Конференция IBC2007: телевидение высокой четкости

Константин Гласман

От редакции. Константин Гласман является членом-корреспондентом программного комитета конференции IBC

Тематические дни конференции

Конференция Международной вещательной конвенции (International Broadcasting Convention — IBC) 2007 года была проведена в Амстердаме 6…10 сентября. Формат конференции соответствовал принципу, отработанному в предыдущие годы — она представляла собой объединение тематических дней. Мероприятия каждого дня были посвящены одной из «горячих» тем современного телевизионного вещания.

День 6 сентября был отведен на обсуждение вопросов темы «Вещание по широкополосным сетям» (Broadcasting by broadband). 7 сентября участники конференции обсуждали проблемы вещания как сферы бизнеса, тема дня — «Сокращающийся мир, растущий рынок, глобальный бизнес» (Shrinking world, growing markets, global business). День 8 сентября был посвящен мобильным и пользовательским приложениям телевизионного вещания, его тема — «Цифровой стиль жизни дома и в движении» (Digital lifestyles — media to your home or on the move). Проблемы телевизионного производства были главными 9 сентября, тема — «Производство контента: создание, управление, доставка» (Content production: Creation — Management — Delivery). Заключительный день конференции 10 сентября был отведен цифровому кинематографу как одной из важнейших прикладных областей телевидения — «Цифровое кино — большой экран идет к цифре» (D-cinema — the Big Screen is going digital).

Каждый день в рамках конференции проводились и пленарные заседания, на которых крупные организаторы отрасли излагали свое понимание проблем телевизионного вещания, и научно-технические заседания, посвященные разным направлениям научных исследований и технических разработок. Большой популярностью среди участников пользовались круглые столы, на которых велись дискуссии известных специалистов по вопросам, выбранным заранее или заданным аудиторией. Огромный интерес вызывали заседания учебного характера, призванные донести информацию о современном состоянии техники и технологий в простой и доходчивой форме.

На конференции IBC2007 обсуждалось множество вопросов. Один из них — телевидение высокой четкости — был в повестке дня ведущих научно-технических форумов мира около 25 лет. Однако реальный старт ТВЧ произошел совсем недавно. Годом решающего прорыва ТВЧ на рынок стал 2006-й, это было связано с появлением сравнительно недорогих телевизоров на базе плоских плазменных и жидкокристаллических панелей. И если на заседаниях IBC2006 дискуссии были посвящены обсуждению самых первых шагов ТВЧ, то на конференции IBC2007 внимание уделялось проблемам укрепления и расширения позиций телевидения высокой четкости в сфере вещания.

Бразильский старт

После долгих технических и политических дискуссий Бразилия приняла решение о переходе к цифровому телевидению на основе собственного стандарта. В июле 2006 года был издан декрет о стандарте цифрового телевидения, а в начале 2007 года опубликована первая версия технической спецификации. Описанию бразильского стандарта цифрового телевидения был посвящен доклад The Brazilian Digital Television Standard («Бразильский стандарт цифрового телевидения»), авторы которого А.Е.Ф. Сильва (A.E.F. Silva), П. Х. Кастро (P.H. Castro) и Р.А. Насименту (R.A. Nacimento) представляли компанию TV Globo (Бразилия).

При разработке стандарта учитывались не только технические аспекты проблемы, но и геополитические факторы. Бразилия занимает 47% площади Латинской Америки, ее население превышает 180 млн человек. 99,7% населения пользуются услугами открытого бесплатного телевизионного вещания, но только 4,5 млн являются подписчиками платного телевидения. Вещатели объединены в пять главных телевизионных сетей, каждая из которых имеет более ста отделений по стране.

Бразильский стандарт цифрового телевидения регламентирует только наземное вещание. Целью его разработки было обеспечение:

• вещания в формате телевидения высокой четкости;
• многоканального вещания в формате телевидения стандартной четкости;
• работы мультимедийных служб;
• высококачественного приема видео, звука и данных мобильными и портативными приемниками.

Сигналы для стационарного и мобильного приема могут объединяться при передаче в рамках трехуровневой иерархической структуры. Используется сегментация спектра излучаемого радиосигнала. Один сегмент в центре полосы частот может использоваться для передачи на мобильные устройства.

Сжатие потоков цифровых данных, выполняемое в рамках кодирования источника, основывается на системе компрессии MPEG-4: усовершенствованное кодирование видео AVC и звука AAC. При канальном кодировании используется частотное уплотнение с ортогональными несущими (OFDM). Параметры системы исправления ошибок и типы модуляции могут устанавливаться независимо для каждого сегмента (ряд возможных типов модуляции включает QPSK, DQPSK, 16QAM, 64QAM). Бразильская система цифрового телевидения практически идентична японской системе ISDB в отношении канального кодирования и модуляции. Уточнения связаны с особенностями частотного планирования в Бразилии.

Обратный канал, необходимый для организации интерактивных служб, основывается на стеке протоколов TCP/IP. Приемники будут иметь интерфейс USB для подключения внешнего модема, который обеспечит соединение с сетями телекоммуникаций, созданных на основе разных технологий.

Старт цифрового телевидения в Бразилии стал результатом многолетних исследований. Переход к нему не только решил крупную техническую проблему, но и предоставил всем социально-экономическим сегментам общества доступ к цифровым информационным технологиям.

Мониторинг изображения высокой четкости в телевизионном вещании

Контроль качества ТВ-изображения в студиях традиционно выполнялся с помощью мониторов и дисплеев на базе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) с теневой маской — кинескопов. Это было вполне оправданно, так как домашние телевизоры также строились на базе ЭЛТ. Эталонный монитор телевизионной студии фактически представлял собой элитную версию телевизора. Сейчас кинескопные телевизоры уступают место плазменным и жидко-кристаллическим панелям. Но на какое устройство воспроизведения должна быть рассчитана сегодня техника вещания: на плазменную панель, на ЖК-дисплей, на абсолютно новый по технологии дисплей, на теоретически идеальный дисплей, на сотни миллионов существующих телевизоров и дисплеев на базе электронно-лучевых трубок?

Попытка дать ответ на эти совсем не тривиальные вопросы была сделана в докладе HD Picture Monitoring in the Broadcast Environment («Мониторинг ТВЧ-изображения в вещательной среде»), который представил Найджел Сет-Смит (Nigel Seth-Smith) из канадской компании Gennum.

Кинескоп имеет много недостатков. Изображение на его экране подвержено геометрическим искажениям, на нем проявляется неточная фокусировка электронного луча, может быть нарушена чистота цвета. Телевизор на базе кинескопа имеет большие габариты и массу. Все эти недостатки устраняются при переходе к плоским плазменным и жидкокристаллическим панелям. Однако электронно-лучевая трубка ближе к идеалу в отношении качества воспроизведения движущихся объектов.

В докладе анализируются параметры дисплеев на базе кинескопов, которые всегда подразумевались, но требуют ясного толкования при использовании дисплеев на основе других технологий, ведь многие параметры телевизионного оборудования, например, характеристики гамма-корректоров в камерах и телекинопроекторах, устанавливались в расчете на кинескоп как целевой дисплей.

Автор работы также рассматривает проблему выбора дисплеев для нового поколения телевизионных мониторов. Он приходит к выводу, что единственно возможной заменой кинескопа при создании мониторов нового поколения является жидкокристаллическая панель. Однако в любом случае измерение характеристик мониторов становится намного более сложной задачей, чем во времена электронно-лучевых трубок.

В плоских панелях дисплеев и мониторов используются преобразователи чересстрочного растра в построчный. Надо также отметить, что переход к цифровому телевидению заставляет подвергать изображения большему количеству преобразований. Для того чтобы сохранить разрешение и качество передачи мелких деталей при таких преобразованиях, как трансформации структур дискретизации, частоты кадров, отношения сторон кадра и т.п., надо иметь изображение в построчной форме. Однако пока в вещании используется преимущественно чересстрочная развертка изображения, поэтому необходимы преобразователи чересстрочного растра в построчный. Потребность в преобразователях сохранится и в будущем, поскольку останется необходимость использовать архивные материалы стандартной четкости в чересстрочном формате.

В докладе Algorithms and Artifacts: A Practical Guide to Deinterlacing («Алгоритмы и артефакты: практическое пособие по преобразованию чересстрочного растра в построчный»), который сделал Лей Уиткомб (Leigh Whitcomb) от имени Harris Corporation (Канада) классифицируются алгоритмы преобразования чересстрочного растра в построчный. Автор отмечает, что есть много алгоритмов такого преобразования, но нет ни одного совершенного. Все они создают различные искажения и артефакты, которые к тому же зависят от содержания изображения. Он делит все схемы на детерминированные алгоритмы, алгоритмы, адаптивные к движению, и алгоритмы с компенсацией движения. Автор приходит к выводу, что для многих прикладных областей наилучший компромисс между качеством преобразования и стоимостью обеспечивают алгоритмы, адаптивные к движению.

Докладчик привлекает также внимание к проблеме конкатенации преобразователей чересстрочного растра в построчный. Стоимость компьютерного оборудования падает, вычислительная мощность растет, становится возможным применение новых, более совершенных алгоритмов с меньшими артефактами. Однако число устройств, которые выполняют преобразование чересстрочного растра в построчный, растет, появляется конкатенация артефактов. Качество итогового изображения определяется параметрами наихудшего преобразователя. Но конкатенация преобразователей приводит иногда к непредсказуемым последствиям. Эта проблема становится еще более острой, когда изображения, полученные в телевидении, объединяются с киноизображениями и изображениями, синтезированными средствами компьютерной графики.

Успешная реализация теоретических положений мониторинга изображения в телевизионных системах высокой четкости продемонстрирована в докладе Master Monitor Image Processing («Обработка изображения в мастер-мониторе»). Авторы работы И. Осаки (Y. Osaki), К. Сано (C. Sano), Н. И. Сондерс (N. I. Saunders), К. Дж. Шарман (K. J. Sharman), С. Шимазаки (S. Shimazaki), М. Такэ (M. Take) из Sony Corporation (Япония) и Sony Broadcast & Professional Research Labs (Великобритания) отмечают, что дисплеи, в которых используются плоские панели, обладают многими преимуществами в сравнении с устройствами на электронно-лучевых трубках. Но для того, чтобы плоские панели стали использоваться в следующем поколении эталонных мониторов, должен быть решен ряд технических проблем.

Разработка монитора включала создание трех новых элементов: 23" жидкокристаллической панели с полным разрешением телевидения высокой четкости 1920×1080, управляемой осветительной системы панели, процессора профессионального монитора. Был разработан комплект интегральных схем, позволяющих построить такой процессор, содержащий два основных элемента: процессор динамических изображений и масштабирования и процессор цвета и калибровки.

Процессор динамических изображений и масштабирования обеспечивает преобразование чересстрочного изображения в построчное. При этом используется алгоритм на основе оценки движения. Процессор также реализует геометрические преобразования изображения, которые необходимы для воспроизведения изображений разных форматов на панели с заданным разрешением. Процессор цвета и калибровки обеспечивает точное согласование с предыдущим поколением профессиональных эталонных мониторов на ЭЛТ. Он также корректирует пространственные и временные характеристики жидкокристаллических панелей. Однородность цвета и яркости в пределах экрана, что важно для монитора, достигается за счет управления осветительной системой жидкокристаллической панели.

Созданная ЖК-панель способна работать при удвоенной частоте кадров (до 120 Гц). В ней используется управляемая вставка черных кадров и черных строк, что позволяет эмулировать пространственно-временные характеристики традиционных электронно-лучевых трубок. Вставка черных кадров при удвоенной кадровой частоте позволяет уменьшить размытие движущихся изображений. Вставка черных строк при отключении преобразователя чересстрочного изображения в построчное позволяет эмулировать работу ЭЛТ при чересстрочной развертке.

Доложенная работа была удостоена премии Peter Wayne Award за достижения в области дизайна и инноваций за 2007 год. Эта награда ежегодно присуждается Международной ассоциацией производителей вещательного оборудования IABM, награждение происходит во время работы конференции IBC.

О выборе формата телевидения высокой четкости

Новый метод оценки качества

Актуальной проблеме выбора формата ТВЧ была посвящена работа Quest for Finding the Right HD Format: A New Psychophysical Method for Subjective HDTV Assessment («В поисках верного HD-формата: новый философский метод субъективной оценки ТВЧ»). Авторы  Х. Хофман и Д Вуд (H. Hoffmann, D. Wood), а также Т. Итагаки (T.Itagaki) представляют EBU и Brunel University (Великобритания) соответственно. Целью работы была сравнительная оценка форматов телевидения высокой четкости с использованием нового психофизического метода субъективной оценки качества изображения.

Вещатели, которые хотят ввести телевидение высокой четкости, рано или поздно столкнутся с проблемой выбора формата изображения, типа ком-прессии, скорости цифрового потока данных. Возможно, они решат провести эксперименты, в рамках которых смогут оценить качество изображения и сделать выбор. Однако известно, что методы проведения экспериментов в соответствии с Рекомендацией ITU-R BT.500 позволяют оценивать качество при различных скоростях потока только в рамках одного формата. Прямая сравнительная оценка разных систем не регламентируется этой Рекомендацией. Целью разработки нового метода было обеспечение возможности прямого сравнения различных форматов высокой четкости, простоты, надежности, воспроизводимости результатов, а также независимости от языка, на котором выполняются словесные оценки.

Для нового метода был разработан стенд, на котором три дисплея размещаются один над другим в вертикальной плоскости. Авторы указывают, что часто используемое горизонтальное размещение дисплеев не обеспечивает одинаковых, оптимальных условий наблюдения (расстояние до экранов, угол наблюдения и т.п.) даже в случае небольшой группы экспертов или зрителей.

Верхний монитор используется для демонстрации опорного изображения высшего качества, нижний — опорного изображения низкого качества, на среднем мониторе демонстрируется тестируемое изображение, например, изображение, подвергнутое циклу преобразований компрессии/декомпрессии при разных скоростях цифрового потока. Оценка, даваемая наблюдателем, фиксируется в виде отметки на шкале, верхняя точка которой соответствует опорному изображению высшего качества, а нижняя — опорному изображению низкого качества.

Изображения наилучшего на сегодняшний день в телевидении качества имеют 1080 строк построчного разложения при частоте кадров 50 Гц. В качестве эталона высшего качества и был выбран формат 1080p/50. Опорный уровень низкого качества демонстрируется с помощью чересстрочных телевизионных изображений стандартной четкости при частоте кадров 25 Гц (576i/25). Эти изображения были получены из видеопоследовательностей в формате 1080i/25 путем понижающего преобразования стандартов, а затем подвергнуты циклу компрессии/декомпрессии при скорости потока компрессированных данных 3 Мбит/с.

Были проведены эксперименты с целью оценки качества видеопоследовательностей, созданных в трех основных форматах современного телевидения высокой четкости: 1080p/50, 1080i/25, 720p/50 и в формате телевидения стандартной четкости 576i/25. Для сжатия цифровых потоков видеопоследовательностей в формате высокой четкости использовалась видеокомпрессия H.264/AVC, причем скорости потока были установлены равными 8, 10, 13, 16, 18 Мбит/с. Изображения стандартной четкости компрессировались при скорости потока 4 Мбит/с. Изображения наблюдались на экранах 50" плазменных панелей (в первой серии экспериментов) и 52" ЖК-дисплеев (во второй серии экспериментов). В обоих случаях разрешение дисплеев было 1920×1080.

Результаты сравнения форматов

Новый метод оценки качества с использованием двух опорных изображений позволил получить интересные результаты. Уровни качества некомпрессированных изображений в форматах 1080i/25 и 720p/50 оцениваются как близкие при наблюдении с расстояния, равного трем высотам экрана. Такой результат можно объяснить следующим образом. Известно, что при оценке вертикального разрешения чересстрочного изображения в сравнении с построчным надо число активных строк чересстрочного изображения умножать на поправочный коэффициент 0,6…0,7. Умножая число строк чересстрочного изображения в формате 1080i/25 на поправочный коэффициент, получаем 1080×(0,6…0,7)=650…750. Это означает примерную эквивалентность форматов 1080i/25 и 720p/50 в отношении четкости. Однако эквивалентность не означает равенства. Чересстрочное изображение в формате 1080i/25 обеспечивает большую статическую четкость, а при построчном разложении изображения в формате 720p/50 лучше воспроизводятся границы движущихся объектов.

Для многих видеопоследовательностей в формате 720p/50 оценка была более высокой. Авторы объясняют это следующими причинами. Изображения обоих форматов подвергались в дисплеях цифровой обработке. Изображения в формате 1080i/25 перед воспроизведением на экране преобразовывались в построчную форму, а изображения в формате 720p/50 — подвергались повышающему преобразованию в формат дисплея 1080×1920. Можно сделать вывод, что преобразование в дисплеях чересстрочного изображения в построчное сопровождается большими искажениями и артефактами, чем повышающее преобразование.

Компрессированные построчные видеопоследовательности форматов 1080p/50 и 720p/50 имеют близкие оценки качества изображения. Однако при скоростях потока компрессированных данных, которые не превышают 16 Мбит/с, последовательности формата 720p/50 имеют более высокие оценки.

Рекомендации

В качестве общей рекомендации авторы указывают, что сегодня нет смысла в использовании формата 1080i/25 в процессе производства программ и в вещании. 720p/50 является в настоящее время целесообразным выбором формата доставки при организации телевизионного вещания высокой четкости. Выбор построчного формата позволит также устранить преобразование чересстрочного растра в построчный, выполняемое в дисплеях, мониторах и телевизорах. Известно, что это преобразование является неизвестным и часто непредсказуемым фактором ухудшения качества изображения в канале цифрового телевидения. Использование построчного формата 720p/50 позволяет уменьшить скорость потока компрессированных данных при доставке телевизионных программ при сохранении уровня качества, а это уже экономическое преимущество.

Построчные изображения обоих форматов высокой четкости превосходят по уровню качества чересстрочные изображения при всех скоростях потока компрессированных данных. Основной причиной понижения качества чересстрочных компрессированных видеопоследовательностей являются артефакты, возникающие в процессе видеокомпрессии, поскольку чересстрочные изображения являются «трудно сжимаемыми». Формат 1080p/50 не требует более высокой скорости потока компрессированных данных, чем существующий формат 1080i/25 при использовании кодера H.264/AVC. Это открывает путь к самому высококачественному формату 1080p/50 для тех вещателей, которые сегодня используют 1080i/50.

Заключение-приглашение

Конференция IBC2007 четко продемонстрировала, что мир движется к ТВЧ. А не пора ли российским организациям и специалистам обсудить свой путь к цифровому телевидению высокой четкости? Конференция IBC2008 — удобный форум для дискуссий. Пользуясь возможностью, хочу в качестве члена-корреспондента программного комитета передать послание организаторов конференции IBC и пригласить российских ученых и инженеров телевидения принять участие в конференции, которая будет проведена в сентябре будущего года в Амстердаме. Заявки на участие в IBC2008 можно подать на сайте www.ibc.org

От редакции. Редакция журнала «625» присоединяется к приглашению обсудить проблему ТВЧ и готова предоставить для этого место на страницах журнала. Если у кого-то возникли вопросы к автору статьи, их можно прислать на адрес magazine@625-net.ru. Все присланные вопросы будут переданы Константину Гласману.