Эта книга посвящена способам цифровой
записи звуковой информации и видеоинформации, их накопления,
хранения и попыткам преобразования в какой-то новый вид, более
приспособленный к требованиям современности. <...> Основы механической звукозаписи
В 1887 году американский изобретатель Эдисон изобрёл фонограф, и этот год считается началом звукозаписи, хотя, как ни странно, более сложный видеосигнал был записан братьями Люмьер раньше, с использованием фотозаписи. <...> Но при записи способом переменной плотности требуется тщательный подбор режима проявления, при отступлении от него увеличиваются нелинейные искажения. <...> Ширину пишущего штриха выбирают равной примерно 5 мкм,
что позволяет уменьшить нелинейные искажения записи и получить
освещенность пишущего штриха порядка 106 лк. <...> Основы магнитной аналоговой записи
Магнитная звукозапись основана на свойстве ферромагнитных
материалов намагничиваться под воздействием магнитного поля и
сохранять остаточное намагничивание по выходе из этого поля. <...> 1.6 по горизонтали отложена напряженность внешнего магнитного поля H, она пропорциональна, например, силе тока в обмотке записывающей головки. <...> Теперь
начнем уменьшать ток в обмотке головки. <...> Процесс магнитной записи: запись без подмагничивания на
предварительно размагниченный носитель (а); запись с высококачественным
подмагничиванием (б)
Чем больше коэрцитивная сила, тем труднее размагнитить материал, тем меньше по размеру соседние домены с противоположной
намагниченностью сохраняют ее. <...> Искажения сигнала при этом будут недопустимо велики. <...> При записи в обмотку головки
наряду со звуковым подается высокочастотный сигнал, имеющий
значительно больший уровень, чем звуковой. <...> Общие сведения о цифровой записи звука
Принцип, на котором базируется способ передачи звуковых сигналов в цифровой форме, состоит в том, что полное воспроизведение
любого сигнала на стороне приема возможно и в том случае, когда
передается <...>
Запись_цифровых_аудио-_и_видеосигналов.pdf
Запись_цифровых_аудио-_и_видеосигналов_(1).pdf
Москва
Горячая линия - Телеком
2013
Стр.1
УДК 681.84.086
ББК 32.871
Л67
Р е ц е н з е н т ы : доктор техн. наук, профессор Волков А.А.; доктор техн.
наук профессор В. Н. Безруков
Лишин Л. Г., Попов О. Б.
Л67
Запись цифровых аудио- и видеосигналов. Учебное пособие. –
М.: Горячая линия – Телеком, 2013. – 178 с.: ил.
ISBN 978-5-9912-0330-2
Систематизирована обширная информация в области современных
способов записи аудио- и видеоинформации, ее накопления,
хранения и преобразования в различных форматах.
Представлены сведения по истории развития, принципам работы,
параметрам и характеристикам различных систем записи и
архивирования информации. Приведены примеры практической
реализации систем записи и хранения аудио- и видеосигналов.
Для
студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки
210700 – «Инфокоммуникационные технологии и системы
связи» квалификации (степени) «бакалавр» и квалификации
(степени) «магистр», может быть полезно для студентов
вузов и колледжей, обучающихся по специальностям связи и
информатики, а также для специалистов эксплуатационных
служб радиосвязи, радиовещания и телевидения.
Учебное издание
Лишин Лаврентий Георгиевич, Попов Олег Борисович
Запись цифровых аудио- и видеосигналов
Учебное пособие.
Редактор Ю. Н. Чернышов
Компьютерная верстка Ю. Н. Чернышова
Обложка художника О. Г. Карповой
Подписано в печать 17.11.2012. Формат 60×88/16. Уч. изд. л.11,25. Тираж 500 экз.
(1 завод 100 экз)
ISBN 978-5-9912-0330-2
© Л. Г. Лишин, О. Б. Попов, 2013
© Издательство «Горячая линия–Телеком», 2013
А
д
р
ес и
з
д
а
тел
ь
с
т
ва
в И
н
тер
н
ет
W
W
W
.T
E
C
H
B
O
O
K
.R
U
Стр.2
Введение
Одно из важных явлений, произошедших в стране в последние
годы, — широкое развитие информационных технологий, которые
охватывают буквально все стороны жизни человека. Дома, в дороге,
на рабочих местах, буквально повсюду вас сопровождает информация.
Она передаётся по радио, телевидению, по мобильным
телефонам. Чтобы обеспечить передачу огромного потока информации,
человечество переходит на новейшие способы её накопления и
распространения. Сейчас трудно себе представить, что всего 50 лет
назад единственным носителем звуковой информации были грампластинки,
а о записи изображения можно было только мечтать.
Вспомним, что русский историк Н.М. Карамзин так оценивал роль
книгопечатания в прошлом: «История ума представляет две главные
эпохи: изобретение букв и типографии, всё другое было следствием».
Прошло не так много времени, и новые информационные
технологии сметают с полок и книги, и буквы, рождая новое поколение
человечества. Оно мало читает, но хорошо знает назначение
клавиш на мобильных телефонах и компьютерах и уже предпочитает
объёмные изображения. Эта книга посвящена способам цифровой
записи звуковой информации и видеоинформации, их накопления,
хранения и попыткам преобразования в какой-то новый вид, более
приспособленный к требованиям современности.
Стр.3
1 Способы записи аудиои
видеосигналов
1.1. Основы механической звукозаписи
В 1887 году американский изобретатель Эдисон изобрёл фонограф,
и этот год считается началом звукозаписи, хотя, как ни странно,
более сложный видеосигнал был записан братьями Люмьер раньше,
с использованием фотозаписи.
Механическая звукозапись основана на вырезании (выдавливании
или литье) в материале носителя записи канавки с помощью
записывающего устройства — рекордера. При воспроизведении по
канавке движется игла воспроизводящего устройства — звукоснимателя
[1–4].
В процессе развития механической записи были предложены
Рис. 1.1. Вид модулированной канавки
при поперечной (а) и глубинной
(б) записи. Вверху — разрез по
оси канавки, внизу — вид сверху
два основных способа модуляции
канавки: поперечный, при котором
резец колеблется влево-вправо от
нейтрального положения и канавка
постоянной ширины приобретает
извивы (рис. 1.1,а), и глубинный,
при котором резец смещается
вверх-вниз от нейтрального положения,
вырезая канавку переменной
глубины и ширины (рис. 1.1,б).
Все предварительные операции по записи и монтажу фонограммы
ведут с помощью магнитной записи. Окончательно смонтированную
магнитную фонограмму переводят в механическую на
станке механической записи (рис. 1.2). Он имеет массивный диск
(планшайбу) 1, вращаемый двигателем 2. Рекордер 4 с помощью
механизма 3 перемещается в радиальном направлении. Носитель
записи 5 (медный или лаковый диск) прочно закрепляется на планшайбе.
Алмазный резец рекордера постепенно перемещается в радиальном
направлении от края диска к центру. В отсутствие сигнала
получается канавка без извилин, немодулированная.
Стр.4
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1. Способы записи аудио- и видеосигналов. . . . . . . . . . . . . . .
1.1. Основы механической звукозаписи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Особенности механической записи стереосигналов . . . .
1.3. Основы фотографической звукозаписи. . . . . . . . . . . . . . . .
1.4. Основы магнитной аналоговой записи . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
4
5
6
8
1.5. Общие сведения о цифровой записи звука . . . . . . . . . . . . 11
1.6. Основы магнитной цифровой записи. . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.7. Основы лазерной звукозаписи на компакт-диск. . . . . . . 15
1.8. Супераудиокомпакт-диск SACD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.9. Основы магнитооптической записи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.10. Запись на флэш-память. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2. Общее представление о преобразовании аналоговых
звуковых и телевизионных сигналов в цифровые . . . . 28
2.1. Информация, информационные технологии . . . . . . . . . . 28
2.2. Дискретизация сигналов и возникновение искажений 31
2.3. ИКМ преобразование звуковых сигналов . . . . . . . . . . . . . 34
2.4. Корректирующее и канальное кодирование при записи
звукового сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5. Дискретизация и квантование изображений и телевизионных
сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.6. Цифровое представление полного телевизионного
сигнала. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.7. Цифровое представление видеоданных в компьютерных
системах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3. Проблемы сжатия цифровой информации . . . . . . . . . . . . 51
3.1. Задача сжатия цифровой информации и пути её решения
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2. Количество информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3. Кодирование с переменной длиной кодовых слов . . . . . 54
3.4. Кодирование серий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.5. Кодирование с предсказанием. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.6. Основы сжатия с частичной потерей информации . . . . 59
Стр.176
Оглавление
177
3.7. Компрессия на базе Wavelet-преобразования . . . . . . . . . . 61
3.8. Описание стандартов компрессии MPEG-1, MPEG-2,
MPEG-7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.9. Описание стандарта MPEG-4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.10. Взаимодействие систем в стандарте MPEG-4 . . . . . . . . . 79
3.11. Кодирование видео и звука в МPEG-4 . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.12. Новые стандарты компрессии AVC/H.264, VC1, DIRAC 82
4. Проблемы распространения и интерфейсы для передачи
информации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.1. Основные понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2. Межсимвольные искажения скремблирование и перемежение
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.3. Типы интерфейсов и их особенности. . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.4. Интерфейсы для цифровых телевизионных сигналов. 99
4.5. Интерфейсы для передачи транспортного потока. . . . . 105
4.6. Интерфейсы для сигналов и звукового сопровождения
телевизионного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.7. Принципы помехоустойчивого кодирования при передаче
цифровых сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5. Проблемы записи цифровой информации. Устройство
современных цифровых видеомагнитофонов . . . . . . 110
5.1. История цифровой магнитной видеозаписи . . . . . . . . . . . 110
5.2. Физика процесса записи-воспроизведения цифровых
сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.3. Проблемы цифровой высокоплотной магнитной
записи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.4. Канал записи и повышение достоверности воспроизводимой
информации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6. Запись информации на дисковые носители . . . . . . . . . . . 130
6.1. Преимущества записи цифровой информации на дисковые
носители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.2. Оптические диски для записи цифровой информации 130
6.3. Магнито-оптические диски для записи высокоскоростной
цифровой информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.3.1. Оптический Blu-Ray Disс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.3.2. Флуоресцентный диск FMD-ROM(Fluorescent Multilayer
Disk) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.3.3. Оптические диски компании Ricoh емкостью
200 Гбайт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.3.4. Китайский диск DVD-стандарта. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Стр.177
178
Оглавление
6.4. Жёсткие диски для записи высокоскоростной цифровой
информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.5. Вопросы использования голографических дисков . . . . 139
6.6. Диски фирмы Tapestry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.7. Голографический диск компании Maxcell . . . . . . . . . . . . . 143
7. Запись цифровой информации на неподвижные носители
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.1. Физические основы работы флэш-памяти. . . . . . . . . . . . . 144
7.2. Логика работы ячеек флэш-памяти. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.3. Многоуровневые ячейки флэш-памяти. . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.3.1. Технология многоуровневой ячейки. . . . . . . . . . . . . . . 147
7.3.2. Доступ к информации в флэш-памяти . . . . . . . . . . . . 150
7.4. Запись на твёрдотельную карту Р2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.5. Racetrack memory — новая память фирмы IBM. . . . . . . 152
8. Хранение звуковых, телевизионых и кино архивов . . 155
8.1. Проблемы сохранения звуковых и телевизионных архивов
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.2. Безленточные технологии и архивирование. . . . . . . . . . . 160
8.3. Метаданные — от первичных до расширенных. . . . . . . . 161
8.4. Проблемы поиска и сохранения контента . . . . . . . . . . . . . 163
8.4.1. Файловая структура карты памяти Р2 . . . . . . . . . . . . 164
8.4.2. Запись MXF-файлов на Р2-карту . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.4.3. Работа с MXF-файлами и метаданными. . . . . . . . . . . 166
8.4.4. Программное обеспечение библиотеки P2 desktop
manager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Список терминов и сокращений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Стр.178