В рубрику "Регулирование и стандарты" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Стандартизация расширения динамического диапазона яркости изображений в телевизионном вещании

Введение

В связи с повышающимися требованиями к преодолению цифрового неравенства, передаче высочайшего качества 2D/3D-видеоинформации, расширению услуг Интернета, вездесущей интерактивности и мобильности потребителя, развитию вещательных и мультимедийных видеоинформационных систем, эффективному использованию выделенного радиоспектра был предложен подход к принципиально новой глобальной платформе цифрового ТВ-вещания [1]. Платформа, учитывающая востребованность ТВ-вещания, персонализацию приема ТВ-сигналов на любом видеотерминале в покое и в движении, достижения в области всемирного вещательного роуминга, интерактивность вещания и ряд других факторов, интегрирует и гармонизирует достигнутые на данном этапе и предстоящие новации, расширяющие и повышающие качество предоставляемых услуг. Она является главным вектором развития отрасли и основой перспективной модели глобального информационного общества, поскольку впервые охватывает самые высокоскоростные ее видеокомпоненты и может включать в себя все традиционные практически низкоскоростные инфокоммуникационные услуги.

К основным направлениям реализации платформы относятся формирование и воспроизведение ТВ-изображений с расширенным динамическим диапазоном яркости (РДД) [2]. Этот диапазон, пределы которого определяются соотношением воспринимаемой максимальной и минимальной яркости изображения, характеризует способность одновременного представления самых мельчайших деталей в теневых и светлых областях воспроизводимой сцены. Расширение РДД имеет важное значение, например, для систем вещания программ телевидения ультравысокой четкости, характеризующихся большими размерами экрана, более высоким пространственно-временным разрешением, более широкой цветовой гаммой и рядом других параметров, чем в системах со стандартным разрешением и ТВЧ.

Начало изучений

Проблема изучения расширенного динамического диапазона (РДД) яркости изображений возникла в МСЭ-R в связи с предложениями [3] по совершенствованию отчета ВТ.2246 о современном состоянии систем телевидения ультравысокой четкости. В то время в отчете освещались лишь пространственное разрешение и колориметрические характеристики изображений и отсутствовала информация о диапазоне яркости, воспринимаемых уровнях черного и белого и других параметрах.

В [3] была отмечена зависимость восприятия яркости затемненных и светлых участках ТВ-изображения от условий просмотра, особенно от внешней засветки экрана дисплея. Предлагались значения максимальной и минимальной яркости экрана 10 000 и 0,001 кд/м2, отвечающие наиболее светлым и темным воспринимаемым объектам реального мира. Рассматривалась возможность изменения эталонной характеристики электронно-оптического преобразования (ЭОП) для дисплея ТВЧ по рекомендации ВТ.1886 в целях ее приведения в соответствие с диапазоном яркости изображения в пределах от 1000 до 0,001 кд/м2. Обсуждалось расширение данной характеристики, необходимое для обеспечения восприятия максимальной яркости изображений до 10 000 кд/м2 при разрядности кодирования видеосигнала 12 бит/отсчет.

Рабочая группа РГ 6С (производство и оценка качества программ вещания) сектора радиосвязи МСЭ-R Международного союза электросвязи (МСЭ) создала группу докладчиков, в основные задачи которой входили исследования применений РДД-изображений в ТВ-вещании, субъективной оценки качества и зрительного ощущения этих изображений, влияния характеристик оптоэлектронного (ОЭП) и электронно-оптического (ЭОП) преобразований в датчиках видеосигналов и устройствах отображения, колориметрических и других параметров на восприятие сцен и сюжетов.

Основные результаты изучений

Одним из результатов деятельности группы докладчиков была разработка проекта вопроса изучения систем вещания с РДД-изображениями [4]. В рамках этого вопроса исследуются:

• значения параметров систем для производства и международного обмена программами;
• методы производства и форматирования сигналов программ РДД-вещания, обеспечивающие возможность их просмотра на экранах телевизоров, имеющихся в домах телезрителей;
• условия просмотра программ РДД-вещания;
• соотношение расширения диапазона и восприятия РДД-программ вещания в домашних условиях;
• мероприятия по предотвращению неприятных для телезрителей эффектов при прямом и обратном переходах от демонстрации РДД-изображений к просмотру изображений со стандартным диапазоном яркости;
• пути перехода ТВ-вещания к доставке РДД-изображений;
• методы субъективной оценки качества РДД-изображений.

Разработан проект отчета МСЭ-R по системам с РДД-изображениями [5]. В нем показано, что такие системы должны обеспечивать эффект реального присутствия зрителей в наблюдаемых изображениях и иметь более широкий диапазон их яркости по сравнению с диапазоном, указанным в рекомендации МСЭ-R ВТ.2020. К РДД-системе предъявляются также следующие основные требования:

1. Система должна обеспечивать радикальное улучшение восприятия изображения по сравнению с существующими ТВ-приложениями путем повышения яркости и заметности текстуры на светлых и затемненных фрагментах этого изображения.
2. Система должна предотвращать утомление зрения и другие вредные для здоровья последствия при длительном просмотре РДД-программ.
3. Система должна быть оптимизирована для использования при производстве ТВ-программ и международном обмене ими.
4. Система должна быть совместима с существующими рабочими процессами и сложившейся инфраструктурой ТВ-вещания.
5. Система должна обеспечивать возможность просмотра РДД-изображений в домашних условиях на экранах различных устройств отображения, включая мобильные абонентские терминалы и планшеты.
6. Система должна удовлетворять требованиям по взаимной совместимости (возможность просмотра РДД-изображений на экранах стандартных телевизоров и изображений со стандартным диапазоном яркости на РДД-дисплеях).

Группа докладчиков разработала предварительный проект новой рекомендации по значениям пара метров РДД-систем для производства программ и международного обмена ими [6], относящейся к системам ультравысокой четкости (форматы прогрессивного разложения изображений на 7680х4320 и 3840х2160 пикселей) и ТВЧ (формат 1920х1080 пикселей) с частотами кадров 120, 120/1,001, 100, 60, 60/1,001, 50, 30, 30/1,001, 25, 24, 24/1,001 Гц. В ней рекомендуется применять согласованные значения пространственных, временных, колориметрических параметров систем, а также три варианта эталонной характеристики “свет– свет”, оптоэлектронного и электронно-оптического преобразований, предложенных в [7–9]. Отсутствие единого решения по этим характеристикам, по-видимому, связано с различиями в условиях наблюдения изображений и в параметрах аппаратуры, используемой при независимых субъективных экспертизах систем. Излагаются сведения об обработке сигнала в передающих ТВ-камерах, уменьшающих заметность шумов на затемненных участках изображения, и цифровом представлении видеосигнала при его кодировании на 10 и 12 бит/отсчет.

Один из вариантов характеристики “свет–свет”, зависящий от изменений яркости затемненных фрагментов РДД изображения Lb, приведен на рис. 1. Вертикальная ось графика соответствует яркости экрана воспроизводящего устройства в кд/м².

Характеристика оптоэлектронного преобразования в передающей ТВ-камере при Lb = 0,0001 кд/м² показана на рис. 2. Вертикальная ось графика отвечает относительному уровню сигнала на выходе передающей ТВ-камеры.

Градуировка горизонтальных осей графиков на этих рисунках соответствует уровню оптического сигнала на входе камеры, нормированному по значению яркости рассеянного белого света 100 кд/м².

Существенная зависимость эффекта восприятия видеоконтента от параметров воспроизводящих устройств и условий его просмотра является основной трудностью в изучении систем ТВ-вещания с РДД яркости изображений. Эта трудность может быть в значительной степени преодолена, если будет разработана концепция стратегии внедрения таких систем на основе единого подхода к их международной стандартизации [10].

Одним из возможных решений является использование унифицированных устройств, осуществляющих автоматическую оптимальную адаптацию приемной аппаратуры к условиям просмотра контента. Принцип действия адаптера может основываться на идентификации достаточно протяженных светлых и темных фрагментов изображений и подстройке аппаратуры до тех пор, пока не станут различимы видеообъекты на фоне этих фрагментов.

Такие адаптеры целесообразно использовать в телевизорах как нового поколения, так и старого образца. Это позволит унифицировать условия просмотра телепрограмм с изображениями со стандартным и расширенным диапазонами яркости на экранах имеющейся у зрителей приемной аппаратуры.

Потребуются нормирование параметров РДД-сигналов на выходе ТВ-студии и их обработка и представление на приемной стороне (вопрос изучения МСЭ-R 102/6).

Заключение

Системы вещания с использованием расширенного динамического диапазона яркости изображений найдут применение для доставки программ ТВ-вещания в дома и в сочетании с многоканальным звуковым сопровождением обеспечат возможность полного погружения телезрителей в происходящее на экране, эффект присутствия в демонстрируемых сценах и сюжетах и ощущения их естественности и реальности. Открываются широкие перспективы для вещателей, операторов, изготовителей аппаратуры, различных организаций и служб в поддержке нового направления развития рынка с соответствующим экономическим эффектом.

Целесообразно принять активное участие в этой деятельности и использовать данную технологию в новых разработках с учетом их взаимной совместимости с существующей профессиональной и бытовой аппаратурой ТВ-вещания.

Литература

1. ITU-R. Chairman, Radiocommunication Study Group 6. Summary record of the third meeting of Radiocommunication Study Group 6 (Geneva, 26 April 2013). Annex 2 – Text of Prof. Mark Krivocheev's speech // Doc. 6/147, 30 April 2013.
2. Кривошеев М.И., Федунин В.Г. Расширение динамического диапазона яркости телевизионных изображений // Труды НИИР (сборник научных статей). – 2015. – № 2.
3. ITU-R. United States of America. Parameter values for UHDTV systems for production and international programme exchange // Doc. 6C/22, 11 April 2012.
4. ITU-R. Working Party 6C. Proposed draft new Question ITU R BT.[HDR-TV] – High dynamic range television (HDR-TV) systems for broadcasting // Doc. 6/419 (Rev. 1), 3 August 2015).
5. ITU-R. Working Party 6C. Draft new Report ITU-R BT.[HDR-TV-REQS] – Requirements for High Dynamic Range Television (HDR-TV) Systems // Doc. 6/420 (Rev. 1), 30 July 2015).
6. ITU-R. Annex 2 to Working Party 6C Chairman's Report. Preliminary draft new Recommendation ITU-R BT.[HDR-TV] – Parameter values for high dynamic range television systems for production and international programme exchange // Doc. 6C/511, Annex 2, 5 August 2015.
7. ITU-R. United States of America. Preliminary draft new Recommendation ITU-R BT.[EDR] – Parameter values for the extended dynamic range television system // Doc. 6C/402, 6 February 2015.
8. ITU-R. British Broadcasting Corporation (BBC). Preliminary draft new Recommendation ITU-R BT.[EIDR] – Parameter values for the extended image dynamic range television system // Doc. 6C/415, 10 February 2015.
9. ITU-R. Philips International B.V. Preliminary draft new Recommendation ITU-R BT.[HDR] // 6C/421, 10 February 2015.
10. ITU-R. Chairman, Radiocommunication Study Group 6. Summary record of the eighth meeting of Radiocommunication Study Group 6 (Geneva, 24 July 2015) // Doc. 6/463, 26 August 2015.

Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #6, 2015
Посещений: 9613

Автор Марк Кривошеев Главный научный сотрудник НИИР Всего статей:  15

Автор Владимир Федунин Ведущий научный сотрудник НИИР Всего статей:  5

В рубрику "Регулирование и стандарты" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций