В рубрику "Регулирование и стандарты" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Настоящая статья публикуется в двух частях. Первая часть посвящена проблемам эффективного использования мирового опыта по созданию и применению систем цифровой обработки и передачи информации, разработки стандартов России по мультимедийным системам, а также проблемам создания и внедрения собственных систем и соответствующей аппаратуры. Во второй части будут проанализированы проблемы использования различных устройств приема мультимедийной информации, подготовки кадров нового уровня, метрологического обеспечения внедрения мультимедийных систем и сетей. Переход к цифровому телерадиовещанию, и в частности, к многопрограммному цифровому телевидению (ЦТВ), приобрел особое значение в связи с присоединением России к общеевропейской системе DVB (Распоряжение Правительства Российской Федерации от 25.05.04 № 706-р "О внедрении в Российской Федерации европейской системы цифрового телевизионного вещания DVB"). Практически во всех странах Европы определены сроки полного перехода на цифровое вещание (в пределе до 2012 г.). Обоснование и сроки внедрения цифровых систем вещания в России приводятся в проекте Концепции федеральной целевой программы "Развитие телерадиовещания в Российской Федерации (2007-2015 гг.)" [1]
Юрий Борисов
Начальник Управления радиоэлектронной промышленности и систем управления Федерального агентства по промышленности, д.т.н.
Виктор Дворкович
Директор НТЦ ФГУП НИИР, д.т.н., профессор
Юрий Зубарев
Советник генерального директора ЗАО "МНИТИ", член-корреспондент РАН, д.т.н., профессор
Одной из важнейших отличительных особенностей внедрения цифровых систем является использование канала связи в качестве "контейнера данных", обеспечивающего передачу различных сигналов (информационных сообщений, одной или более ТВ-программ, данных) по запросу пользователя. При рациональном мультиплексировании такая система позволяет оператору потока данных в несколько раз увеличить число программ и дополнительных услуг, предлагаемых различным потребителям, без использования дополнительного частотного ресурса [2].
В связи с этим цифровая сеть телерадиовещания РФ должна обеспечить при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах реализацию мультимедийных систем различного назначения, таких, как:
Внедрение цифровых систем телерадиовещания в России связано с решением следующих пяти наиболее важных проблем:
Необходимость и эффективность внедрения цифровых систем в России связаны со следующими требованиями:
Решение этих проблем, по сути, может устранить отставание России в развитии информационных технологий.
Что означает эффективное использование мирового опыта по созданию и применению систем цифровой обработки и передачи информации?
Проводимые во всех технически развитых странах разработки алгоритмов и аппаратуры сокращения объема и рационального пакетирования видео, аудио и сопутствующей информации являются основой создания систем эффективного использования каналов связи, сохранения действующих частотных планов, высвобождения значительной части частотного пространства для передачи потребителям дополнительных видов услуг - видеотелефона, мобильной и стационарной телеконференц-связи, многопрограммного интерактивного телевидения,телевидения высокой четкости, многопрограммного звукового вещания, цифрового кино. Разработка алгоритмов и соответствующей аппаратуры цифрового сжатия различных видов информации для их передачи по каналам связи как альтернативы аналоговым системам проводится уже более 20 лет практически во всех развитых странах мира. Был получен ряд важных результатов как в плане разработки алгоритмов сжатия (включая стандарты JPEG (JPEG-2000), MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 (видео), Н.261, Н.263, H.264/AVC и др. для статических и динамических изображений различного разрешения,MPEG-1/2 Layer-2, Layer-3, AC-3, MPEG-4 (аудио)/НЕ-ААС, G.729, G.728, G.723-1 и др. для звуковой информации и речи), так и в плане создания действующих комплексов.
В качестве поставщиков цифровых кодеров/декодеров ТВ-информации, реализующих стандарты MPEG, можно назвать известные фирмы, такие, как Array Microsystems, Compression Labs Inc., COMSAT Lab, Hewlett Pac-card, IBM, JVC Professional Products Co., Matsushita Elec. Industrial Co., NEC, NTL, Toshiba Corp., Sony Corp., TV/COM International, BNI, Satellite Transmission Systems Inc., Elecard и др.
Большое количество фирм занимается проблемами реализации видеоконференц-связи как на уровне создания соответствующих аппаратных средств, так и на уровне ее программного обеспечения. К ним можно отнести компании Datapoint, Intel, Picture Tel, Polycom, Sony Electronics, VCOM, VideoServer, VistaCom, White Pine, Zydacron и др.
Из этого обширного, хотя и неполного, перечня фирм, занимающихся перспективными разработками цифровых систем передачи видеоинформации, видно, насколько дружно весь мир движется к реализации таких систем. Можно привести еще больший список фирм, освоивших массовое производство устройств декодирования цифровой информации.
Проблема создания высококачественной системы цифровой передачи видеоинформации - это главным образом проблема быстрого и эффективного ее сжатия - наиболее ресурсопотребляющей части всей системы. Ее эффективность существенно влияет на качество воспроизводимой информации.
Кодирующее устройство решает сложные задачи в реальном времени и производит большое количество операций обработки, определяющих качество цифрового преобразования сигналов изображения и звукового сопровождения. Декодер, как правило, менее сложен и должен получать и восстанавливать данные.
На основании изучения последних результатов разработок международных стандартов и соответствующей аппаратуры можно предложить варианты использования цифровых и звуковых форматов в отечественных системах ЦТВ (табл. 1).
Система DVB, к целесообразности внедрения которой присоединилась Россия, охватывает спутниковые (DVB-S, DVB-S2), кабельные (DVB-C), наземные (DVB-T) средства передачи. В стандарте реализован принцип использования MPEG-кодирования сигналов при различных способах их мультиплексирования и передачи, что обеспечивает максимальную совместимость разных систем. Международными стандартами охвачены также такие системы распределения телевизионных программ, как MMDS, LMDS, MVDS. Стандарт DVB-H нормирует параметры передачи данных на наладонные (handheld) устройства.
Цифровые системы радиовещания нормируются стандартами DRM. Аудио-информационные и мультимедийные системы предполагается внедрять в соответствии со стандартами DAB и DMB.
Следует заметить, что общий объем стандартов, разработанных международными организациями (ITU, ETSI, CINELEC и др.), составляет более 20 000 страниц текстов на английском языке. Эти стандарты постоянно изменяются по мере совершенствования систем обработки и передачи информации.
Исходя из изложенного следует, что важнейшей задачей систем ЦТВ является разработка высокоэффективных алгоритмов сжатия и передачи мультимедийной информации с использованием зарубежных материалов в качестве задающих общее направление работ, создание высококачественных систем кодирования информации и ее передачи по различным каналам связи в рамках согласованных международных стандартов.
Зачем нужна разработка стандартов России по системам формирования и передачи по каналам связи различных видов цифровой информации?
Цифровые системы создают возможности:
При рациональном мультиплексировании система позволяет оператору потока данных в несколько раз увеличить число программ и дополнительных услуг, предлагаемых зрителям, без использования дополнительного частотного ресурса. Возможно, например, использовать сразу несколько каналов вещания для увеличения числа передаваемых программ за счет статистического мультиплексирования цифровой информации.
Важнейшим вопросом является разработка отечественных стандартов формирования, передачи и приема цифровой информации с учетом особенностей построения цифровых систем в России. Новые стандарты должны разрабатываться с перспективой, а не фиксировать и тем более не закреплять нашу техническую отсталость. Они должны стимулировать разработчиков и производителей передовой технологической базы мультимедийных систем.
В отечественных стандартах должны быть строго определены варианты цифровой обработки изображений и звука в аппаратно-студийных комплексах различного назначения (от телевидения высокой четкости до домовых систем "видео по запросу"), варианты использования различных методов канального кодирования в спутниковых и наземных системах ТВ-вещания, варианты применения различных систем фазовой манипуляции несущих в наземных и кабельных системах ТВ-вещания, применения вариантов OFDM. Особое значение имеют проблемы определения набора используемых мощностей передающих средств наземного и спутникового ЦТВ.
При разработке отечественных стандартов, кроме того, должны быть решены проблемы использования систем точных частот и точного времени, что приобретает особую важность, учитывая территориальные особенности России.
Могут быть предложены новые методы планирования сетей телевизионного вещания, связанные с возможностью эффективного использования смежных каналов. В этом плане Россия может предложить варианты совершенствования стандартов DVB.
Особое внимание должно быть уделено уже получившим широкое распространение за рубежом и в России мультимедийным IP-системам, реализуемым с использованием различных систем подачи информации. Только они обеспечат развитие действительно интерактивных телевизионных систем, поскольку возможности эфирных и спутниковых систем, которые в Концепции определены как основные средства доставки информации, в этом плане весьма ограничены.
К сожалению, в материалах Концепции практически отсутствует решение вопросов радиовещания. Передача четырех программ в составе цифрового телевизионного вещания вряд ли можно считать достаточным решением проблемы; не предусмотрено внедрение DRM цифрового вещания в ДМВ-, СВ- и КВ-диапазонах и модернизация систем стереовещания в ОВЧ-диапазоне
Разработка и внедрение собственных цифровых систем и соответствующей аппаратуры
Несмотря на уже начавшееся широкое внедрение цифровых систем, процесс разработки более эффективных алгоритмов сжатия визуальной и звуковой информации пока продолжается.
Поскольку имеющиеся стандарты определяют лишь цифровой поток кодируемых данных и не регламентируют способы его формирования, имеется возможность более эффективной обработки сигналов в рамках этих стандартов.
Большое внимание научной общественности и фирм-производителей систем цифровой обработки изображений занимают проблемы создания альтернативных систем сжатия видеоинформации: векторного кодирования, wavelet-преобразования , нейрокомпьютерной обработки и иных комбинированных систем, потенциально обеспечивающих более высокие коэффициенты сжатия.
Основные трудности на сегодня связаны с тем, что лежащие в основе алгоритмов сжатия преобразования содержат весьма большое количество математических операций на каждый дискретный отсчет изображения и при обработке динамической последовательности кадров в реальном масштабе времени требуют большого быстродействия.
Несмотря на наличие значительного количество публикаций в мире по тематике сжатия видеоинформации, практически все эти публикации содержат лишь самое общее описание методов сжатия без раскрытия наиболее существенных деталей используемых алгоритмов.
Информацию же о конкретной совокупности операций, составляющих суть этих алгоритмов, в силу действия законов об интеллектуальной собственности невозможно получить не только из открытых публикаций, но даже из конкретных материалов фирм-разработчиков.
В связи с этим важнейшей проблемой при проведении фундаментальных исследований в России по данной тематике является задача полного овладения теорией и математическими методами сжатия изображений с учетом имеющихся зарубежных материалов в качестве информации, задающей общее направление этих работ. А далее на базе полученного опыта по освоению стандартных алгоритмов возможна разработка более эффективных систем.
В рамках реализации кодирующих систем, соответствующих стандартам MPEG, особое внимание должно быть уделено повышению эффективности внутрикадровой обработки изображений, основанной на анализе допустимых искажений их структуры и изменения матрицы квантования различных блоков кадра; разработке ускоренного алгоритма анализа движения, что позволяет существенно увеличить зону поиска вектора движения, сократить требуемую вычислительную мощность и обеспечить компенсацию быстро движущихся деталей; созданию эффективных алгоритмов оценки смены сюжета и изменения блока одновременно обрабатываемых кадров и др. Накопленный теоретический багаж позволит осмысленно перейти к его практической реализации.
При внедрении систем цифрового телевидения большое внимание необходимо уделить разработке рекомендаций по повышению качества ТВ-вещания.
Используемые в настоящее время системы цифрового распределения ТВ-программ неэффективны, поскольку сигнал перед излучением в эфир преобразуется в соответствии со стандартом SECAM. В результате таких преобразований спектр сигнала яркости ограничивается частотой порядка 3 МГц, и воспроизводимое изображение соответствует качеству VHS. Такой подход при внедрении современных систем цифрового телевидения неприемлем.
Следует считать приоритетными направлениями для специализированных научных учреждений, радио- и микроэлектронной промышленности и сопряженных с ними областей производства проведение разработок по созданию средств передачи и приема наземного, кабельного и спутникового цифрового ТВ- и звукового вещания.
Внедрение цифрового телевидения предполагает в общем случае замену парка передающих и приемных средств, хотя существуют в некоторых случаях варианты использования имеющегося аналогового оборудования. Отечественные производители должны своевременно освоить технологию производства такого оборудования и создать аппаратуру, способную конкурировать на мировом рынке.
Серьезное внимание должно быть уделено проблемам эфирного радиовещания и, в частности, информационного вещания в ОВЧ-диапазоне частот, поскольку это практически единственный способ, обеспечивающий возможность приема программ на стандартные штыревые антенны в движущемся транспорте в городских условиях с плотной застройкой, многолучевостью и отсутствием прямой видимости антенны передатчика, а также в районах со сложным рельефом, в горной местности и в густых лесных массивах.
И в этом плане нам представляется интересной отечественная разработка системы мобильного узкополосного мультимедийного вещания AVIS (Audiovisual information system) [3], основные параметры которой отражены во вкладах России в Международный союз электросвязи (МСЭ) [4, 5]. На рисунке в качестве примера приведено изображение на экране приемника в реализованной модели системы AVIS. На конференции рабочей группы МСЭ 6М был принят связующий документ для рабочей группы 6Е, в котором указано, что эта система является кандидатом для включения в Отчет МСЭ-Р ВТ.2049 и в проект новой рекомендации "Вещание мультимедиа и данных для мобильного приема на наладонные устройства" [6].
Эта система позволяет существенно повысить эффективность использования диапазона FM-вещания 87-108 МГц, а также диапазона частот 66-74 МГц, который в России и странах СНГ до настоящего времени используется для трансляции устаревшей системы стереовещания с полярной модуляцией.
Не изменяя частотных планов в этих диапазонах частот, система AVIS предоставляет возможность передать в одном стандартном канале до 10 программ стереозвука CD-качества или изображение размера CIF с соответствующим стереозвуковым сопровождением. В разработанной модели системы использованы стандарты видео- и аудио-компрессии AVC и НЕ-ААС.
В табл. 2 и 3 приведены предпочтительные аудио- и видео/аудиоформаты для всех комбинаций защитного интервала, QAM-созвездия и скорости сверточного кода.
При испытаниях модели системы AVIS были использованы следующие параметры передаваемого сигнала:
В табл. 4 приведены некоторые результаты исследований модели системы при использовании 16-()АМ-кодека, граничные условия устойчивой работы системы - для различных моделей канала.
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #1, 2007
Посещений: 20782
Статьи по теме
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Регулирование и стандарты" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
