Цифровое телевидение

Цифровое телевидение (digital television, DTV) – это система передачи цифрового телевизионного сигнала, его приема, обработки и отображения на цифровых телевизорах. Цифровой сигнал может передаваться конечному пользователю по радиоканалам, кабельным и спутниковым системам, а после приема непосредственно в цифровом виде он используется для формирования изображения и звука.

Бурное развитие цифровых технологий в последние десятилетия явилось предпосылкой к созданию новых систем телевидения. Желание улучшить качественные показатели телевизионного вещания, по сравнению с существующими аналоговыми системами PAL, SECAM и NTSC, привело к появлению новых цифровых стандартов изображения. Хранить необработанное цифровое видео (raw video) сложно из-за поистине гигантских размеров финального файла. В профессиональных камерах размер каждого кадра измеряется порой в десятках мегабайт. Одним из решений этой проблемы является разработка и использование различных способов сжатия исходной видеоинформации с помощью видеокодеков.

Кодек (КОдировщик/ДЕКодировщик), как следует из названия, – это программа, предназначенная для кодирования и декодирования видео. Вопреки расхожему мнению, термины «кодирование» и «сжатие» отнюдь не являются синонимами. Кодирование может включать в себя как сжатие, так и некоторые дополнительные операции, например перевод цветовой палитры видео из компьютерной RGB в телевизионную YC_BC_R.

Сжатие видеопотока может быть реализовано двумя способами – с потерями (lossy) и без потерь (lossless) (рис. 162). Первый способ исключительно хорошо уменьшает размер видеофайлов, он используется в самой конечной фазе производства фильма при тиражировании и предпродажной записи на носители. Однако до этого момента сжатие с потерями никогда не применяется. Сжатие без потерь, напротив, применяется только на промежуточных стадиях обработки видео.

Рис. 162. Способы сжатия информации

Способ кодирования видео каждый производитель кодека волен выбирать сам – лишь бы стандартный декодер смог прочитать результат. Из-за этого кодеки от разных производителей принципиально различаются как по скорости кодирования, так и по качеству конечного результата.

Лидером в области кодеков является международная организация – специальная группа экспертов MPEG (Motion Picture Experts Group), организованная в 1988 г., которая стала разработчиком стандартов на типы кодирования видео- и аудиосигналов. Результатом исследований этой группы стало создание международных стандартов для сжатия цифрового телевизионного сигнала, также получивших название MPEG. Созданные ею кодеки востребованы практически во всех областях, начиная от домашнего использования и заканчивая применением в профессиональных киностудиях самого высокого уровня. Рассмотрим их подробнее.

MPEG-1.Видео в MPEG-1 кодируется в разрешении 352×240 пикселей. Битрейт видео в MPEG-1 постоянный, и для видео CD он составляет 1,5 Мбит/с. Кодек позволяет сжимать видео только в прогрессивном (построчном) режиме.

Формат разделен на несколько частей (parts). Каждая из них отвечает за определенную область работы кодека.

MPEG-1 – Part 1 – отвечает за синхронизацию аудио- и видеоданных.

MPEG-1 – Part 2 – собственно кодек, обеспечивающий сжатие видеоданных.

MPEG-1 – Part 3 – кодек для сжатия аудио.

MPEG-1 – Part 4 – описывает тесты на совместимость аппаратуры с форматом.

MPEG-1 – Part 5 – описывает принципы создания ПО для воспроизведения формата.

Третья часть делится на несколько слоев (layers). Третий слой (MPEG-1 – Part 3. Layer 3), известный как МР3, в представлении не нуждается. Он получил широкое распространение на ПК в качестве формата для хранения музыки, однако в профессиональном видео его используют крайне редко. Для этого предназначены более совершенные слои – МР2 и МР1. Например, МР2 является главным конкурентом Dolby Digital на роль стандартного аудиоформата в DVD-проигрывателях.

MPEG-2специально разработан для кодирования сигналов телевидения. Это общепринятый стандарт, известный как стандарт MP@ML (Main Profile at Main Level – основной профиль при основном уровне), для цифрового спутникового телевидения, компакт-дисков Super VideoCD и DVD. На низких битрейтах MPEG-2 проигрывает MPEG-1 по качеству сжатия видеоданных, но на более высоких (от 4 Мбит/с и выше) уверенно превосходит его.

Стандарт MPEG-2 устанавливает 4 уровня (Levels) разрешения кадра (LL – низкий уровень с разрешением 352×288; ML – основной уровень 720×576, HL-1440 – высокий уровень, 1440×1152; HL-1920 – высокий уровень, 1920×1152) и 5 базовых профилей (Profiles) кодирования сигналов яркости и цветности (SP – простой, МР – основной, 2 масштабируемых профиля и HP – высокий).

По сравнению с традиционной аналоговой системой, цифровое телевизионное вещание имеет следующие преимущества:

– очень высокое качество изображения;

– большее число программ;

– пониженные требования к мощности передаваемого сигнала;

– пониженные требования к отношению сигнала к шуму;

– отсутствие повторных изображений.

Пониженные требования к мощности передаваемого сигнала означают меньшее взаимное влияние соседних каналов.

Аудиокодек MPEG-2 является развитием МР1/2/3. Основной его отличительной особенностью является поддержка многоканального звука формата 5.1.

Таблица 14

Основные форматы цифрового телевизионного изображения*

* Каждый формат характеризуется разрешением, коэффициентом пропорциональности изображения, частотой и типом развертки: p – построчная, i – чересстрочная.

MPEG-3 разрабатывался как стандарт для цифрового кабельного телевидения высокой четкости HDTV (High Definition Television). Он использует очень высокий битрейт – до 40 Мбит/с, что в десять раз выше стандартного значения для MPEG-2. Вместе с тем реальных преимуществ по сравнению с MPEG-2 он не обеспечивает и поэтому данный формат не получил широкого распространения.

MPEG-4создавался специально для использования на маломощных ПК и сети Интернет. Его наиболее очевидное преимущество перед остальными стандартами MPEG заключается в возможности организации трансляции видео через сеть, так как он оптимизирован под низкий битрейт (ниже 1 Мбит/с).

В настоящее время экспертная группа MPEG работает над созданием принципиально нового формата хранения мультимедиа, который позволит объединить видео с практически любым типом информации. Рабочее название проекта – MPEG-21.

Согласно разрабатываемой спецификации мультимедийная информация будет хранится в одном файле, который в терминологии MPEG-21 называется «цифровой единицей» (digital item). Новый стандарт будет поддерживать трансляцию через сеть. Благодаря системе идентификации пользователей «цифровой единицы», можно распределять права доступа к внутренней информации. Формат использует язык XML для описания данных; таким образом, он является независимым от платформы.

DivX.Популярность MPEG не могла не остаться незамеченной разработчиками других стандартов; вместе с тем говорить о том, что этот кодек лишен недостатков, нельзя. К большому сожалению, доработка формата MPEG силами энтузиастов является незаконной. Французский программист Джером Рота, приложивший немало усилий для расширения возможностей кодека MPEG, предпочел не распространять нелегальные исправления и дополнения, а создать на их основе доработанный вариант кодека MPEG. Так появился DivX 3.11 Alpha.

Реакция на появление нового кодека со стороны группы MPEG была отрицательной. Создателю DivX грозили длительными судебными разбирательствами. Для сохранения формата Д. Рота принял решение переписать кодек, чтобы устранить проблемы с его законностью. В 2000 г. он создал фирму DivX Inc., которая приступила к разработке нового кодека. Результатом работы стал полностью легальный кодек DivX 4.0. Работы по совершенствованию кодека продолжаются.

XviD. Еще до создания четвертой версии своего кодека компания DivX Inc. создала проект с открытым исходным кодом OpenDivX. В разработке нового кодека, который должен был стать основой для DivX 4.0, участвовало большое число энтузиастов. Однако в июле 2001 г. было объявлено о прекращении работ над OpenDivX и закрытии проекта. Но это не остановило сторонних разработчиков, которые решили продолжить работу над проектом без участия DivX Inc. Новый проект назвали XviD (анаграмма от DivX).

В настоящее время осуществляется переход на новые цифровые стандарты аудиовизуальных технологий. Наиболее вероятным кандидатом на роль эфирного ТВ нового поколения считается стандарт DVB-T (табл. 15).

Для передачи телевизионных программ будут использоваться в первую очередь существующие наземные вещательные станции. DVB-T транслируется в метровом диапазоне на каналах с 5-го по 10-й и в дециметровом – на каналах с 21-го по 69-й. Напомним, аналоговое телевидение использовало только первые шестьдесят каналов, но цифровая техника вещания и приема позволяет без проблем освоить девять дополнительных. Стандарт DVB-T позволяет вести одновременные трансляции до 32 программ.

Антенны, которые до сих пор применялись для приема аналоговых сигналов, можно использовать и с цифровым телесигналом. Большая часть аналогового распределительного оборудования и антенных усилителей в состоянии обрабатывать цифровой сигнал.

Таблица 15