516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

вертка – оригинальный способ сокращения полосы частот телевизионного сигнала в аналоговом телевидении в обмен на некоторые искажения. Сейчас его можно назвать видеокомпрессией для аналогового телевидения. Но целесообразность его сохранения в будущем при наличии более эффективных цифровых алгоритмов компрессии вызывает сомнения.

Кардинальным способом повышения качества телевизионных изображений является одновременное увеличение, как числа воспроизводимых строк, так и количества кадров (полей), отображаемых каждую секунду.

2.9. Колориметрические особенности телевизионных изображений высокой четкости

Все многообразие оттенков цветного изображения получается в результате комбинации трех основных цветов (R, G, B). В случае применения электроннолучевых трубок (ЭЛТ) цветопередача крупных деталей изображения определяется цветностью свечения трех люминофоров штрихового экрана кинескопа, а также модулирующими характеристиками трех электронных прожекторов. Цветопередача мелких деталей дополнительно зависит от структуры люминофорного покрытия и особенностей пространственного смешения цветов. Для воспроизведения всего многообразия цветов необходимо, чтобы на диаграмме цветности МКО треугольник с вершинами, соответствующими основным цветам кинескопа, охватывал наибольшую возможную площадь этой диаграммы. Для европейского стандарта (ЕС), принятого и в России, координаты цветности основных цветов кинескопа на диаграмме цветности МКО имеют следующие значения: R

(x = 0,64; y = 0,33;); G (x = 0,29; y = 0,6); B (x = 0,15; y = 0,06). Соответственно ко-

ординаты цветности источника белого цвета для цветного телевидения D6500 равны: x = 0,313; y = 0,329. Треугольник основных цветов цветных кинескопов показан на рис. 2.8. Здесь же показан равносигнальный белый цвет D6500 [31].

Таким образом, область внутри треугольника характеризует диапазон воспроизведения цветов. Чем выше степень чистоты каждого первичного цвета кинескопа, тем шире диапазон цветов и естественность воспроизводимого телевизионного изображения.

К сожалению, используемые в современных кинескопах люминофоры основных цветов не позволяют воспроизводить большое число наиболее часто встречающихся в жизни цветовых оттенков. Это обстоятельство не может удовлетворять повышенным требованиям, предъявляемым к качеству изображения в телевизионных системах высокой четкости [32]. Поэтому в системах ТВЧ необходимо, в первую очередь, использовать воспроизводящие устройства нового типа (жидкокристаллические, плазменные). Например, в проекторах на жидких кристаллах цвета разделяются и объединяются с помощью дихроических зеркал, что позволяет более точно определять для каждого цвета основную частоту и ширину диапазона. В этом случае площадь треугольника основных цветов жидкокристаллического проектора в значительной степени превышает область цветового треугольника цветных ЭЛТ (кинескопов), что расширяет диапазон воспроизводимых цветов (см. рис. 2.8) [33].

Рис. 2.8. Диапазон воспроизведения цветов в устройствах изображения различного типа

2.10. Характеристики вещательных стандартов телевидения высокой четкости

Первоначально для производства программ ТВЧ в аппаратно-студийных комплексах (АСК) телевизионного вещания были разработаны системы с двумя стандартами развертки 1125/60/2:1 и 1250/50/2:1 [26]. Первые системы ТВЧ предусматривали примерно удвоенную разрешающую способность по вертикали и, как минимум, удвоенную разрешающую способность по горизонтали в воспроизводимых изображениях (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Характеристики изображения ТВЧ основных вещательных стандартов

Характеристики

Одновременно с использованием в ТВЧ только двух значений частоты полей, то есть 50 и 60 Гц, предусматривается показ телепрограмм, записанных на кинопленке (например, кинофильмов) с частотой съемки 24 кадра/с. Преобразование кинокадров в видеосигнал с частотой развертки 60 Гц обычно осуществляется способом протяжки кинопленки «3:2», согласно которому два телевизионных поля формировались из первого кинокадра, а еще три – из второго кинокадра. При этом возникают едва заметные поддергивания движущихся объектов с частотой 12 Гц. Видеосигнал с разверткой 50 Гц формировался посредством увеличения скорости протяжки киноленты на 4%, что приводило к незаметным изменениям временных соотношений в телевизионной программе. Все это существенно упрощало процесс преобразования стандартного кинофильма в электронный эквивалент, предназначенный для телевизионного вещания.

В ранее разработанных системах ТВЧ достаточно много параметров согласовано на международном уровне в соответствии с первой частью Рекомендации МСЭ-Р ВТ. 709-3 (Значения параметров стандартов ТВЧ для производства и международного обмена программами). Причем в настоящее время в телевизионном производстве продолжает использоваться некоторое количество аппаратуры, соответствующее этим стандартам.

Основные параметры цифрового кодирования современных вещательных стандартов ТВЧ, выбранные в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р ВТ. 709-3, приведены в табл. 2.2 [34].

642. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПАРАМЕТРАМ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ВЫСОКОЙ ЧЕТКОСТИ

Вдальнейшем непосредственно для производства и международного обмена программами ТВЧ, а также для обеспечения потребностей компьютерной промышленности были предложены следующие стандарты: 1080/25/1:1, 1080/30/1:1, 1080/50/1:1, 1080/60/1:1, 1080/50/2:1, 1080/60/2:1. Затем был разра-

ботан стандарт 1080/24/1:1, который использует частоту кадров 24 Гц при прогрессивной развертке. Следует заметить, что подобная частота смены кадров применяется в кинематографе. Поэтому благодаря этому стандарту электронная и киноверсия кинофильма совпадают, что облегчает международный обмен кинопрограммами, которые редактируются в электронном виде и могут передаваться по цифровым каналам связи. Таким образом, на основе цифровых технологий впервые удалось эффективно объединить интересы ТВЧ вещания и массового электронного кинематографа.

Использование цифровых методов в ТВЧ позволило во многом унифицировать множество предложенных стандартов за счет применения единого формата (16:9) изображения ТВЧ, предусматривающего 1080 активных строк в кадре с чересстрочным и прогрессивным разложением при 1920 отсчетах в активной части строки для яркостного сигнала (для цветоразностных сигналов число отсчетов в активной части установлено равным 960). Предполагается переключаемая частота кадров 24, 25, 30 кадров в с при частоте полей 50/60 полей в с. Одновременно допускается применение дополнительных значений частот кадров, не влияющих на значения единых параметров изображения ТВЧ. Например, непосредственно в телевизионных устройствах, воспроизводящих изображения с высокой яркостью, частота смены кадров может быть увеличена до значения 75 Гц, хорошо согласованного с диапазоном частот, оптимально усваиваемых мозгом человека. Формат 16:9 означает формирование ортогональной структуры отсчетов, что соответствует квадратным элементам изображения на экране, обычно используемым в компьютерной технике. Все это нашло отражение во второй части Рекомендации МСЭ-Р ВТ.709-3, принятой в июне 1999 г. [34].

Единый стандарт разложения изображения ТВЧ больших размеров, диаго-

наль которых начинается с 32 и выше, с форматом кадра 16:9, предусматривающий 1920х1080 пикселей, то есть 2,0736 Мп в каждом кадре, получил назва-

ние Full HD.

Разработка последней редакции Рекомендации МСЭ-Р ВТ.709-3 впервые в мировой практике позволяет создать единую линейку студийного цифрового оборудования, удовлетворяющего требованиям видео- и кинематографа, а также международного обмена передачами ТВЧ.

Уже несколько лет в мире ведется цифровое телевизионное вещание в формате ТВЧ, и некоторые страны фактически приняли следующие стандарты доставки программ телезрителям: например, США, Япония, Республика Корея

(1080i/60), Австралия, КНР (1080i/50). (В данном случае символ i – interlacing

означает чересстрочную развертку). Форматами производства телевизионных программ, доминирующими в настоящее время, являются: 1920 1080 60/50i и 1920 1080 24/25/30р. Несомненно, что в ближайшем будущем основным форматом доставки программ ТВЧ станет 1920 1080 50/60р.

Следующий этап эволюции телевизоростроения и телевещания будет связан с переходом от стандарта HD TV к телевидению сверхвысокой четкости (Ultra HD TV). МСЭ уже объявил о разработке соответствующей рекомендации, практическая реализация которой создаст новую информационную среду для вещательного телевидения.

В рекомендации МСЭ-R внедрение стандарта качества UHD TV разделяется на два этапа. Прогресс на каждом из этих этапов качества приблизительно аналогичен этапу перехода от обычного телевизионного стандарта четкости к ТВЧ формата Full HD. Причем первый этап в числе уровней качества изображения UHD TV имеет эквивалентное разрешение около 8,3 Мп (3840х2160 = = 8 294 400 пикселей в одном кадре изображения), а следующий уровень – уже около 33 Мп (7680х4360 = 33 177 600 пикселей в кадре), что в 16 раз больше, чем предусмотрено современным стандартом Full HD. Для краткости описания они обозначаются 4К и 8К соответственно. Переход будет осуществляться поэтапно – сначала в 4К, затем в 8К. Например, оператор спутникового телевидения в США Direct TV уже объявил о своем намерении запустить в ближайшее время телевизионный канал стандарта 4К UHD TV. Особо следует отметить, что в формате 4К в настоящее время производится оцифровка киноархива Госфильмофонда России. Второй уровень формата UHD TV соответствует перспективному вещательному стандарту Super Hi-Vision, разработанному японской вещательной корпорацией NHK, который предполагает не только сверхвысокое разрешение, но и звуковое сопровождение стандарта 22.2, обеспечивающее полное ощущение присутствия. Для создания правильного впечатления от просмотра телепрограмм рекомендуется сидеть максимально близко к экрану. Угол обзора телеэкрана в горизонтальном направлении при этом должен быть равным 100 и более. Только при этих условиях будет обеспечено более полное восприятие эффекта «погружения» в сверхчеткую картину SHV (Super Hi-Vision).

По мнению сотрудников японской компании Canon «… этот процесс просто не может быть остановлен, это вопрос времени».

Стандарт Super Hi-Vision был опробован на Олимпийских играх в 2012 году в Лондоне. Пробные запуски телевизионного вещания в формате Super HiVision в Японии запланированы на 2014 год, а регулярные трансляции предполагается начать с 2016 года.

В первую очередь, более реалистичным кажется применение формата 8К при отображении изображений на телевизионных экранах больших размеров, установленных в общественных местах.

Наглядное представление о соотношении количества воспроизводимых пикселей в разных ТВЧ-форматах дает рис. 2.9, предложенный А. Бителевой (см. журнал «Теле-Спутник», № 2, 2013, с. 82).

При реализации цифровых способов кодирования ТВЧ изображений, основанных на классической ИКМ, необходимо оперировать с высокой скоростью цифрового потока. И это рождает много проблем как при передаче видеоданных по каналам связи, так и при их обработке, например, консервации, то есть записи.

Рис. 2.9. Сравнение различных ТВЧ-форматов по количеству воспроизводимых пикселей в одном кадре

Таблица 2.3

Информационные параметры разных стандартов телевизионного разрешения

Значения скорости передачи исходного цифрового потока при различных форматах ТВЧ представлены в табл. 2.3.

Снизить указанные скорости цифрового потока позволяют методы эффективного сокращения объемов психофизиологической и статистической избыточности видеоинформации, например, разработанные на их основе способы видеокомпрессии, являющиеся ключевыми процессами цифровых технологий в системах телевизионного вещания.

2.11. Задача сжатия информации и пути ее решения

Одной из важнейших практических задач в области цифрового телевидения является задача сокращения скорости передачи двоичных символов и, соответственно, требуемой полосы частот канала связи. Эта задача может быть решена путем уменьшения избыточности информации, передаваемой в телевизионном сигнале без заметного для глаза ухудшения качества воспроизводимого телевизионного изображения. Уменьшение избыточности обеспечивает также сокращение требуемого объема памяти запоминающих устройств при записи телевизионных программ, видеофрагментов или отдельных изображений.

В соответствии с установившейся в технической литературе терминологией уменьшение объема передаваемой телевизионной информации в большинстве случаев называется сжатием видеоинформации, а также сжатием изображений, сжатием звуковых сигналов, сжатием речи. В англоязычной литературе используется термин compression, и вместо слова сжатие возможно использовать слово компрессия. А обратная операция называется декомпрессией. Таким образом, основной целью видеокомпрессии является более компактное представление изображений с информационной точки зрения.

Следует также иметь в виду, что сравнительно часто вместо терминов

«сжатие» («компрессия») или «декомпрессия» используются соответственно термины «кодирование» и «декодирование». Это соответствует терминологии стандартов Международной организации по стандартизации (ISO – International Standardization Organization) (encoding, decoding), но следует всегда понимать,

что имеется в виду. Например, в процессе сжатия (то есть кодирования) выполняется несколько разных по сущности операций, некоторые из которых, взятые сами по себе, также называются кодированием.

Избыточность телевизионного сигнала разделяется на структурную, статистическую и психофизиологическую.

Структурная избыточность связана с наличием в стандартном телевизионном сигнале гасящих импульсов, во время которых информация об изображении не передается. Структурная избыточность телевизионного сигнала может быть уменьшена путем передачи во время гасящих импульсов какой-либо другой полезной информации, например, сигналов звукового сопровождения. Однако, большого выигрыша это не дает.

Статистическая избыточность вызывается наличием корреляционных связей между значениями сигнала в соседних элементах одной строки, в соседних строках и в соседних кадрах. Наглядно можно представить себе смысл статистической избыточности как наличие повторяемости информации в следующих друг за другом кадрах. Одним из наиболее известных методов сокращения статистической избыточности является кодирование с предсказанием или диф-

ференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ). В ряде стандартов сжа-

тия кодирование с предсказанием является одним из основных инструментов устранения избыточности. При этом для большинства кадров передается не само изображение, а так называемая ошибка предсказания – разность действительного изображения данного кадра и предсказанного изображения этого же кадра, которое формируется по известным алгоритмам из изображений ранее переданных кадров. Так как большинство кадров телевизионного изображения в значительной степени повторяют предыдущие, ошибка предсказания содержит значительно меньший объем информации, чем действительное изображение.

Психофизиологическая или перцептуальная избыточность телевизионного сигнала определяется той информацией в нем, которая не воспринимается зрительным аппаратом человека и, следовательно, могла бы и не передаваться. Психофизиологическая избыточность может быть устранена за счет удаления из передаваемого сигнала информации, отсутствие которой существенно не влияет на восприятие изображения человеком.

Мощным средством сокращения избыточности является кодирование с преобразованием, при котором набор статистически зависимых отсчетов изображения во временнóй области преобразуется в набор независимых коэффициентов в спектральной области. Разложение производится по ортогональным базисным функциям, различным для разных преобразований. При удачном выборе вида преобразования энергия в спектральной области сосредотачивается вблизи низкочастотных компонент спектра, а коэффициенты в высокочастотной области оказываются малыми или вообще нулевыми.

К наиболее широко распространенным и глубоко исследованным относит-

ся, в частности, дискретно-косинусное преобразование (ДКП).

Дальнейшее сокращение избыточности получается благодаря переходу от поэлементного к групповому преобразованию, когда телевизионное изображение разбивается на отдельные участки и производится кодирование сразу группы элементов, составляющих участок. По принципу группового кодирования функционирует, например, ДКП.

Применение совокупности различных способов сжатия информации, заключенной в телевизионном изображении, позволяет не только передавать цифровой сигнал, соответствующий телевизионному изображению стандартной четкости, по эфирным каналам системы телевизионного вещания, но и реализовать одновременную передачу по этим радиоканалам цифровых сигналов нескольких телевизионных программ, а также организовать передачу сигналов усовершенствованных систем ТВЧ.

Методы сжатия изображений можно разделить на два класса: методы сжатия без потерь информации и методы сжатия с частичной потерей ин-

формации. При сжатии без потерь после декомпрессии восстанавливается изображение, идентичное исходному.

Возможности сжатия реальных цветных или полутоновых черно-белых изображений без потерь весьма ограничены. Гораздо большего эффекта позволяют достичь методы сжатия с частичной потерей информации, но без заметного ухудшения визуально-воспринимаемого качества декодированных изображений.

Сжатие необходимо и для передачи в цифровой форме сигналов звукового сопровождения. Расчеты показывают, что при частоте дискретизации 48 кГц и 16 разрядах АЦП скорость передачи двоичных символов составляет 0,768 Мбит/с на один звуковой канал. Методы сжатия звука, используемые на практике, основаны на учете свойств человеческого слуха и относятся к методам сжатия с частичной потерей информации. При сжатии отбрасывается значительная часть слуховой информации, но качество воспроизводимого звука остается достаточно высоким. Следовательно, сжатие достигается в основном за счет уменьшения психофизиологической избыточности.

Практическими вопросами сжатия аудиовизуальной информации и выпуском соответствующих стандартов и рекомендаций занимается MPEG (Motion Pictures Experts Group) – созданная в 1988 г. организация, объединяющая представителей фирм – производителей оборудования и научных институтов разных стран. MPEG представляет собой подкомитет двух международных

организаций – ISO и Международной электротехнической комиссии (IEC – International Electrotechnical Commission).

Одна из основных задач группы MPEG состояла в изучении проблемы и разработке стандарта на компрессию цифрового телевизионного сигнала, что позволило предложить способы записи или передачи сигналов изображения и звука посредством возможно меньшего числа данных с возможно лучшим качеством.

Международный стандарт кодирования с информационным сжатием MPEG-2 (также известный как ISO/IEC-13818) был специально разработан для кодирования телевизионных сигналов систем вещательного телевидения в 1996 г. и дополнялся в последующие годы. Особо следует отметить, что стандарт MPEG-2 предусматривает возможность перехода к ТВЧ.

Стандарт MPEG-2 к настоящему времени насчитывает уже 10 частей, первая из которых была представлена к стандартизации в 1994 году, а последняя – в 1999 году.

Среди 10 составных частей стандарта MPEG-2 можно выделить три основ-

ных: 13818-1 – системную, 13818-2 – видео и 13818-3 – звуковую.

Системная часть описывает форматы кодирования для мультиплексирования звуковой, видео- и другой информации, рассматривает вопросы комбинирования одного или более потоков данных в один или множество потоков, пригодных для хранения или передачи. Системное кодирование в соответствии с синтаксическими и семантическими правилами, налагаемыми данным стандартом, обеспечивает необходимую и достаточную информацию, чтобы синхронизировать декодирование без переполнения или «недополнения» буферов кодера при различных условиях приема или восстановления потоков. Таким образом, системный уровень выполняет пять основных функций:

синхронизация нескольких сжатых потоков при воспроизведении;

объединение нескольких сжатых потоков в единый поток;

инициализация для начала воспроизведения;

обслуживание буфера;

определение временнóй шкалы.

Спецификация видеочасти (13818-2) регламентирует кодовое представление и процесс декодирования, обеспечивающий воспроизведение компрессированных телевизионных изображений. Видеочасть предполагает сжатие потока видеоданных за счет устранения пространственной и временнóй избыточности, присущих телевизионному изображению. Устранение пространственной избыточности основывается на использовании ДКП, временнóй – на дифференциальном кодировании с компенсацией движения. Но процедура кодирования не регламентируется стандартом, что оставляет возможности для совершенствования кодеров и улучшения качества воспроизводимого изображения.

Звуковая часть стандарта MPEG-2 (13818-3) определяет возможное кодирование многоканального звука.

Важнейшая особенность стандарта MPEG-2 – представление сигналов телевизионного изображения и звука в форме, задаваемой спецификациями 13818-1 – 13818-3, позволяет обращаться с видео и звуковыми потоками как с

потоками компьютерных данных, которые могут записываться на самые разные носители информации, передаваться и приниматься с использованием каналов связи и сетей телекоммуникаций, которые существуют сегодня и появятся в будущем.

С принятием стандарта MPEG-2 работы по компрессии видеоданных перешли в область практической реализации. На данный момент можно назвать более 10 фирм, которые выпускают для продажи кодеры и декодеры по стан-

дарту MPEG-2. Наиболее известны из них Philips, Panasonic, Page Micro Technology, CLJ Communications, Wegener Communications, Scientific-Atlanta, NTL, Segem Group, NEC, Vistek, General Instruments и др.

Транспортный поток MPEG-2 допускает вместе со звуковыми и видео потоками цифровых программ также потоки, содержащие любую другую цифровую информацию.

Фактически успех цифрового телевидения и DVD-видео основан на использовании стандарта MPEG-2, первые версии которого были разработаны практически пятнадцать лет назад. В течение нескольких лет стандарт MPEG-2 постоянно улучшался. Заложенная в данном стандарте технология видеокомпрессии доказала свою эффективность, но в настоящее время она является уже заметно устаревшей. Сегодня стандарт MPEG-2 подошел к границам своих возможностей. Пришло время заменить способы видеосжатия, на которых основывается стандарт MPEG-2, более эффективной и продвинутой технологией, воспользовавшись преимуществами непрерывного прогресса в производстве процессоров.

Другой важнейшей разработкой группы MPEG является стандарт компрессии MPEG-4, визуальная часть которого получила название MPEG-4 Visual (группы Part 2 стандартов MPEG-4). Первая разработка данного стандарта была опубликована в 1999 г., а его полномасштабное внедрение ожидается в ближайшее время.

Как и стандарт кодирования MPEG-2 система кодирования MPEG-4 представляет собой набор технических инструментов компрессии оцифрованной информации, организованных в профили, число которых достигает 20. В системе сжатия MPEG-4 используются несколько новых приемов кодирования на основе объектно-базового принципа, что обеспечивает уже в настоящее время более чем двукратное повышение степени сжатия по сравнению с MPEG-2. Таким образом, стандарт MPEG-4 Visual предназначен для непосредственного использования в системах ТВЧ.

Например, в случае применения стандарта MPEG-4 Visual высококачественная передача одной телевизионной программы стандартной четкости осуществляется при скорости потока данных фактически равной 2…2,5 Мбит/с, а программы ТВЧ при скорости 4…8 Мбит/с.

Функционирование объектно-базовой системы кодирования осуществляется посредством разделения изображения на специфические объекты (сегменты), каждый из которых можно кодировать разными способами. Например, из изображения выделяются участки человеческого лица, что потребует больше деталей, и участки заднего фона, которые можно дать с меньшим числом деталей. Таким спо-