«625»
«Звукорежиссер»
«ТТК»
Преобразователи стандартов
Десять лет назад на одной из конференций по технике телевизионного вещания прозвучало предложение сделать паузу в принятии новых телевизионных стандартов [1]. Автор доклада предложил использовать перерыв для систематизации существующих и изменения порядка принятия новых стандартов. Введение нового стандарта затрагивает интересы всех работников, занятых в телевизионном производстве, поэтому, говорил докладчик, нельзя доверять такое серьезное дело только техническим специалистам.
Телевизионные стандарты — это документы, содержащие детальное описание сигнала, совместимого со стандартным телевизионным приемником. Поэтому любой стандарт дает в первую очередь техническое описание метода радиочастотной передачи изображения и звукового сопровождения. Однако при производстве телевизионных программ радиочастотные параметры обычно не имеют принципиального значения, в этом случае наиболее важны параметры стандарта разложения изображения, определяющие дискретизацию изображения в пространстве и во времени: число строк в кадре, схема расположения строк, число полей, частота кадров. Автор доклада имел в виду стандарты, регламентирующие параметры видеосигнала, алгоритмы и системы видеокомпрессии, форматы файлов для передачи видеоданных и т. п. Фоном, на котором раздался этот крик души работника телекомпании, озабоченного проблемами перезаписи хранимых материалов в условиях неопределенного множества стандартов, была дискуссия о цифровой видеозаписи и разгорающаяся война форматов.
А ведь это произошло тогда, когда еще не было цифрового телевизионного вещания. Основные параметры стандартов телевизионного вещания, существовавших в мире в то время, можно привести в нескольких таблицах (табл.1…4). Число форматов цифровой видеозаписи еще не достигало десяти. Но даже в такой ситуации приходилось решать проблему сосуществования аналоговых форматов Betacam SP и Hi8 и цифровых D-3, D-5, Digital Betacam, DVCAM, DVCPRO и Betacam SX. Форматами передачи сигналов в процессе производства были композитный сигнал PAL в аналоговой форме, Y/C, PAL в цифровой форме, цифровой последовательный интерфейс SDI со встроенным звуком. Стандартом передаваемого телевизионного сигнала был PAL.
| Таблица 1. Основные параметры стандартов аналогового наземного телевизионного вещания | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Код | Частота кадров, Гц | Число строк | Частотный диапазон | Смещение звука, МГц | Модуляция видео |
| A | 25 | 405 | VHF | -3,5 | позитивная |
| B | 25 | 625 | VHF | +5,5 | негативная |
| C | 25 | 625 | VHF | +5,5 | позитивная |
| D | 25 | 625 | VHF | +6,5 | негативная |
| E | 25 | 819 | VHF | +11 | негативная |
| F | 25 | 819 | VHF | +5,5 | позитивная |
| G | 25 | 625 | UHF | +5,5 | негативная |
| H | 25 | 625 | UHF | +5,5 | негативная |
| I | 25 | 625 | UHF | +6,0 | негативная |
| K | 25 | 625 | UHF | +6,5 | негативная |
| KI | 25 | 625 | UHF | +6,5 | негативная |
| L | 25 | 625 | UHF | +6,5 | позитивная |
| M | 30 (29,97) | 525 | VHF/UHF | +4,5 | негативная |
| N | 25 | 625 | VHF/UHF | +4,5 | негативная |
В прозвучавшем призыве был свой резон. Нельзя не отметить, что в телевизионном вещании стандартов много. Но телевизионные стандарты — это не только вопрос техники. Введение нового стандарта влияет на все этапы технологического процесса телевизионного производства — от планирования до выхода в эфир и сохранения программы в библиотеке или архиве. Введение нового формата — это не только приобретение нового оборудования, но и изменение технологического процесса, а также переподготовка персонала. Стоимость оборудования возрастает за счет оснащения его различными интерфейсами, обеспечивающими работу с сигналами разных стандартов. Однако в практике работы конкретной телекомпании все интерфейсы не будут использоваться. Преобразование стандартов требует аппаратных ресурсов, обслуживания, времени и денег. Наконец, сам процесс подготовки стандартов является весьма дорогостоящим. В условиях все возрастающей конкуренции во всех секторах телевизионного вещательного рынка такие дополнительные расходы могут рассматриваться как неоправданная трата средств.
|
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
За последние годы число разнообразных телевизионных стандартов и форматов увеличилось многократно, соответственно возросло и число вопросов. Что представляет собой преобразователь стандартов сегодня? Прибор, который необходим только потому, что за десятилетия существования и развития телевидения было принято множество стандартов? Известно, что стандарты принимались не только на основе технических исследований, но и в результате политических решений. Является ли многообразие стандартов только результатом недальновидных действий технарей и политиков? Может ли мир телевидения стать благоразумнее и прийти к глобальной унификации? Возможна ли и целесообразна ли унификация и минимизация числа стандартов?
| Таблица 4. Основные параметры системы цветного телевидения SECAM | ||
|---|---|---|
| Система | SECAM-B,G,H | SECAM-D,K,K1,L |
| Число строк/полей | 625/50 | 625/50 |
| Частота строк, кГц | 15,625 | 15,625 |
| Частота полей, Гц | 50 | 50 |
| Полоса видео, МГц | 5,0 | 6,0 |
| Несущая звука, МГц | 5,5 | 6,5 |
«Ускорители» прогресса
Преобразователи стандартов появились как техническое средство, обеспечивающее международный обмен телевизионными программами. И сейчас обеспечение обмена программами является важным для практики, однако на первый план постепенно вышли совсем другие аспекты преобразования стандартов. Внедрение новых технических средств и новых технологий в телевизионное вещание всегда было связано с так называемой «проблемой телевизионного приемника». Огромное количество телевизоров, находящихся у населения страны и работающих в соответствии с ранее принятым телевизионным стандартом, делает невозможной скачкообразную и даже просто быструю замену стандартов. Однако прогресс в технике телевизионного вещания не останавливается, только новые технологии часто вводятся на отдельных «островках». Конечно, наибольшая скорость внедрения новых технологий наблюдается в тех областях телевидения, которые непосредственно не связаны с приемом программ. Обеспечить работу «островков новых технологий» в рамках прежней — стандартной — инфраструктуры телевизионного вещания способны только преобразователи стандартов. Этому есть достаточно много примеров.
Техника и технология телевизионного производства претерпела кардинальные изменения с введением последовательного цифрового интерфейса SDI, но на выходе студии или телецентра цифровой сигнал должен быть преобразован в SECAM, PAL или NTSC для передачи к телевизионным приемникам. Изменить такую ситуацию может только полный переход к цифровому телевизионному вещанию. Но если такой переход еще не совершился, то требуется преобразование телевизионного сигнала из цифрового формата в аналоговый перед модулятором передатчика. Наилучшие результаты достигаются тогда, когда сначала из цифрового компонентного сигнала формируется цифровой композитный сигнал, который затем преобразуется в аналоговую форму. Конечно, этот процесс можно назвать просто аналого-цифровым преобразованием. Однако для достижения оптимальных результатов указанное преобразование проводится следующим образом. Сначала полный телевизионный сигнал, включающий в себя модулированную цветовую поднесущую, моделируется в цифровой форме в реальном времени как последовательность отсчетов аналогового композитного сигнала, и только потом полученный цифровой прототип полного сигнала преобразуется в аналоговую форму с помощью цифро-аналогового преобразователя. Рассмотренный процесс представляет собой частный случай преобразования стандартов, поскольку форматы цифрового компонентного и аналогового композитного сигналов регламентируются разными стандартами (правда, имеющими одинаковые параметры разложения изображения).
Значительным изменением в телевизионном вещании стал переход к широкому формату экрана. Сам по себе переход к широкому формату не приводит к принципиальным изменениям в телевизионной системе, если только соответствующие изменения выполняются и в передающей, и в приемной части системы. Но трудности возникают тогда, когда надо решить «проблему телевизионного приемника», то есть воспроизвести сигнал широкоэкранного телевидения на экране телевизора с обычным отношением сторон. Аналогичные трудности возникают при воспроизведении изображения обычного формата на широкоэкранном телевизоре. Решением является преобразование стандартов, на этот раз связанное с изменением стандарта разложения изображения. Такое преобразование не связано с изменением частоты полей и кадров. Оно достигается относительно простыми средствами, если это фиксированное преобразование 16:9 в 4:3 или обратно. Но такое фиксированное преобразование всегда связано либо с потерей части изображения, либо с неполным использованием экрана устройства воспроизведения и появлением черных полос на краях экрана. Оптимальным вариантом является динамическое преобразование формата изображения, направленное на заполнение всего экрана сюжетно важной частью изображения, причем этот процесс может включать в себя масштабирование и панорамирование в разных направлениях. Он может также быть программируемым по временному коду. Надо иметь в виду, что динамичное преобразование формата может входить в замысел авторов телевизионной программы. Это означает, что преобразователь стандартов не просто включается в состав оборудования и обеспечивает преобразование формата сигналов, но и помогает в реализации творческих замыслов создателей программы.
Новый этап развития телевидения был открыт благодаря решению 11-й Исследовательской комиссии по телевидению Международного союза электросвязи, которая под председательством профессора М. И. Кривошеева приняла Рекомендацию ITU-R BT.709.3. Эта рекомендация устанавливает единый стандарт производства и международного обмена программами в формате телевидения высокой четкости (ТВЧ). Она определяет допустимые значения двух ключевых параметров телевизионного изображения: числа активных строк и частоты кадров, при которых объединение технических средств телевидения и кино происходит наиболее просто. Эти значения — 1080 активных строк (при построчном разложении) и 24 Гц. Построчное разложение изображения на 1080 активных строк при частоте кадров 24 Гц и представляет собой универсальный формат (называемый часто форматом 24P) производства телевизионных программ и фильмов. Такое решение уже поддержано производителями аппаратуры. Но полномасштабному переходу к новому формату обязательно будет предшествовать его внедрение на отдельных «островах». Совместимость аппаратуры, созданной в соответствии с Рекомендацией ITU-R BT.709.3, с оборудованием других аналоговых и цифровых форматов должна быть обеспечена с помощью преобразователей стандартов.
Преобразование стандартов в этом случае связано с полным изменением характеристик разложения изображения. Простое по современным понятиям решение предполагает применение трехмерных пространственно-временных фильтров. Применение временной фильтрации связано с необходимостью изменения частоты кадров, горизонтальная пространственная фильтрация используется для решения задачи изменения числа отсчетов в строке, вертикальная — для изменения числа строк, вертикально-временная — для преобразования построчного разложения в чересстрочное. Частота кадров в телевидении невелика, поэтому лучшее качество преобразования может быть достигнуто с использованием компенсации движения.
«Проблему телевизионного приемника» пришлось решать и при введении цифрового телевизионного вещания. Эта проблема стояла и тогда, когда внедрялось цветное телевидение. Решение было достигнуто за счет создания систем цветного телевидения, совместимых с черно-белым. Это решение было компромиссным, совместимость была обеспечена за счет ухудшения качественных показателей изображения. Создатели систем цифрового телевизионного вещания ATSC, DVB и ISDB были избавлены от необходимости идти на компромисс благодаря преобразователям стандартов, включенным в состав приставок — цифровых телевизионных приемников со стандартным аналоговым выходом, позволяющим смотреть программы цифрового вещания на экранах обычных аналоговых телевизоров.
Еще один импульс, побуждающий внедрять преобразователи стандартов, — все увеличивающаяся вычислительная мощность универсальных компьютеров общего применения и растущее использование их в телевизионном производстве. Функции многих специализированных телевизионных устройств уже могут быть выполнены с помощью компьютеров. Это положение подкрепляется успехами в теории и разработке программного обеспечения для прикладных областей: дизайн и проектирование, моделирование физических процессов, обработка изображений, создание специальных эффектов для кино, видеоигры. Использование стандартных компьютеров в телевизионном производстве привлекательно в экономическом плане. Компьютерная отрасль все настойчивее рассматривает телевизионное вещание как прикладную сферу, ведь нет принципиальной разницы между домашним компьютером и цифровым телевизором. Это может быть выгодно и удобно зрителю.
В компьютерной индустрии были приняты форматы представления изображения, которые упрощают обработку и обеспечивают высокое качество изображения: построчная развертка, квадратный пиксел, высокая частота кадров, при которой незаметны мелькания. Это делает компьютерную область несовместимой с телевизионным вещанием. Выход — применение преобразователей стандартов. Обмен сигналами между компьютерами и телевизионными устройствами связан с полным изменением характеристик разложения изображения и достигается за счет применения трехмерных пространственно-временных фильтров и алгоритмов компенсации движения.
Первоначальная роль преобразователей стандартов — выполнять функции мостов-коммуникаторов между «материками» с различными способами представления информации о телевизионном изображении. Преобразователи сделали возможным международный обмен телевизионными программами. Спрос рождает предложение? Да, преобразователи появились в ответ на потребность в обмене программами. Но в отношении сегодняшних преобразователей стандартов это было бы чрезмерно утилитарным толкованием. Никакой спрос на международный обмен программами не мог привести к появлению совершенных и прозрачных преобразователей стандартов в эпоху аналогового телевидения. Успехи в преобразовании форматов телевизионных сигналов, ставшие возможными благодаря достижениям в теории обработки сигналов и переходу к цифровым методам, позволили превратить преобразователи стандартов в ускорители процесса внедрения новой техники в телевизионное вещание.
Многостандартное телевидение
Размышляя абстрактно, нельзя не отметить, что любой технической отрасли выгодно иметь сравнительно небольшое число открытых и стабильных стандартов. Но, рассуждая конкретно и обсуждая содержательную сторону проблемы, надо признать, что растущее разнообразие стандартов и форматов сигналов в телевизионном вещании имеет объективные причины. Современное телевизионное производство становится многостандартным.
Продюсер и режиссер могут изначально задумывать свою телевизионную программу или фильм как картину в стандартном или широкоэкранном формате, как цветное или черно-белое зрелище. Программные или фильмовые материалы могут сниматься в формате высокой четкости, затем переводиться в формат стандартной четкости для монтажа. Компоновка и монтаж программы или фильма с использованием материалов в формате стандартной четкости может иметь двоякую цель. Во-первых, смонтированные материалы могут быть записаны на видеокассету или выпущены в эфир в телекомпании, работающей в формате стандартной четкости. Во-вторых, монтаж в формате стандартной четкости может рассматриваться в качестве чернового, или косвенного, монтажа по субкопиям, позволяющего получить лист монтажных решений для монтажа в формате высокой четкости. Версия программы или фильма в формате высокой четкости может использоваться для вещания в компании, работающей в формате ТВЧ, она может быть также записана, например, на DVD и показана в цифровом кинотеатре.
В программные материалы формата высокой четкости могут вставляться архивные материалы стандартной четкости, а также фрагменты кинофильмов. В программах новостей могут использоваться материалы, полученные из других стран, а также снятые с помощью бытовой видеокамеры или камеры мобильного телефона. В телевизионном производстве все чаще используются вычислительные машины: журналисты, готовящие программу новостей, просматривают сюжеты на экранах компьютеров. В производстве программ могут использоваться изображения, синтезированные на компьютере, и фотографии, полученные с помощью цифровых фотокамер разного разрешения. При записи цифровых телевизионных сигналов используется видеокомпрессия, сигналы между видеомагнитофонами или серверами могут передаваться в компрессированном виде. Итак, в процессе телевизионного производства все время возникает задача совместного использования мультимедийного оборудования, работающего в разных стандартах представления видеосигналов, и, соответственно, преобразования стандартов.
Зритель может смотреть фильм в зале цифрового кинотеатра, дома на экране широкоформатного телевизора, в самолете на экране ноутбука. Он может наблюдать телевизионную программу новостей во время завтрака, глядя на экран телевизора обычного формата и стандартной четкости, а может посмотреть эту программу, воспользовавшись мобильным телефоном, на экране которого разрешение будет во много раз меньше. В зале цифрового кинотеатра зритель, конечно, захочет услышать звуковую составляющую фильма в формате стерео или кругового звука. При воспроизведении программы с помощью мобильного телефона удовлетворительным будет монофонический звук. Зритель может захотеть смотреть телевизионную программу не тогда, когда она транслируется в эфире, а тогда, когда у него будет время. Для этого надо записать программу с помощью персонального дискового рекордера. Снова мы сталкиваемся с необходимостью преобразования телевизионного изображения и звука в разнообразные форматы.
Задачи телевизионного производства разнообразны, требования к оборудованию — многогранны, часто — противоречивы. Телевизионная отрасль претерпевает кардинальные изменения. Современное телевизионное оборудование — результат конвергенции телевидения, кинематографа, компьютерной и телекоммуникационной техники.
Источники информации, используемые в процессе создания телевизионных программ, — самые разные. Зритель хочет смотреть программы и фильмы в любое время и с помощью самых разных устройств воспроизведения. Очевидно, что требования к телевизионным сигналам столь разнообразны, что невозможно создать унифицированный телевизионный стандарт. Таблица, в которой приведены параметры стандартов разложения изображения в современном цифровом телевидении [2], впечатляет своими размерами (табл. 5). Число вариантов преобразований стандартов исчисляется уже сотнями. Оно еще больше возрастает, если учесть разнообразие разрешений в компьютерной графике (табл. 6).
| Табл. 6 Разрешение стандартов видеографики | |
|---|---|
| Формат | Разрешение |
| VGA | 640x480 |
| SVGA | 800x600 |
| XGA | 1024x768 |
| SXGA | 1280x1024 |
| UXGA | 1600x1200 |
Можно возразить, что творческому работнику и зрителю совершенно все равно, сколько строк в телевизионном изображении. Пусть, например, всегда используется формат высокой четкости. Но тогда на первый план выступают экономические соображения. Да, режиссеру все равно, монтируется ли фильм непосредственно с использованием оборудования высокой четкости или для создания листа монтажных решений используется оборудование стандартной четкости, а потом на основе этого листа чистовой монтаж в формате высокой четкости может быть выполнен в автоматическом режиме за минимальное время. Но монтажный комплекс в формате высокой четкости (и каждый час его использования) стоит намного больше, чем комплекс стандартной четкости. Совсем неразумно в экономическом отношении передавать огромные цифровые потоки, связанные с форматом высокой четкости, на мобильные устройства с малым разрешением экрана, такие, как, например, карманные компьютеры или мобильные телефоны. Такую передачу пока трудно представить и в техническом отношении. Итак, можно утверждать, что унификация телевизионных стандартов пока не может быть реализована технически и что унификация невыгодна в экономическом плане. Телевидение будущего будет многостандартным.
Однако утверждение о многостандартности телевидения не следует понимать упрощенно и слишком буквально.
Сети телевизионного вещания имеют много общего с компьютерными сетями передачи данных. Эффективным средством описания процессов обмена данными в телевизионных системах и сетях телевизионного вещания является многоуровневая модель, подобная семиуровневой модели ISO/OSI или стеку протоколов TCP/IP. Такой подход позволяет рассматривать обмен данными между паритетными модулями, или модулями одного уровня. Телевизионные стандарты, введенные в аналоговом телевидении, часто относятся ко всей системе, регламентируя правила общего обмена информацией. Положения стандартов, вводимых в цифровом телевидении, часто относятся к одному или нескольким соседним уровням сетевой модели. И выводы, сделанные относительно необходимости сокращения числа стандартов, и утверждения, касающиеся разнообразия стандартов (протоколов обмена, как можно было бы говорить, пользуясь терминологией сетей передачи данных), справедливы, но по отношению к разным уровням. На нижних уровнях сетевого обмена данными (физическом, канальном, сетевом, транспортном) количество стандартов должно быть невелико, они должны быть стабильными. Именно эти уровни определяют механические и электрические характеристики интерфейсов, виды модуляции, правила упаковки и передачи данных по линиям связи, протоколы коммутации в сетях передачи, защиту от ошибок, алгоритмы компрессии. На верхнем уровне, который является уровнем приложения, может быть допущено большое количество протоколов, форматов и стандартов, направленных на решение разнообразных практических задач. Именно прикладной уровень непосредственно связывает создателя программ и зрителя. Разнообразие оборудования и аппаратуры прикладного уровня расширяет технические и технологические возможности телевизионного производства и творческие возможности создателей программ, с одной стороны, и увеличивает количество приложений, доступных потребителю, или зрителю, — с другой. И значимую роль в этом должны сыграть алгоритмы и устройства преобразования стандартов.
Итак, да здравствуют преобразователи стандартов!
Литература:
1. R. Hopper. Standards: Who needs them? Broadcast Hardware International. No 62, November 1996, pp.7-8.
2. P. Wilson. Navigating the Rapids of DTV Standards Conversion. http://www.snellwilcox.com/knowledgecenter/whitepapers/papers/dtv_standardsconv. pdf
…