История мультимедиа в Windows: Video for Windows (ч.1)

Любой из современных персональных компьютеров может воспроизводить музыку и фильмы. Их "железо" включает в себя все необходимые для этого компоненты (прежде всего, аудиоадаптер), а Windows - все необходимые программы (декодеры, проигрыватели и пр.). Мы давно привыкли к этому и воспринимаем всё мультимедийное великолепие как обыденность.

Но так было далеко не всегда. Пользователи со стажем ещё помнят времена, когда мало какой компьютер был способен воспроизвести даже звуковой файл, не говоря уже о видео, когда наличие в конфигурации аудиокарты считалось признаком "крутизны", а мутный и зернистый видеролик, дёргающийся в крошечном окошке, приводил публику прямо-таки в состояние экстаза.

А потом произошла мультимедийная революция.

Как она происходила? Как развивались мультимедийные средства Windows, нашей любимой операционной системы? Через какие этапы и какие тупики были на пути их эволюции? Что сохранилось до наших дней, а что кануло в лету?

Автор поставил перед собой цель описать историю компьютерного мультимедиа, рассмотреть, как протекало развитие соответствующих аппаратно-программных средств, выяснить, как развивались мультимедийные возможности Windows, и рассмотреть все хначимые для индустрии форматы и стандарты. Результатом его трудов стала эта серия очерков.


1. Необходимые предуведомления
В развитии Windows-мультимедиа можно выделить три основных этапа, когда в аппаратно-программных средствах происходили наиболее значимые изменения, появлялись ключевые мультимедийные форматы и стандарты.

• Первый этап (рубеж 80-х и 90-х - примерно середина 90-х годов прошлого века). Появление Video for Windows - первой мультимедийной подсистемы (совокупности системных программ, призванных обеспечить поддержку мультимедиа) в составе Windows. Появление первых мультимедийных программ и первого стандарта потребительских цифровых видеодисков - Video CD.
• Второй этап (примерно середина 90-х годов прошлого века - начало 2000-х годов). Windows получает новую мультимедийную подсистему под названием DirectShow. Появление и распространение DVD-Video, самого популярного на данный момент стандарта цифровых видеодисков. Выход группы стандартов MPEG IV, послуживших основой для любительского компьютерного видео. Широчайшее распространение формата MP3.
• Третий этап (начало - середина 2000-х годов). Третья по счёту мультимедийная Windows-подсистема - MediaFoundation - выходит в составе Windows Vista. Появление и распространение видео высокого разрешения.

Рассмотреть все эти три этапа в одной статье невозможно. Поэтому данный очерк будет разделён на три части, каждая из которых будет посвящена одному этапу развития Windows-мультимедиа.

Эта часть - первая по счёту - посвящается первому этапу.


2. Предпосылки
Сначала давайте рассмотрим, что имелось в наличии на момент конца 80-х годов прошлого века. Так сказать, установим, от какой "печки" началась "пляска".

2.1. Audio CD
Компакт-диски Audio CD были первыми цифровыми носителями информации, в данном случае - звука. Можно сказать, что именно с Audio CD началась эпоха мультимедиа.

Рис. 1. Логотип стандарта Audio CD

Сам способ хранения информации на оптических дисках и считывания её с помощью луча лазера был разработан ещё в 1958 году Дэвидом Полом Греггом. В 1969 году корпорация Philips объявила о разработке оптического видеодиска; эта разработка впоследствии легла в основу стандарта аналоговых видеодисков Laserdisc (о них - чуть позже). А в сентябре 1976 года корпорация Sony продемонстрировала оптический аудиодиск.

Это интересно
Самые первые оптические диски, разработанные ещё в 60-е годы, были прозрачными. Луч лазера в процессе считывания проходил сквозь них. Привычные нам отражающие, "зеркальные", оптические диски появились потом.

В 1979 году Philips и Sony объявили о начале совместной разработки потребительского стандарта оптических аудиодисков. Это и были знакомые нам компакт-диски Audio CD в том виде, в котором мы знаем их сегодня.

Первый коммерческий диск Audio CD был выпущен 1 октября 1982 года в Японии. Тогда же появился первый коммерческий проигрыватель Audio CD - Sony CDP-101.

Рис. 2. Проигрыватель дисков Audio CD Sony CDP-101

Изначально предназначавшийся для любителей классической музыки и аудиофилов, стандарт Audio CD к концу 80-х стал очень популярным среди более широкой публики. Так, ещё в 1985 году альбом "Brothers in Arms" группы Dire Straits, выпущенный в виде аудиодиска Audio CD, был продан в количестве миллиона копий. В том же году на Audio CD вышло 19 альбомов английского рок-певца Дэвида Боуи. А в 1988 году в миру было продано 400 миллионов аудиодисков этого стандарта.

Стандарт Audio CD позволяет хранить на обычном 650-Мбайтном компакт-диске до 74 минут звука. (Появившиеся значительно позднее, в начале 2000-х годов, диски увеличенной до 700 Мбайт ёмкости могут хранить уже 80 минут.) Записанный на нём музыкальный альбом может содержать до 99 композиций (в терминологии стандарта Audio CD - треков). Запись звука на диск ведётся в стереофоническом формате (два канала). Для кодирования звука используется формат PCM, точнее, одна из его разновидностей - LPCM.

Сам стандарт Audio CD получил название "Red Book" ("красная книга").

Это интересно
Стандарт "Red Book" также определял возможность записи на аудиодиск квадрофонического (четырёхканального) звука. Однако данная возможность была заявлена как опциональная, и в реальности квадрофонические аудиодиски так и не увидели свет.

Достоинства стандарта Audio CD: отличное качество звука, большая продолжительность, долговечность. Недостаток, который можно счесть серьёзным, всего один - практически отсутствуют интерактивные возможности (например, для аудиодиска невозможно создать меню).

Диски Audio CD выпускаются, продаются и покупаются до сих пор. Широкое распространение "компьютерных" аудиоформатов, в первую очередь, конечно, MP3, не смогло вытеснить их с рынка. По крайней мере, пока...

2.2. PCM, LCPM, DPCM
Формат кодирования звука PCM (Pulse-Code Modulation, импульсно-кодовая модуляция) - самый ранний и самый примитивный. Фактически это просто оцифрованный звук, не подвергнутый никакому сжатию.

Оцифровка звука выполняется следующим образом. Оцифрующее устройство (обычно звуковая карта) периодически, со строго определённой частотой замеряет громкость поступающего на вход звука. Полученные в результате этих замеров значения записываются друг за другом и формируют, таким образом, массив звуковых данных.

Частота, с которой выполняются замеры громкости звука, носит название частоты дискретизации. Частота дискретизации достаточно высока; так звук, предназначенный для записи на Audio CD, оцифровывается с частотой дискретизации 44,1 КГц. Применяются и другие значения частоты дискретизации, равные 22,05 КГц, 11 КГц и даже 8 КГц.

Значения громкости звука могут быть записаны числами различной разрядности. Так, звук, предназначенный для записи на Audio CD, описывается 16-разрядными числами; в этом случае говорят о разрядности звука, равной 16 бит. Для оцифровки низкокачественного звука применяется разрядность в 8 бит.

Чем выше частота оцифровки и разрядность, тем выше качество звука, но и тем больше объём массива данных, который его описывает.

Воспроизводящее устройство, в свою очередь, с частотой, равной частоте дискретизации, считывает из массива звуковых данных одно за другим значения громкости. Считав очередное значение, оно генерирует звук, громкость которого равна считанному значению. В результате получается звук, практически не отличимый от изначального.

Как уже говорилось, никакого сжатия массива звуковых данных формат PCM не предусматривает. Дело в том, что во время, когда он появился (а случилось это в ещё 1926 году), технических средств для сжатия и распаковки звуковых данных просто-напросто не существовало. Говорят, что подобные форматы реализуют кодирование без потерь, и носят название lossless ("безпотерьные").

Существует несколько разновидность формата PCM. Например, разновидность под названием Linear PCM (линейный PCM), или LPCM, предусматривает представление получаемых значений громкости звука по линейному закону. Именно в формате LPCM кодируется звук на дисках Audio CD.

Разновидность DPCM (Differential PCM, разностный PCM), в отличие от PCM, хранит не абсолютные значения громкости звука, а отличия следующего значения от предыдущего, если, конечно, они отличаются. Это позволяет несколько уменьшить объём данных, описывающий звук.

Все остальные форматы кодирования звука, что будут рассмотрены в этой статье, по большему счёту, основаны на PCM. Они просто берут закодированный в PCM звук и выполняют его сжатие.

Различные разновидности формата PCM активно используются до сих пор. Так, формат LPCM, помимо дисков Audio CD, часто применяется для записи высококачественных звуковых дорожек на дисках DVD-Video.

2.3. Laserdisc (LD)
Впервые стандарт аналоговых оптических видеодисков Laserdisc был представлен в 1978 году под названием Discovision. Позднее он был несколько раз переименован, пока в 1983 году не был приобретён компанией Pioneer и не получил своё окончательное название.

Рис. 3. Логотип стандарта Laserdisc

Laserdisc был первым коммерческим стандартом видеодисков. Кстати, цифровые аудиодиски Audio CD появились как ответвление этого стандарта. То есть Laserdisc старше Audio CD.

Первым фильмом, изданным в формате Laserdisc, был "Челюсти". Это случилось в том же 1978 году. Тогда же вышел первый проигрыватель для дисков этого стандарта.

Впоследствии видеодиски Laserdisc получили немалую популярность, в основном, в Японии и Гонконге. Сообщается о 16,8 миллионов проигрывателей Laserdisc, проданных по всему миру за всё время присутствия этого стандарта на рынке ([1]).

Диски Laserdisc были двухсторонними и имели в диаметре 30 см (как большая грампластинка). В этом их принципиальное отличие от привычных нам компакт-дисков. Собственно, приставка "компакт" означает, что данный диск имеет небольшие размеры.

Рис. 4. Сравнение дисков Laserdisc и CD

Существовали три разновидности дисков этого стандарта:

• CAV (Constant Angular Velocity, постоянная угловая скорость), или Standart Play. На одну сторону такого диска помещалось до 30 минут видео. Однако они позволяли реализовать такие возможности, как стоп-кадр, замедленное воспроизведение и воспроизведение в обратную сторону. Кроме того, диски CAV обеспечивали лучшее качество аудио и видео.
• CLV (Constant Linear Velocity, постоянная линейная скорость), или Extended Play. На одну сторону такого диска помещалось уже 60 минут видео. Но качество его было не столь высоким, вдобавок невозможно было реализовать ни стоп-кадр, ни замедленное, ни обратное воспроизведение.
• CAA (Constant Angular Acceleration, постоянное угловое ускорение) - модификация CLV с целью увеличить качество видео.

Видео на такое диски записывалось исключительно в аналоговом виде, а аудио - как в аналоговом, так и в цифровом. Видеодиски, записанные в системе NTSC, могли иметь две аналоговые и две цифровые аудиодорожки, а диски в системе PAL - только две, либо аналоговые, либо цифровые. Для кодирования звука в цифровых аудиодорожках применялся формат LPCM (как и в Audio CD). Позднее диски Laserdisc получили возможность хранить цифровые аудиодорожки в форматах AC-3 и DTS, в том числе и многоканальные; первым фильмом, вышедшим на Laserdisc и имеющим аудиодорожку AC-3, стала японская версия "Звёздные войны I: Скрытая угроза", выпущенная в 1999 году.

К достоинствам видеодисков Laserdisc можно отнести более высокое качество видео, нежели обеспечиваемое видеокассетами (и дисками Video CD, появившимися значительно позже), быстрый доступ к любому фрагменту фильма, долговечность, возможность хранения нескольких аудиодорожек и дешевизну в производстве. Недостатки: большие габариты и масса, хрупкость и небольшая вместимость (30 или 60 минут видео, в зависимости от разновидности стандарта; из-за этого диски приходилось переворачивать).

Диски и проигрыватели Laserdisc выпускались и продавались вплоть до начала 2000-х годов. Последними крупными релизами, выпущенными на видеодисках этого стандарта, стали фильмы "Сонная лощина" и "Воскрешая мервецов"; это произошло в 2000 году. При этом в Японии диски Laserdisc продолжали выпускаться вплоть до 2001 года. А выпуск проигрывателей Laserdisc был полностью прекращён только 14 января 2009 года. Так что стандарт Laserdisc стал долгожителем; он успешно "пережил" Video CD, и даже DVD-Video не сразу смог вытеснить его с рынка.

Рис. 5. Проигрыватель Laserdisc Sylvania VP7200, выпущенный в 1981 году

Стандарт Laserdisc так и не "подружился" с компьютерами (хотя такие попытки и предпринимались). Поэтому мы рассматриваем его исключительно как примету времени, просто для ознакомления.

2.4. CD-ROM
Сразу же после появления компакт-дисков умные головы стали пытаться приспособить их для хранения компьютерных данных. В самом деле, компакт-диск значительно надёжнее обычной гибкой дискеты, имеет несравнимо большую ёмкость и заметно дешевле в производстве.

Первые решения, позволяющие хранить на компакт-дисках компьютерные данные, были представлены компаниями Sony и Philips уже в 1980 году. А в 1985 году появляется стандарт CD-ROM, описывающий формат размещения произвольных двоичных данных на компакт-диске и получивший наименование "Yellow Book" ("жёлтая книга").

Примерно тогда же появились первые приводы CD-ROM, а чуть позже - первые программные продукты, изданные в таком формате. Так, уже в 1985 году вышла в свет на диске CD-ROM первая компьютерная энциклопедия - Grolier Multimedia Encyclopedia.

Первые диски CD-ROM имели ёмкость 650 Мб, которая в те времена казалась просто огромной. В начале 2000-х годов появились диски увеличенной ёмкости, вмещавшие уже 700 Мб. Думается, многие читатели успели попользоваться такими дисками.

Многие приводы CD-ROM уже в те времена для подключения к компьютеру использовали стандартный интерфейс IDE. Но ситуация осложнялась тем, что большинство компьютеров имела одноканальный контроллер IDE и, следовательно, возможность подключения не более двух IDE-устройств. Поскольку жёсткие диски в то время имели невысокую ёмкость, многие пользователи сразу подключали к своему компьютеру два жёстких диска. Следовательно, подключить ещё и привод CD-ROM они уже не могли.

Помимо этого, существовали приводы CD-ROM, что подключались к компьютеру с использованием одного из трёх "фирменных" интерфейсов, разработанных компаниями Sony, Panasonic и Mitsumi соответственно. Фактически эти интерфейсы представляли собой вариацию на тему стандартного IDE, но были с ним несовместимы. И ни один компьютер не имел в своём составе соответствующих контроллеров.

Выход предложили производители звуковых карт (о них - чуть позже). Они начали устанавливать на свои изделия контроллеры для подключения приводов CD-ROM - как "фирменные", так и стандартный IDE. Звуковые карты в те времена были весьма громоздкими, так что места для установки четырёх немаленьких разъёмов на них вполне хватало.

Рис. 6. Звуковая карта Mozart 16 с разъёмами для приводов CD-ROM разных стандартов

Некоторые производители предлагали комплекты, включавшие в себя звуковую карту и привод CD-ROM. Покупая такой комплект, можно было не опасаться несовместимости различных компонентов друг с другом.

2.5. Звуковые карты
Изначально платформа PC задумывалась как сугубо офисная, этакая "пишущая машинка" с расширенными возможностями. Поэтому её разработчики не предусмотрели никаких средств для воспроизведения звука (кроме разве что системного динамика, на котором музыку уж точно не послушаешь...).

Это интересно
Существовал драйвер под системы Windows 3.1 и 3.11, позволявший использовать системный динамик в качестве своего рода звуковой карты. Впрочем, качество звука всё равно было ниже всякой критики...

Вероятно, первой звуковой картой была разработка фирмы Covox, имевшая незатейливое название Speech Thing и представленная в 1986 году. Чрезвычайно простая в конструкции (настолько простая, что её могли сами сделать - и делали - даже начинающие радиолюбители), она подключалась к параллельному порту компьютера и выдавала звук весьма низкого качества. Хотя в тем времена это впечатляло; шутка ли - обычный компьютер играет музыку!

Рис. 7. Звуковая карта Covox Speech Thing

Надо сказать, что Covox Speech Thing не была настоящей звуковой картой. Она не могла выводить звук напрямую, то есть воспроизводить с её помощью аудиодиски и аудиофайлы было нельзя. Фактически это был музыкальный синтезатор, очень примитивный.

Тем не менее, Covox Speech Thing получил достаточно серьёзную поддержку производителей компьютерных игр; автору удалось найти список примерно из двадцати наименований игр, оснащённых поддержкой этого устройства ([3]). И всё же его век был недолог...

...Ибо уже в 1987 году на рынке появилась первая "настоящая" звуковая карта.

Это была разработка канадской фирмы AdLib. В отличие от "пищалки" Covox, она была основана на звуковом чипе Yamaha YM3812 (также известен как OPL2), который применялся в музыкальных синтезаторах начального уровня. Он предоставлял 6 полностью программируемых аудиоканалов плюс 5 каналов для вывода партий ударных инструментов, то есть позволял выводить настоящий многоголосый звук. Прямо-таки оркестр в компьютере!

Рис. 8. Звуковая карта AdLib

Это была бомба! Широкая поддержка производителей игр, множество музыкальных программ и обилие клонов, выпущенных другими фирмами. Изделие AdLib задержалось на рынке надолго; поддержка этой карты присутствовала даже в Windows 95, которая вышла в 1995 году, восемью годами позже.

В том же 1987 году вышла в свет первая профессиональная звуковая карта - IBM Music Feature Card. Она была основана на более мощном музыкальном процессоре Yamaha FB-01, могла имитировать звучание 300 музыкальных инструментов, предлагала уже 8 полностью программируемых каналов, на каждый из которых можно было наложить до четырёх эффектов, и вывод в стереорежиме.

Помимо этого, она поддерживала интерфейс Music Instruments Digital Interface (цифровой интерфейс музыкальных инструметов), или MIDI. Этот интерфейс определяет средства для взаимодействия различных цифровых музыкальных инструментов - клавиатур, секвенсоров, сэмплеров и пр. - друг с другом. А ещё в комплекте с ней поставлялся внешний модуль с тремя MIDI-разъёмами. Это значит, что она могла подключаться к внешней музыкальной клавиатуре или внешнему же сэмплеру. Настоящая находка для "цифрового" музыканта!

Рис. 9. Звуковая карта IBM Music Feature Card

Обратной стороной всего этого музыкального великолепия были огромные габариты звуковой карты (как у современных "тяжёлых" видеокарт, не меньше) и внушительная цена, составлявшая 600 долларов. Кроме того, она принципиально не предназначалась для игр и не поддерживалась их разработчиками.

Дальше различные звуковые карты посыпались как из рога изобилия.

В 1988 году выходит звуковая карта Game Blaster, первое изделие, произведённое сингапурской компанией Creative Music Systems (ныне известна как Creative Labs). 12 каналов звука, 3 канала для вывода ударных и генератор шума. Помимо этого, широчайшая поддержка разработчиками игр.

Рис. 10. Звуковая карта Creative Game Blaster

В 1989 году выходит Creative Sound Blaster. Мало чем отличающийся от своего предшественника Game Blaster, он предоставлял возможность записи звука и вывода звука напрямую с ниминальной нагрузкой на центральный процессор - возможность, без которой невозможно представить настоящую звуковую карту.

Рис. 11. Звуковая карта Creative Sound Blaster

Единственный недостаток Sound Blaster - возможность вывода только монофонического звука. Но она вскоре была исправлена...

...С выходом в 1991 году Creative Sound Blaster Pro. Для реализации вывода стереозвука там использовались два чипа Yamaha OPL2.

Рис. 12. Звуковая карта Creative Sound Blaster Pro

Creative Sound Blaster! Великий и ужасный! Король компьютерного аудио! На долгие годы карты этой линейки стали монополистами рынка. Они пережили большинство своих конкурентов. Они принесли цифровой звук в широкие массы компьютерщиков. Они установили стандарт качества звука. Они вывели на рынок множество технологий, таких, как вывод "объёмного" звука и использование цифровых аудиопроцессоров. Они долго сопротивлялись натиску интегрированных звуковых контроллеров и отступили только в 2000-х годах - так и не побеждёнными!

Разумеется, выпускались и другие звуковые карты - от других производителей. Просто автор решил рассмотреть самые значимые разработки.

Обратной стороной всего этого музыкального великолепия была тотальная несовместимость всего и вся. Карты AdLib не были совместимы с разработками Covox, изделия Creative не были совместимы с картами AdLib и т. д. В результате производители игр были вынуждены реализовывать в своих продуктах поддержку отдельно карт Creative, отдельно - карт AdLib и отдельно - устройства Covox. Что было очень трудоёмко...

2.6. Microsoft Windows 3.0
22 мая 1990 года вышла очередная версия операционной системы Windows, имевшей наименование Windows 3.0. И сразу получила немалую популярность.

Предыдущие версии Windows были, скорее, экспериментальными разработками, предназначенными для энтузиастов и фанатов техники. Использовать их в реальной работе было довольно проблематично из-за отсутствия необходимых программ. Производители ПО также не особенно стремились выпускать Windows-версии своих разработок, сетуя на малую распространённость Windows и сложность программирования под неё.

Положение резко изменилось с выходом Windows 3.0. Имеющая новый, значительно улучшенный пользовательский интерфейс, поддерживающая самое современное на тот момент "железо", она сразу завоевала рынок. И производители ПО зашевелились и, несмотря на заявляемую сложность программирования, начали создавать программы под новую операционную систему.

Рис. 13. Интерфейс Microsoft Windows 3.0

Но Windows - это не только и не столько красивые окошки и кнопочки. Это унифицированный доступ к аппаратным средствам через стандартизированные интерфейсы программирования приложений (Application Programming Interface, API). То есть для обеспечения, скажем, вывода на печать Windows-разработчику не нужно знать системы команд многочисленных принтеров и реализовывать вывод на каждый из них по отдельности - ему требуется просто написать универсальный код, использующий стандартизированный API, а остальное - дело ядра Windows и драйвера устройства.

Выгода такого подхода очевидна. Во-первых, конечный пользователь может установить на свой компьютер любое устройство, для которого есть Windows-драйвер, и использовать его в любых Windows-программах. Во-вторых, разработчику Windows-приложений не придётся реализовывать непосредственную работу со всем "зоопарком" техники, а достаточно написать один универсальный код, который будет работать с любым устройством, для которого есть Windows-драйвер.

Всё это касается и мультимедиа - звука и видео.

2.7. Начало первого этапа: итоги
Мы кратко рассмотрели всё, что имелось на момент начала первого этапа в развитии мультимедийных средств Windows. Подведём итоги.

С одной стороны, на конец 80-х годов существовало множество технических средств для работы с мультимедиа - звуковых карт и приводов CD-ROM. Правда, они зачастую были несовместимы друг с другом.

С другой стороны, распространение получил цифровой звук, а именно, диски Audio CD.

С третьей стороны, появилась популярная операционная система, могущая устранить "свистопляску" несовместимых устройств и интерфейсов и предоставить конечному пользователю и разработчику универсальные средства для их использования.

Все предпосылки созрели. Путь в Windows-мультимедиа был открыт. Настало время сделать первый шаг.


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

Продолжение следует...