: архив : архив журнала "625" : 1993 : #3

Цифровое телевидение
Леонид Чирков

От редакции:
Этой статьей мы начинаем серию публикаций, посвященных новым технологиям телевизионного и видеопроизводства, связанным с цифровым кодированием сигналов. На телецентрах, в том числе и наших, все чаще можно встретить то или иное цифровое оборудование. Более того, последние успехи в разработке новых форматов цифровой видеозаписи и другого технологического оборудования позволяют говорить о переходе на полностью цифровые технологии производства в телевидении. Поэтому, на наш взгляд, важно иметь информацию о том, что такое цифровое кодирование и цифровые технологии, что они несут в производство телевизионных и радиопрограмм. Практически вся доступная по этим вопросам информация сосредоточена в статьях и книгах, ориентированных на разработчиков цифровой аппаратуры и практически малоинтересных для работников студий. В названной серии публикаций мы хотим частично ликвидировать эту информационную задолженность и рассмотреть различные аспекты цифровой техники с тех позиций, которые были бы понятны и интересны и техническим, и творческим работникам студий телевидения, видео, радио.

Когда в марте 1982 г. на 15 Пленарной ассамблее Международного консультативного комитета по радио (МККР) была утверждена Рекомендация 11/601 "Параметры цифрового кодирования для телевизионных студий" энтузиасты предсказывали скорую технологическую революцию в телепроизводстве, сопоставимую с той, которую вызвало появление видеозаписи, а может быть и более кардинальную. Казалось, что эти надежды основательны и вскоре были подкреплены атакой наших и французов. Так год спустя, специалисты ВНИИТ в Женеве на выставке "Телеком" первыми в мире показали образец цифровой студии. Несколько позже французы, также впервые, в г.Рене сдали в эксплуатацию цифровой телецентр. Однако сразу же выявились серьезные недостатки цифрового оборудования, о которых предупреждали скептики,- серьезный рост аппаратной массы, потребляемой энергии и, соответственно, стоимости.

Прошедшие десять лет отмечены - в немалой степени и по названным выше причинам - ограниченным внедрением цифрового оборудования в аналоговые технологии, в основном там, где цифровое кодирование позволяет решать задачи, недоступные или трудноразрешимые аналоговыми средствами. В частности, только на базе цифровых средств удалось кардинально решить проблему транскодирования. Знакогенераторы, блоки видеоэффектов теперь исключительно цифровые устройства.

Процесс встраивания отдельных цифровых устройств в аналоговое окружение продолжается. Однако события последнего времени, связанные с выходом на более высокие уровни интеграции в элементной базе цифровой техники и появлением нового поколения телевизионной техники, в том числе форматов цифровой видеозаписи, резко изменили оценку места и значения цифровых средств вещания. В настоящее время уже можно говорить о реальности полной цифровизации телевидения и радиовещания. Что же произошло? Что цифровизация несет с собой? На эти и многие другие вопросы, которые могут возникнуть, мы постараемся ответить ниже, предварительно определив, что же такое цифровое кодирование сигналов,

Тайны дискретизации

Любая экранная зрелищная система - кино, телевидение, видео - использует в той или иной степени дискретизацию. Однако далеко не очевидно, что изображение можно разбить на отдельные элементы, а затем вновь собрать, почти ничего не теряя. Наше восприятие противится этому. Известно как шарахнулись от надвигающегося в зал поезда первые зрители люмьеровского фильма - ведь они экранное изображение психологически воспринимали как реальное и только опыт частого общения с экраном разрушил эту иллюзию. Каждый может проверить себя на любимом эффекте бросания в зал предметов, к которому часто прибегают постановщики стереофильмов. Наше общение со стереоскопическими зрелищами не столь уж часто, поэтому психологически мы воспринимаем стереоизображение как реальное - отсюда и столь сильный эффект воздействия. Правда, к мысли, что статическое изображение можно дискретизовать и составить из отдельных элементов, людей давно подготовила живопись - ведь мазки кисти или элементы мозаики те же дискретные элементы изображения. Еще дальше пошла полиграфия, осваивая технологию передачи полутонов. Именно здесь впервые появился точечный растр и даже цифровое кодирование.

Труднее всего оказалось постижение возможности дискретизации времени, а именно возможности передачи движения последовательностью статических изображений, т.е. того, что мы сейчас называем кадровой дискретизацией. Известный мультипликат "Скачущий всадник" стал, видимо первым прорывом в этом направлении. Додуматься до остального было уже проще. Не случайно, что в середине прошлого века, вскоре после демонстрации эффекта передачи движения с помощью этого мультипликата, появились и первые идеи строчной дискретизации и, на этой основе, реализации давней мечты, обыгрываемой во многих сказках и легендах, - мечты о дальновидении. Признанные пионеры телевидения - португалец Де Перейра и наш соотечественник И.Полумордвинов. П.Нипков создал известный диск - первое реально работавшее устройство строчной развертки. После этого довести идею дискретизации до полного завершения - поэлементной дискретизации изображений и цифрового кодирования по уровню было уже совсем просто, оставалось только подождать, когда техника будет к этому готова.

Обычно, когда пытаются объяснить, почему дискретизация возможна, ссылаются на особенности зрения людей, в частности инерцию, допускающую кадровую дискретизацию. Однако сводить проблему исключительно к особенностям зрения людей не совсем верно и более всего это напоминает известные попытки поставить телегу впереди лошади. На самом деле причина гораздо глубже и интереснее.

В конце прошлого века американский математик Уиттекер доказал одну любопытную теорему, которая очень многое, в том числе в дискретизации, объяснила. Суть этой теоремы в следующем. Любая функция, любое явление локализованное в ограниченной области пространства, могут быть представлены, (а фактически имеют) дискретным набором состояний. Таким образом, по Уиттекеру все конечное дискретизовано изначально - это настолько фундаментальное свойство, что для его доказательства достаточно средств чистой математики.

Орбиты электрона, вращающегося вокруг ядра атома, потому квантованы, что он заперт в конечной области пространства. По этой же причине резонаторы генерируют колебания строго определенных частот. У теоремы Уиттекера есть множество приложений, среди которых нам важно вспомнить о двух. Первое - это теорема В.Котельникова, утверждающая, что сигнал с ограниченной полосой частот может быть представлен или передан с помощью дискретного набора отсчетов. В применении к изображениям то же самое можно сказать и об изображениях с конечной площадью - они также могут быть переданы дискретным набором отсчетов. Вторая, заслуживающая упоминания теорема, носит имя Шеннона и утверждает нечто, прямо относящееся к обсуждаемой теме. Шеннон показал, что любое конечное сообщение может быть представлено в цифровой форме, и при этом содержит конечное число информационных единиц.

Итак, дискретизация запрограммирована свыше и является естественным свойством - в нашем случае любого ограниченного сообщения, представленного, например, изображением или звуковыми сигналами. Причем же здесь особенности нашего зрения или слуха?

Искушенная изобретательница-природа учла, что пусть и впечатляющие, но не беспредельные способности мозга обрабатывать большие информационные массивы требуют ограничения пространства восприятия. По этой причине наше зрение инерционно (ограничение по полосе частот), а структура глазного дна дискретна. Все, что мы определяем как некие хитрые особенности - это всего лишь приспособительная реакция на необходимость ограничить объем воспринимаемого пространства и полосы частот воспринимаемого звука. При этом адаптационные механизмы нашего зрения и слуха служат благой цели - наилучшему выделению существенно важной части информации в меняющихся условиях восприятия без расширения пространства восприятия.

Собственно, те же соображения лежат в основе выбора параметров дискретизации, например, в действующих стандартах телевидения. С расстояния в 4-5 высот экрана, а именно оно является оптимальным для действующих стандартов вещания, угол под которым мы видим расстояние, разделяющее соседние строки, приблизительно равен угловому разрешению глаз. Последнее означает, что изображение на экране полностью заполняет пространство восприятия, за исключением области между зрителем и экраном. Если зритель расположен к экрану ближе, то различима строчная структура изображения. С рассматриваемых позиций это значит, что воспроизводимое пространство меньше воспринимаемого, не используемый объем при этом заполняется в данном случае шумом дискретизации. Когда зритель размещен дальше оптимального расстояния, воспроизводимое пространство выходит за границы воспринимаемого, в итоге часть информации (о деталях) теряется. Интересно, что телевидение высокой четкости (приблизительно с удвоенным числом строк разложения) надо интерпретировать как вполне понятную попытку заполнения части неиспользуемого пространства между зрителем и экраном. Действительно, для ТВЧ оптимальным расстоянием является 2-3 высоты экрана.

Цифровое кодирование

В этой и последующих статьях будут использованы многие термины, которые уже определены в словаре, опубликованном в 1 и 2 номерах нашего журнала, и которым советуем пользоваться при чтении статей по цифровому телевидению.

Кодирование, собственно, - это совокупность операций, выполняемых по определенным правилам и призванных заменить исходный сигнал иным, в данном случае цифровым со стандартизованными параметрами. Основными операциями являются поэлементная дискретизация и квантование.

Выше отмечалось, что дискретизация может быть кадровой (кино), когда производится разбиение непрерывно меняющегося события на последовательность статических изображений. Следующая ступень - строчная дискретизация, когда каждый из кадров разбивается на отдельные строки. Попутно заметим, что телевидению, использующему для транспортировки визуальной информации потребителю одномерные радио и электрические каналы, строчная дискретизация понадобилась для согласования исходного сообщения - двухмерного изображения - с одномерным каналом доставки. Поэлементная дискретизация является наиболее полной и предусматривает дальнейшее разбиение строк на отдельные отсчеты - мгновенные значения аналогового сигнала, берущиеся в определенные моменты времени. Поэлементную дискретизацию, уже в силу специфики воспроизведения, использует, к примеру, цветное телевидение - ведь точки люминофора масочного кинескопа - те же отсчеты.

В результате поэлементной дискретизации аналоговый телевизионный сигнал заменяется последовательностью коротких импульсов (отсчетов), величина которых пропорциональна мгновенному значению телевизионного сигнала в соответствующий отсчету момент времени. Полоса частот, занимаемая телевизионным сигналом, относится к его стандартным характеристикам. Для того чтобы дискретизация не привела к потерям информации, интервалы или частота следования отсчетов должна быть не меньше теоретического предела, равного удвоенному значению верхней граничной частоты полосы сигнала. Для европейского стандарта разложения эта частота составляет около 12,5 МГц. Рекомендация МККР 11/601 стандартизовала частоту 13,5 МГц.

Следующей операцией цифрового кодирования, как отмечалось, является квантование - преобразование непрерывной шкалы уровней каждого отсчета в дискретную. Таким образом, выполняется еще одна операция дискретизации - уровневая. Интервалы, разделяющие два соседних порога, называют шагом квантования. Шаг квантования может быть постоянным (линейная шкала) или переменным (нелинейная шкала). Число порогов квантования - величина стандартизуемая. В Рекомендации МККР 11/ 601 принято число 256 = 2⁸. Каждому порогу приписывается определенный номер. Для записи этих номеров в двоичном исчислении нужны 8-ми разрядные числа. Таким образом, вместо отсчетов мы имеем содержащее 8 позиций кодовое слово, в котором "1" соответствует импульс, "0" - его отсутствие. Эти значащие позиции кодовых слов и называют битами. К битам, несущим информацию об уровне отсчета, добавляются (или могут быть добавлены) служебные, в частности проверочные, для защиты от ошибок.

Чтобы пояснить некоторые специфические особенности цифрового кодирования и соответствующие параметры сигнала, сейчас полезно обратиться к формуле Шеннона. Ее упрощенный вариант, адаптированный к рассматриваемому вопросу, выглядит так:

П = О х ln(С/Ш). В этой формуле через О обозначена частота отсчетов сигналов яркости и цветности или, что то же самое, их число, передаваемое за секунду, С/Ш — отношение сигнал/шум, In — натуральный (по основанию e) логарифм, причем ln(С/Ш) — не что иное, как число битов на один отсчет. В левой части формулы П - означает результирующий цифровой поток.

Квантование сопровождается необратимым искажением сигнала, часто называемым шумом квантования, по уровню сопоставимым с величиной порога (линейной шкалы). Важно, чтобы уровень естественных шумов в канале был близок по уровню к шумам квантования. Если шумы квантования заметно выше естественных, квантование вносит недопустимые искажения и, соответственно, потерю части информации. Напротив, при пороге ниже естественного шума квантование излишне подробно и ведет к соответствующему перерасходу технических средств и вполне материальным потерям. В нашем случае С/Ш = 256 или 48 дБ, что хорошо согласуется с уровнем шумов большинства серийных камер. Существенное улучшение параметров ПЗС матриц и цепей обработки сигналов в камерах в последнее время привело к дальнейшему снижению уровня шумов до 60 дБ или к С/Ш= 1000, а значит потребовало 10-тиразрядного квантования. Поэтому в образцах цифровой аппаратуры последних выпусков ведущие фирмы предусматривают именно эту разрядность квантования.

Вернемся к формуле Шеннона и попробуем разобраться в величине информационного потока, считая в соответствии с Рекомендацией 601, что квантование 8-ми разрядное. В составе телевизионного сигнала вместе с информацией о яркости передается и информация о цвете. Рекомендация 601 устанавливает, что на каждые 4 отсчета яркости должны передаваться по 2 отсчета цветоразностных сигналов, иными словами - поток 4:2:2. И яркостный, и цветоразностные сигналы дискретизируются с одной частотой - 13,5МГц, а значит O = 13,5 х 2 = 27 МГц. Поэтому, по формуле Шеннона информационный поток составит П = 27 х 8 = 216 Мбит/с. Самая плотная упаковка битами канала передачи соответствует примерно 1,5 бит на один период колебаний электромагнитного поля, а значит, для доставки названного информационного потока необходима полоса не менее 140 МГц. Приведенные расчеты преследуют одну цель - показать центральную проблему, с которой в первую очередь сталкиваются все, кто переходит от аналоговых средств к цифровым.

Итак, за удовольствие перейти к цифровому кодированию в телевидении приходится расплачиваться примерно 20-кратным расширением полосы, занимаемой сигналом. За этим стоит ворох очень не простых проблем. Самая очевидная - быстродействие. До начала 80-х годов схемы, способные работать со скоростями, нужными для цифрового телевидения, практически отсутствовали. Понадобилась подлинная революция в микроэлектронике, чтобы такие скорости стали доступными. Следующая проблема состояла в резком росте элементной массы аппаратуры. Действительно, там где в аналоговом телевидении мы имеем один отсчет, в цифровом их не менее 8. Рост элементной массы сопровождается очевидным ростом энергопотребления. Добавим к этому понятное снижение надежности, рост эксплуатационных расходов, объема аппаратуры. Перечень малоприятных следствий можно продолжить, но и сказанного достаточно, чтобы понять основные аргументы скептиков начала 80-х и причины, по которым цифровые технологии первоначально получили лишь ограниченное распространение в телевидении, о чем и говорилось во вступлении.

И все же были - и не в малом количестве - энтузиасты, доказывающие необходимость и неотвратимость перехода к цифре. На что же, способное противостоять столь серьезным аргументам, они опирались? Чтобы пояснить позиции оптимистов, присмотримся к некоторым особенностям цифрового сигнала. Цифровой сигнал - это жестко позиционированный поток импульсов, в котором и наличие импульса, и его отсутствие являются параметрами значащими. При этом форма импульса, строго говоря, значения не имеет. Важно лишь, чтобы в процессе передачи или обработки он не был бы искажен до степени, препятствующей принятию решения о его наличие или отсутствии. Любое искажение формы аналогового сигнала - ошибка, в цифровом - это несущественно в довольно широких пределах. Более того, каждая операция с цифровым сигналом сопровождается регенерацией импульсов.

Высокая защищенность от помех и искажений в канале - очень серьезный аргумент, все значение которого специалисты оценили сразу же. Укажем только на одно (но далеко не единственное) следствие этого. Лучшее, что удалось достичь в аналоговой магнитной видеозаписи - это 4-5 последовательных копий, а цифровая запись выдерживает сотни копий без видимых потерь качества сигнала. Профессионалам не надо долго рассказывать, насколько серьезно такое преимущество.

Аналоговые сигналы для своей обработки требуют большого числа строго специализированных схем, пригодных для решения только одной, раз определенной задачи, и по этой причине уникальны. В цифровых системах набор используемых операций и соответствующих микросхем невелик. Поясним указанное аналогией с различными системами письма. Иероглифы - символы понятий, действий, аналоги предметного мира, который отражают. Поэтому, соответствующее письмо требует огромного массива в десятки, если не сотни тысяч знаков. Буквенные системы письма, в которых символы полностью абстрагированы от отображаемых понятий и объектов, обходятся относительно небольшим набором символов и, соответственно, операций (правил грамматики), с помощью которых формируется сообщение. В процессе исторического развития именно экономия в символах и операциях позволила буквенному письму одержать, если и не полную, то вполне убедительную победу.

Сопоставляя аналоговые и цифровые технологии, мы сталкиваемся с чем-то подобным. Компьютеры, устройства цифрового телевидения оперируют лишь двумя символами: "0" и "1". При этом полный набор возможных функций (в математике и кибернетике их называют функциями Буля) - 16. Из них реально используются не более 4. В итоге, цифровые устройства, специализированные для решения разных задач, по внутренней архитектуре обычно почти неразличимы, а их специализация чаще всего достигается за счет периферии. Высокая степень универсализации цифровых устройств не только на модульно-блочном, но даже на элементном и операционном уровнях - огромное преимущество. Правда сказалось оно далеко не сразу, впрочем как и буквенное письмо не сразу доказало свои преимущества перед иероглифическим и слоговым.

Лет десять-пятнадцать назад размеры отдельных элементов на аналоговых и цифровых микросхемах почти не различались. Поэтому рост элементной массы в цифровых схемах вел к указанным выше нежелательным последствиям. Однако однотипность и минимальный набор требуемых операций и соответствующей элементной базы в конечном итоге вылились в существенные технологические преимущества.

Интересно сравнивать под микроскопом изображения поверхности аналоговых и цифровых микросхем. В первом случае поражаешься невообразимой путанице соединений и элементов, во втором - наблюдаешь поражающую воображение ритмичную и, впрочем, однообразную картину. Последнее верно даже для специализированных цифровых микросхем. При прочих равных условиях периодические или близкие к периодическим структуры проектировать и изготовлять значительно легче и дешевле, чем структуры с уникальным рисунком. Не так очевидно, но для таких структур технологически достижимы меньшие размеры и для отдельных элементов. Короче говоря, на одном стандартном чипе можно разместить существенно (сейчас на порядок и даже выше) больше активных элементов цифровой микросхемы, чем аналоговой. То же самое можно сказать и об удельном энергопотреблении, рассчитанном на один элемент. Именно в этом и состоит сущность технологической революции, в итоге которой цифровая техника, еще относительно недавно отпугивавшая своими размерами и энергопотреблением, сейчас вписывается в стандартные размеры аналоговой аппаратуры и ее энергопотребление и даже приближается к ней по стоимости.

Все могут короли

Главные недостатки цифровой аппаратуры, отпугивавшие в начале 80-х годов, ныне отошли в тень. Для линий связи и сейчас остается проблемой передача столь широкополосных сигналов, какими являются цифровые. Но и здесь ситуация не столь безнадежна. Сокращение избыточности, речь о которой пойдет в одной из следующих статей, позволяет радикально разобраться с этой проблемой.

Уделив должно внимание негативу цифровизации, теперь время обсудить и позитив. Даже неискушенный телезритель заметил, насколько в последние годы изменились по составу и качеству исполнения видеоэффекты. Тот набор эффектов, который прежде удавалось выжать в рамках аналоговой техники, с полным правом можно считать убогим, цифровая технология генерации видеоэффектов позволяет творить буквально чудеса, и наши кудесники на телецентрах уже пресытили ими зрителя.

Другой пример — знакогенерация. Компьютеризация этого процесса не только расширила библиотеку доступных шрифтов, но и позволила ее непрерывно пополнять. Этого мало, любой базовый шрифт, можно деформируя и изменяя масштаб, накладывая тени, контуры, виньетки и другие эффекты видоизменять тысячами способов - насколько хватит фантазии.

Транскодирование, особенно с изменением стандарта разложения, для аналоговой техники всегда было камнем преткновения. Цифровая техника дала радикальное решение этой проблемы. Она же радикально решила и проблему синхронизации отдаленных источников сигналов - столь больную для аналоговой техники. Эти и некоторые другие применения цифровой техники в телевидении практически сразу же получили признание, уже потому, что допускали по сути невозможное в рамках аналоговых систем. Не будет преувеличением утверждать, что цифровая техника в телевидении позволяет делать практически все, что придумает художник. Если и возникнет при этом проблема, то она будет упираться в объем необходимых технических средств и время.

При всем различии внешнего оформления компьютеров и различных устройств цифрового телевидения, в них много внутреннего сходства. Основные узлы: процессор - мозг и командир устройства, блоки оперативной, полупостоянной и постоянной памяти.

Индивидуальность устройству сообщает программа, которая может храниться и вводиться для конкретного использования через постоянную память. В большинстве случаев эту функцию выполняют гибкие магнитные диски, однако ими могут быть и магнитофоны. Для непосредственного использования программы и обрабатываемая информация вводятся в полупостоянную память, функцию которой в современных устройствах цифровой техники обычно выполняют твердотельные магнитные диски. Оперативная память хранит только ту информацию, которая необходима для выполнения текущих операций. Скорость, с которой обрабатывается информация, задается тактовой частотой, она же определяет и скорость работы оперативной памяти. Полупостоянная память работает на порядки медленнее, зато хранит и обеспечивает быстрый доступ к существенно большим массивам информации, чем это позволяет оперативная память. Постоянная память предназначена для длительного, в том числе архивного, хранения информации.

В цифровых устройствах для телевидения процесс часто специализирован, т.е. предназначен для решения ограниченного круга задач. Специализация преследует две цели: упрощение процессора, что, в общем, не является главным, и повышения скорости обработки за счет специализации, что куда существеннее. Нередко, однако, специализация достигается за счет так называемой периферии - дополнительных встраиваемых или внешних блоков. Блоки видеоэффектов, знакогенераторы - чаще всего, но не обязательно, относятся к устройствам с узкой специализацией, определяемой аппаратными, а не программными средствами.

Телевизионная цифровая классика - это комбинация процессора и оперативного блока памяти на один или (что существенно расширяет возможности, но заметно усложняет конструкцию) несколько кадров. Располагая оперативным блоком памяти на кадр и более с произвольным доступом можно решать многие и многие задачи, которые аналоговым системам недоступны. Например, транскодирование: имея запись кадра в одной системе, уже просто, в частности меняя скорость считывания и производя перекодировку сигналов цветности, сформировать сигналы в иной системе. На самом деле алгоритмы обработки не столь просты, но это не меняет сущности - кадровая память всему голова. Кадровые накопители позволяют в реальном времени составлять сложные комбинации из нескольких изображений, используя самые разные алгоритмы - отсюда богатство эффектов, широчайшие возможности микширования и многое другое. Используя все виды корреляции: междуэлементные, междустрочные, междукадровые (последние особенно эффективны) можно выполнить глубокое шумоподавление. Перечень операций, выполняемых на базе оперативной кадровой памяти, значительно шире упомянутого выше, но и сказанного достаточно для оценки потенциальных возможностей цифровой техники с развитой оперативной памятью.

Еще более впечатляющие возможности открываются там, где работа в реальном времени не является обязательным условием. Успехи электронной графики и мультипликации - наглядное подтверждение исключительно широкой функциональной гибкости цифровых изобразительных систем.