Проблема  передачи сигнала

     Но  мало отснять HDTV-программу — нужно еще передать ее потребителю. Одно из условий, поставленных американской FCC, состояло в том, чтобы обладатели обычных телевизоров могли смотреть программы HDTV. Для выполнения этого требования HDTV-сигнал нужно втиснуть в полосу частот шириной 6 мГц (стандартная полоса для одного телеканала). А это на первых порах оказалось очень сложно, поскольку HDTV-сигнал содержит больше информации, чем обычный телевизионный. Настолько больше, что решение так и не было найдено вплоть до появления сжатия видеоданных.

     Проблема  просмотра

     Для того, чтобы воспользоваться всеми преимуществами HDTV, необходимо сидеть от экрана на расстоянии, равном его высоте, умноженной на три. А это недоступно большинству владельцев даже самых последних моделей телевизоров. Предел для диагонали экрана телевизора 16:9 составляет 36 дюймов. Высота такого экрана примерно 40 см. Значит, для получения максимального эффекта присутствия необходимо сидеть приблизительно в полутора метрах от экрана. Конечно, есть плазменные и проекционные телевизоры с экраном более метра в диагонали, но они стоят очень дорого. Так что лишь немногие смогут насладиться HDTV в полном объеме, даже если передачи появятся в эфире. Еще хуже обстоит дело с домашним HDTV-кинотеатром. Видеомагнитофонов, способных записывать сигнал HDTV, нет и не предвидится. Однако на выставке CES 2000, проходившей в Лас-Вегасе в начале этого года, были представлены прототипы DVD для HDTV и устройство записи цифрового телевизионного сигнала на хард-диск, в принципе совместимое с HDTV. Более того, FCC постановила прекратить с 2006 года трансляции в США передач в NTSC и заменить их на HDTV.

     У Европы в общем и у России в  частности, где никто и не заикается  о трансляциях HDTV-программ, таких проблем не существует. Вам не нужен HDTV-аппарат, поскольку нет программ, которые по нему можно было бы смотреть.

      Компрессия  сигнала в HDTV.

     Как уже отмечалось ранее в HDTV в качестве основного стандарта кодирования  используется MPEG-2. Рассмотрим его подробнее.

     Немного истории

     Стандарт MPEG-2 был специально разработан для  кодирования ТВ сигналов вещательного телевидения. Он позволяет получить полную четкость декодированного ТВ изображения, соответствующую Рекомендации 601 МККР. (При скорости передачи видеоданных 9 Мбит/с качество ТВ изображения соответствует студийному).

     С принятием стандарта MPEG-2 работы по компрессии видеоданных перешли в область практической реализации. На данный момент можно назвать, по крайней мере, десяток фирм, которые выпускают для продажи кодеры и декодеры по стандарту MPEG-2. Наиболее известны из них Philips, Panasonic, Page Micro Technology, CLJ Communi-cation, Wegener Communications, Scientific-Atlanta, NTL, Segem Group и др.

     В октябре 1995 г. через спутник Pan Am Sat начато 20-канальноеТВ вещание по стандарту MPEG-2, осуществляемое на территории Скандинавии, Бельгии, Нидерландов, Люксембурга, Ближнего Востока и Африки. В этой сети будет использовано более миллиона декодеров MPEG-2.

     На  стандарт MPEG-2 ориентированы и создаваемая  сейчас 100-канальная система непосредственного  телевизионного вещания (НТВ) Канады, и 150-канальная система НТВ оператора спутника "Эхостар", а также 10-канальная система НТВ Австралии, как и системы НТВ других стран.

     В Российской Федерации телекомпания ВГТРК ввела в эксплуатацию четырехканальную систему НТВ по стандарту MPEG-2. Другие российские телекомпании также планируют начать НТВ по этому стандарту. Например РАО "Газпром" создает систему цифрового вещания в России по стандарту MPEG-2 c использованием спутников "Горизонт" и "Ямал". Здесь по одному стандартному каналу будет передаваться от трех до восьми ТВ программ. К созданию системы привлечены многие известные зарубежные фирмы. Вот некоторые из них: NEC, Vistek, Fuba, Scientific Atlanta и др.

     Стандарт  кодирования MPEG-2

     Даже  в рамках одного стандарта, как показывает практика, передача сигналов телевидения - и цифровое здесь не исключение, ведется на разных уровнях качества. То же самое можно сказать и о телевизионных приемниках. Жесткие, а главное узкие допусковые интервалы, не жизненны, поскольку лишают систему гибкости, приспосабливаемости к разным условиям функционирования с ориентацией на различные слои потребителей. При этом любая перспективная система должна иметь резервы для перехода на более высокие уровни качества. Эти и многие другие соображения и требования легли в основу очень важного документ: ISO/IEC 13818-2.

     В этом документе определено, что стандарт MPEG-2 - это целое семейство взаимно согласованных совместимых цифровых стандартов информационного сжатия телевизионных сигналов с различной степенью сложности используемых алгоритмов.

     Градации  качества ТВ изображения для вещательных  систем в стандарте ISO/IEC 13818-2 устанавливаются  введением четырех уровней для  формата разложения строк ТВ изображения  и пяти профилей для форматов кодирования  сигналов яркости и цветности. Общая идеология построения стандарта поясняется таблицей.

     Примечание: не отмеченные профили и уровни не определены как согласованные точки (нестандартизованы). Все цифровые параметры  даны в Мб/с.

     Расположенный в нижней части таблицы уровень называется "низким уровнем" и ему соответствует новый класс качества ТВ изображения, которое вводится в стандарте MPEG-2 - телевидение ограниченной четкости. В этом случае в кадре ТВ изображения содержится 288 активных строк (в два раза меньше, чем в телевидении обычной четкости) и каждая строка дискретизируется на 352 отсчета.

     Кодирование сигналов телевидения обычной четкости выполняется в соответствии с  основным уровнем, т.е. с форматом разложения на 576 активных строк в кадре, которые кодируются с использованием 720 отсчетов на строку.

     Высокий-1440 и высокий-1920 предусматриваются  для кодирования сигналов телевидения  высокой четкости (ТВЧ). В обоих "высоких" уровнях кадр ТВ изображения содержит 1152 активные строки (вдвое больше, чем в телевидении обычной четкости). Эти строки дискретизируются соответственно на 1440 или 1920 отсчетов.

     В стандарте используются 5 профилей, которым соответствует 5 наборов  функциональных операций по обработке (компрессии) видеоданных. Некоторые  из теоретически возможных наборов функциональных операций по компрессии видеоданных на этапе создания стандарта не были включены в таблицу. Они могут быть введены и стандартизованы в дальнейшем, если будет доказана их необходимость или полезность.

     Профиль, в котором используется наименьшее число функциональных операций по компрессии видеоданных, назван простым профилем. В нем при компрессии видеоданных используется компенсация движения изображения и гибридное дискретно-косинусное преобразование.

     Следующий профиль назван основным профилем. Он содержит все функциональные операции простого профиля и одну новую: предсказание по двум направлениям. Эта новая операция, естественно, повышает качество ТВ изображения.

     Следующий за основным назван профилем с масштабируемым отношением сигнал/шум. Термин "масштабирование", в данном случае, означает возможность обмена одних показателей системы на другие. Этот профиль к функциональным операциям основного профиля добавляет новую - масштабирование. Основная идея - повышение устойчивости цифрового телевидения и сохранение работоспособности при неблагоприятных условиях приема. Операция масштабирования позволяет в рассматриваемом случае повысить устойчивость системы за счет некоторого снижения требований к допустимому уровню отношения сигнал/шум в воспроизводимом ТВ изображении.

     При масштабировании поток видеоданных  разделяют на две части. Одна из них  несет наиболее значимую часть информации - ее называют основным сигналом. Вторую часть, несущую менее значимую информацию, называют дополнительным сигналом. Декодирование только одного основного сигнала позволяет получить ТВ изображение с пониженным отношением сигнал/шум. Одновременное декодирование основного и дополнительного сигналов повышает отношение сигнал/шум до исходного значения.

     И все же, что можно извлечь из идеи деления потока данных на более  и менее значимые части? А все  дело в защите системы от ошибок. Помехоустойчивое кодирование требует  введения дополнительных бит, что повышает общий поток информации. Задача упрощается, когда более мощная защита применяется только к части информации и тем самым соблюдается разумный баланс между уровнем потока видеоданных и степенью их защиты. При неблагоприятных условиях приема (например, при низкой напряженности радиополя, при приеме на комнатную антенну и т.п.) сохраняется возможность устойчивого декодирования более защищенного основного сигнала, а неустойчиво воспринимаемый дополнительный сигнал просто отключается. Как уже сказано, это ведет к росту уровня шума, зато система остается работоспособной.

     Не  так уж редки ситуации, когда сигналы  приходится передавать по каналам с  ограниченной пропускной способностью. Деление потока видеоданных на два, позволяет использовать и "плохие" каналы, ограничивая передачу основным сигналом.

     Следующий, четвертый профиль назван специально масштабируемым профилем. Здесь, естественно, сохранены все операции предшествующего профиля и добавлена новая - разделение потока видеоданных по критерию четкости ТВ изображения. Этот профиль обеспечивает переходы между нынедействующими системами и телевидением высокой четкости. С этой целью видеоданные сигнала ТВЧ разделяются на три потока. Первый - это основной (значимый) поток видеоданных, например, по стандарту разложения на 625 строк. Второй поток несет дополнительную информацию об изображении с числом строк до 1250. Одновременное декодирование первого и второго потоков видеоданных позволяет получить телевизионное изображение высокой четкости, но с пониженным отношением сигнал/шум. В третьем потоке сосредоточена менее значимая информация, его декодирование позволяет повысить отношение сигнал/шум в видеоканале до уровня, принятого в ТВЧ. Обычно первый поток видеоданных, представляющих сигнал 625-строчного ТВ, - это 6 Мбит/с, дополняющий его до ТВЧ - 6 Мбит/с, а повышающий отношение сигнал/шум до уровня, когда шумы визуально незаметны - 12 Мбит/с.

     В рассмотренных четырех профилях при кодировании сигналов яркости и цветности используется формат представления видеоданных 4:2:0, в котором число отсчетов сигналов цветности по сравнению с сигналом яркости уменьшается в два раза не только по горизонтальным, но и по вертикальным направлениям. Следующий, пятый профиль называется высшим профилем, и он включает в себя все функциональные операции специального профиля 4:2:2, при котором число отсчетов сигналов цветности в вертикальных направлениях остается тем же, что и у сигнала яркости (см. рис.).

     Приведенные в таблице пять профилей и четыре уровня образуют двадцать возможных  комбинаций видеосигнала, из которых, вероятнее всего, только одиннадцать будут полезными или необходимыми. Для этих комбинаций (согласованные точки) в таблице указаны максимальные значения скорости передачи видеоданных. Комбинации, которые сегодня не вызывают интереса, в стандарте MPEG-2, пока, не нормированы и в таблице отмечены крестами.

     Для всех стандартизованных точек указаны  максимальные потоки видеоданных, которые  позволяют получить ТВ изображение, свободное от каких-либо дефектов. В  иных случаях они могут проявиться в процессах кодирования/декодирования видеосигнала. Используемые в конкретных кодеках потоки видеоданных могут быть меньше (в несколько раз) указанных значений. Выбор уровня компрессии и, в конечном итоге, уровня потока зависит от допустимой степени искажений ТВ изображения.