Перспективы развития телевизионной техники

Цифровое телевидение

Современные ТВ-стандарты (NTCS, SECAM, PAL) существуют уже несколько десятилетий и, казалось бы, должны совершенствоваться, но поскольку это системы аналоговые (т.е. зритель видит электрический аналог изображения), дальнейшее развитие их ограничено. Дело в том, что на каждом участке преобразования и передачи аналогового сигнала происходят искажения, которые, накладываясь друг на друга, ухудшают качество телевизионного изображения. Например, работающий недалеко от телеприемника мощный электромотор может создать существенные помехи на экране.

Аналоговый сигнал непрерывен, и для преобразования в цифровой вид его разбивают на отдельные отсчеты, отстоящие друг от друга на одинаковый интервал времени (дискретизация сигнала). При цифровом кодировании сигнала специальное кодирующее устройство — кодер — способно отсортировать чистый сигнал от промышленных и атмосферных помех, поэтому стабильность параметров ТВ-системы возрастает, правда, объем информации о яркости и цветности сигнала резко увеличивается. Именно поэтому совсем недавно передача цифрового сигнала представлялась неосуществимой, хотя ключ к разгадке этой сложнейшей задачи был заложен в трудах американского инженера Клода Шенона (1916-2001) еще в 1948 г1. В предложенной им теории информации была обоснована избыточность источника сообщений.

Например, попробуем прочитать предложение без гласных:

Кждй трдлбвй стднт мжт сдть тхнк СМ, дл бздльнк эт слжн.

Если Вам это удалось, можно сделать вывод, что гласные звуки являются избыточной информацией.

Кстати, один из первых алфавитов — угаритский (II тыс. до н. э.) — обходился без гласных букв. Заметим, что в данном случае мы сжимали аналоговую информацию. Сейчас представим себе, что журналист снимает парящую в небе птицу: она движется, но если мы мысленно разобьем это изображение на мельчайшие точки, окажется, что большая часть информации не изменяется (вспомним древних философов — «летящая стрела покоится»). В самом деле, цвет птицы постоянен; если небо безоблачное, трудно отличить один участок фона от другого, и только во время взмахов крыльями изменится информация о геометрических точках изображения.

Бели же каждая минимальная точка на экране (пиксел) будет описана сочетанием цифр, например, 1100, а количество таких точек равно десяти, можно составить цифровую цепочку:

1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100, а можно ее записать короче, т.е. сжать, пользуясь элементарными приемами арифметики: 1100x10.

Отсюда следует вывод, что цифровую информацию можно довольно эффективно сжимать, применяя не только простейшие арифметические действия, но и сложнейшие математические алгоритмы, которые, разумеется, оставим за границами данного издания. Итак, при передаче цифрового сигнала нет необходимости в передаче изображения целиком кадр за кадром (как в кино), можно передавать только разностную (изменяющуюся) информацию. Благодаря современным методам компрессии цифровых данных полоса пропускания видеосигнала значительно сузилась, и на месте одного аналогового канала могут располагаться несколько цифровых.

В США в 1996 г. был принят стандарт цифрового ТВ — ATSC, отдельные телецентры начали вещание в цифровом формате, а с 2006 г. предполагается прекратить аналоговое ТВ-вещание, с оговоркой, что пока 85% зрительской аудитории не будут готовы принимать цифровой сигнал, аналоговое вещание сохранится. Главная проблема внедрения «цифры» заключается в том, что основное количество телеприемников у населения всего мира — аналоговые. Либо их надо заменить на цифровые (за счет телезрителя), либо снабдить население специальными приставками, которые смогут принятый цифровой сигнал преобразовывать в аналоговый (по аналогичному пути пошла российская компания «НТВ-Плюс»). Современный цифровой телеприемник — довольно дорогое устройство, поэтому в переходный период, скорее всего, будет предусмотрена техническая возможность приема цифрового сигнала обычным телевизором.

Телевидение высокой четкости (ТВЧ)

Преимущества цифрового кодирования в телевидении очевидны: даже при приеме «цифры» на обычный телевизор качество изображения повышается из-за отсутствия искажений на различных этапах телевизионного тракта. При этом развертка луча остается чересстрочной и разрешающая способность экрана не возрастает. Для существен-

ного повышения качества телеизображения необходимо ввести новые стандарты для формирования и приема видеосигнала, такой системой является телевидение высокой четкости (ТВЧ). Американский стандарт (ATSC) рассчитан на просмотр передачи как на телеэкране, так и на мониторе компьютера. При этом высокое качество картинки можно получить лишь на экране специального широкоформатного телевизора с 1080 активными строками, чересстрочной разверткой.

 

Для ТВ-приемников	Для мониторов ПК
Число активных строк — 1080	Число активных строк — 720
Полевая частота, Гц. — 60	Полевая частота, Гц. — 60
Перемежение в развертке — (2:1) интерлейсинг	Перемежение в развертке — (1:1) прогрессивная развертка луча
Формат кадра — 16:9	Формат кадра — 16:9

 

Согласно ATSC-стандарту, каждый ТВ-приемник должен декодировать любой из многочисленных (а всего их 18 разновидностей) ATSC-форматов и выводить его точно в соответствии с возможностями конкретного подключенного приемника.

Внешне цифровой приемник ТВЧ отличается от аналогового более широким экраном: если соотношение сторон обычного телевизора составляет 4:3 (ширина к высоте), то в цифровом варианте — 16:9. Качество телевизионного изображения заметно повышается за счет двукратного увеличения строк разложения и прогрессивной развертки (впрочем, развертка может быть и чересстрочной). При прогрессивной развертке яркость экрана может быть повышена на 40%. Количество воспроизводимых деталей на экране возрастает в несколько раз. В новой системе расширена частота сигнала яркости и цветоразностных сигналов, поэтому оптимизирована цветопередача. Многоканальная система передачи звука позволяет добиться эффекта присутствия, так как аудиоинформация поступает к зрителю с разных сторон.

Внедрение ТВЧ требует дорогостоящей модернизации аппаратно-студийного комплекса, но практика вещания в США показала, что уже сегодня число программ ТВЧ в общем времени цифрового ТВ постоянно растет.

Телевизионные экраны

В настоящее время наиболее распространенными являются модели с электронно-лучевыми трубками, они хорошо воспроизводят оттенки цветов, но имеют существенное мерцание и довольно большие габариты по глубине. Громоздкость обусловлена тем, что расстояние от электронной пушки до экрана должно быть пропорционально его размерам. Некоторые компании приступили к выпуску мониторов с искривленной траекторией пучка электронов в ЭЛТ. Возможно, это позволит значительно приблизить пушку к экрану, тем самым почти вдвое уменьшить глубину трубки. Мерцание экрана имеет вредное воздействие на зрение, поэтому их рекомендуют смотреть в сочетании с «гигиеническим светом» (рассеянным дневным или лампами накаливания, значительно превосходящими частоту мерцания экрана). Кроме того, зритель находится в поле действия токов сверхвысокой частоты (СВЧ).

Следующее поколение экранов основано на изменении прозрачности жидких кристаллов под воздействием электрического поля. Такие мониторы называют жидкокристаллическими. Они имеют малый вес и габариты по толщине, но главное, полностью исключают влияние СВЧ и мерцания. При этом они имеют существенные недостатки: цветопередача уступает данному параметру экранов с электронно-лучевыми трубками, а зритель, смотрящий на монитор не под прямым углом, видит ухудшенное изображение. Маленький угол обзора создает проблемы для увеличения размера экрана. Тем не менее технология совершенствуется, и диагональ современных жидкокристаллических мониторов перевалила за один метр.

Наиболее дорогостоящими являются плазменные экраны. Они лишены мерцания, имеют минимальный размер по глубине, картинка имеет одинаковую четкостъ по всему рабочему полю, плюс ко всему они легко масштабируются. Плазменными панели называются потому, что на каждый пиксел экрана подается высокое напряжение, под воздействием которого газ (ксенон) переходит в состояние холодной плазмы. Новые ТВ-приемники, скорее всего, будут комплектоваться всеми вышеназванными типами экранов но главное, они должны быть универсальными и пригодными для использования во всех странах мира.

Объемное телевидение

С теоретической точки зрения добиться эффекта объемного изображения довольно просто: достаточно взять две телекамеры, расположить их объективы в точках, соответствующих расстоянию между глазами человека, а далее обеспечить раздельное видение снятых изображений правым и левым глазом, так как рельефное видение мира человек получает благодаря рассматриванию предметов двумя глазами (бинокулярное зрение). Если смотреть на предмет одним глазом (монокулярным зрением), удаленность предметов друг от друга определяется менее точно.

В нашей стране теоретические разработки в области стереотелевидения начались еще в 1949 г. под руководством профессора П. В. Шмакова в Ленинграде, и уже в 1950 г. была создана стереоскопическая установка. Разработки цветного стереотелевидения связаны с расширением спектра частот канала передачи: так как цветная видеоинформация передается тремя сигналами (одним яркости и двумя цветоразностными), то для стереоизображения необходимо использовать шесть сигналов (по три для каждого глаза). Чтобы сузить частотный спектр, наши ученые стали передавать видеоинформацию для одного из глаз в черно-белом изображении, а для другого — в цветном, при этом зритель видел полноценную цветную картинку, так как мозг определял суммарное качество по лучшему изображению.

Для раздельного рассматривания информации правым и левым глазом можно воспользоваться специальными очками с цветными фильтрами (анаглифная сепарация) или использовать оптический растр. Простота использования очков небесспорна с медицинской точки зрения: глаза сильно утомляются, так как хрусталик глаза не может перефокусироваться с ближних предметов на дальние. Применение оптического растра существенно усложняет создание телеприемника.

В начале 1980-х гг. в Германии и Японии проводились экспериментальные стереоскопические передачи с анаглифной сепарацией, позднее в США была опробована растровая система. На пути внедрения стереотелевидения стоят немало проблем, но одна из существенных та же, что и на заре внедрения цветного ТВ, — возможность принимать видеоизображение на имеющиеся у населения приемники.

Заслуживают внимания разработки в области трехмерного телевидения путем внедрения рядом с сигналами цветности сигнала дальности (RGBD — D от англ. distance). Инфракрасный лазерный луч при съемке «замеряет» дальность до каждого предмета.

Специалистами разных стран проводятся исследования в применении многоракурсного и голографического телевидения, некоторые из них даже полагают, что при помощи ТВ в будущем возможно будет передавать не только визуальную объемную информацию, но и запахи, так как известно, что пахнущие вещества воздействуют на обонятельный эпителий, и его поверхность становится электроотрицательной по отношению к остальной ткани. Если действительно наш мозг определяет запахи из-за воздействия электрических разрядов на отдельные рецепторы клеток, то с технической точки зрения передача запаха осуществима: ведь телевидение стало возможным благодаря преобразованию света в электрические сигналы, а радио — преобразованию звука в электрические сигналы.