камальдинова. Мультимедиа технологии
 Скачать 6.03 Mb.
|
|
Вопросы по лекции 5: 1. Дать определение понятию видео. 2. Перечислить основные характеристики видео. 3. Перечислить стандартные значения частоты кадров и их применение. 4. В чем заключается отличие чересстрочной развертки от прогрессивной? Какое у них обозначение. 5. Перечислить основные виды сжатия видеоинформации. 6. Перечислить основные стандарты цифрового кодирования и сжатия видеоматериалов. 7. Поясните принцип межкадрового сжатия. 8. Перечислить основные проблемы с видео. 9. Перечислить форматы видео хорошего и отличного качества. Дать краткую характеристику. 10. Перечислить форматы видео низкого и среднего качества. Дать краткую характеристику. 11. Каким образом измеряется качество видео? 12. Описать стандарт PAL и его технические особенности. 13. Описать стандарт SECAM и его технические особенности. 14. Описать стандарт NTSC и его технические особенности. 15. Что такое разрешение видео? Дать краткую характеристику. 116 Лекция 6. Цифровое телевидение Краткая аннотация лекции: Рассматривается история возникновения цифрового телевидения. Описаны стандарты цифрового телефидения, уровни качества цифрового телевидения. Рассмотрен европейский стандарт цифрового телевидения DVB. Цель лекции: изучить основы цифрового телевидения, стандарты цифрового телевидения, уровни качества цифрового телевидения. Цифровое телевидение (DTV) – это новый тип технологии вещания, который обновит ваши ощущения при просмотре. Технология DTV позволяет передавать программы с кинематографическим качеством изображения и CD – качеством звука, а также, с рядом других усовершенствований. Технология DTV может быть также использована для передачи домой больших объемов данных, доступ к которым возможен с помощью компьютера или телевизора. История возникновения и развития цифрового телевидения содержит несколько этапов. На каждом этапе сначала выполнялись научно- исследовательские и опытно-конструкторские работы, создавались экспериментальные устройства и системы, а затем принимались международные стандарты, которые должны поддерживаться всеми организациями, ведущими телевизионное вещание и выпускающими видеопрограммы, и всеми фирмами – производителями аппаратуры. Главный в мировом масштабе орган, принимающий и утверждающий стандарты в различных областях деятельности людей – ISO (International Standart Organization, Международная организация по стандартизации), объединяющая национальные комитеты по стандартизации более 100 стран мира. Стандарты в области информационных технологий принимаются созданным ISO и Международной Электротехнической Комиссией (International Electrotechnical Comission, IEC) совместным комитетом ISO/IEC JTS1. Еще один международный орган, занимающийся стандартизацией в области телекоммуникаций – Международный Союз Электросвязи 117 (International Telecommunication Union, ITU). Стандартизацией в телевидении занимается сектор ITU-R (R – radio). У истоков создания телевидения стоит Уиллоуби Смит, изобретший фотоэффект в селене. Следующий этап открытия связан с именем русского ученого Бориса Розинга, который запатентовал электрический способ передачи изображений. Также вклад в открытие сделали П. Нипков, Д. Бэрд, Дж. Дженкинс, И. Адамян, Л. Термен, которые независимо друг от друга в разных странах создают передатчики для трансляции изображений. Следующий виток развития технологии связан с появлением электронного телевидения. М. Дикман и Г. Глаге зарегистрировали создание трубки для передачи изображений. Но первый патент на технологию, которая и сегодня используется в телевизорах, был получен Борисом Розингом в 1907 году. Далее целая плеяда ученых работала над усовершенствованием технологии. И в 1931 году инженер В. Зворыкин создает иконоскоп, который и считают первым телевизором. На основе этого изобретения Ф. Фарнсуот создает кинескоп. В 1928 году с началом регулярного вещания начинается настоящая история возникновения телевидения. Улисс Санабриа впервые использовал радиоволны для передачи изображения и звука. Принцип работы телевидения заключается в особой проекции изображения на светочувствительную пластину в электронно-лучевой трубке. Долгое время история телевидения была связана с усовершенствованием этой трубки, это приводило к повышению качества картинки и к увеличению экранной поверхности. Но с появлением цифрового вещания принцип изменился, теперь кинескоп с лучевой трубкой стал не нужен. В нем используется совершенно другой способ передачи изображения. Оно кодируется и передается с помощью цифровых каналов и через системы интернета. 118 6.1 Этапы истории цифрового телевидения 1 Этап: Использование цифровой техники в отдельных частях телевизионных систем при сохранении обычного стандарта разложения и аналоговых каналов связи. Наиболее важным достижением данного этапа было создание цифрового студийного оборудования. На современных телестудиях сигналы с передающих камер преобразуются в цифровую форму, и вся их дальнейшая обработка и хранение в пределах телецентра осуществляются цифровыми средствами. На выходе телевизионный сигнал преобразуется в аналоговую форму и передается по обычным каналам связи. Введение цифровых блоков в телевизионные приемники с целью повышения качества изображения или расширения функциональных возможностей. Примерами таких блоков могут служить цифровые фильтры для разделения яркостного и цветоразностных сигналов, для уменьшения влияния шумов на изображение и для подавления эхо-сигналов, возникающих при отражении радиоволн от поверхности Земли и различных объектов, т.е. при наличии многолучевого приема. Широко известны также устройства перехода от чересстрочной развертки к квазипрогрессивной, повышения частоты полей до 100 Гц, реализации функций «стоп-кадр» и «кадр в кадре» и т.д. 2 Этап. Создание гибридных аналого-цифровых телевизионных систем с параметрами, отличающимися от принятых в обычных стандартах телевидения. Можно выделить два основных направления изменений телевизионного стандарта: переход от одновременной передачи яркостного и цветоразностных сигналов к последовательной их передаче и увеличение количества строк в кадре и элементов изображения в строке. Реализация второго направления связана с необходимостью сжатия спектра телевизионных сигналов для обеспечения возможности их передачи по каналам связи с приемлемой полосой частот. Примеры гибридных телевизионных систем: японская система телевидения высокой четкости (ТВЧ) MUSE (Multiple sub-nyquist sampling 119 Encoding system, частота 11,7–12,5 ГГц.) и западно-европейские системы семейства MAC (Multiplexed analog components). В передающей и приемной частях всех этих систем сигналы обрабатываются цифровыми средствами, а в канале связи сигналы передаются в аналоговой форме. Системы ТВЧ MUSE и HD-MAC имеют формат изображения 16:9, количество строк в кадре 1125 и 1250, частоту кадров 30 и 25 Гц, соответственно. С помощью цифрового кодирования исходная полоса частот сигналов этих систем, превышающая 20 МГц, сжимается до величины порядка 8 МГц. Это позволяет передавать эти сигналы с частотной модуляцией (ЧМ) по спутниковым каналам связи, имеющим ширину полосы 27 МГц. В то же время, широко развитая сеть наземного телевизионного вещания, включающая УКВ-передатчики, кабельную сеть и другую технику, не позволяет передавать и принимать сигналы указанных систем телевидения, так как рассчитана на ширину полосы частот одного канала, равную 6…8 МГц. 3 Этап. Cоздание полностью цифровых телевизионных систем. ISO создала рабочую группу JPEG (Joint Picture Expert Group – объединенная группа экспертов по изображениям), которая занималась разработкой методов сжатия неподвижных изображений, а затем – рабочую группу MPEG (Motion Picture Expert Group – группа экспертов по движущимся изображениям), занимающаяся методами сжатия движущихся изображений и звукового сопровождения. Эти рабочие группы включают специалистов из разных стран. Результатами деятельности этих групп являются утверждаемые ISO стандарты. Именно разработки группы MPEG стали основой создания современных систем цифрового телевидения. Методы сжатия движущихся изображений и сигналов звукового сопровождения описаны в стандартах MPEG-1 и MPEG-2. Стандарт MPEG-1, ориентированный в основном на запись кинофильмов и видеопрограмм на компьютерные лазерные диски с возможностью воспроизведения изображения и звука с помощью обычного персонального компьютера, был окончательно утвержден к декабрю 1993 120 года. Стандарт MPEG-2, предназначенный для систем телевизионного вещания как с обычным стандартом разложения, так и с увеличенным числом строк (ТВЧ), был утвержден в ноябре 1994 года. Работы по внедрению цифрового телевидения в нашей стране начались осенью 1997 г. К тому времени некоторые западные страны уже приступили к практической реализации перехода на цифровое телевизионное вещание (наиболее продвинулась в этом отношении Великобритания). В 1998 г. Минэкономики России объявило конкурс на проведение цикла «Разработка комплексного проекта по созданию системы цифрового телевизионного вещания в России», который предусматривал создание систем и средств, необходимых для цифрового вещания. Первый экспериментальный передающий центр опытной зоны эфирного цифрового телевидения (ТВ) с использованием отечественных разработок был развернут в Нижнем Новгороде. Для цифрового вещания выделялся 50-й телевизионный канал. Первое включение произведено 2 июля 2000 г. При этом в соседних (49-м и 50-м) каналах велось постоянное аналоговое вещание. Опытные зоны эфирного и кабельного цифрового вещания были развернуты также в Санкт-Петербурге. В 2003 г. закончились основные работы по созданию ряда технических средств для наземного (эфирного), кабельного и спутникового приема, а также соответствующего пакета национальных стандартов для цифрового формата вещания. В 2002 г. начались исследования и разработка отечественных технических средств для цифрового радиовещания (ЦРВ) в стандартах DRM и DAB. Основное преимущество цифрового ТВ заключается в том, что сигнал можно сжимать при помощи современных алгоритмов (например, MPEG). За счет сжатия сигнала на частотном диапазоне одного аналогового телевизионного канала можно уместить до 10 цифровых каналов приблизительно с тем же качеством картинки. То, как именно кодировать и 121 сжимать сигнал, определяется единым стандартом. На сегодняшний день в Европе и России основным семейством стандартов является DVB – продукт международного консорциума DVB Project. Семейство включает в себя стандарты для спутникового (DVB-S, DVB-S2), цирового (DVB-T, DVB-T2), кабельного DVB-C, DVB-C2) и мобильного телевидения (DVB-H), отличающиеся степенью сжатия, помехозащищенностью и другими параметрами (в зависимости от используемой среды передачи). В России цифровое телевидение появилось в 2009 году. Тогда в качестве эксперимента был введен стандарт DVB-T, предоставляющий абонентам доступ к бесплатному пакету каналов. В 2011 году Правительством РФ был утвержден новый стандарт DVB-T2. В настоящее время существуют следующие основные стандарты: DVB (Digital Video Broadcasting, Цифровое Телевизионное Вещание) – европейский стандарт цифрового телевидения. ATSC (Advanced Television Systems Committee, Комитет Усовершенствованных Телевизионных Систем) – американский стандарт цифрового телевидения. ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting, Встроенные Сервисы Телевизионного Вещания) – японский стандарт цифрового телевидения; DTMB (Digital Terrestrial Multimedia Broadcast, Цифровое Наземное Мультимедийное Вещание) DMB-T/H – эфирное/мобильное – китайский стандарт цифрового телевидения. Все эти стандарты дают возможность, используя эфирные, кабельные, спутниковые и мобильные каналы связи, передавать оцифрованные сигналы аналогового стандарта вместе с многоканальным звуком. Основное различие между тремя стандартами в методах модуляции и частотных диапазонах каналов передачи. 122 Рис. 6.1 Распределение стандартов телевидения на земном шаре Таблица 6.1. Стандарты наземного цифрового телевизионного вещания. Обозначение Стандарт, рекомендация Назначение телевидения Диапазон частот, ширина спектра, цифровой поток Год утверждения стандарта ATSC Doc. A/53. ATSC VHF, UHF 6 МГц 1996 наземное 19,39 Мбит/c. кабельное 38,78 Мбит/c. DVB-T ETSI EN 300 744 наземное VHF, UHF 6, 7, 8 МГц 4,98…31,67 Мбит/c. 1997 DVB-T2 ETSI EN 302 755 VHF, UHF 1.7, 6, 7, 8 МГц 7,49…50,32 Мбит/c. 2008 ISDB-N ITU-R BT.1306-1 наземное VHF, UHF 6, 7, 8 МГц 3,65…30,98 Мбит/c. 1999 DTMB GB 20600-2006 наземное VHF, UHF 6, 7, 8 МГц 5,41…28,8 Мбит/c. 2006 6.2 Европейский стандарт цифрового телевидения DVB-Т Это стандарт европейского цифрового телевизионного вещания, который был ориентирован на пер е ход к телевидению высокой четкости. Он входит в группу европейских телевизионных стандартов DVB. Основные технические характеристики стандарта: Диапазон рабочих частот – 470–862 МГц. Выходная мощность передатчиков – 10…10 000 Вт. 123 Ошибки BER - 10 -11 …-10 -13 Ошибки MER, db < 35. Главным преимуществом стандарта DVB-T2 (T2) по сравнению с DVB- T1 (T1) является то, что на одной несущей передатчика можно будет передавать три программы телевидения высокой четкости и дополнительные независимые каналы физического уровня PLP. Таким образом, количество передаваемых каналов увеличится. Мощность передатчиков снизится в 5–8 раз. Увеличивается QAM до 256. Полоса приема телевизоров останется прежней – 8 МГц. 6.3 Американский стандарт цифрового телевидения ATSK Основной технической задачей цифрового телевидения ATSC была передача HDTV-программы с заданной помехоустойчивостью в наземном радиоканале с ограниченной полосой частот 6 МГц. В стандарте ATSC в качестве критерия качества видеоизображения вводится понятие «порога видимости» (ПВ), определяемое пороговым значением отношения сигнал/шум на входе приемника. Так, для системы эфирного вещания 8-VSB теоретическим порогом определена величина С/Ш = 14,9 дБ, что примерно на 20 дБ ниже величины ПВ для аналогового телевидения. 6.4 Японский стандарт цифрового телевидения ISDB-T В системе ISDB-T используется принцип многочастотной модуляции с передачей цифрового потока на OFDM несущих в нескольких полосах частот (так называемая частотно сегментированная передача – BST-OFDM). Система ISDB-T может быть использована в каналах ТВ-вещания UHF- диапазона с полосами B = 6, 7 или 8 МГц. Оригинальным свойством системы является разделение каждого канала вещания на сегменты, в каждом из которых передаются BST-OFDM-кадры, содержащие заданное число транспортных пакетов стандарта MPEG-2, зависящее от вида модуляции несущих, скорости сверточного кода и используемых режимов работы. 124 6.5 Китайский стандарт цифрового телевидения DTMB Стандарт цифрового вещания DTMB обеспечивает возможность эфирной передачи мультимедийных данных и воспроизведения ТВ-сигналов на малоразмерных приемниках. Говоря о качестве китайского DTMB- стандарта, можно с уверенностью заявить, что он имеет технические преимущества перед другими стандартами наземного цифрового телевидения США, Европы, Японии. Китайский DTMB-стандарт называется системой D, и является четвертым по международным стандартам. Этот стандарт введен позже, чем три предыдущие, но с использованием новейших технологий, чтобы обеспечить значительное превосходство уровня производительности. DTMB-стандарт отличается от других тремя преимуществами: более стабильной работой системы; большой информационной емкостью; большим охватом территории. Это доказано независимо от испытательной лаборатории, будь то на Кубе, в Перу или других странах. Система DTMB обеспечивает цифровое вещание программ ТВЧ (не поддерживается при мобильном приеме), телевидения стандартной четкости (стандарты кодирования источников контента MPEG-2, MPEG-4/ H.264 и др.), а также мультимедийное вещание, фиксированный или мобильный прием сигналов как внутри помещений, так и вне их (скорость передачи от 4,813 до 32,486 Мбит/с). Возможна работа в многочастотной и одночастотной сетях, в каналах, смежных с каналами аналогового ТВ- вещания, а также в каналах с полосами частот 6 и 7 МГц. Здесь предварительная коррекция ошибок осуществляется с использованием внешнего кодера BCH, формирующего укороченный код из кода BCH (1023, 1013), и внутреннего кодера LDPC с тремя возможными скоростями: 2/5 – LDPC (7488, 3048); 3/5 – LDPC (7488, 4572); 4/5 – LDPC (7488, 6096). Основные параметры обработки сигналов в системе приведены в таблице 2. Основные результаты испытаний системы DTMB показали, что 125 технологии канального кодирования, используемые в системе DTMB, обеспечивают коэффициент ошибок в цифровом сигнале на приеме менее 1х10 -12 Таблица 6.2. Основные параметры системы DTMB Наименование параметров Значение параметров Номинальная полоса канала связи 8 МГц Используемая полоса частот 7,56 МГц (TDS-OFDM) Число несущих C=1 или С=3780 Вид используемого созвездия 64-QAM, 32-QAM, 16-QAM, 4-QAM, 4-QAM-NR Активная часть длительности символа 500 мкс. Разность несущих при С=3780 2000 Гц (режим 4К) Длительность защитного интервала 1/9 (55,6 мкс.),1/6 (78,7 мкс.), ¼ (125 мкс.) Общая длительность символа 555,6; 578,7; 625 мкс. Внутреннее канальное кодирование LDPC Скорости внутреннего кодирования 2/5 (5748,3048),3/5 (7488,4572), 4/5 (7488,6096) Внешнее канальное кодирование BCH (762, 752) Рандомизация данных Порождающий генераторный полином 1+x 14 +x 15 Сигнализация о параметрах передачи (TPS) 32 несущих TPS, модуляция 4-QAM Полезная скорость передачи От 4,81 до 32,49 Мбит/c. |