В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

Тенденции развития видеоинформационных технологий и систем телевидения
Часть 1

Важной особенностью развития видеоинформационных технологий в последнее десятилетие прошлого века и начала XXI столетия является повсеместный переход к цифровому телевидению. Интеграция методов и средств цифровой обработки и передачи видеосигналов с новыми телекоммуникационными и компьютерными технологиями обуславливает новую ступень их развития. В статье сделана попытка в доступной форме показать становление и развитие современных систем телевидения, которые уже находят и будут иметь широкое вещательное и прикладное применение

Юрий Зубарев

Советник генерального директора ЗАО “МНИТРГ

Юрий Сагдуллаев

Зам. генерального директора по науке ООО “НИИР-РадиоНет"

Техническое состояние передающих средств телевидения и качество воспринимаемых цветных телевизионных (ТВ) изображений на голубых экранах домашних телевизоров являются результатом огромного труда большого числа отечественных и зарубежных ученых и специалистов. Все это было практически достигнуто с нуля в течение последних 100 лет. Высказанные ранее прогрессивные идеи и инженерные разработки прошлого века способствовали становлению и развитию современных систем вещательного, а потом и прикладного телевидения. Сейчас они позволяют нам осуществлять просмотр различных новостных, познавательных, развлекательных и иных ТВ-программ, они повсеместно сопровождают нас в метро, на улице, в офисе и находят широкое применение в различных отраслях, при решении специальных задач контроля и видеонаблюдения объектов.

Здесь следует выделить три ключевых момента, которые были неразрывно связаны с реализацией вещательных систем телевидения и куда были направлены громадные усилия ученых и практиков. В первую очередь для систем вещательного телевидения они включали разработку:

устройств преобразования потока лучистой энергии видимого спектра, отраженного от объектов в электрические сигналы ТВ-изображений и их предварительное усиление (это создание передающих ТВ-камер);
устройств коррекции и обработки ТВ-сигналов для их последующей передачи по эфиру или по каналам связи на дальние расстояния (это создание ТВ- центров, аппаратно-студийных блоков и комплексов, радиотелевизионных передатчиков и антенно-фидерных устройств, радиорелейных и кабельных линий связи);
устройств приема сигналов ТВ-программ и отображение видеоинформации на экране кинескопа для визуального ее восприятия человеком (это создание ТВ-приемников).

Эффективное решение данных проблемных задач стало возможным благодаря привлечению большого числа специалистов смежных отраслей науки и техники. Фактически первые 50 лет прошлого столетия потребовались для их решения. Этому способствовало создание после иконоскопа все новых и новых передающих ТВ-трубок: супериконоскопа, ортикона, суперортикона, диссектора, видикона, плюмбикона и, наконец, безвакуумных аналогов передающих трубок, так называемых ПЗС-матриц.

Вторые 50 лет были направлены на создание:

многопрограммных телевизионных центров для организации и передачи студийных вещательных ТВ-программ в прямом эфире или их видеозаписи для последующей трансляции;
систем видеозаписи аналоговых сигналов цветных ТВ-программ и их архивирования;
передвижных (мобильных) телевизионных станций для организации внестудийного вещания в прямом эфире или для их видеозаписи с последующей трансляцией;
систем и устройств метрологического обеспечения контроля качества и измерения параметров сигналов;
безвакуумных аналогов средств отображения ТВ-информации;
систем обработки и передачи сигналов по спутниковым и наземным каналам связи в аналоговом, а затем и в цифровом виде;
прикладных ТВ-систем высокого разрешения, в том числе для дистанционного зондирования поверхности Земли из космоса и др.

Первое десятилетие XXI века характеризуется достижениями отечественных и зарубежных ученых в области построения и разработки видеоинформационных систем телевидения и их составляющих:

созданием эффективных методов и устройств компрессии (сжатия) видеоинформации, канального кодирования и модуляции сигналов;
поэтапным внедрением систем вещательного цифрового телевидения стандартной и высокой четкости с передачей сигналов по спутниковым, радиорелейным, кабельным и эфирным каналам связи;
созданием методов, систем и устройств высококачественной видеозаписи цифровых видеосигналов;
созданием портативных репортажных ТВ-станций и установок;
началом внедрения систем объемного вещательного телевидения;
передачей сигналов телевидения по IP-сетям, внедрением систем видеокон-ференцсвязи, видеотелефонии, систем IP-телевидения и др.

Виды формируемых изображений и сигналов в телевидении

В основе современных систем телевидения лежат известные физические процессы, которые определяют вид формируемых ТВ-изображений и их сигналов. Они предусматривают различные варианты получения и обработки сигналов для формирования:

1. Черно-белых (монохромных) ТВ-изображений:

преобразование лучистой (световой) энергии в электрический сигнал изображения, то есть F(λ) → Uc(t);
обработку ТВ-сигнала и его передачу по каналу связи, то есть Uc(t) → Up(t);
прием и обратное преобразование электрического сигнала изображения в световой поток, то есть Up(t) → Uc(t) → F(λ) и его отображение для зрительного восприятия.

При этом регистрация потока лучистой энергии, отраженной или излученной от объектов, может вестись в видимой части спектра от 380 до 760 нм или в невидимых участках спектра, то есть ниже 380 нм (ультрафиолетовая область спектра) или выше 760 нм (ближний участок инфракрасной области спектра).

2. Цветных ТВ-изображений:

расщепление входного светового потока F(λ) на красную F_R(λ), зеленую F_G(λ) и синюю F_B(λ) составляющие (при трехканальной оптической схеме), согласованные со зрительной системой человека в диапазоне длин волн от 380 до 760 нм;
раздельное преобразование световых потоков F_R(λ), F_G(λ), F_B(λ) в электрические сигналы изображений U_R(t), U_G(t) и U_B(t);
формирование яркостного и цвето-разностных сигналов цветного телевидения и их совместная передача, то есть U_R(t), U_G(t) и U_B(t) → U_Σ(t), U_R-Y(t) и U_B-Y(t) → U_Σ(t);
прием результирующего сигнала U_Σ(t) и формирование первичных сигналов цветности, то есть U_Σ(t) → U_Σ(t), U_R-Y(t) и U_B-Y(t) → U_R(t), U_G(t) и U_B(t);
преобразование первичных сигналов цветности U_R(t), U_G(t) и U_B(t) в соответствующие световые потоки F'_R(λ), F'_G(λ) и F'_B(λ) и их отображение на экране цветных видеоконтрольных устройств (ВКУ).

3. Спектрозональных ТВ-изображений:

расщепление входного лучистого (светового) потока F(λ) на отдельные составляющие в некоторых узких зонах оптического спектра Δλ1, Δλ2... Δλj.. Δλm ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной областях спектра, где m - число зон регистрации лучистости (m = 2, 3, 4... Z). При этом регистрация потоков лучистой энергии объектов осуществляется, как указано в п. 1;
раздельное преобразование лучистых потоков F(Δλ1), F(Δλ2)... F(Δλj).. F(Δλm) в соответствующие электрические сигналы (зональные сигналы) изображений U(Δλ1), и (Δλ2)... U(Δλm);
обработка и передача зональных сигналов;
прием и преобразование отдельных зональных сигналов U(Δλ1), U(Δλ2)... U(Δλm) в соответствующие световые потоки F(Δλ1), F(Δλ2)... F(Δλm) на экране черно-белого ВКУ или выбор любых трех сигналов из их множества {U(Δλ} и отображение их на экране цветного ВКУ.

4. Объемных черно-белых, цветных и спектрозональных ТВ-изображений:

физические процессы по п. 1, 2 и 3, при этом число датчиков, осуществляющих преобразование световых потоков, может увеличиваться ровно вдвое;
для формирования результирующих ТВ-сигналов изображений левой и правой стереопар Ujj(t), Un(t) (в соответствии с условиями объемного восприятия изображений);
обработка и совместная передача сигналов Uл(t), Uп(t) → U_Σ(t);
прием и преобразование U_Σ(t) → Uл(t), Uп(t) и их отображение в виде световых потоков левого и правого кадров стереопары Uл(t), Uп(t) → Fл(λ) и Fп(λ).

5. Многоракурсных плоских или объемных черно-белых, цветных и спектрозональных ТВ-изображений:

физические процессы по п. 1, 2, 3 и 4, при этом ТВ-датчики, осуществляющие преобразование световых потоков, располагаются за объектами наблюдения по периметру круга или фигуры иной конфигурации, и их число может быть большим, например 3 ≤ d ≤ V, для обеспечения кругового обзора объектов окружающего пространства.

Классификация видеоинформационных технологий и систем телевидения

Современные видеоинформационные технологии и системы телевидения характеризуются тремя основными направлениями практического развития, которые проявляются в обеспечении:

высококачественного ТВ-вещания для широких слоев населения с передачей сигналов социального пакета и платных ТВ-программ по спутниковым, наземным (эфирным) и кабельным линиям связи со стандартной и высокой четкостью в виде двухмерных или объемных изображений;
формирования видеоинформации для визуального наблюдения, контроля и анализа состояния различных классов объектов, решения информационно-измерительных и управляющих задач в различных отраслях науки, техники, промышленности и в транспортной инфраструктуре;
выполнения задач многопрограммного ТВ-вещания, решения ряда прикладных задач, формирования пакета мультимедийных услуг связи с передачей сигналов по IP-сетям.

На рис. 1 представлена классификация видеоинформационных технологий и систем, главной составляющей которой являются системы телевидения. Классификация отображает вещательный и прикладной характер использования таких систем.

Как известно, прикладное телевидение включает большое число разнообразных самостоятельных ТВ-систем, отражающих целевой характер их использования. Здесь можно выделить следующие разновидности:

космическое телевидение;
спектрозональное телевидение;
промышленное телевидение;
телевизионную астрономию;
подземное телевидение;
подводное телевидение;
телевизионную автоматику;
транспортное телевидение;
охранное телевидение и другие системы.

В последние годы широкое распространение получает информационно-измерительный и управляющих характер использования видеоинформации, формируемой с помощью таких систем. Для визуального восприятия и анализа информации формируемые ТВ-изображения могут быть черно-белыми, цветными, спектрозональными, плоскими, объемными или многоракурсными (кругового обзора), а при автоматической регистрации и обработке получаемая видеоинформация может представляться в виде цифровых данных или сигналов управления для других систем.

Первый уровень развития видеоинформационных технологий и систем телевидения отображает становление и развитие аналоговых вещательных и прикладных систем черно-белого, цветного и спектрозонального телевидения (рис. 1).

Второй уровень развития видеоинформационных технологий и систем телевидения характеризуется началом внедрения цифровой обработки и передачи сигналов ТВ-изображений стандартной четкости, в первую очередь для двухмерного вещательного и прикладного телевидения, а затем для объемного вещательного телевидения и объемного и многоракурсного прикладного телевидения.

Третий уровень развития видеоинформационных технологий и систем телевидения непосредственно связан с повсеместным внедрением систем вещательного и прикладного цифрового телевидения с высокой четкостью для двухмерных изображений, а также с внедрением вещательных систем объемного и прикладных систем объемного и многоракурсного телевидения.

Надо отметить, что первое десятилетие XXI века характеризуется тем, что вещательное телевидение в развитых странах мира постепенно переходит от аналогового уровня своего развития во второй новый цифровой уровень. Этот переход в планетарном масштабе для всех государств нашей планеты займет еще, пожалуй, десятки лет в силу консервативности как самих существующих систем и средств телевидения,так и их потребителей, включая и самих владельцев средств, а также высокой стоимости отдельных компонентов средств цифрового телевидения для широких слоев населения. Однако этот переход по решению МСЭ должен произойти и завершиться в 2015 году.

Отдельное самостоятельное направление видеоинформационных технологий и систем вещательного и прикладного телевидения второго и третьего уровней включает новое IP-направление, когда осуществляется передача сигналов вещательного телевидения и решение задач видеонаблюдения, видеосвязи (видеотелефонии, видеокон-ференцсвязи) с предоставлением различного рода мультимедийных услуг с использованием IP-технологий и сетей связи. Надо отметить, что это направление, показывающее проникновение систем телевидения в IP-среду, развивается быстрыми темпами. При этом использование операций вида DVB/IP и IP/DVB позволяет осуществлять обмен и обеспечивать преобразование и циркуляцию видеоинформации с использованием различных сред передачи данных. Например, провайдер контента в наземной IP-сети - спутниковый канал связи DVB - потребители видеоинформации в наземной IP-сети и т.д.

Представленная классификация видеоинформационных технологий и систем телевидения показывает основные направления становления и развития систем как вещательного, прикладного, так и IP-телевидения, пути их дальнейшего развития с точки зрения формирования различных ТВ-изображений для широкого круга потребителей. Рассмотрим основные виды видеоинформационных технологий и систем телевидения, которые представлены на рис. 1.

Системы вещательного телевидения

В настоящее время на нашей планете действуют три стандарта систем вещательного цветного телевидения:

американская система NTSC (National Television System Committee -Национальный комитет телевизионных систем, внедрена в США в 1952 году);
западногерманская система PAL (Phase Alternation Line - "строка с переменной фазой", внедрена в ФРГ в 1961 году);
советско-французская система цветного телевидения SECAM (Sequentiel couleur a memoire - "последовательная цветная с памятью", внедрена в варианте SECAM-Зб одновременно во Франции и СССР 1 октября 1967 года).

Система NTSC используется в странах американского континента, в Южной Корее и в Японии. Она является совместимой одновременной системой цветного телевидения, в которой информация о яркости и цветности изображения передается в каждый момент времени, а для передачи цветоразност-ных сигналов в спектре яркостного сигнала используется квадратурная модуляция, имеющая цветовую поднесу-щую, равную 3,579545 МГц.

Система PAL (используется в странах Западной Европы, Австралии и в некоторых странах азиатского континента) -модернизированный вариант системы NTSC. Она устойчива к возможному возникновению фазовых искажений результирующего сигнала цветности. При передаче одного из цветоразностных сигналов в передающей части системы фаза поднесущей меняется от строки к строке на 180 град., а в приемной части выполняются обратные операции. Такой прием позволяет однозначно повысить достоверность цветопередачи различных сюжетов при передаче их ТВ-сигналов на большие расстояния. Базовое значения цветовой поднесущей в системе PAL равно 4,43361875 МГц.

Система SECAM-Зб (используется во Франции, странах СНГ и некоторых странах Азии) является совместимой одновременно-последовательной системой цветного ТВ, в которой информация о яркости передается в каждый момент времени, а цветоразностные сигналы передаются через строку с использованием частотной модуляции на двух цветовых поднесущих - 4,250 и 4,40625 МГц.

Надо отметить, что первоначально, по мере внедрения систем черно-белого ТВ, в разных странах использовались свои стандарты, которые различались между собой числом строк разложения (525 или 625), числом передаваемых кадров в секунду (30 или 25), полосой частот видеосигнала (4,2...6 МГц), полосой частот радиосигнала (6...8 МГц), разносом несущих частот сигналов видео и звука (4,5...6,5 МГц) и другими параметрами.

В этой связи черно-белые ТВ-системы, имеющие одинаковые параметры и получившие свое распространение в тех или иных странах мира, были объединены в отдельные группы (их порядка 10), которые имели свои стандарты и обозначения: В, D, G... К или N. Поэтому внутри каждого мирового стандарта системы цветного ТВ в той или иной стране могут отличаться по параметрам из-за ранее принятых стандартов систем черно-белого телевидения. Так, например, в Австралии используется стандарт B-PAL, в КНДР - стандарт D-PAL, в России и СНГ - стандарт D/K-SECAM, во Франции стандарт L-SEKAM, в Японии стандарт M-NTSC и т.д.

На сегодняшний день вещательные ТВ-технологии повсеместно переходят от аналоговых к цифровым методам обработки сигналов. Они предусматривают аналого-цифровое преобразование сигналов, использование методов канального кодирования и модуляции для различных сред передачи сигналов и др. Как известно, принятый в России стандарт цифрового телевидения DVB является европейским стандартом цифрового телевидения. Работы по проекту DVB (Digital Video Broadcasting - Цифровое видеовещание) начались еще в 1993 году. Результатом этих работ явилась выработка основных положений:

стандарта DVB-C для кабельного цифрового телевидения (1993 год);
стандарта DVB-S для спутникового цифрового телевидения (1994 год);
стандарта DVB-T для эфирного цифрового телевидения (1996 год).

В основе стандарта DVB первоначально лежал стандарт кодирования движущихся изображений и звукового сопровождения MPEG-2. В стандартах DVB определены методы канального кодирования, модуляции несущих частот, защиты информации от несанкционированного доступа, передачи дополнительной информации и другие условия. Как известно, стандарты DVB обеспечивают:

передачу пакетов, содержащих данные обычного телетекста;
условный доступ к передаваемым ТВ-программам, что позволяет осуществить организацию платного ТВ-вещания;
возможность ввода пакетов данных с особыми идентификаторами для передачи ключей к шифрам условного доступа;
возможность реализации интерактивного режима работы между поставщиком программ и пользователями;
широкую стандартизацию используемых технологий и др.

На рис. 2 показаны разновидности видеоинформационных технологий и систем вещательного телевидения. В соответствии со стандартами DVB для всех сред распространения программ ТВ-вещания сформированный транспортный поток данных подвергается скремблированию для устранения длинных серий 0 или 1 в транспортных пакетах MPEG-2, за счет чего обеспечивается устойчивая работа системы тактовой синхронизации приемного устройства. Кроме того, скремблирова-ние обеспечивает защиту данных от несанкционированного доступа и др.

В США принят свой стандарт наземного цифрового ТВ-вещания, называющийся ATSC (Advanced Television Systems Committee - Комитет по усовершенствованным системам телевидения). Федеральная комиссия по связи США одобрила стандарт ATSC в декабре 1996 года. В основе данного стандарта также используется MPEG-2 для кодирования изображений, а для сжатия сигналов звукового сопровождения - метод Dolby АС-3.

К настоящему времени второе поколение стандартов цифрового телевидения DVB, как и первое, включает три основных стандарта - DVB-S2 (спутниковое цифровое телевидение), DVB-T2 (эфирное цифровое телевидение) и DVB-C2 (кабельное цифровое телевидение).

Разработчики нового семейства стандартов DVB старались максимально унифицировать компоненты стандартов, предназначенных для разных сред. В частности, во всех стандартах применяется единая схема помехоустойчивого кодирования (FEC - Forward Error Correction). Она предусматривает последовательное наложение внешней кодозащиты с применением кода Боуза-Чоудхури-Хоквингема (Bose-Bhaudhuri - Hocquenghem, BCH) и внутренней кодозащиты с применением кода с низкой плотностью проверок на четность (Low Density Parity Check Codes - LDPC). Коды этого класса известны еще с 60-х годов прошлого века, но их практическое использование стало возможным только в последнее время благодаря достижениям в области микроэлектроники.

Продолжение следует

Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #2, 2011
Посещений: 16515

Статьи по теме

Автор