История цифрового телевидения

Введение
Цифровая революция в телевидении, что ученые и инженеры упорно говорили о так долго, произошла некоторое время назад. Телевидение высокой четкости - это реальность. Многие страны вещают в формате HDTV, а телевизоры продаются с логотипом «HDTV Ready» или «Full HDTV». Но что такое телевидение высокой четкости, каковы его особенности и преимущества? Это будет обсуждаться в аннотации.
Как ни странно, не существует общепринятого определения телевидения высокой четкости. Одним словом, телевидение высокой четкости (HDTV) - это набор стандартов для высококачественной телевизионной передачи по цифровым каналам связи (кабельные, спутниковые сети, цифровые носители данных).
HDTV имеет ряд ключевых особенностей, наиболее важными из которых являются следующие:
HDTV - это цифровое телевидение. Эти проблемы не могут быть решены с использованием методов аналоговой обработки сигналов;
HDTV и многоканальное телевидение. Использование технологий цифрового сжатия позволило размещать во много раз больше телевизионных каналов в одном и том же диапазоне частот, чем в аналоговом радиовещании;
HDTV - это широкоэкранный телевизор. Телевидение стандартного разрешения (SDTV) приняло соотношение сторон 4: 3, в то время как HDTV приняло соотношение сторон 16: 9 или 16:10. Это позволяет вам показывать современные широкоэкранные фильмы по телевизору, не искажая и не обрезая края изображения;
HDTV - это звук фильма. Чтобы стать еще ближе к кино, цифровое телевидение предлагает многоканальный «кинематографический» звук в дополнение к большому экрану;
HDTV является дополнительной услугой. Цифровое телевидение - это многоканальное, многомерное вещание и мультимедиа. Это сложная информационная среда, в которой пользователи не должны заблудиться.
HDTV - это условный доступ. Концепция HDTV может, например, предусматривать, что 1-2 федеральных канала являются общедоступными и бесплатными, а все остальные зрители должны зарегистрироваться за плату. Раньше коммерческое телевидение существовало в основном за счет рекламодателей, но теперь за счет зрителей.
HDTV - это новая технология обработки изображений. Телевизоры с электронно-лучевыми трубками уже заменены жидкокристаллическими и плазменными экранами, мультимедийными проекторами. Вполне возможно, что в ближайшем будущем им придется уступить место на рынке телевизоров на основе OLED и SED панелей.
HDTV - это новый цифровой носитель информации, а также новые интерфейсы и технологии защиты данных. Для HDTV это новый формат Blu-ray оптических носителей, используемых для записи и хранения цифровых данных, а также цифровой интерфейс HDMI с технологией HDCP (High-bandwidth Digital Content Protection) для защиты медиаконтента, предназначенный для предотвращения незаконного копирования высококачественного видео, передаваемого через DVI или HDMI.
Давайте рассмотрим некоторые из этих особенностей более подробно.
1. История
Слово «телевидение» было изобретено и введено в научный оборот русским инженером Константином Дмитриевичем Перским. Он сделал это на конференции в Париже в 1900 году, почти за сорок лет до начала коммерческих трансляций. Этот термин быстро укоренился и теперь, спустя столетие, используется в большинстве языков на Земле. Регулярное телевизионное вещание в Европе началось 2 ноября 1936 года в Великобритании и США почти 3 года спустя, 30 апреля 1939 года.
В 1941 году Федеральная комиссия связи США (FCC) приняла первый телевизионный стандарт, основы которого все еще действительны для SDTV. Было установлено, что телевизионное изображение состоит из 525 строк и 60 полей в секунду, и звук передается в ЧМ с частотной модуляцией. Позже, когда был создан западногерманский стандарт, PAL и советско-французский SECAM решили добавить еще 625 строк, когда картина прояснится.
При выборе основных характеристик телевизионной картинки инженеры исходили из свойств человеческого зрения. Известно, что содержание изображения лучше воспринимается в пространственном угле чистого зрения с размерами 12 градусов по вертикали и 16 градусов по горизонтали. Тогда в формате SECAM строка будет содержать приблизительно 800 элементов, а кадр будет содержать 800 * 625 = 0,5 * 106 элементов.
При линейном сканировании и частоте кадров 50 Гц длительность линейного элемента составит 0,04 микросекунды, а ширина спектра телевизионного сигнала - 12,5 МГц. Работа с относительно низкой широкополосная связь нежелательна по двум причинам. Во-первых, диапазон длин волн измерителя, на котором телевизор первоначально транслировался, имеет небольшую полосу пропускания, а с полосой сигнала 12,5 МГц можно разместить только 6 каналов, но на практике еще меньше. Во-вторых, формирование, передача и прием широкополосного телевизионного сигнала существенно усложняет и удорожает приемо-передающее телевизионное оборудование.
Чтобы сузить спектр телевизионного сигнала, было решено применить принцип чересстрочного сканирования (рис. 1). Вся сетка разделена на две части, поэтому все изображение отображается в два этапа. В первом поле (поле) воспроизводятся только нечетные строки от 1 до 625, а во втором - только четные строки от 2 до 624. Оказывается, поля чередуются с частотой 50 Гц, а кадры с частотой 25 Гц. Длина строки при чересстрочном сканировании составляет 64 мс, а длина элемента расширения строки - 0,08 мс, что технически приемлемо. Ширина спектра телевизионного сигнала составляет 6,25 МГц, что увеличивает пропускную способность телевизионного диапазона вдвое.

Рис. 1. Чересстрочная развертка
На протяжении многих лет качество технического изображения в системе SDTV во всем мире оценивалось как приближающееся к теоретически возможному с существующими стандартами и считалось очень высоким. Было высказано предположение, что системы SDTV предоставляют зрителю именно то, что ему нужно.
Тем не менее, стало казаться, что существующие системы закончились. Это особенно заметно в продажах телевизионных приемников, которые являются основным источником дохода для производителей телевизионного оборудования. Спрос на телевизионные приемники не вырос, а иногда даже уменьшился. Преобладающее мнение заключается в том, что основным показателем привлекательности для зрителей является не расширение сети телевизионного вещания и увеличение количества принимаемых программ, а общее качество изображения.
За пятьдесят лет своего существования SDTV была в состоянии обеспечить приемлемое качество изображения, потому что телевизоры имели небольшой размер экрана. На экране 51 см линии сканирования и искажения слишком малы, чтобы их можно было увидеть, поэтому изображение выглядит хорошо. Однако с увеличением размера экранов телевизора линии сканирования становятся больше, что приводит к ухудшению качества изображения.
Кроме того, чересстрочное сканирование характеризуется неровными краями изображения: чем больше оно видно, тем больше диагональ экрана. Чтобы улучшить качество изображения на больших экранах, было решено вернуться к построчному сканированию (прогрессивное). Первоначальная цель реализации чересстрочного сканирования состояла в том, чтобы сохранить пропускную способность, но это ограничение не играет роли при работе с такими устройствами, как DVD-проигрыватели. При реализации этого метода новые строки видеоконтента не добавляются, а отображаются одна за другой сверху вниз. Этот формат был обозначен как 480p или 525p-525p (или 576p для европейской версии) и называется Enhanced Definition Television (EDTV).
Внедрение EDTV - это большой шаг вперед в улучшении качества изображения. На большом экране качество, которое дает EDTV, намного ближе к HDTV по сравнению с обычным телевидением. Почти все современные DVD-плееры способны использовать как чересстрочное, так и построчное сканирование.
Телевидение высокой четкости (HDTV) восходит к 1968 году, когда по заказу японской вещательной корпорации NHK (Nippon Hoso Kyokai) были проведены исследования по созданию нового телевизионного стандарта.
В 1986 году на очередном пленарном заседании Ассамблеи Международного союза электросвязи было предложено принять рекомендацию относительно параметров системы HDTV с декомпозицией 1125 линий. Было отмечено, что, поскольку ни одно государство еще не ввело ТВР, можно принять единый стандарт для всех стран. Дальнейший ход развития HDTV показал, что эта идея не могла быть реализована. В 1995 году Федеральная комиссия связи США опубликовала стандарт цифрового HDTV, а в 1998 году на рынке появилось оборудование, соответствующее этому стандарту.
Как уже упоминалось, в SDTV отношение ширины экрана к высоте составляет 4: 3 или 1: 1,33. В формате HDTV это соотношение составляет 16: 9 или 1: 1,78, что всего на 4% отличается от международного Кинематографического стандарта 1: 1,85. Это означает, что современные фильмы могут быть показаны на экранах HDTV практически без искажений.
Еще одним принципиальным нововведением HDTV по сравнению с SDTV является значительное увеличение количества линий в кадре. Сегодня, пожалуй, самым распространенным форматом HDTV является 1080i, то есть 1080 строк с чересстрочной разверткой. Как и в 525i, в первом поле отображаются строки с нечетными числами, а во втором-строки с четными числами. Однако, поскольку количество рядов значительно увеличилось, границы между рядами и "зарубками" стали менее заметными. Существует также строчный (прогрессивный) аналог этого сигнала — 1080p.
Альтернативным форматом HDTV является 720-линейный прогрессивный формат сканирования, или 720p. некоторые эксперты утверждают, что качество изображения в этом формате лучше, чем в 1080i, но на самом деле 1080i становится все более распространенным форматом вещания, и его заменяют прогрессивным форматом 1080p, который явно превосходит 720p по качеству.
Двукратное увеличение числа линий расширения, по сравнению с существующими стандартами, связано с четырехкратным увеличением полосы частот видеосигнала, что делает систему HDTV несовместимой с существующими системами телевизионного вещания. Решение было найдено путем перехода на цифровые методы обработки сигналов.
2. ТВЧ — цифровое телевидение
Цифровое телевидение - это отрасль телевизионной техники, в которой передача, обработка и хранение телевизионного сигнала осуществляется хотя бы частично в цифровом виде.
Любое видеоизображение может быть представлено в виде последовательности неподвижных изображений-кадров. При преобразовании в цифровой формат исходный аналоговый непрерывный сигнал становится дискретным, то есть неизбежно искажается. Чем ниже частота дискретизации, тем больше искажений возникает при преобразовании. Кроме того, необходимо определить, сколько различных амплитудных градаций будет разрешено при измерении сигнала. Этот параметр называется глубиной оцифровки видеосигнала. Таким образом, качество цифрового видео зависит от частоты и глубины дискретизации исходного сигнала.
Оцифровка аналогового сигнала состоит из трех элементов: дискретизации, квантования и кодирования.
Дискретизация сигнала во времени - это преобразование непрерывного аналогового сигнала в последовательность его значений в дискретные моменты времени. Эти значения называются счетчиками или выборками.
Обратное преобразование дискретного сигнала в непрерывный осуществляется с помощью операции, называемой интерполяцией.
Квантование сигнала по уровням заключается в нахождении ближайшего уровня квантования для каждого эталонного сигнала, или, другими словами, округлении значений отсчетов сигнала до ближайших уровней квантования. Цифровые телевизионные системы обычно используют равномерное квантование сигналов с числом уровней квантования, равным 256. В этих условиях шум квантования в изображении практически незаметен. В последние годы все чаще используется квантование с большим количеством уровней, что позволяет добиться еще более высокого качества изображения. На выходе АЦП результирующий номер уровня квантования представляется в виде двоичного числа, то есть выполняется кодирование.
Международный союз электросвязи (МСЭ) принял рекомендацию BT-601. Рекомендация МСЭ-Р BT-601 (или просто рекомендация 601) определяет единый международный стандарт цифрового кодирования телевизионного сигнала нормальной четкости для студийного оборудования. Он обеспечивает раздельное кодирование яркостных и двух цветоразностных сигналов. Этот тип кодирования называется компонентным кодированием.
Пожалуй, самый популярный стандарт оцифровки в настоящее время известен как 4:2:2 (Иногда называемый YUV2), рис. 2. при этом используется базовая частота дискретизации 3,375 МГц, причем частота дискретизации канала яркости равна значению базовой частоты, умноженному на 4, то есть 13,5 МГц, а для каждого цветоразностного канала — 6,75 МГц.

Рис. 2. Стандарт оцифровки 4:2:2

Рис. 3. Стандарт оцифровки 4:4:4
Еще один, также довольно популярный сегодня стандарт для оцифровки видеосигналов обозначается как 4:4:4 (рис. 3). В отличие от YUV2, он использует частоту дискретизации 13,5 МГц как для яркости, так и для каждого цветоразностного канала. В этом стандарте каждый пиксель кодируется 24 битами. Это увеличивает объем передаваемой и записываемой информации, но при этом не происходит потери информации при оцифровке.
Иногда можно встретить вариацию описанного стандарта, обозначаемую как 4:4:4: 4. Здесь вместо 24 используется 32 бита для представления каждого пикселя. Дело в том, что помимо яркости и двух цветоразностных составляющих для каждого пикселя задается степень прозрачности (так называемый альфа-канал). Пожалуй, сегодня это один из самых качественных (и дорогих) стандартов.
Существуют также более "компактные" стандарты с более низкой частотой дискретизации, которые обычно используются в тех случаях, когда наиболее важным фактором является не качество выходного видеоизображения, а относительно небольшой объем данных, его описывающих. Это, например, стандарт 4:1:1, также называемый BTYUV. Согласно этому стандарту, канал яркости по-прежнему использует частоту дискретизации 13,5 МГц и только 3,375 МГц для каждого цветоразностного сигнала.
Если звук также передается вместе с видеосигналом, то он оцифровывается отдельно (ведь при передаче сигнала звук всегда передается по отдельному каналу). При этом используется стандартная частота дискретизации аудиозаписи-обычно 44,1 кГц (стандартная частота для компакт-дисков, при использовании которой звуковой сигнал звукового диапазона практически не искажается). Но" для экономии ресурсов " можно использовать и более низкие частоты дискретизации — 22,05 или 11,025 кГц. В сочетании с частотой дискретизации для оцифровки видеосигналов эта "экономия ресурсов" вряд ли будет критичной с точки зрения объема данных, но она может значительно снизить качество звука.
Для систем HDTV, обеспечивающих значительное улучшение качества изображения, требования рекомендации 601 недостаточны, поэтому была принята рекомендация МСЭ-Р BT-709-3, которая определила единый стандарт представления цифрового сигнала для HDTV. Основные параметры данного стандарта:
- Формат кадра 16: 9;
- Количество активных (видимых на экране) элементов изображения в строке.;
- Общее количество строк составляет 1125, из которых 1080 являются активными (видимыми на экране) ;- Частота кадров 24, 25 или 30 Гц для чересстрочной или прогрессивной развертки, 50 или 60 Гц для прогрессивной развертки;
- Частота дискретизации сигнала яркости составляет 74,25 МГц при частоте кадров 24, 25 или 30 Гц и 148,5 МГц при частоте кадров 50 или 60 Гц;
- Частота дискретизации цветоразностных сигналов в 2 раза меньше частоты дискретизации сигнала яркости;
- Количество битов квантования равно 8 или 10.
Принятие рекомендации по формату изображения 16:9 и колориметрическим параметрам позволяет производителям разрабатывать и выпускать телевизионные приемники нового формата до начала вещания на системе HDTV. Это означает, что телевизоры можно использовать для приема сигналов текущего формата 4: 3 standards.in в этом случае свободная часть экрана может быть использована для передачи дополнительной информации — телетекста или других (до трех) широковещательных программ для получения текущей информации об их содержании. Последний назывался "полиэкран".
Таким образом, логотип" HDTV Ready " означает, что телевизор, оснащенный им, может принимать сигнал HDTV и... сожмите его до обычного разрешения SDTV 720 на 576 пикселей.
Full HDTV можно просматривать только с помощью телевизоров с собственным разрешением 1920*1080. Эти телевизоры имеют логотип "Full HD".
3. Модель цвета в ТВЧ
На телевидении, цветовых параметров количественно описать, используя цветовую модель RGB (по первым буквам английских названий базовых цветов этой модели — red (красный), Green (Зеленый), Blue (синий). Модель основана на том, что три цвета непосредственно воспринимаются человеческим глазом — красный, зеленый и синий. Смешивая три основных цвета в разных пропорциях, можно получить все многообразие оттенков. Цветовые компоненты иначе называются каналами. В RGB-трехканальная цветовая модель.
Эта модель представлена в виде трехмерной системы координат. Каждая координата отражает вклад каждого компонента в результирующий цвет в диапазоне от нуля до максимального значения. Внутри полученного куба и «находятся» все цвета, образуя цветовое пространство (рис. 4).
Рис. 4. Цветовое пространство RGB
Важно отметить особенные точки и линии этой модели.
Начало координат: в этот момент все компоненты равны нулю, излучения нет (черный цвет);
Точка, ближайшая к зрителю: в этой точке все компоненты имеют максимальное значение (белый цвет).
На линии, соединяющей эти точки (по диагонали), есть серые оттенки: от черного до белого (оттенки серого). Это происходит потому, что все три компонента одинаковы и колеблются от нуля до максимального значения;
Три вершины Куба дают чистые исходные цвета, остальные три отражают двойные смеси исходных цветов.
Диапазон цветов, который может быть воспроизведен, зафиксирован или описан любым способом, называется гаммой или цветовым пространством.
Телевизионные стандарты SDTV используют цветовое пространство YUV (рис. 5), где Y-сигнал яркости, а U и V-цветоразностные сигналы, а в монохромном, "черно-белом" телевидении используется только информация о яркости, а цветоразностные сигналы игнорируются.
Рис. 5. Цветовое пространство YUV
Рис. 6. Цветовое пространство YCbCrПересчет цветов из модели RGB в модель YUV выполняется по следующим формулам:
Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B;
U = – 0,147R – 0,289G + 0,436B = 0,492 (B – Y);
V = 0,615R – 0,515G – 0,100B = 0,877 (R – Y).
Для ТВЧ было разработано цветовое пространство YCbCr (рис. 6), которое является вариантом цветового пространства YUV.
Пересчет цветов из модели RGB в модель YCbCr выполняется по следующим формулам:
Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B;
Cb = – 0,172R – 0,339G + 0,511B + 128;
Cr = 0,511R – 0,428G – 0,083B + 128.
Взаимосвязь пространств RGB и YCbCr показана на рис. 7.
Из приведенных формул видно, что в HDTV при пересчете цветового пространства RGB используются существенно иные коэффициенты уравнений, поэтому просмотр изображений HDTV на мониторах с нормальной колориметрией приводит к заметным цветовым искажениям.
Для достижения хорошего качества необходимо использовать специальные преобразователи цветового покрытия.
Рис. 7. Связь пространств RGB и YCbCr4. Системы цифрового вещания
В области массового вещания столкнулись два стандарта передачи сигналов: ATSC (Advanced Television Systems Committee, США) и DVB (Digital Video Broadcasting, Европа). Япония со стандартом ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting) - это отдельный вопрос. В России выбор сделан в пользу европейского стандарта DVB.
Американские и европейские стандарты схожи в том, что они оба ориентированы на передачу закодированных и сжатых видео-и аудиоданных.
В Соединенных Штатах при выборе стандарта цифрового телевизионного вещания основное внимание уделялось улучшению качества изображения. Очевидно, что преимущества изображений с высоким разрешением будут особенно заметны на телевизорах с большим экраном-не менее 55-60 дюймов. Хотя телевизионные приемники этого класса стоят гораздо дороже, чем телевизоры SDTV, но цены на них стремительно снижаются.
В Европе при разработке цифровой телевизионной системы DVB учитывался негативный опыт, связанный с развертыванием коммерческого телевизионного вещания высокой четкости, главным образом аналоговой системы HDTV MAC (Multiplexed analog components). Поэтому основное внимание было уделено увеличению количества каналов со стандартным разрешением. Это позволило начать переход на цифровое телевидение с выпуска относительно дешевых приставок для существующих телевизионных приемников. Кроме того, Европейский стандарт рассматривается как основа Единой телекоммуникационной системы, ориентированной на передачу данных различного характера, отсюда и требования к низкой вероятности ошибок. В то же время в ATSC отсутствует возможность передачи дополнительных данных.
ATSC ориентирована на вещание в полосе 6 МГц (стандартная ширина канала американской аналоговой телевизионной системы NTSC) одного потока со скоростью 19,28 Мбит/с для наземного вещания и двух таких потоков — в сетях кабельного телевидения. DVB гораздо более гибок: в стандартном диапазоне 8 МГц он обеспечивает выбор скоростей в диапазоне от 4,98 до 31,67 Мбит / с (возможна работа в регионах с каналами шириной 6 и 7 МГц). Соответственно, количество телепрограмм в этой полосе изменяется-от 16 до 2, и можно одновременно транслировать программы с низким разрешением, но высокой надежностью и высоким разрешением при сниженной надежности приема. Уникальной особенностью DVB является мобильность приемника, он может перемещаться со скоростью до 300 км / ч-это поезда, междугородние пассажирские транспортные средства, мобильные службы (скорая помощь, полиция) и др.
Однако самое главное-это надежность доставки сигнала, в которой ATSC уступает DVB. Причиной этого является многопозиционная амплитудная модуляция ATSC с частично подавленной боковой полосой 8-VSB (vestigal-sideband modulation system for broadcast). В целом, 8-ВСБ можно назвать вершиной технической реализации систем амплитудной модуляции с боковым полосовым подавлением. Но по сравнению с DVB в реальных условиях этот механизм проигрывает по надежности, гибкости и требованиям к приемным антеннам.
DVB - это набор спецификаций, охватывающих кабельное DVB-C (кабель), спутниковое DVB-S (спутник) и наземное DVB-T (наземное) вещание (рис.8). самый сложный алгоритм в DVB-T, так как условия эксплуатации и требования к передаче для наземного вещания являются самыми жесткими.
Рис. 8. Система вещания DVB
Цифровое телевидение также приходит в Россию. В 1999 году Государственный комитет Российской Федерации по связи утвердил "концепцию внедрения в России цифровых наземных систем звукового и телевизионного вещания". Концепция основана на принципе создания интегрированного транспортного потока в широковещательных сетях для передачи как широковещательных программ, так и мультимедийной и иной информации. Полный переход на цифровое телевизионное вещание планируется завершить к 2021 году.
5. Устройства отображения информации высокого разрешения
Главный вопрос, который возникает у потенциальных телезрителей TVCH, - какое устройство отображения выбрать? Ведь дорогая покупка должна быть выбрана так, чтобы она не устарела через год-два из-за изменения технологии или формата вещания, а представляла собой разумный компромисс между размером экрана, качеством изображения и ценой.
На самом деле выбор придется делать между тремя типами устройств: плазменным или жидкокристаллическим дисплеем, или проектором высокой четкости (рис. 9).
Рис. 9. Устройства отображения информации с поддержкой режима Full HD
Окончательное решение всегда остается за покупателем, но имейте в виду, что каждое из этих устройств имеет свои особенности, преимущества и недостатки.
Список литературы
1. Голядкин, Н. А. История отечественного и зарубежного телевидения. Учебное пособие / Н.А. Голядкин. - М.: Аспект пресс, 2017. - 192 c.
2. Кашкин, В.Б. Введение в теорию коммуникации / В.Б. Кашкин. - М.: Флинта, 2017. - 349 c.
3. Муратов, С.А. Телевизионная журналистика. Телевидение в поисках телевидения. Учебное пособие для вузов / С.А. Муратов. - М.: Юрайт, 2017. - 516 c.
6. Третьяков, Виталий Товиевич Теория телевидения. ТВ как неоязычество и как карнавал / Третьяков Виталий Товиевич. - М.: Ладомир, 2017. - 851 c.