточно дешево производить и обрабатывать видео, составляя модульную систему из совместимых устройств. А еще он был обратно совместим со старыми Бетакамами. Операторам и производителям видео система полюбилась.
В 95-м у нее появился конкурент Digital-S.
Его еще называют D9 по скучной цифровой традиции. Кассеты выглядели как VHS. Чуть позже появился HD-вариант. Сигнал кодировался по системе DV.
DV или Digital Video — это целая группа форматов, что была коллективно разработана Sony, Panasonic, Philips, Hitachi и JVC и сильно влияла на рынок с 95-го.
Кассеты в рамках DV могли быть разных формфакторов, вплоть до маленьких, на которых, возможно, хранятся вторые свадьбы ваших родителей.
Через DV мы плавно переходим от физических носителей, к цифровым интерфейсам и компьютерам. И цифровое видео получает возможность храниться и передаваться в виде файлов. А это значит, появляются такие термины, как кодек и контейнер. Ну и наконец-то мы перестаем говорить о разрешении в телеформате «строк» и начинаем говорить в компьютерном формате пикселей.
Файлы и потоки
Контейнер — это формат файла или потока данных, в рамках которых данные кодируются каким-то одним образом.
Кодек же — это кодировщик и декодировщик. То, что преобразовывает данные. В случае с медиа, кодеки призваны сжимать поток данных и часто это делают с потерями.
В рамках форматов DV, контейнером может быть AVI, Quicktime или менее известный MXF. Кодеки в рамках этих контейнеров и форматов могут быть разными.
Если говорить о сжатии видео, то существует общее правило: чем более продвинутыми средствами кодируем, тем меньше может быть поток данных или размер файла, но понадобиться больше ресурсов для воспроизведения при субъективно равном качестве записи.
Развитие кодеков проходило параллельно с ростом производительности компьютеров.
В далеком 1988-м году появился кодек H.261. Мало кто о нем слышал, хотя именно в нем появились концепции опорных кадров, блочных векторных преобразований и других технологий, которые сейчас используются во всех популярных кодеках.
То есть, видео не хранится в виде последовательности кадров, как в кинопленке. Видео анализируется кодировщиком, который находит резкую смену картинки — например, начало новой сцены — и сохраняет такой кадр, который и называется опорным. И до следующего опорного кадра описывает лишь изменения этого кадра во времени, деля изображение на блоки.
В 93-м Экспертная группа по движущимся изображениям (MPEG), сформированная Международной организацией по стандартизации (ISO), разработала группу стандартов сжатия MPEG-1.
Относительно H.261 стало возможным строить изменения не только от прошлого опорного кадра, но и от последующего;, а также кодировать какой-то участок в отрыве от остальных.
В 96-м появился MPEG-2. Именно им позже будут закодированы DVD-диски, можете себе представить масштабы распространения. В игру вернулась чересстрочная развертка, а так ничего кардинально нового.
На DVD-видео надо остановиться подробно. Появились эти диски в далеком 96-м, а к 2003-му стали основным потребительским форматом видео.
Фильмы записывались с разрешением 720×576 пикселей, что совпадает с форматом D1. При этом сжатие позволило уменьшить битрейт — то есть, поток данных, до 9,8 Мбит/с, что позволило писать фильмы на диски, объемом 4,7 ГБ. Формат кодирования: 4:2:0, с уменьшением разрешения каналов цветности — эта хитрость позволяет уменьшить объем файлов не сильно влияя на качество картинки, потому что канал яркости остается в исходном разрешении.
Третий МПЕГ отдельно не существует, все его фишки абсорбировал второй. К mp3 тоже отношения не имеет. Его начинали разрабатывать примерно наравне со вторым, нацеливаясь на более высокие битрейты, но потом решили все его задачи в рамках MPEG2.
98-й — ура пиратству или MPEG-4.
DVD-диск записать на CD помогали сперва проприетарный кодек DivX, затем его открытый аналог Xvid. Качество было, конечно, значительно хуже DVD.
Зато полуторачасовой фильм занимал 700 МБ и в нулевых бум кинопиратства был завязан именно на эти кодеки. Если на компьютере были фильмы — это были фильмы такого формата, за редким исключением.
И с 2003-го начинается современность. Joint Video Team под патронажем вездесущей Экспертной группы по движущимся изображениям представила кодек H.264, которым был закодирован ролик внизу поста.
Ну, почти, все-таки с того времени его доработали, а Ютуб вообще перегнал мой ролик в VP9 =) Например, в 2007-м вышла надстройка для H.264 — SVC (Scalable Video Coding), которая не только усложнила декодирование и так нелегкого для компьютеров кодека, но и позволила хранить в потоке видео в нескольких разрешениях в таком формате, что более высокие опирались на более низкие. Вы, скорее всего видели в интернете картинки в прогрессивном джипеге, когда они грузятся не сверху вниз, а сперва в квадратиках, а после все лучше прорабатываются, пока не загрузятся полностью. Здесь похожая история. С тем преимуществом, что устройства, которым надо вывести видео в разрешении меньшем, чем имеет ролик, могут не тратить ресурсы на декодирование лишних слоев.
А кодек действительно ресурсоемкий. Он содержит в себе много продвинутых технологий, в которых я, увы, не силен. Тем не менее, сегодня даже телефоны успешно справляются с FullHD-видео в таком формате, а топовые тянут и 4К.
При этом битрейт такого ролика в 1080p колеблется около 2 Мбит/с, а без звука еще меньше. И факт того, насколько можно уменьшить объем данных, грамотно повысив объем и сложность вычислений, меня до сих пор поражает.
В 2006-м появились диски Блюрей.
За два года они вытеснили своего конкурента HD-DVD. Живы до сих пор. БД были разработаны целым консорциумом крупных компаний. Диски бывают однослойные и двухслойные, емкостью 25 и 50 ГБ соответственно. Видео для них кодируется в MPEG-2, MPEG-4, H.264 и в новом на тот момент кодеком от Майкрософта VC-1.
У HD-DVD значения емкости были чуть скромнее — 15 и 30 ГБ —, но они могли быть еще и двухсторонними. Набор кодеков тот же.
При этом потихоньку приближается будущее. Многие хотели бы его встретить в лице свободного кодека VP9, но, скорее всего, это будет корпоративный оскал H.265, который так же называют HEVC. Ну что сказать, с наступающим =)
Если серьезно, то оба кодека найдут себе место. Уже сегодня можно встретить видео-вставки на сайтах, которые реализованы на открытом формате WebM, который использует либо VP9 либо 8. А раз Гугл как раз форсирует применение VP9, то Ютуб тоже будет поддерживать оба новых кодека.
Оба кодека не революционные, но это очередной виток видеотехнологий. Видео и в H.264, и в VP8, и в H.265, и в VP9 выглядят прекрасно. Только последние два при этом меньше размером и имеют более высокий потолок применения. Другой вопрос, насколько быстрее или медленнее будет видео кодироваться в новые форматы, чтобы скромным производителям контента — вроде Слайламы — тоже было удобно. Да и особых конкурентов у этих кодеков нет, потому что сегодня снова важно, умеют ли устройства аппаратно декодировать видео: ваш смартфон без проблем потянет и какую-нибудь опенсорсную Theora, но разряжаться будет гораздо быстрее. Поэтому у нас снова добро и зло, Кока-кола и Пепси, Андроид и Айфон, VP9 и H.265.
