HDTV - телевидение высокой четкости - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
Реферат
по курсу «Основы телевидения»
«HDTV – телевидение высокой четкости»
2002г.
Содержание:
. Часть 1: HDTV – телевидение высокой четкости
1. Начало HDTV
2. Раннее телевидение
3. Решение проблемы формата
4. Преимущества цифровой передачи
5. Стандарты цифрового телевидения
6. Наследие старого телевидения
7. Проблемы формата
8. Угол зрения
9. Проблема передачи сигнала
10. Проблема просмотра
. Часть 2: Компрессия сигнала в HDTV
1. Немного истории
2. Стандарт кодирования MPEG-2
3. Компрессия видеоданных
4. Кодирование кадров
5. Компенсация движения
6. Дискретно-косинусное преобразование
7. Профессиональный профиль стандарта MPEG-2
http://www.zdnn.ru/?ID=176641 - talkback#talkbackНачало HDTV
Всего 60 лет назад сама идея передачи изображения и звука на огромные
расстояния казалась абсурдной. Но человечество поверило в нее, а затем
овладело ею. Мы создали гигантскую индустрию и продолжаем питать ее своими
ожиданиями и огромным количеством рекламных долларов. В недавнем
исследовании в ответ на вопрос, каково величайшее изобретение ХХ века,
около 50% всех опрошенных жителей США назвало телевидение.
7 сентября 1927 года в мастерской на чердаке своего дома на Грин-Стрит в
Сан-Франциско молодой изобретатель по имени Фило Тэйлор Фернсуорт (Philo
Taylor Farnsworth) продемонстрировал нетерпеливым инвесторам свое
изобретение. Ему удалось передать по радио изображение толстой белой линии,
нанесенной на стеклянную пластину, в устройство с маленьким круглым
экраном. Он поворачивал стекло, и принимаемое изображение линии
одновременно меняло свое положение. Эта демонстрация и блестяще
организованная подготовка к ней позволили Фернсуорту опередить всех, кто
занимался той же проблемой, и положили начало судебной баталии с компанией
RCA за право на патент, которую Фернсуорт в конечном счете выиграл.
Первые телепередачи Фернсуорта велись самодеятельными эстрадниками из
маленькой студии в Филадельфии и передавались маломощным передатчиком на
короткое расстояние для живших в миле от студии первых телевизионных
инженеров-владельцев опытных устройств.
Фернсуорт и его помощники изготовили несколько прототипов и первые
коммерческие приемники, но настоящим производством и распространением
телевизоров занялись компании типа RCA и Philco. Эти первые устройства в
деревянных корпусах выглядели как маленькие гардеробы с оконцем в волшебный
мир. Постепенное совершенствование технологии этих черно-белых телевизоров
привело к более крупным и четким изображениям, а где-то в 50-х появились
средства передачи цветных сигналов — это было первое и единственное
принципиальное изменение технологии и конструкции телевизора. Но сигнал
продолжал передаваться с тем же разрешением (около 400 строк на кадр), тем
же слабым звуком и тем же прямоугольным форматом изображения.
Раннее телевидение.
Формат традиционного телевизионного экрана восходит к раннему
кинематографу. Его ввел человек по имени У.К.Л. Диксон (W.K.L. Dickson),
работавший в конце XIX века в лаборатории Томаса Эдисона. Диксон
сконструировал кинокамеру, называемую Kinescope (ее разновидность до сих
пор применяется для переноса видео на пленку). Диксон использовал
специальную пленку с размером кадра 1 х 3/4 дюйма, что дает отношение длины
к ширине 4:3. Когда индустрия приняла этот формат в качестве стандарта,
кино- и телевизионные изображения соответствовали друг другу независимо от
размеров экрана. И так продолжалось довольно долго.
Но в 50-х все переменилось Голливуд почувствовал угрозу со стороны
телевидения, вдруг ставшего популярным. Люди, увлекавшиеся рок-н-роллом,
перестали ходить в кино, а проводили семейные вечера у телеэкрана. Тогда
владельцы студий собрали своих инженеров и сказали: «Сделайте что-нибудь
большое!» — так появились форматы типа Cinerama, Cinemascope и VistaVision.
Форматов с красивыми названиями много, но все они шире, чем 4х3. Съемка
фильмов (а теперь и видео) в этих форматах создает для операторов более
широкие композиционные возможности, и мир в этих фильмах выглядит более
естественным.
Решение проблемы формата
При трансляции по телевидению широкоформатных фильмов без искажения часть
визуальной информации по краям теряется. Например, если в конце комнаты
воркуют любовники, то зрителю остаются только их голоса. Эта проблема
решается двумя способами. Изображение можно «втиснуть» в ширину телеэкрана,
и тогда его верхняя и нижняя части не используются (эффект почтового
конверта).
HDTV изменит эту ситуацию, и можно будет увидеть фильмы в оригинальном
формате 16х9, которые до сих пор могли смотреть только в «сплюснутой»
версии.
Преимущества цифровой передачи
Кроме очевидных преимуществ формата, сам способ формирования цифрового
изображения высокой четкости также несет в себе существенные преимущества.
Цифровой сигнал не ослабляется при передаче на расстояние, как аналоговый
сигнал. Поэтому если он принимается вообще, то принимается без искажений.
Цифровой сигнал не подвержен помехам, характерным для работы нецифрового
оборудования, таким как тени, «туман» или «снег». Передается же цифровой
сигнал в компрессированном виде, что намного сужает требуемую полосу
пропускания канала. В цифровом телевидении применяется схема компрессии
MPEG-2 — та же, что и на DVD.
Любая компрессия — это компромисс. Самое высокое качество у
некомпрессированного цифрового видео, но для этого необходимо передавать
невероятное количество данных (эквивалентное примерно 27 дискетам в
секунду). Такую пропускную способность можно обеспечить только в локальной
сети. Чтобы передавать цифровой сигнал по существующим каналам, изображение
с разрешением примерно вчетверо выше по сравнению с обычным нецифровым
компрессируется в соотношении 55:1. Но это незаметно, так как алгоритм MPEG-
2, хотя и не идеален, но достаточно хорош: он «знает», что компрессирует. В
этом алгоритме используются особенности восприятия глазом оттенков цветов и
движения. В каждом кадре MPEG-2 учитывает ровно столько деталей, чтобы не
было заметно никаких искажений. Кроме того, шифратор сравнивает соседние
кадры и передает только те участки изображения, которые изменились или
переместились. В результате качественно отснятая сцена выглядит
естественно.
«Чудо компрессии» позволяет не только передавать в эфир превосходное
изображение. Благодаря запасу полосы пропускания, появляется возможность
передавать цифровое аудио 5.1, то есть настоящий окутывающий звук (surround
sound),
Важнейшим компонентом HDTV служит совсем крошечная деталь... скромный
пиксел. В аналоговом телевидении элементы изображения, из которых состоит
красная, зеленая и синяя компоненты, представляют собой вертикальные
прямоугольники. В HDTV они квадратные, как на компьютерных мониторах, и
более, чем в четверо меньше пикселов аналогового ТВ, так что мелкие детали
получаются намного четче, что позволяет разглядеть каждую пору на коже
кинозвезды.
Стандарты цифрового телевидения
Аналоговое телевидение формата NTSC обеспечивает 720 строк (линий пикселов)
по вертикали на 486 строк (колонок пикселов) по горизонтали. HDTV дает
гораздо более четкое, резкое изображение с большим цветовым насыщением, так
как его разрешение составляет 1920 строк по вертикали на 1080 строк по
горизонтали.
В настоящее время существует 18 разных стандартов цифрового телевидения
(если в такой «стандартизации» вообще есть смысл). Пять из них определяются
как HDTV: 1125-, 1080-, и 1035-строчные с чередованием строк (i) и 720- и
1080-строчные с последовательными строками (p). Однако бытовой телевизор
HDTV обязан отображать один из сигналов 720p или 1080i в формате 16:9.
Практически все разрабатываемые сегодня телевизоры HDTV воспроизводят оба
формата, а телевещательные компании будут транслировать свои передачи в
одном из них. У каждого из этих форматов много своих особенностей, и их не
следует сравнивать, так как по существу это разные системы. У 1080i более
высокое горизонтальное разрешение, зато у 720p нет полукадровых искажений.
Эти искажения могут сказываться как на качестве воспроизведения объектов на
экране, так и на качестве шифрования сигнала MPEG-2. Чтобы лучше понять
разницу, сопоставим все это с обычным телевизором.
Наследие старого телевидения
В общем случае обычное аналоговое изображение на HDTV-телевизоре будет
выглядеть лучше. Однако производство телепередач остается нецифровым,
поэтому, чтобы вещать их по новой технологии, необходимо выполнить
преобразование в соответствии со спецификациями HDTV. Этот процесс
называется ап-конверсией. В стандартном телевидении луч пробегает по экрану
со скоростью 30 кадров в секунду. Каждый из этих кадров делится на два
поля, так что всего отображается 60 полей в секунду. В этих полях
чередуются четные и нечетные строки, что дает «чересстрочную» развертку,
характерную для современных телевизоров. Но хотя такое чередование кадров
создает эффект более плавного движения по сравнению с последовательной
разверткой, оно может стать причиной размытого изображения, теней и
искажений.
В HDTV-телевизоре эти 60 полей ап-конвертируются в изображение с
последовательной разверткой. Это означает, что строки передаются
последовательно одна за другой без всякого наложения полей. Именно так
отображается информация на мониторе компьютера. При более низком разрешении
в 480p такой формат, возможно, уже следует называть форматом не высокой, а
«повышенной четкости» изображения. В некоторых цифровых телевизорах
возможен другой процесс ап-конверсии, в котором аналоговое изображение
преобразуется в 1080 чередующихся строк, или 1080i. При этом используется
т.н. метод удвоения строк. Так что когда во время дневных передач вам
предлагают посмотреть пример «цифрового» телевидения, то на самом деле это
не HDTV, а аналоговое изображение с удвоением строк.
Проблемы формата
К сожалению, до сих пор не существует единого мирового стандарта HDTV. Все
вроде бы согласны, что кадр такого изображения должен состоять из примерно
тысячи строк, а экран телевизора — быть широким (отношение ширины к высоте
не 4:3, как у обычного телевизора, а 16:9, поскольку большинство
современных кинофильмов имеет именно такую размерность). В связи с этим
американская организация под названием Гильдия режиссеров (Guild оf
Directors) ратует за размерность 18:9, однако соотношение
HDTV японцы придумали еще в 1964 году, когда вещательная компания NHK
решила, что пора прокладывать путь для телевидения следующего поколения. В
основе этого решения лежали неприязнь ко всему иностранному (стандарт
телевидения в Японии — NTSC, то есть американский) и эксцентричная задача
добиться «мирового превосходства в телевидении». После неудачной попытки
самим изобрести телевидение и разработать толковый способ организации
вещания в цвете стремление стать зачинателями следующего этапа в развитии
телевещания казалось японцам вполне естественным.
В 80-х NHK предложила стандарт HDTV, который, по ее расчетам, должен был
ознаменовать начало новой телевизионной эры. Однако европейские компании
приняли его в штыки, заявив, что японское предложение о частоте полукадров
— шестьдесят в секунду — несовместимо с существующими системами PAL и
SECAM, основанными на развертке с частотой пятьдесят полукадров в секунду.
Вместо японского стандарта европейцы предложили свою систему HD-MAC,
основанную на стандарте для спутникового телевидения (МАС).
Американская же федеральная комиссия по связи (FCC) утвердила стандарт,
согласно которому картинка ТВЧ формируется из 1080 горизонтальных строк при
развертке шестьдесят полукадров в секунду и формате 16:9. Европейцы же
предлагали формировать изображение из 1225 строк.
Угол зрения
Для правильного восприятия фильма (то есть для обеспечения эффекта
присутствия) особенно важен угол обзора.
Иными словами, если вы сидите на правильном расстоянии от телевизора (при
размерности экрана 16:9 это расстояние равно утроенной высоте экрана), угол
охвата зрением должен составлять тридцать градусов. Между тем мы обычно
смотрим телевизор 4:3, находясь на расстоянии от восьми до десяти высот
экрана, и угол зрения при этом составляет от силы десять градусов. В
пределах этого сектора мы очень хорошо видим все детали изображения, а
движение воспринимаем плохо. За пределами сектора наблюдается обратная
картина: реакция на движение заметно улучшается, зато способность различать
детали падает. Без движений, отмечаемых периферийным зрением, сцены
выглядят искусственными.
Следовательно, для создания максимального эффекта присутствия необходим
такой угол охвата зрением, чтобы различать все детали в середине и отмечать
движение по краям экрана периферийным зрением. Этот угол составляет те
самые тридцать градусов, о которых говорилось выше. Так что дальнейшее
увеличение ширины экрана нецелесообразно. Вот почему киношники отказались
снимать панорамные фильмы (размерность кадра порядка 25:9).
На практике все гораздо сложнее: в домашних условиях, когда мы сидим на
расстоянии трех метров от телевизора, ширина его экрана, необходимая для
обеспечения угла охвата в тридцать градусов, должна быть около 2,8 метра.
Ни один телевизор трехметрового экрана не имеет — создать картинку такого
размаха способен лишь видеопроектор. И на ней будут заметны все огрехи
обычного телевизионного сигнала. Эту проблему и позволяет решить HDTV.
Проблема передачи сигнала
Но мало отснять HDTV-программу — нужно еще передать ее потребителю. Одно из
условий, поставленных американской FCC, состояло в том, чтобы обладатели
обычных телевизоров могли смотреть программы HDTV. Для выполнения этого
требования HDTV-сигнал нужно втиснуть в полосу частот шириной 6 мГц
(стандартная полоса для одного телеканала). А это на первых порах оказалось
очень сложно, поскольку HDTV-сигнал содержит больше информации, чем обычный
телевизионный. Настолько больше, что решение так и не было найдено вплоть
до появления сжатия видеоданных.
Проблема просмотра
Для того, чтобы воспользоваться всеми преимуществами HDTV, необходимо
сидеть от экрана на расстоянии, равном его высоте, умноженной на три. А это
недоступно большинству владельцев даже самых последних моделей телевизоров.
Предел для диагонали экрана телевизора 16:9 составляет 36 дюймов. Высота
такого экрана примерно 40 см. Значит, для получения максимального эффекта
присутствия необходимо сидеть приблизительно в полутора метрах от экрана.
Конечно, есть плазменные и проекционные телевизоры с экраном более метра в
диагонали, но они стоят очень дорого. Так что лишь немногие смогут
насладиться HDTV в полном объеме, даже если передачи появятся в эфире. Еще
хуже обстоит дело с домашним HDTV-кинотеатром. Видеомагнитофонов, способных
записывать сигнал HDTV, нет и не предвидится. Однако на выставке CES 2000,
проходившей в Лас-Вегасе в начале этого года, были представлены прототипы
DVD для HDTV и устройство записи цифрового телевизионного сигнала на хард-
диск, в принципе совместимое с HDTV. Более того, FCC постановила прекратить
с 2006 года трансляции в США передач в NTSC и заменить их на HDTV.
У Европы в общем и у России в частности, где никто и не заикается о
трансляциях HDTV-программ, таких проблем не существует. Вам не нужен HDTV-
аппарат, поскольку нет программ, которые по нему можно было бы смотреть.
Компрессия сигнала в HDTV.
Как уже отмечалось ранее в HDTV в качестве основного стандарта кодирования
используется MPEG-2. Рассмотрим его подробнее.
Немного истории
Стандарт MPEG-2 был специально разработан для кодирования ТВ сигналов
вещательного телевидения. Он позволяет получить полную четкость
декодированного ТВ изображения, соответствующую Рекомендации 601 МККР. (При
скорости передачи видеоданных 9 Мбит/с качество ТВ изображения
соответствует студийному).
С принятием стандарта MPEG-2 работы по компрессии видеоданных перешли в
область практической реализации. На данный момент можно назвать, по крайней
мере, десяток фирм, которые выпускают для продажи кодеры и декодеры по
стандарту MPEG-2. Наиболее известны из них Philips, Panasonic, Page Micro
Technology, CLJ Communi-cation, Wegener Communications, Scientific-Atlanta,
NTL, Segem Group и др.
В октябре 1995 г. через спутник Pan Am Sat начато 20-канальноеТВ вещание по
стандарту MPEG-2, осуществляемое на территории Скандинавии, Бельгии,
Нидерландов, Люксембурга, Ближнего Востока и Африки. В этой сети будет
использовано более миллиона декодеров MPEG-2.
На стандарт MPEG-2 ориентированы и создаваемая сейчас 100-канальная система
непосредственного телевизионного вещания (НТВ) Канады, и 150-канальная
система НТВ оператора спутника "Эхостар", а также 10-канальная система НТВ
Австралии, как и системы НТВ других стран.
В Российской Федерации телекомпания ВГТРК ввела в эксплуатацию
четырехканальную систему НТВ по стандарту MPEG-2. Другие российские
телекомпании также планируют начать НТВ по этому стандарту. Например РАО
"Газпром" создает систему цифрового вещания в России по стандарту MPEG-2 c
использованием спутников "Горизонт" и "Ямал". Здесь по одному стандартному
каналу будет передаваться от трех до восьми ТВ программ. К созданию системы
привлечены многие известные зарубежные фирмы. Вот некоторые из них: NEC,
Vistek, Fuba, Scientific Atlanta и др.
Стандарт кодирования MPEG-2
Даже в рамках одного стандарта, как показывает практика, передача сигналов
телевидения - и цифровое здесь не исключение, ведется на разных уровнях
качества. То же самое можно сказать и о телевизионных приемниках. Жесткие,
а главное узкие допусковые интервалы, не жизненны, поскольку лишают систему
гибкости, приспосабливаемости к разным условиям функционирования с
ориентацией на различные слои потребителей. При этом любая перспективная
система должна иметь резервы для перехода на более высокие уровни качества.
Эти и многие другие соображения и требования легли в основу очень важного
документ: ISO/IEC 13818-2.
В этом документе определено, что стандарт MPEG-2 - это целое семейство
взаимносогласованных совместимых цифровых стандартов информационного сжатия
телевизионных сигналов с различной степенью сложности используемых
алгоритмов.
Градации качества ТВ изображения для вещательных систем в стандарте ISO/IEC
13818-2 устанавливаются введением четырех уровней для формата разложения
строк ТВ изображения и пяти профилей для форматов кодирования сигналов
яркости и цветности. Общая идеология построения стандарта поясняется
таблицей.
|ПРОФИЛИ, УРОВНИ, СОГЛАСОВАННЫЕ ТОЧКИ |
|Высокий | |80 | | |100 |
|1920 | | | | | |
|отсчетов | | | | | |
|1152 | | | | | |
|строки | | | | | |
|(активных| | | | | |
|) | | | | | |
|Высокий | |60 | |60 |80 |
|уровень | | | | | |
|1440 | | | | | |
|отсчетов | | | | | |
|1152 | | | | | |
|строки | | | | | |
|(активных| | | | | |
|) | | | | | |
|Основной |15 |15 |15 | |20 |
|уровень | | | | | |
|720 | | | | | |
|отсчетов | | | | | |
|576 | | | | | |
|строки | | | | | |
|(активных| | | | | |
|) | | | | | |
|Низкий | |4 |4 | | |
|уровень | | | | | |
|352 | | | | | |
|отсчета | | | | | |
|288 | | | | | |
|строки | | | | | |
|(активных|
|
