516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti
.pdfФедеральное агентство связи
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»)
Г.В. Мамчев
ТЕЛЕВИДЕНИЕ ВЫСОКОЙ ЧЕТКОСТИ
Монография
Новосибирск
2013
УДК 621.397.6
Д.т.н., профессор Г.В. Мамчев Телевидение высокой четкости: Монография / Сибирский государствен-
ный университет телекоммуникаций и информатики. Новосибирск, 2013. –
стр. 324.
ISBN 978-5-91434-020-6
В монографии рассмотрены особенности зрительного восприятия телевизионных изображений, основные требования к параметрам телевизионных изображений высокой четкости. Особое внимание уделено изложению и анализу конструктивных особенностей и технических характеристик современных видеосредств ТВЧ.
Монография предназначена для инженерно-технических работников, аспирантов, студентов, занимающихся вопросами телевидения, видеотехники, аудиовизуальной техники.
Кафедра радиовещания и телевидения
13 таблиц, 173 рисунка, список литературы 82 наименования
Рецензенты: д.т.н., профессор Новицкий С.П. д.т.н., профессор Спектор А.А.
Утверждено редакционно-издательским советом ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» в качестве монографии.
© ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики», 2013 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
|
Стр. |
Введение ............................................................................................................. |
7 |
Часть I. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ ТЕЛЕВИДЕНИЯ |
|
ВЫСОКОЙ ЧЕТКОСТИ ...................................................................... |
12 |
1. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ .... |
12 |
1.1. Устройство зрительной системы человека ............................................ |
12 |
1.2. Световая чувствительность глаза ........................................................... |
14 |
1.3. Контрастная чувствительность глаза и число различаемых градаций |
|
яркости ..................................................................................................... |
17 |
1.4. Разрешающая способность глаза ............................................................ |
19 |
1.5. Инерционность зрительного ощущения и восприятия мерцающих |
|
изображений ............................................................................................ |
24 |
1.6. Особенности восприятия цвета ............................................................... |
27 |
1.7. Принципы цветовых измерений и расчетов ........................................... |
28 |
1.7.1. Колориметрическое определение цвета ....................................... |
28 |
1.7.2. Цветовая система XYZ ................................................................... |
31 |
1.7.3. Равноконтрастная цветовая диаграмма ........................................ |
34 |
1.8. Основы теории стереоскопического зрения человека ........................... |
37 |
1.8.1. Особенности функционирования зрительной системы |
|
при рассматривании стереоизображения ..................................... |
37 |
1.8.2. Основные параметры бинокулярного зрения ............................... |
40 |
1.8.3. Влияние эффекта оглядывания объектов на восприятие |
|
трехмерного пространства ............................................................ |
46 |
2. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПАРАМЕТРАМ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ |
|
ИЗОБРАЖЕНИЙ ВЫСОКОЙ ЧЕТКОСТИ .................................................. |
49 |
2.1. Согласование качественных показателей воспроизводимых |
|
изображений с характеристиками зрения .............................................. |
49 |
2.2. Формат и размеры телевизионных изображений .................................. |
50 |
2.3. Яркость и контраст телевизионных изображений ................................. |
51 |
2.4. Особенности воспроизведения градаций яркости ................................. |
52 |
2.5. Определение разрешающей способности телевизионных |
|
изображений высокой четкости .............................................................. |
53 |
2.6. Выбор частоты кадров воспроизводимых изображений ....................... |
55 |
2.7. Требуемое отношение сигнал/помеха в телевидении высокой |
|
четкости ................................................................................................... |
56 |
2.8. Оценка влияния телевизионной развертки на качество |
|
воспроизводимых изображений ............................................................. |
58 |
2.9. Колориметрические особенности телевизионных изображений |
|
высокой четкости .................................................................................... |
61 |
2.10. Характеристики вещательных стандартов телевидения высокой |
|
четкости .................................................................................................. |
62 |
4
2.11. Задача сжатия информации и пути ее решения ................................... |
66 |
Часть II. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АППАРАТУРЫ |
|
ФОРМИРОВАНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ ................... |
77 |
3. СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕКАМЕР .................................................. |
77 |
3.1. Классификация передающих телевизионных камер ............................. |
77 |
3.2. Основные требования, предъявляемые к телевизионным |
|
и видеокамерам ........................................................................................ |
84 |
3.3. Конструктивные особенности современных видеокамер ..................... |
86 |
3.4. Аналоговая обработка видеосигналов в телекамерах ........................... |
91 |
3.4.1. Использование схемы двойной коррелированной выборки ........ |
91 |
3.4.2. Применение предварительного регулируемого |
|
видеоусилителя ............................................................................. |
93 |
3.4.3. Электронные способы управления контрастом ........................... |
93 |
3.4.4. Система автоматического баланса белого .................................... |
95 |
3.4.5. Аналого-цифровое преобразование видеосигналов .................... |
98 |
3.5. Цифровая обработка видеосигналов в телекамерах .............................. |
101 |
3.5.1. Особенности функционирования цифрового процессора |
|
сигналов ......................................................................................... |
101 |
3.5.2. Гамма-коррекция в цифровом процессоре сигналов ................... |
102 |
3.5.3. Цифровая апертурная коррекция и матрица цветности .............. |
104 |
3.5.4. Блок управления цифровой видеокамерой ................................... |
105 |
4. ОПТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ |
|
ПЕРЕДАЮЩИХ КАМЕР .............................................................................. |
106 |
4.1. Разрешающая способность объективов .................................................. |
106 |
4.2. Классификация телевизионных объективов с переменным фокусным |
|
расстоянием ............................................................................................. |
108 |
4.3. Системы управления объективами ......................................................... |
116 |
4.4. Конструктивные особенности светоделительных систем |
|
современных телекамер .......................................................................... |
126 |
4.5. Системы стабилизации изображений на фотоприемной матрице ........ |
130 |
5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СВЕТ-СИГНАЛ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ |
|
В ПЕРЕДАЮЩИХ КАМЕРАХ ..................................................................... |
133 |
5.1. Основные требования к преобразователям свет-сигнал ....................... |
133 |
5.2. Физические принципы работы приборов с зарядовой связью .............. |
134 |
5.3. Классификация матричных преобразователей свет-сигнал ПЗС-типа .. 136 |
|
5.4. Особенности построчного переноса зарядов ......................................... |
138 |
5.5. Технология кадрово-строчного переноса зарядов ................................. |
142 |
5.6. Основные характеристики и параметры матриц ПЗС ........................... |
144 |
5.7. Конструктивные особенности современных матриц ПЗС .................... |
149 |
5.8. Применение электронного затвора в матрицах ПЗС ............................. |
152 |
5.9. Устройство фотоприемных матриц КМОП-типа .................................. |
152 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
5 |
5.10. Сравнение характеристик фотоприемных матриц ПЗС- |
|
и КМОП-типов ....................................................................................... |
156 |
6. НАКАМЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА ВИДЕОКАМЕР ....................................... |
159 |
6.1. Основные виды накамерного оборудования .......................................... |
159 |
6.2. Накамерные осветительные приборы .................................................... |
159 |
6.3. Источники питания видеокамер ............................................................. |
161 |
6.4. Конструктивные особенности узконаправленных микрофонов ........... |
164 |
6.5. Устройства беспроводной передачи аудиовизуальной информации |
|
от видеокамер .......................................................................................... |
165 |
7. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ |
|
И ВИДЕОКАМЕР .......................................................................................... |
170 |
7.1. Технические возможности современных передающих |
|
телевизионных и видеокамер ................................................................. |
170 |
7.2. Принципы управления передающими камерами телевизионного |
|
комплекса ................................................................................................. |
179 |
7.3. Особенности применения электронных телесуфлеров совместно |
|
с передающими камерами ....................................................................... |
184 |
8. АППАРАТУРА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ |
|
ФОРМИРОВАНИЯ ВЕЩАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ .................................. |
187 |
8.1. Технические особенности виртуальной телевизионной студии ........... |
187 |
8.2. Основные принципы построения передвижных телевизионных |
|
станций ..................................................................................................... |
197 |
Часть III. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВ |
|
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ .... 200 |
|
9.КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В ОПТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ..... 200
10.ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
ИЗОБРАЖЕНИЙ .......................................................................................... |
209 |
10.1. Основные электрооптические эффекты в жидких кристаллах ........ |
209 |
10.2. Методы адресации телевизионных жидкокристаллических |
|
экранов ................................................................................................ |
214 |
10.3. Структура модуля жидкокристаллического экрана .......................... |
221 |
10.4. Устройство и принципы функционирования |
|
жидкокристаллического экрана ......................................................... |
222 |
10.4.1.Использование схемы двойной коррелированной выборки . 222
10.4.2.Практическая реализация устройств задней подсветки
жидкокристаллических экранов ............................................. |
224 |
10.4.3. Структура цветных фильтров для жидкокристаллических |
|
экранов ..................................................................................... |
240 |
10.4.4. Использование черной решетки в жидкокристаллических |
|
экранах ..................................................................................... |
243 |
6
10.4.5. Смена полярности сигналов управления ............................... |
244 |
10.4.6. Уменьшение кросс-эффекта при адресации матричных |
|
жидкокристаллических экранов ............................................. |
245 |
10.4.7. Формирование полутонового изображения на |
|
жидкокристаллическом экране ............................................... |
248 |
10.5. Устройства управления жидкокристаллическим экраном ............... |
249 |
10.6. Современные цифровые дисплейные интерфейсы для |
|
жидкокристаллических экранов ......................................................... |
251 |
10.6.1. Классификация дисплейных интерфейсов ............................ |
251 |
10.6.2. Цифровые дисплейные интерфейсы ...................................... |
254 |
10.6.3. Интерфейсы внутренней дисплейной шины ......................... |
259 |
11. ПЛОСКОЭКРАННЫЕ ВОСПРОИЗВОДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА, |
|
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ ЭКРАНАМ ...... |
265 |
11.1. Принципы работы и устройство плазменных панелей .................... |
265 |
11.1.1. Физические основы газового разряда ................................... |
265 |
11.1.2. Устройство ячеек плазменных панелей ................................ |
266 |
11.1.3. Принципы формирования растра .......................................... |
271 |
11.1.4. Методы увеличения яркости и контраста воспроизводимых |
|
изображений ........................................................................... |
274 |
11.1.5. Способы повышения четкости воспроизводимых |
|
изображений ........................................................................... |
275 |
11.1.6.Коррекция цветовоспроизведения плазменных панелей ..... 276
11.1.7.Конструктивные особенности серийно выпускаемых
плазменных панелей .............................................................. |
277 |
11.2. Устройство гибкого цветного OLED-дисплея ................................. |
279 |
12. УСТРОЙСТВА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ |
|
ИЗОБРАЖЕНИЙ БОЛЬШОГО РАЗМЕРА ............................................... |
287 |
12.1. Мультимедийные проекторы D-ILA-типа ........................................ |
287 |
12.2. Устройство проектора видеоизображений, использующего |
|
электронно-управляемые зеркала ..................................................... |
292 |
12.3. Особенности применения лазерных диодов в проекционных |
|
телевизорах ........................................................................................ |
299 |
Заключение ........................................................................................................ |
303 |
Библиографический список .............................................................................. |
312 |
Список сокращений .......................................................................................... |
317 |
Введение
Важнейшим параметром любого телевизионного устройства воспроизведения изображений является четкость, которая оценивается количеством зрительно воспринимаемых мелких деталей. В свою очередь четкость в основном зависит от числа воспроизводимых строк в каждом кадре телевизионного изображения.
В последнее время в научно-технической литературе чаще используется термин – «телевидение высокой четкости». Так что же такое телевидение высокой четкости (ТВЧ) или в английской аббревиатуре HDTV (High Definition Television).
В 1935 году это было телевизионное изображение, содержащее 343 строки.
В предвоенной Великобритании число воспроизводимых строк в телевидении возросло до 405. В 1939 году во время Всемирной Нью-Йоркской ярмарки впервые было показано телевизионное изображение с числом строк 441.
NTSC (National Television Systems Committee – совместимая система цветно-
го телевидения, разработанная в США Национальным комитетом телевизионных стандартов) появилась как «система цветного телевидения высокой четкости» с числом строк разложения 525.
Термин ТВЧ применялся и в Европе для обозначения телевизионных систем
счислом строк 625.
Таким образом, под ТВЧ всегда понималось наивысшее технически до-
стижимое качество телевизионных систем. Цифровое телевидение с разрешением на 525 или 625 строк рассматривается как эволюционный переход от аналоговых систем стандартной четкости. Но это в данный момент еще не ТВЧ.
При разработке аналоговых систем цветного телевизионного вещания NTSС, PAL, SEСAM с разверткой на 525 или 625 строк предполагалось, что воспроизводимые изображения будут рассматриваться на экранах сравнительно небольших размеров (длина диагонали экрана до 75 см) с расстояния наилучшего наблюдения, равного пяти высотам экрана. Однако, в целом, качество воспроизводимых телевизионных изображений стандартными системами в значительной степени отстает от качества киноизображения, полученного с помощью 35-мм кинопленки, и не удовлетворяет требованиям современного телевизионного вещания.
Фундаментальные исследования по улучшению качественных показателей аналоговых телевизионных систем стандартной четкости начались в 1964 году в Японской вещательной компании NHK. Целью этих исследований было повышение качества изображений на экранах телевизионных приемников до качества современного киноизображения.
На основании проведенных исследований экспериментально было установлено, что большое по размерам изображение на большом расстоянии создает более сильное впечатление, чем меньшее изображение на меньшем расстоянии. Практически удвоение размеров изображения эквивалентно улучшению
8
его качества на один балл по семибалльной шкале оценок [1]. При этом телевизионное изображение психологически воспринимается как более высокого качества, если оно рассматривается с более близкого расстояния. Фактически было доказано, что оптимальное расстояние рассматривания телевизионного изображения соответствует трем высотам экрана воспроизводящего устройства. Однако в этом случае на телевизионных экранах с достаточно большими размерами и с повышенной яркостью изображения становится отчетливо заметными структура растра, межстрочные и межкадровые мелькания, ухудшается передача быстродвижущихся объектов. Поэтому приближение телезрителей к экрану требует увеличения, как минимум, вдвое четкости телевизионных изображений по вертикали и горизонтали, в сравнении с действующими аналоговыми телевизионными системами, то есть необходимо вдвое увеличить число строк разложения.
Телевизионные системы с увеличенной вдвое четкостью воспроизводимых изображений, по сравнению со стандартными вещательными системами NTSC, PAL, SEСAM, в настоящее время получили название систем телевидения высокой четкости. Причем, в соответствии с определением Международного союза электросвязи (МСЭ или в английской аббревиатуре ITU-International Telecommunications Union), ТВЧ – это система, предназначенная для наблюдения телевизионного изображения на большом экране с расстояния около трех высот экрана.
Следует иметь в виду, что сейчас термин ТВЧ фактически не совсем точно отражает изменение параметров новых телевизионных систем. В целом, в системах ТВЧ должны повыситься не только четкость, но и контрастность, и яркость изображения, изменяется формат кадра, в частности планируется некоторое его увеличение за счет большего превышения горизонтального размера. В ТВЧ – системах, как правило, будут использоваться воспроизводящие устройства гораздо бóльших размеров, на которых, наряду с улучшенной цветопередачей, будет устранена малейшая заметность мельканий на ярких участках телевизионного изображения, улучшится качество звукового сопровождения за счет внедрения многоканальных звуковых систем, например, Dolby Digital 5.1, обеспечивающих объемность, естественность звучания. Одновременно возрастают требования и к другим параметрам, влияющим на качество телевизионного изображения. В первую очередь, это отношение сигнал/шум и уровень координатных искажений.
Таким образом, ТВЧ – это не только улучшенная телевизионная система, но и открытый путь в будущее телевидения. Многие специалисты в области телевизионной техники считают, что внедрение ТВЧ – вещания по своей значимости сопоставимо с появлением цветного телевидения.
Широкую дорогу практическому внедрению ТВЧ открыли цифровые методы телевизионного вещания. Все хорошо известные к настоящему времени системы цифрового телевизионного вещания (ATSC, DVB, ISDB, DMB-T) базируются на стандарте кодирования с информационным сжатием MPEG-4 AVC.
Первыми были США, в которых с 1998 года началось регулярное наземное цифровое телевизионное вещание по системе ATSC (Advanced Television Systems Committee – Комитет по системам перспективного телевидения),
ВВЕДЕНИЕ |
9 |
способной обеспечить телезрителей программами как стандартной, так и высокой четкости. Естественно, что к настоящему времени ТВЧ получило наибольшее развитие в США.
В декабре 2001 года цифровое спутниковое ТВЧ-вещание началось в Японии. Причем на данный момент времени японская компания SONY является мировым лидером по производству оборудования ТВЧ, выпуская полный комплект аппаратуры для телевизионных систем высокой четкости. При этом девизом компании SONY является High Definition for every one – «ТВЧ для всех». Именно ТВЧ рассматривается компанией как приоритетное направление развития телевизионной индустрии на ближайшую перспективу. Поэтому акцент делается на расширенном ассортименте оборудования и систем, помогающих вещателям осуществить переход к производству программ ТВЧ. Форсирование внедрения ТВЧ в Японии объясняется не просто стремлением заменить аналоговый стандарт NTSС с относительно низким разрешением, но и специфическими местными условиями. Поскольку среднее расстояние просмотра в квартирах составляет примерно 2,2 м, а размер телевизионных экранов все более увеличивается, но все явственнее проявляется строчная структура телевизионного изображения. Поэтому, чтобы сделать строки незаметными, необходимо увеличить их количество. При этом неизбежно усиливается телевизионный эффект присутствия.
Кроме США и Японии, телевизионное вещание в ТВЧ формате осуществляется в Австралии, Канаде, в Республике Корея, в Бразилии. В КНР ТВЧвещание началось в 2008 году, когда в Пекине проводились Олимпийские игры.
Страны Европейского Союза первоначально не планировали переходить на ТВЧ – вещание, считая, что главным является реализация многопрограммного цифрового телевидения. Однако, в последнее время EBU (European Broadcasting Union – Европейский вещательный Союз) резко активизировал работу по выбору оптимального стандарта ТВЧ-вещания для европейских стран. Регулярное европейское вещание в формате ТВЧ началось 1 января 2004 года, когда заработал цифровой спутниковый канал Euro 1080, получивший код HD-1 (High Definition-высокое разрешение). Трансляция ТВЧ-программ осуществляется через спутник SES-Astra (19,2° в.д.).
К настоящему времени уже функционируют более сотни европейских спутниковых каналов, работающих в формате ТВЧ. Причем спутниковый способ передачи оказался оптимальным для передачи ТВЧ-сигналов на домашние (абонентские) телевизоры, особенно при применении систем вещания DVB-S2 (Digital Video Broadcasting-Sattellite – стандарт передачи цифровых сигналов по спутниковым сетям вещания второго поколения, обеспечивающий 50%-е улучшение использования спектра).
Россия также осуществляет вещание в стандарте ТВЧ. За последние годы на телецентре «Останкино» оборудовано несколько полностью цифровых студий, передвижных телевизионных станций (ПТС) ТВЧ-типа. Телевизионные компании-операторы ВГТРК (Всероссийская государственная телерадиовещательная компания), «НТВ-Плюс», «Орион Экспресс» и «Триколор ТВ» ведут
10
вещание в формате ТВЧ. Телевизионное вещание в стандарте Full HD осуществляется также в кабельных и IP-сетях.
По прогнозам британской исследовательской компании IHS Screen Digest к концу 2012 года в России насчитывалось 1,46 млн. HD-абонентов, из них 1,27 млн. – абоненты спутниковых операторов. К концу 2013 года оператор «Триколор ТВ» планирует подключить к мультиплексу «Триколор ТВ Full HD» порядка 3,9 млн. абонентов (домохозяйств). Это позволит компании выйти на второе место в Европе по количеству HD-абонентов. В общем ассортименте продаваемых в нашей стране телевизоров модели Full HD по данным 2011 года занимают уже более 85%.
Исследовательская компания Digital TV Research (США) опубликовала обзор, из которого следует, что к 2016 году в 18 наиболее развитых странах около 80% всех телезрителей будут иметь приемники высокой четкости (на конец 2011 года таковых было около 25%). Поэтому условно специалисты телевидения считают 2016 год концом эпохи телевидения стандартной четкости (625/525 строк разложения в одном кадре).
Наиболее выигрышным контентом для ТВЧ первоначально считались художественные фильмы и спортивные передачи. Затем этот круг расширился научно-популярными программами и шоу-мероприятиями. Опыт ТВЧ-вещания японского канала NHK показал, что очень интересным материалом являются новости. Возникающий при ТВЧ-репортажах эффект присутствия меняет восприятие событий и объединяет корреспондента и зрителей. Поэтому высокое разрешение уверенно вытесняет стандартное в сфере производства новостных программ.
К настоящему времени мировое телевизионное сообщество приняло единогласное решение, что все наиболее значимые спортивные передачи, программы, имеющие высокую и историческую ценность, транслировать и архивировать только в стандарте ТВЧ. Специалисты телевидения должны зафиксировать все колоссальное культурное наследие человечества и сохранить его, создав архив для истории в формате ТВЧ.
Будущее ТВЧ определяется не только вещательной сферой телевидения. Есть много других важных приложений, которые содействуют расширению рынка ТВЧ и делают его более привлекательным в коммерческом отношении:
цифровой кинематограф (как система производства, распределения и демонстрации кинофильмов);
DVD высокой четкости;
домашнее кино;
видеоигры в формате ТВЧ;
дистанционная диагностика данных в системах телемедицины;
системы контроля и экологического наблюдения;
военные приложения.
Все это требует высокой четкости и окажет влияние на выбор формата ТВЧ. Для примера оценим более детально влияние ТВЧ на развитие цифрового (электронного) кинематографа.