Вадим МИХНЕВИЧ, инженер
Внимательный телезритель, видимо, уже заметил, что за последние годы технический уровень телевизионных передач заметно вырос. Экран запестрел изобразительными эффектами, которых раньше не было. Это работает цифровая теxникa, правда, пока еще только в аппаратных телецентра. Цифровое телевидение рождается в недрах аналогового, и хотя антенны телевизоров продолжают излучать в эфир непрерывный (аналоговый) сигнал, участь аналогового телевидения уже предрешена.
Почему перестала удовлетворять аналоговая система, верой и правдой служившая почти полвека? Недостаток — низкая помехоустойчивость. В аналоговых системах используются непрерывные сигналы — электрические аналоги изображения, звука и т. д. Например, считывая изображение, записанное в виде распределения зарядов на мишени передающей трубки, электронный луч скрупулезно воспроизводит все его оттенки, и каждый из них отражается на форме напряжения иди тока. Именно форма сигнала служит носителем информации в аналоговых системах. Сохранить форму при передаче — значит обеспечить высокое качество изображения и звука. Однако каждое звено телевизионного тракта не зависимо от того, где оно находится — в аппаратной телецентра, на борту спутника связи или в самом телевизоре, неизбежно вносит в сигнал свою, часто очень небольшую, но всегда вполне определенную долю искажений. Коварство же аналоговых систем проявляется в том, что искажения в них накапливаются. Парадоксально, но качество передачи аналоговыми методами часто зависит не столько oт качества annapaтypы, сколько от числа обработок сигнала — чем их больше, тем значительнее и искажения.
 |
| Так выглядят сегодня аппаратные Останкинского телецентра. |
И наконец, не последнюю роль сыграли требования. предъявляемые к современной электронной аппаратуре в сфере ее производства и эксплуатации. Ключевым стало слово «автоматизация»: способность автоматически поддерживать параметры в заданных пределах, способность к самодиагностике, пригодность к изготовлению на автоматизированном производстве. Сложное аналоговое телевизионное оборудование здесь уже проигрывало — его гораздо труднее поставить под контроль ЭВМ, нежели цифровое.
ПОРТРЕТ В ДВОИЧНОМ КОДЕ
Идея использования цифровых методов в телевидении буквально витала в воздухе, по крайней мере, с начала 70-х годов. Однако задача была не так проста. Хотя к тому времени уже имелся солидный опыт использования цифровой техники связи, цифровая телеаппаратура не покидала стен лабораторий: советские ученые вели напряженный поиск наиболее оптимальных способов цифрового кодирования телевизионных сигналов. Руководил этими исследованиями профессор, доктор технических наук, лауреат Государственной премии СССР Марк Иосифович Кривошеев.
Главная трудность заключалась в том, что телевизионный сигнал является самым широкополосным из радио сигналов, передаваемых но линиям связи. Даже предварительные подсчеты показывали: его представление в цифровой форме породит цифровые потоки огромном емкости, что вызовет большие сложности при их передаче. Нужно было выбрать нормы кодировании, обеспечивающие, с одной стороны, высокое качество изображения, а с другой — свести к возможному минимуму цифровые потоки. Чтобы точно попасть в эту «вилку» требовался большой объем экспериментов, ибо на часть вопросов теория ответа не давала.
И наши советские ученые блестяще справились с задачей. Чуть позже мы скажем, как научно обоснованные и экспериментально проверенные предложения по цифровому копированию были представлены в Международную организацию по радиовещанию и телевидению (ОИРТ), в Международный консультативный комитет по радио (МККР), и советско-французскую комиссию по цветному телевидению. Рекомендуемый стандарт (пока он касался только оборудовании телецентров) был единогласно принят XV пленарной Ассамблеей МККР Этот факт имел огромное значение для будущего телевидения: создавались реальные предпосылки для замены трех национальных стандартов СЕКАМ, ПАЛ и НТСЦ единым мировым стандартом, что для телевидения, как системы глобальной, имеет первостепенное значение. Наконец, имея нормы на цифровое кодирование телевизионных сигналов, можно было приступать к практическим разработкам электронной аппаратуры.
Отдавая должное исключительной важности этого вклада в развитие телевидения американская Академия телевизионных искусств и наук присудила МККР специальный приз «Эмми».
Принимая изящную золотую статуэтку, директор МККР Ричард Кирби сказал:
— Как международная организация в системе ООН, мы отдаем себе отчет в широких возможностях, которые сулит упрощение международного обмена телепрограммами. Вместе с МККР все члены Международного союза электросвязи могут разделить гордость за это замечательное достижение в международном сотрудничестве. Искренние поздравления профессору Кривошееву, которого мы ценим не только за его организаторскую деятельность, но и за личный вклад в цифровое телевидение, и руководство этой работой.
Таким образом, цифровое телевидение получило официальное признание. На IV Всемирной выставке средств связи «Телеком-83», состоявшейся в Женеве, Советский Союз впервые в мире представил полный комплект цифрового оборудования для телевизионных центров, в котором были учтены все требования международного стандарта на цифровое кодирование телевизионных сигналов.
...Пока, как мы уже говорили, цифровая обработка телевизионных сигналов применяется только на телевизионных центрах. Поскольку современные телекамеры дают на выходе аналоговый сигнал, то для того, чтобы он стал пригодным для дальнейшей обработки, его преобразуют в цифровую форму
В цифровых системах, использующих двоичный код, число уровней квантования обычно выбирается равным целой степени числа 2. Показатель степени определяет разрядность кода, то есть число символов (единиц и нулей) в кодовой посылке. На схеме простейший случай трехразрядного кодирования с использованием 8 уровней квантования (2³=8). Если теперь номер каждого уровня записать в двоичной системе счисления, то дальше информацию об отсчетах можно передавать в виде кодовых комбинаций, в которых 1 соответствует наличию импульса, а 0 — его отсутствию (иногда говорят, что в этот момент передается пауза). Эта операция и является, по существу, цифровым кодированием, а кодовая посылка — его результатом.
В цифровом телевидении для получения высококачественного изображения нужно иметь не менее 256 уровней квантования, что соответствует 8-разрядному кодированию (2⁸=256). При этом каждому элементу изображения соответствует группа из 8 импульсов и пауз, взаимное расположение которых соответствует номеру уровня, до которого округлен передаваемый в это время отсчет. Например, значение амплитуды, попавшее на 155-й уровень, кодируется как 10011011
Тот факт, что в цифровых системах значение сигнала может принимать только два значения (0 или 1), объясняет причину высокой помехоустойчивости цифрового сигнала. Искажения формы импульса теперь уже не играют роли, достаточно лишь знать пришел импульс или нет. Если же по каким-либо причинам на линии произошел сбой, то, зная код, не составляет труда восстановить на месте пропавшего импульса точно такой же.
Замена телевизионного сигнала сложной формы простыми импульсами создает большие удобства при его обработке. Ведь язык цифр — это «родной» язык микропроцессоров и ЭВМ. Обрабатывая телевизионный сигнал по заданному алгоритму, цифровая техника позволяет делать с изображением все, что угодно: перемещать его по экрану, комбинировать с другими изображениями, создавать эффекты «зеркала» и «галереи», строить на экране замысловатые фигуры, синтезировать буквы, символы, цвет. Все это мы уже сегодня наблюдаем на экранах наших телевизоров.
Однако возможности цифровых методов отнюдь не исчерпываются экзотикой изобразительных эффектов. Гораздо важнее то, что происходит «за кадром». Экономический эффект от внедрения цифровой техники охватит множество областей, начиная от технологии подготовки телевизионных программ и кончая производством и эксплуатацией оборудования. Например, часть операций по настройке цифровых телевизоров в заводских цехах можно полностью автоматизировать, поручив эту операцию ЭВМ. Ведь в данном случае настройка есть не что иное, как обмен информацией между ЭВМ заводского конвейера и ЭВМ телевизора. Если в заводскую ЭВМ введены данные о значениях уровней яркости, цветового тона и т. п., то при настройке телевизора она просто перепишет их в запоминающее устройство его микропроцессора.
Оценив возможность цифрового телевидения, читатель вправе подумать: значит, у него вообще нет недостатков? Почему бы столь перспективную систему не внедрить сразу, минуя промежуточные этапы? Увы, сделать это, к сожалению, невозможно. Телевидение еще долгое время будет оставаться в целом аналоговым, хотя цифровые методы будут находить в нем все большее применение. Полностью цифровым оно станет только в следующем столетии. На пути к последнему этапу (да и будет ли он последним?) еще множество проблем и технических и организационных.
ЦЕНА КАЧЕСТВА
Дело в том, что за качество изображения и за возможности, которые открывает применение цифровых методов в телевидении, приходится платить, и платить дорого. В той части, где говорилось о цифровом кодировании, уже упоминалось, что цифровое телевидение порождает цифровые потоки огромной емкости. Почему это происходит?
Еще в 1933 году видным советским ученым В. А. Котельниковым было установлено, что для неискаженной дискретной передачи непрерывного сигнала частота дискретизации должна, по крайней мере, вдвое превышать значение верхней частоты спектра. Применительно к телевидению это означает, что если принять ширину спектра равной 6 МГц, то нужно передавать не менее 12 млн. отсчетов каждую секунду.
Сигнал цветного телевидения содержит три составляющих: яркостную и две цветоразностных. Международный стандарт предусматривает их раздельное кодирование с последующим обьединением сигналов в общий цифровой поток. Этот же стандарт устанавливает частоту дискретизации яркостного сигнала равной 13,5 МГц, а для цветоразностных сигналов — вдвое меньшей.
А теперь проделаем несложные подсчеты, имея в виду, что при восьми разрядном кодировании на передачу каждого элемента изображения используется 8 импульсов и пауз. Для яркостной составляющей изображения требуется передавать 13,5×8=108 млн. бит информации в секунду, для двух цветоразностных в сумме столько же. Итого 216 Мбит. Это огромная величина Для сравнения скажем, что при такой скорости передачи весь роман Льва Толстого «Война и мир», содержащий около 3 млн. 200 тыс. печатных знаков, будет передан за долю секунды, то есть практически мгновенно!
«Втиснуть» цифровой поток такой емкости невозможно ни в одну из существующих линий связи, так как даже самые мощные из них (так называемые четвертичные магистрали) способны пропускать не более 140 Мбит/с Чтобы передача цифровых телепрограмм была экономически оправданной, величину цифрового потока необходимо снизить, по крайней мере, в 7 раз, доведя до уровня пропускания третичных магистралей (34 Мбит/с).
Задача, с которой столкнулись ученые, могла поставить в тупик кого угодно, ибо требовалось не только сократить поток информации, но и сохранить при этом высокое качество изображения!
И тогда они обратились к другой информационной системе, также связанной с передачей изображения, к зpeнию. Известно, что поток информации, воспринимаемой глазом, намного превосходит то. что воспроизводится на экране телевизора, где изображение ограничено числом строк и кадров. Чтобы все, что видит глаз, передать в мозг, зрительный нерв должен обладать по истине колоссальной пропускной способностью. Но скорость распространения нервного импульса примерно в миллион раз меньше скорости электрического сигнала в проводах, да и быстродействие нервных клеток сильно уступа ЭВМ. Тут явно кроется противоречие, ибо потери информации при зрительном восприятии не происходит. Видимо, отшлифованные эволюцией механизмы зрения «владеют» способами передачи, разгадав которые можно было бы попытаться их промоделировать и результат использовать для построения искомого кода.
Начались эксперименты Оказалось, что существенная переработка информации происходит в самом глазу. Уже на уровне сетчатки кодируется одновременно состояние группы фоторецепторов, а не каждого из них. Первичные сигналы от группы рецепторов сперва усредняются — в первые моменты глаз улавливает лишь общие очертания без детализации. Такая операция применительно к телевидению требовала записи группы соседних элементов в цифровой памяти и вычисления среднею значения их яркости. Результатом этой операции окажется как бы слегка расфокусированное изображение. Далее механизм зрения находит разность между исходным и усредненным по участкам изображением.
Телевизионный аналог этой операции должен обеспечить адаптацию зрения к фону по отдельным участкам изображения. В пределах небольшой группы тонкие различия между отдельными контурными элементами не выявляются зрением, значит, их можно кодировать экономно, одним числом. Такое же обобщенное восприятие характеризует и цветность: участок, состоящий из более десятка элементов, кажется окрашенным одинаково, а цвета мелких деталей глаз не различает вообще.
Большую часть этих свойств зрения оказалось возможным смоделировать техническими средствами. Это было крупным достижением. Работы советских ученых Н. Россолевича, И. Цукермана, С. Садыко и других получили мировое признание. Созданная в нашей стране аппаратура бионического адаптивного кодирования преобразует цифровой поток таким образом, что вместо 216 миллионов бит в секунду оказывается достаточным передавать всего 34 млн.
Интересно, что при создании этой аппаратуры использовались не только «патенты» живой природы, но и секреты мастеров живописи. Ценители живописи знают, что в работах большого мастера интересны не только сами сюжеты, но и средства, которыми передается зрительный образ. С этой точки зрения картина или рисунок представляют со бой уже закодированную информацию. Формализовав на языке математики художественные приемы старых мастеров, специалисты по электронике смогли еще больше спрессовать цифровой поток.
ТЕЛЕВИЗОР ИЛИ ЭВМ?
Итак, что же получит потребитель? Прежде всего ему предстоит стать свидетелем дальнейшей эволюции наших домашних телевизоров. Микроэлектроника широко применяется в них уже сейчас. Внедрение цифровых устройств в аналоговые телевизоры (а они будут оставаться такими до тех пор, пока телевидение не станет полностью цифровым) предполагается начать уже в 12-й пятилетке. И контуры аналого-цифрового телевизора недалекого будущего вырисовываются уже сейчас.
 |
| Красным цветом на этой схеме выделены блоки телевизионного приемника, в которых используется цифровая обработка сигнала. |
В видеопроцессоре сигналы яркости и цветности разделяются с помощью цифровой фильтрации, обрабатываются по определенной программе и перед подачей на кинескоп обретают вновь свой первоначальный, аналоговый вид. Регулировка уровней сигналов и режима работы кинескопа осуществляется автоматически с помощью микро-ЭВМ. В процессоре блока отклонения корректируются ошибки, возникающие при перемещении луча по экрану, и производится управление устройствами, формирующими телевизионный растр. Звуковой процессор предназначен для выделения и формирования сигналов звукового сопровождения.
Цифровые узлы телевизора будут состоять из больших и сверхбольших интегральных микросхем, каждая из которых представляет собой законченное функциональное устройство. Хотя размеры их малы, каждая из них содержит десятки тысяч транзисторов. Радиоканал телевизора, то есть та его часть, которая расположена между антенным входом и детектором, также будет выполнен целиком на базе микроэлектроники. Но радиоканал, видимо, еще долгое время будет оставаться аналоговым, главным образом потому, что существуют трудности с созданием быстродействующих аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, работающих на промежуточной частоте канала изображения. Однако прогресс микроэлектроники происходит настолько быстрыми темпами, что к моменту внедрения цифрового телевидения и эта задача будет решена.
Использование цифровой техники в телевизоре создаст большие удобства. Например, если ввести в телевизионный сигнал дополнительную (контрольную) информацию, то можно с высокой точностью поддерживать режим работы канала изображения. Для этого в приемнике предусматривается специальная микросхема, выделяющая контрольный сигнал и сравнивающая его с допусками, записанными в памяти микро-ЭВМ. В телевизионный сигнал можно ввести и опознавательные сигналы программ по какому-либо определенному признаку, например по содержанию (информационные, учебные, развлекательные и т п ). В дальнейшем это позволит полностью автоматизировать работу телевизора, вводя в его запоминающее устройство телепрограмму сразу на неделю. В нужный момент ваш телевизор сам включится на определенный канал отработает положенное время, а затем переключится на программу которую вы заранее выбрали. Это создаст большие удобства и для автоматической видеозаписи передач.
Цифровая техника позволит наблюдать на одном экране несколько программ одновременно, причем любую из них можно по желанию либо вывести на полный формат, либо убрать вовсе. Любопытная деталь: цифровая фильтрация позволяет избавляться даже от таких искажений, как побочные отражения радиосигнала, характерные для городов с многоэтажной застройкой. При покупке телевизора предельно упростится процесс общения покупателя с продавцом. Микро-ЭВМ на прилавке быстро проверит аппарат по специальному тесту и даст совершенно объективную рекомендацию, стоит ли брать данный экземпляр или лучше попросить другой. Исчезнут и некоторые психологические нюансы в общении телезрителя с телевизионными техниками и ателье. Цифровой тестер быстро определит неисправность, а заменяться узел будет целиком
Точна ли набросанная нами картина? Весьма относительно, ведь развитие техники, а особенно электроники, не стоит на месте. К тому времени, когда цифровое телевидение станет массовым, многое изменится. Войдут в быт персональные ЭВМ, домашние информационные системы.
Телевизор будущего может оказаться расчлененным на отдельные функциональные блоки, каждый из которых станет частью домашнего видеокомплекса. Это позволит оптимальным образом комбинировать цифровые блоки телевизора с цифровыми проигрывателями, видеомагнитофонами, электронными кино и слайдпроекторами, системами передачи дополнительной информации, которые со временем станут неотъемлемой частью нашего быта.
Комментариев нет:
Отправить комментарий