Аналоговые системы цветного телевидения

Аналоговая система цветного телевидения NTSC

НТСЦ – Национальный комитет по телевизионным стандартам (NTSC – National Television Standard Committee) – разработана в США и принята для вещания в 1953 г. Вещание по этой системе ведется, кроме США, также в Канаде, Японии, Южной Корее и ряде стран американского континента.

Основной недостаток системы – возможность появления искажений в передаче цвета. Они вызывают изменение цветового тона на экране телевизора в зависимости от яркости данного участка изображения. Например, человеческие лица на экране окрашиваются в красноватый цвет в тенях и в зеленоватый – на освещенных участках. Для уменьшения этих искажений телевизоры NTSC оснащаются регуляторами цветового тона TINT CONTROL. Этот регулятор позволяет добиться более естественной окраски деталей с какой-то одной яркостью, однако искажения цветового тона более ярких или более темных участков изображения при этом даже возрастают.

Хотя в 1996 году в США принят новый стандарт цифрового телевидения, NTSC остается актуальной, из-за наличия у населения большого количества телевизионных приемников работающих в этой системе.

Аналоговая система цветного телевидения PAL

ПАЛ – система со строчно-переменной фазой (PAL – Phase Alternating Line) разработана фирмой Telefunken (ФРГ) в 1962–1966 г.г. Телевизионное вещание по этой системе ведется, в большинстве стран Западной Европы, в Австралии и ряде стран Азии и Африки.

По сути, представляет собой усовершенствованный вариант системы NTSC. В результате система менее чувствительна к перечисленным выше искажениям, чем NTSC, но в то же время в телеприемнике происходит усреднение сигналов цветности в двух соседних строках, что приводит к понижению вертикальной четкости цветовой составляющей.

Аналоговая система цветного телевидения SECAM

СЕКАМ – последовательная цветовая система с памятью (SECAM – Sequentiel Couleur А Меmоriе). Разработка системы была начата в 1953 г. французским инженером Анри де Франсом. В дальнейшем работы над совершенствованием системы проводились совместно французскими и советскими специалистами. После испытаний и доработок, в 1967 году было начато регулярное вещание по этой системе одновременно в СССР и Франции. В настоящее время стандарт SECAM принят также в ряде других стран Восточной Европы, Азии и Африки.

Искажения цвета в SECAM проявляются иначе, чем в NTSC. На цветовых полях, где яркость постоянна, искажения в системе SECAM не проявляются. Лишь на цветовых переходах искажения могут проявиться в виде цветных окантовок или тянущихся продолжений. Обычно после ярких участков изображения окантовка имеет синий цвет, а после темных – желтый. В то же время система SECAM обеспечивает в два раза меньшую (также как и система PAL), чем в NTSC, вертикальную четкость цветного изображения.

Цифровое телевидения

Цифровом телевидение (digital television, DTV), это система передачи цифрового телевизионного сигнала, его приема, обработки и отображении 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. 9). 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. 9. 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 году, являющаяся разработчиком стандартов на типы кодирования видео- и аудиосигналов. Результатом исследований этой группы явилось создание международных стандартов для сжатия цифрового телевизионного сигнала, также получивших название MPEG. Созданные ей кодеки востребованы практически во всех областях, начиная от домашнего использования и заканчивая применением в профессиональных киностудиях самого высокого уровня. Рассмотрим их.

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), также известный как МРЗ, 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 аудио-формата в DVD-проигрывателях.

MPEG-2 – специально разработан для кодирования сигналов телевидения. Это общепринятый стандарт, известный также 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 и 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 1

Основные форматы цифрового телевизионного изображения

	Разрешение	Коэффициент пропорциональности	Кадровая развертка
HDTV	1920×1080	16:9	24p, 30p, 60i
1280×720	16:9	24p, 30p, 60p
SDTV	704×408	16:9	24p, 30p, 60i, 60p
704×408	4:3	24p, 30p, 60i, 60p
VGA	640×480	4:3	24p, 30p, 60i, 60p

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-4. Создавался специально для использования на маломощных ПК и сети Интернете. 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).

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 Рота принял решение переписать кодек с нуля, чтобы устранить проблемы с его законностью. В 2000 году 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 года 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. 2).

Таблица 2

Стандарты цифрового телевидения

	DVB-S (спутник)	DVB-C (кабель)	DVB-T (антенна)
Стандарты	ETS 300 421	ETS 300 429	prETS 300 744
Тип модуляции	QPSK	QAM	COFDM
Диапазон частот, МГц	10,7-12,75	47-470	174-230
Ширина канала, МГц	33-36	7-8	7-8
Максимальная скорость передачи, Мбит/с
Типичная скорость передачи, Мбит/с			14-24
DVB-T отстает от DVB-S и DVB-C по типичной скорости передачи данных. Число телепрограмм изначально ограничено спецификацией стандарта

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.

Цифровое телевидение дает много возможностей передавать кроме самих программ разнообразную дополнительную информацию. Наряду с такими технологиями, известными из эпохи аналогового телевидения как телетекст, VPS – ТВ-сигнал на старт записи видеомагнитофона – и двух языковой звук, новая цифровая телевизионная техника предлагает, например, электронную программу передач EPG, мультимедийную платформу МНР и объемный звук формата Dolby Digital.

Повсеместное введение DVB-T в европейских странах планируется на 2010–2012 годы. В настоящее время цифровое ТВ транслируется по спутниковым или кабельным каналам.

Большинство современных спутниковых систем телевещания, так же как и проигрыватели DVD дисков, используют цифровое кодирование сигнала. С помощью таких систем цифровой сигнал на выходе устройства конвертируется в аналоговую форму для отображения на аналоговых телевизорах. При этом качество изображение повышается по сравнению с аналоговыми системами, но оно все еще ограничивается необходимостью преобразования сигнала в аналоговую форму. Сейчас на смену аналоговым телевизорам приходят цифровые телевизионные системы, способные воспроизводить цифровой сигнал.