Формат XAVC. Путь к 4K в кино и телевидении

4K – формат «движущегося изображения», как телевизионного, так и кино, который предлагает использовать размер картинки примерно в четыре раза больший, чем в привычном HDTV. Для записи видеоматериалов с разрешением 4Kкомпания Sony представила новый формат XAVC. В настоящий момент существует две разновидности 4K: кинематографическая и телевизионная.

Кинематографический 4K основан на спецификации, которая выпущена (с дополнениями) в период с 2010 по 2012 год консорциумом Digital Cinema Initiatives (DCI), куда входит Sony Entertainment, а также шесть крупнейших кинокомпаний США. Спецификация определяет формат изображения, предназначенный для распространения и демонстрации кинофильмов. В соответствии со спецификацией DCI размер цифрового изображения 4K должен составлять 4096х2160 при скорости 24 к/с.

Телевизионный формат 4K основан на стандарте Международного союза электросвязи (ITU-T), который был опубликован в августе 2012 года (документ ITU-R Recommendation BT.2020). Этот стандарт предлагает использование размера кадра 3840х2160 и целый ворох различных скоростей (от 24 до 120 к/с). Он предназначен для использования в ТВ-производстве. Уменьшенное количество точек изображения по горизонтали связано с особенностями конструкции воспроизводящих устройств (телевизионных экранов).

Объявляя о выведении на рынок нового формата видеокомпрессии XAVC, компания Sony заявляет о поддержке как телевизионного, так и кинематографического 4K. Таким образом, XAVC удовлетворяет как потребностям DCI, так и потребностям производителей телевизионного контента. Однако XAVC поддерживает и другие размеры картинки, что делает его универсальным. Возможно использование XAVC для HDTV (2K) и более мелких разрешений. В действительности XAVC не такая уж и новинка в мире видеокомпрессии. В основе этого формата лежит старый добрыйH.264, модернизированный для больших размеров телевизионной картинки. В XAVC используется уровень 5.2 стандарта H.264 – это наибольший из всех уровней, предназначенный для изображений сверхвысокой четкости.

В настоящий момент объявлено, что новые камеры PMW-F55 / F5 будут поддерживать XAVC, производя запись на карты памяти SxS Pro+, специально разработанные для XAVC. Это и неудивительно, ведь скорость цифрового потока XAVCбудет составлять для I-кадров от 240 до 600 Мб/с (24 или 60 к/с). Длительность записи на карту памяти 128 ГБ в зависимости от выбранной скорости кадров составит от 50 до 20 минут. Необходимо отметить, что камеры PMW-F55 / F5 относятся к семейству камер CineAlta, который обладают особенностями, присущими кинематографическим камерам для пленки 35 мм, и разработаны для использования в цифровом кинематографе.

В таблице 1 приведены основные характеристики XAVC. Обратите внимание, что это характеристики самого стандарта. В различных типах оборудования, которое будет поддерживать XAVC, могут быть реализованы не все представленные возможности. Например, обозначение Proxy соответствует материалам, которые могут применяться в станциях подготовки контента (монтажа) для создания листа монтажных решений вместо полноразмерных материалов (4K). Intraв последней колонке означает, что возможен режим, когда выполняется внутрикадровое кодирование, Long GOP – межкадровое. В случае если используется режим Intra, компрессированная видеопоследовательность состоит только изI-кадров (в H.264 они называются IDR – instant decoder refresh). Рассмотрим несколько возможностей интеграции XAVC в существующее кино- и видеопроизводство, которые предлагаются разработчиками.

Камеры PMW-F55/F-5 могут быть снабжены рекордером AXS-R5, который записывает изображение в формате RAW. Одновременно на карту SxS Pro+ может быть записано то же изображение, но в формате XAVC, которое может быть использовано при монтаже цифрового кинофильма в качестве proxy-материала. Качество компрессии XAVC при этом позволяет сохранить все нюансы исходного несжатого изображения сверхвысокой четкости. Размер семпла RAWсоставляет 16 бит для обеспечения совместимости со спецификацией, которая в настоящий момент разрабатывается консорциумом ACES (Academy of Color Encoding System), в котором Sony принимает активное участие. СпецификацияACES призвана обеспечить одинаковое воспроизведение изображений цифровых кинофильмов при использовании различных технических средств.

В телевизионном производстве XAVC не направлен на замену MPEG2 Long GOP, который весьма популярен вследствие быстроты работы алгоритмов компрессирования. Специализация MPEG2 Long GOP – это производство скоропортящегося продукта, новостей. Если для схожих условий в течение одной секунды может быть обработано 160 кадров MPEG2 Long GOP, то XAVC – только 40 кадров. Таким образов, производительность MPEG2 Long GOP в четыре раза быстрее. Еще меньшая производительность у формата MPEG4 SStP, который позиционируется Sony как высококачественный формат для премиум-контента.

Таким образом, XAVC способен заполнить собой нишу между MPEG2 Long GOP и MPEG4 SStP в телевизионном производстве, например, для создания коммерческих продуктов (презентаций), съемки спортивных мероприятий и т.п. Еще одна возможность использовать камеры PMW-F55/F5 – это запись HDTV в XAVC с очень высокой скоростью. Заявляется, что на одну карту SxS Pro+ 128 ГБ можно записать 40 минут видео в разрешении 1920×1080 со скоростью 180 к/с.

Помимо формата видеокомпрессии предлагается механизм инкапсуляции компрессированной информации, который соответствует стандарту H.264, т.е. предлагается использование NAL H.264. NAL – уровень сетевой абстракции (networkabstraction layer), определяющий синтаксис представления компрессированных данных. В случае использования режима внутрикадрового кодирования (intro), NAL формируется таким образом, чтобы таблицы служебной информации предшествовали каждому I-кадру (IDR). В случае использования режима межкадрового кодирования – каждому GOP.

Структура файла XAVC показана на рисунке выше. Верхний уровень – ‘’крупномасштабная’’ структура, состоящая из editunit, каждый из которых представляет собой мультиплексированные цифровые потоки с видео- и аудиоинформацией. Средний уровень реализован по известному принципу KLV – key, length, value: идентификатор типа, длина поля данных, данные. Нижний уровень демонстрирует собственно NAL с таблицами служебных данных SPS, PPS и другими.

Кодер XAVC реализован в виде двухступенчатого процесса – предварительного кодирования, которое необходимо для оценки параметров кодируемого изображения, и собственно кодирования XAVC. Компания Sony разработала микросхему-кодер, которая помимо XAVC имеет возможность кодирования и декодирования MPEG2. Sony объявила формат XAVC открытым и предлагает всем производителям оборудования или программного обеспечения получать лицензии на использование XAVC. Объявлено, что к  настоящему моменту лицензии получены такими известными компаниями, как Adobe (для CS6), Avid, Apple, Grass Valley, Quantel, Assimilate, Codex, FilmLight, Matrox и другими. Реализована поддержка в монтажном ПО Sony Vegas.

Часто задаваемые вопросы: XAVC Sony

Какова основная цель создания формата Sony XAVC?

Формат XAVC воплощает собой идею «Beyond HD» («Превосходя HD»). Он был разработан для таких областей применения, как киносъемка, цифровое телевидение высокой четкости (HDTV) и рекламные ролики, для которых требования к качеству превышают возможности формата 1080/50p.

Заменит ли XAVC существующие кодеки Sony?

XAVC не заменит, а дополнит существующие форматы, включая MPEG-4 SStp, MPEG-2 (фактически, стандарт для HDTV)

Формат XAVC является обновленной версией MPEG4 SStP?

Формат XAVC не является заменой кодека MPEG4 SStp. Формат MPEG4 SStP используется многими крупными телевещательными компаниями по всему миру, в том числе как формат записи на ленту HDCAM-SR для обмена программами, мастеринга и архивирования. Потери качества видео практически нет, и многие считают, что формат HDCAM-SR не отличается от записи полосы частот. SStP останется эталонным кодеком для мастеринга.

В последние несколько лет Sony активно рекламировала преимущества MPEG2 Long GOP. Для чего в таком случае создавать еще один кодек с внутренним кодированием кадров?

Главная цель разработки формата XAVC — организовать доступную по цене среду для создания и обработки цифрового изображения для 4K и контента с высокой частотой кадров. Несмотря на то, что изначально мы разрабатывали стандарт XAVC как кодек 4K, большинство его элементов также актуальны для HDTV, так что он дополнит собой линейку существующих кодеков, таких как MPEG2 и MPEG4 SStP. С одной стороны, XAVC Intra обеспечивает лучшее или аналогичное качество по сравнению с MPEG-2 Long GOP из-за разрядности 10 бит и более энергоемкой технологии сжатия. С другой стороны, MPEG-2 Long GOP имеет более высокую эффективность по сравнению с XAVC Intra 100 Мбит/с из-за меньшего размера файлов и более скромных требований к производительности. По этим причинам MPEG2 50 Мбит/с останется фактическим стандартом для новостного и основного производства для HDTV.

Почему нельзя просто использовать один из существующих форматов?

Ни один из существующих форматов не может эффективно поддерживать качество и требования для производства выше стандарта HD 1080/50 Мбит/с.

В чем отличия между форматами XAVC и AVCHD?

Формат XAVC поддерживает 4K/HD, 4:4:4/4:2:2/4:2:0 и разрядность 12/10/8 бит, что достаточно для большинства сфер применения — от профессиональных до потребительских продуктов и производства 4K до потокового онлайн-вещания и пользовательских приложений. Формат AVCHD, напротив, поддерживает 24 Мбит/с для 1080 50i/50i или 28 Мбит/с для 1080 50P/60P при разрядности 4:2:0 8 бит и полностью совместим с форматом дисков Blu-ray. В форматах XAVC и AVCHD используется аналогичная технология сжатия MPEG-4 AVC/H.264, но эти форматы не совместимы друг с другом.

Почему нельзя использовать RAW в качестве кодека по умолчанию для 4K?

Формат XAVC разработан для передачи данных со средней скоростью при высокой частоте кадров (частота кадров 50p, 50p и 4K). Формат RAW обеспечивает очень высокие скорости передачи данных и не может использоваться в качестве единого формата обмена. Формат RAW дает гибкость, необходимую для интенсивного постпроизводства, но зависит от характеристик матрицы камеры.

Насколько оболочка формата XAVC соответствует существующим форматам Sony MXF?

Она аналогична файлам SStP MXF OP-1a форматов MPEG2 и MPEG4. Идеально для доставки файлов и серверных операций.