История мультимедиа в Windows: Video for Windows (ч.4)

11. Microsoft Windows 95
Windows 3.1 была для своего времени достаточно передовым продуктом. Но все её достоинства и нововведения меркнут перед Windows 95.

Представленная с огромной помпой 24 августа 1995, она перевернула все представления о Windows. Количество представленных в её составе новинок впечатляет.

Во-первых, Windows 95 была полноценной операционной системой, устанавливавшейся на "чистый" компьютер.

Предыдущие версии Windows фактически были графическими оболочками над старой операционной системой MS-DOS, запускавшимися из её среды и пользовавшимися её средствами для выполнения многих системных функций. Понятно, что для успешной работы они требовали предварительной установки MS-DOS.

Во-вторых, Windows 95 была полноценной 32-разрядной операционной системой. Следовательно, она поддерживала все возможности, открывающиеся перед подобными ОС, в частности, доступ ко всей установленной в компьютере памяти и настоящую вытесняющую многозадачность. Помимо этого, новая Windows была заметно быстрее и стабильнее.

Предыдущие версии Windows 95 были 16-разрядными и реализовывали кооперативную многозадачность, не всегда работающую корректно и часто приводившую к зависанию всей системы.

В-третьих, она представляла новый пользовательский интерфейс. Стильный, графитового цвета, с эффектами трёхмерности, он сразу завоевал симпатии пользователей. Ничего общего с угловатыми окошками и корявыми кнопками предыдущих версий Windows.

В-четвёртых, она включала новую пользовательскую оболочку - знакомый нам Проводник. Рабочий стол с иконками, Панель задач, меню Пуск, Корзина - всё это появилось именно в Windows 95 и осталось во всех последующих версиях Windows.

В-пятых, новая файловая система с поддержкой длинных имён. Теперь, вместо того чтобы называть файл со статьёй маловразумительным именем TVRSMMW.TXT, можно было поименовать его просто "Статья для TheVista.ru о мультимедийных подсистемах Windows.txt".

Рис. 18. Интерфейс Microsoft Windows 95

Хотя многие компоненты, в том числе и системные, Windows 95 всё ещё оставались 16-разрядными. По некоторым оценкам, объём 16-разрядного кода в ней составлял до 40% от общего объёма кода. Сама Microsoft утверждает, что так было сделано ради снижения аппаратных требований, хотя кто его знает...

Но нас интересуют мультимедийные возможности Windows 95. Посмотрим, каковы они.

В качестве мультимедийной подсистемы Windows 95 использовала новую версию Video for Windows, носившую номер 95. Это была всё та же старая Video for Windows, практически без изменений взятая из Windows 3.1 и переписанная в 32-разрядный вид. Она поддерживала те же возможности и имела те же ограничения, что и предыдущие версии Video for Windows.

Интересно, что в системе присутствовали две версии Video for Windows: старая 16-разрядная и новая 32-разрядная. Соответственно, в двух версиях были представлены и все стандартные кодеки. Единственное исключение - кодеки форматов Indeo 2.1 RT21 и Indeo 2.1 YVU9 были только 16-разрядными; вероятно, их решили не переделывать вследствие того, что посчитали данные форматы устаревшими.

Windows 95 также включала две версии ACM: старую 16-разрядную и новую 32-разрядную. Более никаких изменений в этой подсистеме не было.

Ещё в составе Windows 95 поставлялась новая версия Media Player - 4.0. Это был всё тот же Media Player, знакомый нам по предыдущим версиям Windows, но только переписанный в 32-разрядный вид.

Как видим, никаких особых мультимедийных нововведений в Windows 95 не появилось. Всё оставалось по-старому.


12. Microsoft Windows NT
Microsoft начала разработку линейки Windows NT ещё в ноябре 1989 года. Новая операционная система должна быть изначально сетевой, исключительно надёжной и служить в качестве серверной платформы.

Первая версия Windows NT, имевшая номер 3.1, вышла 27 июля 1993 года. Её ключевые возможности перечислены ниже.

• Полностью 32-разрядная архитектура. Никаких вставок 16-разрядного кода, унаследованного от предыдущих версий Windows (чем грешила Windows 95).
• Новая файловая система - NTFS, - обеспечивающая исключительную надёжность хранения данных.
• Развитые сетевые возможности.
• Мощные средства обеспечения безопасности и управления правами доступа.

Windows NT 3.1 имела тот же пользовательский интерфейс, что и Windows 3.1, и включала поддержку технологии OLE1.

Windows NT 3.5, вышедшая 21 сентября 1994 года, имела поддержку стека протоколов TCP/IP, различных интернет-сервисов, таких, как WWW и FTP, технологии OLE2 и длинных имён файлов. Помимо этого, она предлагала улучшенную производительность.

30 мая 1995 года в свет вышла Windows NT 3.51. Вот перечень возможностей, что в ней появились: новый интерфейс в стиле Windows 95, поддержка подключения к клиентским компьютерам с установленной Windows 95, расширенные интернет-функции и улучшение совместимости с приложениями, написанными под Windows 95.

А 29 июля 1996 года вышла последняя версия Windows NT, в чьём обозначении присутствовали буквы "NT". Это была Windows NT 4.0. Из нововведений этой версии можно отметить улучшенные пользовательский интерфейс и совместимость с приложениями, написанными по Windows 95, новые административные средства и возможности по управлению правами доступа.

А ещё Windows NT 4.0 стала первой операционной системой линейки Windows, в состав которой входил пакет DirectX. Изначально она поставлялась с DirectX 2, а вместе с третьим пакетом обновления (Service Pack 3) в неё устанавливался DirectX 3.

Ну а что же в плане поддержки мультимедиа? Какие новые замечательные возможности и великолепные программы, призванные обеспечить поддержку аудио и видео, имела Windows NT?

Да никаких. В смысле, никаких новых. Всё старое...

• Мультимедийная подсистема Video for Windows NT. Как и Video for Windows 95, она была полностью 32-разрядной и включала в свой состав 32-разрядные кодеки. 16-разрядной версии этой подсистемы в составе Windows NT не было.
• Мультимедийная подсистема ACM только 32-разрядная версия.
• Проигрыватель Media Player 4.0.
• Все прочие мультимедийные программы, известные нам ещё по Windows 3.1 и переписанные в 32-разрядный код.

Как видим, развитие мультимедийных средств Windows на какое-то время приостановилось. Наступил застой.


13. MPEG I
Тем временем в мире цифрового аудио и видео произошло весьма примечательное событие. В августе 1993 года группа MPEG (Moving Picture Experts Group, Группа по изучению движущихся изображений) представила набор форматов, получивший наименование MPEG I. Который вскоре перевернёт рынок мультимедиа...

Это был серьёзный вызов Microsoft. Ведь после выхода данного набора форматов мультимедийная подсистема Video for Windows, не говоря уже о ACM, оказалась безнадёжно устаревшей. Впрочем, об этом - потом.

MPEG I включает описание форматов кодирования аудио и видео, а также форматы мультимедийных файлов для их хранения.

13.1. MPEG I Audio
Семейство форматов кодирования аудио, представленное в наборе MPEG I, носит название MPEG I Part 3, или MPEG I Audio. Это семейство включает три формата кодирования, о которых мы сейчас поговорим.

13.1.1. MPEG I Audio layer II (MP2)
Формат кодирования звука MPEG I Audio layer II также известен как MP2. Его основные характеристики перечислены ниже.

• Кодирование с потерями.
• Возможность кодирования как монофонического, так и стереофонического звука.
• Частота дискретизации - 32, 44,1 или 48 КГц.
• Битрейт - 32, 48, 56, 64, 80, 96, 112, 128, 160, 192, 224, 256, 320 или 384 Кбит/с.
• Поддержка как постоянного, так и переменного битрейта.
• Высокая устойчивость к сбоям.

Кодирование звука в формат MP2 производится в два этапа.

На первом этапе выполняется так называемое психоакустическое кодирование. При нём отбрасываются звуки, которые средний человек, скорее всего, не услышит; это относятся, например, к тихим звукам, звучащим одновременно с громкими и заглушаемыми ими. В результате объём массива звуковых данных радикально уменьшается.

Насколько радикально выполняется такая "чистка" звуковых данных, зависит от заданного при кодировании битрейта. Так, при битрейте в 32 Кбит/с отбрасываются почти все низко- и высокочастотные звуки, и остаются только средние частоты. А при битрейте в 384 Кбит/с психоакустическое кодирование выполняется на минимальном уровне.

На втором этапе выполняется собственно сжатие звуковых данных, полученных после психоакустического кодирования.

Достоинства формата MP2: отличное качество звука, высокая степень сжатия и устойчивость к сбоям. Недостатки: высокая сложность алгоритмов кодирования и, как следствие, высокие аппаратные требования; посредственное качество звука при сжатии с низкими значениями битрейта; неважная поддержка переменных значений битрейта.

Формат MP2 широко применяется до сих пор. В частности, именно в этом формате кодируется звук в видеодисках DVD-Video. Кроме того, данный формат активно используется в интернет-вещании.

13.1.2. MPEG I Audio layer I (MP1)
Формат кодирования звука MPEG I Audio layer I, или MP1, представляет собой упрощённую разновидность формата MP2. Его характеристики также же, за несколькими исключениями.

• Битрейт - 32, 64, 96, 128, 160, 192, 224, 256, 288, 320, 352, 384, 416 или 448 Кбит/с.
• Поддержка только постоянного битрейта.

Достоинство у формата MP1 перед MP2 всего одно - относительная простота алгоритма кодирования и, как следствие, меньшие аппаратные требования, чем у MP2. Недостаток - более низкое качество звука.

Реально формат MP1 применялся только в цифровых аудиокассетах Digital Compact Cassette (DCC) как один из стандартных форматов кодирования записываемого на них звука. (Кассеты DCC были представлены компаниями Philips и Matsushita в конце 1992 года в качестве замены старым аналоговым компакт-кассетам, но не выдержали конкуренции с Audio CD, провалились на рынке, и в октябре 1996 года их производство было прекращено.) В настоящее время этот формат нигде не применяется.

13.1.2. MPEG I Audio layer III (MP3)
Формат кодирования звука MPEG I Audio layer III, или MP3, думается, особо представлять не надо. Это самый популярный формат кодирования звука на данный момент; даже появление более новых и прогрессивных форматов не смогло поколебать его позиций. Форматы MP3 и AVI - настоящие "ветераны" мультимедиа.

Можно сказать, что формат MP3 представляет собой улучшенную разновидность формата MP2. Его характеристики также же, за исключением поддерживаемых значений битрейта: 32, 40, 48, 56, 64, 80, 96, 112, 128, 160, 192, 224, 256 и 320 Кбит/с.

Достоинства формата MP3 перед MP2: более высокое качество звука при кодировании с низкими значениями битрейта и отличная поддержка переменного битрейта. Недостатки: более сложные алгоритмы кодирования и плохая устойчивость к сбоям.

Формат MP3 стал применяться для распространения музыки через Интернет ещё в середине 90-х годов. Сейчас же, как уже говорилось ранее, это самый популярный из "народных" форматов кодирования звука. Наверно, уже невозможно найти человека, имеющего отношение к компьютерам и никогда о нём не слышавшего.

13.2. MPEG I Video
Формат кодирования видео, представленный в наборе MPEG I, называется MPEG I Part 2, или MPEG I Video. Он также известен под своим неофициальным названием H.261.

Этот формат работает примерно по тем же принципам, что и более старые форматы, рассмотренные нами ранее. Однако он имеет три принципиальных отличия.

Отличие первое: для вычисления среднего цвета точек фрагментов каждого кадра использовались более сложные функции, чем вейвлеты, знакомые нам по формату Indeo. Они позволяли получить более точное значение цвета.

Отличие второе касается способов кодирования отдельных кадров видео. Оно заслуживает более подробного разговора.

Старые форматы кодирования видео просто записывали друг за другом массивы данных, кодирующие отдельные кадры. Каждый такой массив содержал полное описание кадра.

Формат MPEG I Video поступает совсем по-другому. Некоторые кадры видео он записывает целиком, таким же образом, как это делали старые форматы; такие кадры называются ключевыми. Другие же кадры не записываются целиком - вместо этого сохраняются только отличия между каждым таким кадром и тем, что находится перед ним (промежуточные кадры). В результате этого массив видеоданных сильно уменьшается в размерах.

Но это ещё цветочки. Определённый кадр видео может быть записан в виде разницы между не только предыдущим, но и последующим кадрами (двунаправленные кадры). Это позволяет ещё сильнее сократить объём видеоданных.

Отличие третье: кадры записываются не в том порядке, в котором они следуют в видео, а в таком, чтобы проигрыватель смог без труда вычислить двунаправленные кадры. Такой подход призван уменьшить аппаратные требования, необходимые для воспроизведения такого видео.

Возможности формата MPEG I Video описаны ниже.

• Кодирование с потерями.
• Размер кадра - до 4095х4095 пикселов. Впечатляет, не так ли?..
• Битрейт - до 100 Мбит/с. Тоже немало...
• Поддержка как постоянного, так и переменного битрейта.

Достоинства формата MPEG I Video: отличное качество видео и очень высокая степень сжатия. Недостатки: высокие аппаратные требования и плохая поддержка видео с размерами кадра, большими, чем 352х240 пикселов.

У формата MPEG I Video есть одна особенность. Как уже говорилось, он хранит кадры закодированного видео не в том порядке, в котором они реальзно следуют друг за другом. А подсистема Microsoft Video for Windows не поддерживает подобные форматы кодирования видео в силу принципиальных ограничений.

Формат MPEG I Video применяется для кодирования видео в видеодисках Video CD и может использоваться в дисках DVD-Video, хотя этой возможностью сейчас практически никто не пользуется. Также до сих пор часто попадаются фильмы, закодированные в этом формате; у автора есть несколько десятков таких фильмов.

13.3. MPEG I System
Семейство форматов файлов, представленное в наборе MPEG I, называется MPEG I Part 1, или MPEG I System. Оно включает пять форматов.

13.3.1. MP1, MP2 и MP3
Форматы аудиофайлов MP1, MP2 и MP3 были разработаны специально для хранения звука, закодированного в форматах, соответственно, MP1, MP2 и MP3.

Файлы с таких форматах имеют "говорящие" расширения mp1, mp2 и mp3.

Достоинства этих форматов: исключительная простота и возможность хранения дополнительной информации в виде тегов. Недостаток всего один, да и тот некритичный, - эти форматы файлов приспособлены для хранения только звука, закодированного в "своём" формате; другие форматы не поддерживаются.

Формат файлов MP3 широко применяется до сих пор. Чего нельзя сказать о форматах MP1 и MP2 (во всяком случае, автору не попадались файлы этих форматов).

13.3.2. MPEG Program Stream (MPEG-PS)
Формат видеофайлов MPEG Program Stream (программный поток MPEG), или MPEG-PS, предназначен для хранения в файле видео со звуковым сопровождением и, возможно, дополнительными данными.

Возможности этого формата таковы:

• Хранение видео в формате MPEG I Video.
• Хранение аудио в любом формате из семейства MPEG I Audio.
• Хранение нескольких видео- и аудиодорожек.
• Хранение дополнительных данных, которые могут быть использованы проигрывателем, программным или аппаратным. Этими дополнительными данными могут быть, скажем, субтитры или меню.

Файлы формата MPEG-PS могут иметь расширение mpg, mpeg или ps.

Достоинства этого формата: хорошая приспособленность для хранения видео и звука, закодированного в форматах MPEG I Video и MPEG I Audio соответственно; возможность хранения любых дополнительных данных; компактность. Недостатки: отсутствие поддержки других форматов кодирования видео и звука и плохая устойчивость к сбоям.

Формат файлов MPEG-PS широко используется до сих пор. Именно в этом формате хранится видео на популярных видеодисках Video CD и DVD-Video. Также этот формат использовался в видеодисках высокого разрешения HD DVD, несколько лет назад сошедших со сцены. До сих пор можно найти фильмы, хранящиеся в файлах MPEG-PS, в основном, музыкальные видеоклипы, хотя для хранения новых фильмов этот формат уже не используется.

13.3.3. MPEG Transport Stream (MPEG-TS)
Формат видеофайлов MPEG Transport Stream (транспортный поток MPEG), или MPEG-TS, предназначен для хранения в файле видео со звуковым сопровождением и служебной информации.

Возможности этого формата аналогичны возможностям его "коллеги" MPEG-PS. При этом MPEG-TS максимально приспособлен для телевещания через спутник или Интернет и включает средства для хранения служебных данных, используемых в процессе передачи и приёма файла, и коррекции сбоев, которые могут возникнуть при этом.

Файлы формата MPEG-TS имеют расширение ts.

Достоинства: возможность хранения в одном файле нескольких видеопрограмм, каждую - со своим звуковым сопровождением, возможно, включающем несколько аудиодорожек; прекрасная устойчивость к сбоям. Недостаток по сравнению с форматом MPEG-PS всего один - файлы MPEG-TS имеют несколько больший размер.

Формат MPEG-TS также используется до сих пор. В нём осуществляется большая часть потоковых спутниковых и интернет-трансляций видео. Довольно часто встречаются сохранённые в этом формате фильмы, в основном, высокого разрешения, записанные с таких трансляций. Кроме того, в этом формате хранится видео в набирающих ныне популярность видеодисках высокого разрешения Blu-ray Disc.


14. Video CD
До появления форматов группы MPEG I потребительского цифрового видео практически не было. Да, уже давно существовали диски Laserdisc, но они были, во-первых, аналоговыми, во-вторых, не очень надёжными, а в-третьих, очень неудобными. Да, выпускались мультимедийные программы, включающие в себя видеоролики (например, мультимедийная энциклопедия Microsoft Encarta). Но всё было не то...

Появление группы форматов MPEG I дало развитию цифрового видео "для народа" изрядный толчок. С одной стороны, они обеспечивали хорошее для тех времён качество видео, сравнимое с качеством записей, выпущенных на фабричных видеокассетах. С другой стороны, они позволяли записать полнометражный фильм на маленький и удобный компакт-диск CD-ROM.

И вот в том же 1993 году компании Sony, Philips, Matsushita и JVC представили первый стандарт видеодисков, основанных на дисках CD-ROM. Он носил название Video CD, или VCD. Описывающий его стандарт получил название "White Book" ("белая книга").

Рис. 19. Логотип Video CD

Возможности стандарта Video CD перечислены ниже.

• Хранение одной видеодорожки и одной стереофонической или двух монофонических аудиодорожек.
• Поддержка стандарта NTSC.
• Формат файлов - MPEG I Program Stream.
• Формат кодирования видео - MPEG I Video.
• Размеры кадра видео - 352х240 пикселов.
• Частота кадров видео - 23,976 или 29,97 кадр/с.
• Битрейт видео - постоянный, 1150 Кбит/с.
• Формат кодирования аудио - MPEG I Audio layer 2.
• Частота дискретизации аудио - 44,1 КГц.
• Битрейт аудио - 224 Кбит/с (стерео) и 112 Кбит/с (моно).
• Общая продолжительность всех фильмов - 74 мин. (650 Мбайт диск) и 80 мин. (700 Мбайт диск).
• Количество отдельных фильмов на диске - до 98.
• Количество отдельных частей в каждом фильме - до 500.
• Выбор нужного фильма и нужной части фильма с пульта проигрывателя.

Первая версия стандарта Video CD имела номер 1.1.

В 1995 году вышла вторая версия этого стандарта, носившая номер 2.0. Она добавляла следующие новые возможности:

• Поддержка стандарта PAL.
• Размеры кадра видео - 352х288 пикселов.
• Частота кадров видео - 25 кадр/с.
• Битрейт аудио - 128, 192 и 384 Кбит/с (стерео) и 64, 96 и 192 Кбит/с (моно).
• Поддержка создания меню, предоставляющего доступ к различным фильмам или различным частям одного фильма.
• Поддержка создания слайдшоу, которое могло включать статичные изображения с размерами 704х576, 704х480, 352х288 и 352х240 пикселов, видеоролики и аудиотреки, представленные в том же формате, что и в дисках Audio CD.
• Поддержка субтитров (одна дорожка).

Видеодиски Video CD воспроизводились на специализированных аппаратных проигрывателях и игровых консолях Sega Saturn, Sega Dreamcast, Sony PlayStation, Sony PlayStation 2 и Microsoft Xbox. Также существовали программные проигрыватели Video CD для различных операционных систем, в том числе и Windows.

На момент появления стандарта Video CD большинство находящихся в пользовании компьютеров не были достаточно мощными, чтобы успешно их воспроизводить. Поэтому на рынке появились аппаратные декодеры MPEG I Video - платы расширения, содержащие схему, которая декодировала видео этого формата без участия центрального процессора. Каждая такая плата комплектовалась "заточенной" под неё программой-проигрывателем.

В качестве примера можно привести плату аппаратного декодера MPEG I Video под названием MPEG Media System, которую в 1995 году выпустила компания Apple для своих компьютеров. Существовали аналогичные разработки и для платформы PC.

Рис. 20. Карта аппаратного декодера MPEG I Video Apple MPEG Media System

Достоинства Video CD: несколько лучшее качество видео и звука, чем обеспечиваемое видеокассетами, дешевизна, компактность, надёжность. Недостатки: качество видео было существенно ниже, чем у дисков Laserdisc; довольно высокие аппаратные требования.

Диски Video CD не смогли завоевать сколь-нибудь заметной популярности в Европе, США и России. Однако из-за своей дешевизны они оказались весьма востребованными в странах третьего мира, в основном, азиатских. Где выпускаются и поныне.

Рис. 21. Диски Video CD и DVD-Video на прилавке филиппинского магазина

Кроме того, на дисках Video CD выпускаются так называемые Workprint (WP) - предварительные копии фильма, предназначенные для самих его создателей и избранных представителей прессы.


15. Конец первого этапа: итоги
На этом первый этап развития мультимедийных средств Windows завершился. Настала пора подвести итоги.

С одной стороны, Windows получила средства для работы с мультимедийными данными - звуком и видео. Эти средства были вполне адекватными на начало 90-х годов; они позволяли воспроизводить диски Audio CD и фильмы со звуковым сопровождением, сохранённые в файлах (например, входящие в состав мультимедийных программ). Они поддерживали самые актуальные на то время форматы файлов и кодирования и обеспечивали неплохое, опять же, на то время, качество звука и видео (разумеется, на достаточно мощном компьютере и при условии качественного кодирования).

С другой стороны, выход в 1993 году набора форматов MPEG I и стандарта цифровых видеодисков Video CD спутал Microsoft все карты. Эти форматы позволяли кодировать звук и видео с качеством, недостижимым при использовании более старых форматов, и при этом хранить его в очень компактном файле. А самое главное - подсистема Video for Windows в принципе не могла воспроизводить видео, закодированное в формате MPEG I Video.

В результате пользователям, желающим посмотреть на компьютере диск Video CD, даже если компьютер был достаточно мощным, чтобы "тянуть" воспроизведение без платы аппаратного декодера, приходилось приобретать отдельную программу проигрывателя. А бесплатных проигрывателей тогда не было...

К слову, не одну только Microsoft появление MPEG I и Video CD застали врасплох. Так, Apple долго не могла обеспечить поддержку MPEG I в своей мультимедийной подсистеме QuickTime.

Так или иначе, нужно было придумывать что-то новое, чтобы поспеть за стремительным развитием пользовательского мультимедиа. И в недрах исследовательских лабораторий Microsoft снова закипела работа...


Использованные материалы

• Википедия (англ.)
• LaserDisc UK Web Site
• A retrospective view on sound card history
• Nathan's Toasty Technology page: The Graphical User Interface Gallery
• MSDN: Windows development: Audio and Video: Legacy Audio and Video: Windows Multimedia
• John McGowan's AVI Overview Programming and Other Technical Topics
• What is VCD
• Устранение неполадок с аудио- и видеокодеками в Windows 95 и Windows 98
• Apple MPEG Media System