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

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.

 

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.

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

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

 
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.

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

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 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 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.

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.