4K, HDR, HFR: где и как хранить информацию в новых форматах

Как технологии подстраиваются под все увеличивающиеся объемы отснятого материала и почему хранение данных — одна из самых важных сфер развития индустрии.

Технологические тренды выступали и продолжают выступать своеобразными драйверами развития современных вещательных и производственных комплексов в медиаиндустрии. К трендам цифрового видеоконтента сегодняшнего дня можно отнести высокое разрешение изображения, высокую частоту кадров (HFR), высокий динамический диапазон (HDR), широкую цветовую гамму и просто большое число видеокамер. Несложно предположить, что для записи, обработки, распространения и хранения такого «насыщенного» видеоконтента требуются куда более емкие системы хранения данных, а также высокие вычислительные и сетевые ресурсы.

По мнению экспертов, в ближайшие 10 лет крупные производственные комплексы будут оперировать цифровыми медиаданными объемом в сотни петабайт. В этой статье мы исследуем размер и качество видео для спортивного, кинематографического, эпизодического и анимационного контента, а также попробуем вычислить, какой объем данных потребуется для хранения одного часа того или иного вида контента.

Влияние видеокамеры

Профессионалы медиаиндустрии используют высококачественные и дорогостоящие видеокамеры, которые позволяют им снимать видеоконтент в самом высоком разрешении, с лучшими цветами и в самом широком динамическом диапазоне. Как правило, отснятое исходное видео является самым качественным контентом всей технологической цепочки, а потому требует высокую емкость для хранения данных в пересчете на один час съемки. Качество оригинального видео определяется следующими характеристиками камеры.

Разрешение. Определяется количеством пикселей в изображении. Чем выше количество пикселей, тем больше мелких деталей картины можно увидеть, а следовательно и более захватывающе выглядит вся картина.
CGI (Computer-Generated Imagery). Анимация и компьютерная CGI-графика, так же, как и видеосъемка, визуализируются в самом высоком разрешении.
Высокая частота кадров. На сегодняшний день большинство профессиональных камер имеют частоту кадров 120 fps для 4K видео. Влияние частоты кадров на конечный объем видеоданных настолько велик, что в некоторых камерах снижается разрешение картинки ради повышения кадровой частоты.
Высокий динамический диапазон (HDR). Профессиональные камеры обычно поддерживают технологию HDR, которая позволяет добиться высокой детализации на очень тусклых и очень ярких областях кадра.
Глубина цвета. Параметр, указывающий количество бит, используемых для указания цвета конкретного пикселя. Высокая битовая глубина цвета увеличивает суммарную емкость каждого видеокадра.
Цветовая гамма. Параметр, показывающий, насколько широко выражен цветовой диапазон картины. В отличие от глубины цвета, не влияет на конечный объем кадра.
Компрессия. Ее отсутствие при видеосъемке в несжатом RAW формате в конечном итоге в несколько раз увеличивает размер готового видеофайла в сравнении с использованием компрессии.

Вычисление размера цифрового контента

Рассмотрим несколько простых уравнений, которые можно использовать для расчета необходимого объема хранения одного часа видеоконтента с заданным разрешением.

Уравнение 1: Размер кадра = Ширина х Высота х Бит/пиксель х Количество цветов

3840 пикс. x 2160 пикс. x 10 бит/пикс. x 3 цвета = 248 Мб/кадр : 8 бит/байт = 31,1 Мбайт/кадр

Уравнение 2: Скорость данных = Размер кадра х Число кадров в секунду

31,1 Мбайт/кадр х 60 кадров/сек = 1866 Мбайт/сек

Уравнение 3: Объем данных в 1 час = Скорость данных х 3600 сек

1866 Мбайт/сек х 3600 сек = 6718 Гбайт

В таблице ниже представлены различные характеристики профессиональных видеоформатов. Стоит также отметить, что фактическая скорость передачи данных и емкость хранилища могут зависеть от дополнительных, не рассмотренных ранее, параметров, таких, как специализированное сжатие и цветовое кодирование.

Таблица 1. Параметры цифрового видео для различных типов профессионального контента

Формат	Разрешение кадра	Частота кадров	Скорость данных	Емкость хранилища
SDTV (NTSC), (8-бит)	720 x 480 пикс.	~30 Гц	31 Мбайт/сек	112 Гбайт/час
HDTV (1080p, 8-бит) RGB	1920 x 1080	24 Гц	149 Мбайт/сек	537 Гбайт/час
UHD-1 4K (10-бит) RGB	3840 х 2160	60 Гц	1,866 Гбайт/сек	6,718 Тбайт/час
UHD-2 8K (12–бит) RGB	7680 x 4320	120 Гц	17,916 Гбайт/сек	64,497 Тбайт/час
Digital Cinema 2K (10-бит) YUV	2048 x 1080	24 Гц	199 Мбайт/сек	717 Гбайт/час
Digital Cinema 4K (12-бит) YUV	4096 x 2160	48 Гц	1,910 Тбайт/сек	6,880 Тбайт/час
Digital Cinema 8K (16-бит) YUV	8192 x 4320	120 Гц	25,480 Тбайт/сек	91,729 Тбайт/час

Однако на практике эти цифры заметно отличаются от теоретических расчетов. В следующей таблице приведены примеры реальных 4K кодеков, используемых в профессиональных видеокамерах. Фактическая скорость передачи данных зависит от глубины цвета, частоты кадров, цветовой субдискретизации, компрессии, HDR и многих других факторов.

Таблица 2. Некоторые кодеки профессиональных камер с разрешением 4K и выше

Камера / Кодек	Разрешение	Частота кадров	Скорость данных	Объем данных / Час
Panasonic GH4 4K	4096 x 2160	24 Гц	100 Мбит/с	45 Гб/час
Red 4K (6:1)	3840 x 2160	24 Гц	432 Мбит/с	194 Гб/час
XAVC 4K	4096 x 2160	30 Гц	300 Мбит/с	135 Гб/час
KineMINI 4K CinemaDNG	4096 x 2160	24 Гц	332 Мбит/с	150 Гб/час
AVC-Ultra 4K	4096 x 2160	24 Гц	400 Мбит/с	180 Гб/час
Canon 1DC MJPEG 4K	4096 x 2160	24 Гц	500 Мбит/с	225 Гб/час
ProRes 422 4K	3840 x 2160	60 Гц	489 Мбит/с	220 Гб/час
KineMAX 6K CinemaDNG	5760 x 3240	24 Гц	672 Мбит/с	302 Гб/час
ProRes 422 HQ 4K	3840 x 2160	60 Гц	734 Мбит/с	330 Гб/час
Sony F5/55 RAW 4K	4096 x 2160	25 Гц	1,000 Гбит/с	450 Гб/час
ProRes 4444 4K	3840 x 2160	60 Гц	1,100 Гбит/с	495 Гб/час
RED 6K WS (4:1)	6144 x 3160	24 Гц	1,160 Гбит/с	522 Гб/час
ProRes 4444 XQ 4K	3840 x 2160	30 Гц	1,650 Гбит/с	742 Гб/час
Sony F65 RAW SQ 4K	4096 x 2160	24 Гц	2,000 Гбит/с	900 Гб/час
BlackMagic 4K PL RAW	4000 x 2160	24 Гц	2,120 Гбит/с	954 Гб/час
RED 6K WS (4:1) with HDRx	6144 x 3160	24 Гц	2,320 Гбит/с	1,044 Тб/час
Canon RAW 4K (12-bit)	4096 x 2160	30 Гц	2,664 Гбит/с	1,199 Тб/час
Phantom Flex 4K RAW	4096 x 2160	938 Гц	102,400 Гбит/с	46,080 Тб/час

Современные технологии хранения данных

Рабочий процесс в современных цифровых медиа достаточно требователен и в то же время имеет ряд ограничений. Для записи и последующей обработки контента в высоком разрешении необходимы высокопроизводительные системы хранения данных, требующие увеличения расходов на IT-инфраструктуру, которые далеко не всегда успевают угнаться за развитием технологий. Таким образом, экономичное хранилище является одним из важных элементов в большинстве рабочих видеопроцессов и, ввиду всех вышеуказанных особенностей, сочетает в себе несколько различных технологий хранения данных, таких, как флеш-память, жесткие диски и магнитные ленты.

На рисунке ниже показана роль системы хранения данных в создании, распространении и архивировании цифрового развлекательного контента.

Цифровой производственный комплекс

Цифровое хранилище, поддерживающее устаревающие технологии с большим количеством HD-потоков, очень быстро заполняется всего несколькими потоками 4K-контента. Высокая частота кадров в камерах замедленной съемки и многих современных 4K/8K-видеокамерах заполняет это хранилище еще быстрее. В дополнение к высокому разрешению и HDR, необходимость работы с множеством форматов доставки контента является важным требованием, предъявляемым к современным системам хранения данных.

Поскольку современные производственные процессы подразумевают совместную деятельность территориально распределенных сотрудников, в значительной степени возрастает важность удаленного сетевого доступа к хранилищу медиаконтента через сеть Интернет. В связи с этим все большую популярность в сегодняшних медиакомпаниях набирают сетевые и, в особенности, облачные хранилища. На рисунке ниже изображена схема современной станции видеомонтажа, подключенной одновременно к локальному, сетевому и облачному хранилищам.

Схематичное представление профессиональной системы нелинейного видеомонтажа

Твердотельные диски SSD

Этот новый вид накопителей набирает все большую популярность, когда речь идет о задачах монтажа и обработки видео, поскольку обеспечивает высокую производительность, в разы превосходящую традиционные жесткие HDD-диски. Однако из-за их сравнительной дороговизны большинство производственных комплексов архивируют собственный контент на HDD, либо используют гибридные HDD/SSD-хранилища. Твердотельные SSD-диски, предварительно синхронизированные с содержимым HDD-архива, также удобно применять для более быстрой доставки рабочего контента потребителям.

Архивирование

Архивирование контента — важный элемент его долгосрочного хранения и последующей монетизации. Кроме того, регулярное архивирование контента позволяет исключить его устаревание в основном хранилище, рационально использовать производственные мощности и повысить производительность рабочих процессов. Современные цифровые архивы, находящиеся в «облаках» или в центрах обработки данных, как правило, хранят видеоконтент на жестких дисках, магнитных лентах, а иногда и на оптических дисках.

Объектно-ориентированные библиотеки контента

Объектно-ориентированные библиотеки контента являются основой большинства публичных и частных облачных инфраструктур хранения данных. Рисунок ниже демонстрирует, что в ближайшие несколько лет большая часть «облачных» ресурсов будет приходиться именно на нужды хранения и архивирования данных.

Архивация в облачных ресурсах

Цифровые ленты и хранилища

Магнитная лента является, пожалуй, одним из самых доступных средств архивирования цифровых медиаданных. Во-первых, стоимость хранения одного гигабайта данных крайне низка, а во-вторых, магнитная лента не потребляет электроэнергию, стоя на полке. Таким образом, капитальные и операционные расходы на содержание магнитных лент крайне малы.

Однако главным ее недостатком является низкая скорость обращения к данным в сравнении с другими технологиями хранения. По этой причине ленточное хранилище целесообразно совмещать с дисковыми или флеш-накопителями, с помощью которых можно было бы кэшировать часто используемый контент. По мере роста архива рано или поздно придется отказаться от съемных внешних накопителей или небольших ленточных библиотек и перейти к использованию защищенного цифрового архива. Этот архив может располагаться как на территории телевизионного комплекса, так и в облачном хранилище, доступном через Интернет.

Источник