Телевизионные форматы: существующие, высокой четкости, перспективные
Основные принципы
Телевидение основано на принципе последовательной передачи элементов кадра с помощью развёртки. Частота смены кадров выбирается, в основном, по критерию плавности передачи движения. Для сужения полосы частот передачи применяют чересстрочную развёртку, она позволяет вдвое увеличить частоту кадров (а значит, увеличить плавность передачи движущихся объектов).
Телевизионный тракт (от света до света) в общем виде включает в себя следующие устройства:
1. Видеокамера. Объектив проецирует изображение на светочувствительную поверхность. Схема развёртки по строчкам считывает яркость элементов изображения. Сначала передаются нечётные строки (1-е поле), затем чётные (2-е поле). Информация о цвете передаётся на поднесущей частоте. Так формируется кадр полного цветного телевизионного сигнала (ПЦТС). Для съёмки и передачи документов применяются специализированные документ-камеры.
2. Видеомагнитофон (не обязательно). Записывает и в нужный момент воспроизводит чередование строк и полей.
3. Видеомикшер (не обязательно). Позволяет переключаться между несколькими источниками изображения: видеокамерами, видеомагнитофонами, внешними сигналами и другими.
4. Передатчик. Сигнал радиочастоты модулируется телевизионным сигналом и излучается в эфир (возможна трансляция по кабелю). Звук передаётся на отдельной частоте обычно при помощи частотной модуляции.
5. Приёмник — телевизор. С помощью синхроимпульсов содержащихся в ПЦТС телевизионный кадр разворачивается на экране (кинескоп, ЖК панель, плазменная панель).
Стандарты и системы
Системы телевидения стран мира
Стандартом телевизионного вещания принято называть совокупность числа строк разложения кадра, частоту смены кадров или полей и тип развёртки. Уже несколько десятилетий в мире преобладают три стандарта с чересстрочной развёрткой:
- 525 строк, 59,94 полей в секунду в Америке и Японии (NTSC);
- 625 строк, 50 полей в секунду в Европе (PAL);
- 625 строк, 50 полей в секунду во Франции, России, Китае и некоторых странах Ближнего Востока (SECAM).
Сейчас им на смену приходит телевидение высокой чёткости (ТВЧ). Есть два стандарта, они могут иметь чересстрочную (с размером кадра 1080 строк) или построчную (прогрессивную, с размером кадра 720 строк) развёртку:
- 720 строк / 50 полей, 60 полей, 30 кадров, 25 кадров, 24 кадра;
- 1080 строк / 50 полей, 60 полей, 30 кадров, 25 кадров, 24 кадра.
Под системой телевидения понимают способ кодирования информации о цвете. Имеется три системы (в порядке разработки):
- NTSC
- PAL
- SECAM
Наземное (аналоговое) телевидение — система передачи телевизионного сигнала к потребителю при помощи инфраструктуры телевизионных вышек и передатчиков в диапазоне 47—862МГц. Для приёма сигнала используется внутрикомнатная или наружная антенна.
Первые модели систем цифрового ТВ-вещания (ЦТВ) были рассмотрены еще в 1980 г., но лишь в 1993 г. около 200 организаций из 30 стран мира пришли к единому мнению по поводу проекта цифрового телевещания, названного DVB (Digital Video Broadcasting).
Предметом стандартизации стали унификация принципов и методов обработки цифровых сигналов для формирования трех вариантов доставки видео/аудиоконтента: спутникового, кабельного и эфирного вещания. Кроме повышения качества и увеличения количества программ, доступных телезрителю (при том же занимаемом пакетом программ диапазоне частот!), в стандартах DVB предусматривалась также возможность передачи любой другой информации в цифровом виде. Особое внимание уделялось обеспечению устойчивого приема.
Известно, что цифровое телевидение требует цифровых видео/аудиосигналов. Их получают с помощью устройств, дающих «цифру» на выходе (цифровые телекамеры и студийная аппаратура), либо путем преобразования аналоговых сигналов. Для формирования вещательного потока приемлемого размера, передачи по линии связи необходимо было договориться о том, как его сжать. Ведь если некомпрессированные данные транслировать такими, как они есть, то будет занята гораздо большая, чем аналоговым сигналом, полоса частот (в среднем для передачи одной программы требуется потоковая скорость 250–270 Mbps). Для компрессии видео/аудиосигналов был выбран единственный на тот момент пригодный с точки зрения вещания международный стандарт MPEG-2, который у большинства «компьютерщиков» сегодня ассоциируется лишь с фильмами на DVD-дисках. Он позволял сжать стандартную TВ-программу до 5–6 Mbps при сохранении исходного качества (таблица). Как компромисс между качеством и размером потока предполагалась компрессия до 4 Mbps и менее.
Стандарты
Передача на дальние расстояния
Передача видеосигнала ТВЧ на дальние расстояния (от вещательной станции до приёмника конечного пользователя) осуществляется, как правило, в сжатом цифровом виде. Сжатие видео на порядки снижает требования к ширине канала передачи (с 1,485 Гбит/с до 15—25 Мбит/с), при этом качество изображения остаётся приемлемым.
Для кодирования видеосигнала в ТВЧ наиболее часто используются форматы MPEG-2 и MPEG-4/AVC.
Для передачи сигнала ТВЧ в основном используются технологии цифрового телевещания (DVB), в том числе:
- цифровое спутниковое телевидение (DVB-S, DVB-S2);
- цифровое кабельное телевидение (DVB-C);
- цифровое эфирное (наземное) телевидение (DVB-T).
Так как вещание ТВЧ в настоящее время осуществляется в цифровом виде, то для передачи контента годится практически любой цифровой канал с достаточным уровнем качества (QoS), то есть достаточной ширины (15—25 Мбит/с для MPEG-2 или 8—12 Мбит/с для MPEG-4 — в зависимости от степени сжатия) и гарантирующий определённый приемлемый уровень задержки сигнала (1—10 с, в зависимости от размера буфера приёмного устройства и требований к задержке сигнала).
Передача на короткие расстояния
Передача сигнала ТВЧ на короткие расстояния (от приёмника пользователя к дисплею) осуществляется в несжатом виде через цифровые интерфейсы (кабели) HDMI и DVI-D. Использование цифровых интерфейсов позволяет полностью избавиться от цифро-аналоговых преобразований на всём пути прохождения сигнала. Однако допускается подключение и по компонентным аналоговым интерфейсам (RGBHV и YPbPr).
Носители
Для распространения материалов высокой чёткости на носителях были созданы два новых формата — HD DVD и Blu-Ray. Их ёмкость (до 100 Гбайт) позволяет сохранять фильмы в формате ТВЧ. В конце февраля 2008 года «Toshiba» прекратила поддержку и развитие технологии HD DVD, что означает победу Blu-Ray.
Форматы
Наиболее популярные форматы стандартов высокой чёткости:
- 720p: 1280×720 точек, прогрессивная развёртка, отношение сторон 16:9, частота — 24, 25, 30, 50 или 60 кадров в секунду (этот формат ТВЧ рекомендован как стандартный для стран-членов ЕВС);
- 1080i: 1920×1080 точек, чересстрочная развёртка, отношение сторон 16:9, частота — 50 или 60 полей в секунду;
- 1080p: 1920×1080 точек, прогрессивная развёртка, отношение сторон 16:9, частота — 24, 25 или 30 кадров в секунду.
Защита содержимого
Защита изображения и звука от копирования и изменения осуществляется посредством технологий AACS и HDCP.
Развитие технологии
Термин «высокая чёткость» появился в 30-е годы прошлого столетия. Именно тогда в телевидении произошёл качественный скачок: стали применяться полностью электронные системы, позволившие отказаться от механического сканирования с разрешением 15—200 строк. Среди основных разработчиков новой технологии есть и наш соотечественник Владимир Зворыкин, эмигрировавший в США в 1919 году. Считается, что толчком к развитию ТВЧ в современном понимании стали широкоэкранные фильмы, которые плохо выглядели на обычных телеэкранах. Между тем, само широкоэкранное кино появилось в 50-е годы, во многом — из-за той угрозы, которую представляло телевидение для киноиндустрии.
Разработка телевидения высокой чёткости ведётся с 1930-х годов. В середине 1950-х годов были созданы первые прототипы. Однако для того, чтобы высокая чёткость телевидения стала заметна невооружённым глазом, необходим дисплей с большой диагональю экрана. Высокая стоимость таких дисплеев тормозила развитие ТВЧ на протяжении десятилетий.
Стремительное развитие ТВЧ началось в середине 2000-x годов, одновременно с широким распространением плазменных и жидкокристаллических дисплеев. Для просмотра сигнала ТВЧ были разработаны специальные приёмники, дисплеи с высоким разрешением, цифровые интерфейсы HDMI и DVI-D, а также носители HD DVD и Blu-Ray.
Вещание фильмов и телепередач в стандарте ТВЧ в США, Европе, Японии ведётся уже несколько лет по платным кабельным и спутниковым каналам.
Развитие ТВЧ в СССР и СНГ
Системы телевидения высокой четкости разрабатывались в 1950-е годы крупнейшими индустриальными державами (США, Японией и др.) и панъевропейским консорциумом. В СССР также существовали подобные разработки. В конце 1950-х годов в Московском научно-исследовательском телевизионном институте (МНИТИ) создали опытную систему военно-штабной связи «Трансформатор», позволявшую передавать изображения с разрешением 1125 строк.
В 1980-е годы в СССР были созданы два детально проработанных стандарта ТВЧ, имевших разрешение 1525 и 1250 строк (в режиме чересстрочной развертки). В эпоху перестройки исследовательские работы в этой области велись во взаимодействии с европейскими телекомпаниями. Для сравнения систем ТВЧ в 1990 году в МНИТИ был создан стенд отображения информации, который обеспечил воспроизведение сигналов высокой чёткости на видеомониторах, телевизорах, средних (диагональю до 2,5 м) и больших (до 9 м) экранах. Перед Олимпийскими играми 1992 года инженеры МНИТИ при участии компании «Thomson» дооборудовали стенд, и на него принимались транслировавшиеся изБарселоны экспериментальные передачи высокой чёткости. Это была самая удалённая телетрансляция такого типа в Европе. В дальнейшем в связи с экономическими проблемами 1990-х годов российские разработки в области ТВЧ были свернуты.
С 27 апреля 2007 года спутниковый оператор «НТВ-Плюс» ведёт вещание в формате ТВЧ на территориях России, Украины и Казахстана.
Планируется, что до 2015 года Россия и Украина должна полностью перейти к цифровому формату телевещания, что сделает ТВЧ более доступным.
Перспективы.
Телевидение ультравысокой чёткости – Формат UHDTV — (англ. Ultra High Definition Television) также известен как SHV (англ. Super Hi-Vision), UHDV (англ. Ultra High Definition Video), UHD (англ. Extreme Definition Video) и 8K является экспериментальным видеоформатом, на данный момент поддерживаемый телекомпаниями NHK (Япония),BBC и RAI.
Основные спецификации телевидения ультравысокой четкости:
- Разрешение: 7,680 × 4,320 пикселей (16:9) (около 33 мегапикселей)
- Глубина цвета: 10 бит на канал
- Colorimetry: Rec. 709
- Частота кадров: 60 кадров/с. (Прогрессивная развертка)
- Звук: 22.2 канальный
- 9 — на уровне выше ушей (верхний уровень)
- 10 — на уровне ушей (средний уровень)
- 3 — below ear level (нижний уровень)
- 2 — НЧ эффекты
- Полоса пропускания: 21 ГГц диапазон частот
- 600 Мгц, 500~6600 Мбит/с полоса пропускания
UHDTV предусматривает не менее 32 млн. элементов изображения с максимальным разрешением до 7680 x 4320. Для сравнения, кадр формата HDTV в максимальном качестве состоит из 2 млн. пикселей (1920 x 1080), а классический телевизионный стандарт эквивалентен около 400 тыс. пикселей (720 x 576). Частота кадровой развёртки UHDTV составляет 60 кадров в секунду. Час несжатого видео в формате UHDTV будет занимать около 25 терабайт, однако используя алгоритмы сжатия можно уменьшить размер до 300 гигабайт. Предполагается, что UHDTV-изображение будет проецироваться на экран с диагональю до 11,4 м (450 дюймов). По данным Engadget, стандарт подразумевает использование звука в формате 22.2. Как уточняет издание, главными трудностями при разработке станут камера для записи и оборудование, способное передать несжатый поток данных на скорости 24 гигабита в секунду.
Основным разработчиком нового видеоформата является японская государственная телекомпания NHK. Определяющей целью работы над стандартом является достижение полного сенсорного погружения в происходящее на экране. По крайней мере, именно этого стремятся достигнуть в итоге разработчики.
Японское правительство намерено совместно с частными компаниями разработать стандарт видео сверхвысокой четкости, передает AFP со ссылкой на местные СМИ. Власти планируют сделать стандарт международным и использовать его для вещания в 2015 году.
Не менее важным параметром нового UHDTV-стандарта является динамический диапазон изображения, то есть контрастное соотношение. Человеческий глаз способен чувствовать контраст между самым ярким белым и самым тёмным цветами приблизительно 100000 к 1. Технология UHDTV уже сегодня позволяет достигнуть 100 градусов угла обзора. Кроме того, при разработке UHDTV учёные компании NHK сосредоточились и на достижении качественного звукового представления. Новый стандарт звука был назван 22.2. Десять динамиков должны находиться на уровне ушей, девять уровнем выше и три уровнем ниже. Также два динамика будут отвечать за воспроизведение низкочастотных эффектов. Подобная звуковая система находится далеко за рамками современных 5.1 и 7.1 систем многоканального звука.
Области применения UHDTV, по словам ученых NHK, различны (киноиндустрия, медицина, образование, искусство). Реальные тестовые показы возможностей UHDTV уже были проведены несколько раз. Самыми яркими стали показ UHDTV на выставке в Японии в 2005 г., когда технологию в действии увидели 1.5 миллиона посетителей, и представление демонстрационной UHDTV-системы на Международном конгрессе по вопросам телевещания (IBC) в Амстердаме (Голландия) в сентябре 2006 г. Однако пока UHDTV пригодна только для использования в кинотеатрах.
Источники:
http://utc.ua
http://ru.wikipedia.org