Зачем нужны цифровые форматы телевидения?
Как известно, изначально телевидение, как и все прочее, было аналоговым и в основном остается таковым до сих пор. Только сейчас начинается активный переход к цифровому ТВ, практически совпадающий по времени с принятием стандартов и внедрением телевидения высокой четкости.
Цифровые форматы ТВ очень перспективны по многим причинам:
- во-первых, в связи с широким применением компьютеров и программных методов обработки сигнала, нелинейного монтажа и композитинга, что обеспечивает широчайшие возможности, в принципе недостижимые в аналоговом видео, хотя бы уже потому, что процесс не оказывается привязан к реальному времени;
- во-вторых, с переходом на цифру кардинально решается проблема архивирования информации: аналоговые носители громоздки, недолговечны и не обеспечивают оперативного доступа к фрагментам записи;
- в-третьих, аналоговые сигналы подвержены необратимой деградации, степень которой пропорциональна количеству компонентов тракта, и длине передаточных линий. Восстановление изначальной формы аналогового сигнала возможно только ценой возрастания уровня шумов;
- в-четвертых, многие операции, включая интерполяционное масштабирование, актуальность которого растет по мере распространения больших дисплеев, либо в принципе невыполнимы в случае с аналоговым сигналом, либо требуют очень дорогих и громоздких аппаратных средств, а в цифровой сфере реализуются гораздо легче, дешевле и с более высоким качеством.
Однако неоспоримые преимущества цифровой обработки ощутимо теряют свою привлекательность из-за того, что существует необходимость многократной транспортировки сигнала из студии в студию, с одного аппаратного комплекса или компьютера на другой. При этом многочисленные преобразования из аналоговой в цифровую форму и наоборот не менее губительны, чем сложные операции обработки и передача на большие расстояния аналогового сигнала.
Уже давно появились средства цифровой видеозаписи, позволяющие исключить критическую стадию аналого-цифрового преобразования. Весьма логично было бы вслед за этим избавиться и от всех промежуточных преобразований, оставив лишь одно – из цифры в аналог – в самом конце тракта, непосредственно перед передачей в эфир. Аналоговое телевещание пока что превалирует с большим перевесом, хотя постепенный переход на цифровое уже начинается, что позволит наконец полностью избавиться от лишних ЦАП’ови АЦП. Причем не только в студиях и на телецентрах, но и во многих случаях на приемной стороне: ведь такие распространенные на сегодня дисплеи, как плазменные панели и DLP-проекторы, являются цифровыми по своей сути. Несомненно, что и светодиодные дисплеи, которые в будущем наверняка вытеснят плазменные, жидкокристаллические и тем более кинескопные телевизоры, также будут цифровыми. Стопроцентная реализация потенциала цифрового дисплея возможно только при наличии полностью цифрового тракта.
… и конкретно SDI?
Итак, первоочередной целью, поставленной перед студиями, была организация распределительных кабельных сетей для передачи цифрового видео вещательного уровня качества без потерь. Естественно, физическая замена среды распространения – кабельных сетей – была бы связана с высокими капиталовложениями. Поэтому стояла задача адаптировать цифровые потоки под уже имеющиеся коммуникации коаксиального кабеля, которые долгие годы служили для передачи аналогового сигнала. При этом достаточно было частично заменить, а частично дополнить состав аппаратных комплексов, не вмешиваясь в конструктив зданий и помещений (перепрокладка кабелей – это по сути капремонт, а значит, не только деньги, но и время).
Однако просто оцифровать компонентный сигнал, с которым имеют дело в профессиональной сфере, недостаточно. К тому же, поскольку в эфир передается полный телевизионный сигнал, представляющий собой композитный видеосигнал плюс звук в форме частотно-модулированной поднесущей, значительная часть студийных магистралей имела не трех-, а однолинейную структуру. Значит, необходимо было разработать специальный цифровой формат видео, которым и стал SDI – Series Digital Interface, или последовательный цифровой интерфейс, требующий всего одного коаксиального кабеля для передачи трех сигналов – яркости и двух цветоразностных компонент. И обеспечивающий доставку видео без потерь на расстояния, типичные для студий и телецентров.
Какие проблемы стояли на пути создания формата SDI?
Основная проблема – большие массивы данных и соответственно скорости их передачи, неизбежно возникающие при оцифровке и без того достаточно высокочастотного видеосигнала. Спектр цифрового видео имеет очень большую протяженность в области высоких частот: это сотни мегагерц. Широкая полоса тракта необходима не только для обеспечения нужной скорости передачи, но и для сохранения по возможности изначально прямоугольной формы импульсов. При вырождении ее в синусоиду постепенно накапливается джиттер (дрожание фаз фронтов), возрастает количество ошибок, сигнал теряет помехоустойчивость, одно из главных преимуществ цифрового представления сигнала. Джиттер может наблюдаться в широкой полосе частот. Различают низкочастотный джиттер, или НЧ дрейф (drift, wander) ниже 10 Гц, который почти не влияет на качество сигнала (медленное изменение тактовой частоты) и высокочастотный, приводящий к деградации сигнала. Допустимое значение ВЧ-джитера составляет 0,2 х T: 740 пс для 270 Мбит/с (стандартное телевидение), 135 пс для 1,485 Гбит/с (ТВ высокой четкости), где T – длительность тактового импульса.
Рис. 1. Джиттер
На приемной части от джиттера полностью избавляются путем восстановления тактовой частоты данных (перетактирования, reclocking). Однако существуют пределы степени деградации формы сигнала, при превышении которых полное восстановление становится невозможным.
Коаксиальный кабель – практически идеальная среда распространения высокочастотных сигналов (при условии согласованности линии передачи по входам и выходам с компонентами тракта), однако и она накладывает определенные ограничения по частоте, и тем боле жесткие, чем длиннее линия передач. Это касается не только аналоговых, но и цифровых сигналов.
Значит, нужно либо довольствоваться малыми расстояниями, что не всегда возможно, либо сжимать цифровой поток. Алгоритмы эффективного сжатия, основанные на отбрасывании информации малой степени заметности, существуют и широко применяются, и все они предполагают сжатие с потерями: MPEG-2, MPEG-4, DV (Motion JPEG) и пр. Надо сказать, что сжатие (например, MPEG-2 для DVB) используется для вещания в эфир, при этом субъективное восприятие качества картинки при однократной декомпрессии сжатого сигнала на приемной стороне остается достаточно высоким, а в стандартный частотный диапазон одного аналогового канала удается уложить до 3-6 цифровых каналов. Незаменимо оно и для уплотнения информации на внешних носителях (DVD, цифровая магнитная запись, винчестер). Помимо собственно изображения, сжатые форматы позволяют записывать и передавать многоканальный звук, различные дополнительные материалы и пр. Но при многократных циклах сжатия и распаковки сигнала происходит необратимая потеря качества с накоплением характерных артефактов изображения. Поэтому в пределах студии передача сигнала должна осуществляться без сжатия или с неглубоким сжатием без потерь.
Итак, формат SDI позволил решить задачу передачи цифровых видеоданных внутри студий как без цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразований, так и без многократных сжатий и распаковок, максимально сохранив при этом преемственность коммуникаций (как коаксиальных, так и оптоволоконных) и аппаратных комплексов. Многие компоненты, такие, как обычные и матричные коммутаторы, усилители-распределители и пр., применявшиеся в аналоговом ТВ, при условии определенного запаса по полосе частот с успехом работают с сигналами SDI.
Характеристики формата SDI
Формат SDI соответствует Рекомендациям МСЭ-Р ВТ.656 и стандарту SMPTE-259M (Society of Motion Picture and Television Engineers – Общество инженеров в области техники кино и телевидения). Помимо стандартного телевидения, он применим также для телевидения высокой четкости (версия HD-SDI SMPTE-292M). Передача сигнала осуществляется согласно Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601 (а также дополнению «В» для формата 16:9). Среда распространения – единичный коаксиальный кабель 75 Ом с терминалами BNC. Либо оптоволоконная линия передач (одномодовое волокно, длина волны 1310±40 нм) с лазерными передатчиком и приемником (Рекомендация МСЭ-Р BT.1367). Оптоволоконная линия терминируется разъемами ST.
- центральный провод (жила)
- изолятор центрального провода
- экранирующий проводник (экран)
- внешний изолятор и защитная оболочка
Рис. 2. Физический интерфейс SDI: коаксиальный кабель, разъем BNC,
оптический разъем, лазерный передатчик
Затухание в линии не должно превышать 30 дБ/100 м на частоте 100 МГц (для стандартного телевидения) и 20 дБ/100м на частоте 750 МГц для ТВЧ. Соответственно примерные расстояния для передачи без ошибок составляют 280 м (СТВ) и 50 м (ТВЧ). С целью увеличения расстояний транспортировки, как и в случае с аналоговым видео, применяются повторители. Наилучшие результаты дают приборы с коррекцией амплитудной характеристики (подъем высоких частот), позволяющие в значительной степени восстановить форму импульсов. Еще лучше, если одновременно с восстановлением формы производится перетактирование сигнала.
Оптоволокно же дает возможность передавать данные без потерь более чем на 50 км.
Рис. 3. Число ошибок в сигнале SDI в зависимости от длины кабеля
(кабель Belden 8281)
Передача является односторонней, без квитирования (подтверждения о получении данных приемной стороной).
Передача каждой из трех компонент видео – Y, Cb, Cr – осуществляется последовательно в виде двоичных кодов. Вещательным стандартом является модель 4:2:2, предполагающая, что на цветоразностные компоненты приходится вдвое меньше отсчетов, чем на яркостную, и соответственно вдвое ниже разрешение по цветам по сравнению с яркостью. Фактически «4:2:2» означает, что из каждой четверки соседних пикселей в строке яркость кодируется для каждого, а цветоразностные компоненты – через один (первая двойка). Кроме этого, точно так же обстоят дела с соответствующими пикселями следующей строки (вторая двойка). Формула 4:4:4 означает равнозначность кодировки для все пикселей и строк (и по яркости, и по цветоразностным компонентам). А формула 4:2:0 означает, что информация о цвете передается не в каждой строке, а через строку.
Модель 4:2:2 хорошо согласуется с особенностями восприятия зрительного аппарата и применяется для того чтобы снизить объем данных. Однако существует возможность работы и с моделью 4:4:4, хотя и при меньших расстояниях передачи (физически реализуемая, хотя и выходит за рамки стандарта SDI). Это необходимо на стадии обработки по цвету, когда для корректного пересчета цифровых последовательностей требуется повышенное разрешение во избежание набега ошибки. Предусмотрена также передача оцифрованного в формате SDI композитного видеосигнала (модель 4:0:0), хотя на практике она применения не находит.
Данные кодируются с частотой выборки 13,5 МГц (яркость) или 6,75 МГц (цветоразностные компоненты). Разрешение составляет 10 бит для каждой компоненты (ранее применялось 8-битное кодирование, ныне устаревшее).
Передача сигнала стандартного телевидения происходит со скоростью потока 270 Мбит/с, для чего достаточно полосы канала в 250 МГц. В соответствии со спецификацией LVDS (Low Voltage Differential Signaling, или дифференциальная передача низкоуровневых сигналов) биты кодируются не напряжением, а перепадами уровней напряжения (размах его составляет 800±80 мВ). Это обеспечивает высокую помехозащищенность (по аналогии частотная модуляция аналогового сигнала меньше подвержена воздействию помех по сравнению с амплитудной). Поскольку важны не сами уровни, а только перепады, полярность сигнала значения не имеет, и поэтому в тракте с одинаковым успехом могут применяться как неинвертирующие, так и инвертирующие усилительные элементы.
Исходный цифровой поток скремблируется («перемешивается), на приемной же стороне производится его восстановление (дескремблирование). Эта операция применяется для более равномерного распределения энергии сигнала по всему его спектру, который приближается в результате к шумовому и создает меньше вредных наводок на соседние коммуникации.
Помимо собственно видео, в формате SDI возможна передача звука (стандартные 4 канала или больше) и временного кода.
Структура сигнала SDI
Для стандартного телевидения различают форматы SDI, соответствующие стандартам NTSC (60 полей/с, 525 строк в кадре) и PAL/SECAM (50/625).
Каждая строка в начале и конце имеет специальные маркеры, или метки SAV (Start of Active Video) и EAV (End of Active Video). Между метками SAV и EAV передаются собственно видеоданные (720 отсчетов сигнала яркости Y и по 360 отсчетов цветоразностных каналов Cr, Cb). Между окончанием предыдущей (EAV) и началом следующей строки (SAV) могут передаваться дополнительные данные, сюда же вставляются отсчеты каналов звукового сопровождения.
Рис. 4. Структура сигнала SDI
Рис. 5. Структура кадра SDI
Для ТВЧ структура сигнала SDI (в данном случае – HD SDI) остается прежней, изменяются только количество отсчетов в каждой строке и число строк в кадрах. Согласно стандарту SMPTE-292M передача ТВЧ осуществляется на скорости 1,485 Гбит/с при частоте кадров 24, 25, 30 Гц (прогрессивная развертка) или 50, 60 Гц (чересстрочная развертка). Существуют также версии формата HD SDI с частотами кадровой развертки 59,94, 29,97 и 23,976 Гц и скоростью потока 1,4835 Гбит/с, обеспечивающие совместимость различными вариантами NTSC.
Получение сигнала SDI
Если SDI получается из аналоговых композитного сигнала или S-Video, сначала эти сигналы декодируются и раскладываются на составляющие: яркость Y, а также цветоразностные сигналы U (или Cr) и V (или Cb). Уровни этих сигналов определяются следующими соотношениями:
Y = 0,299R+0,578G+0,114B; U = R-Y; V = B-Y, R – красный, G – зеленый, B – синий.
Затем каждая компонента оцифровывается и подается на кодер, в котором данные собираются в последовательности, соответствующей структуре SDI. Звук включается в структуру SDI (в промежутках между метками EAV и SAV) с помощью специальных устройств – эмбеддеров, на приемной же стороны он вновь извлекается из сигнала с помощью деэмбеддеров. Звуковое сопровождение может подаваться на вход эмбеддера в цифровом виде (по интерфейсу S/PDIF) либо в аналоговом.
Стандарт SMPTE-272M предусматривает возможность внедрения до 16 каналов цифрового звука с различными частотами дискретизации, разрядностями и способами синхронизации (всего 10 вариантов).
В SDI возможно ввести и другие данные, например телетекст. Это не предусмотрено стандартом, но физически реализуемо и часто применяется на практике.
Формат SDTI
Часто возникает потребность передачи сжатого оцифрованного видеосигнала. Для этого вполне можно использовать SDI, но снова возникает проблема лишних преобразований: декомпрессии (перед передачей) и повторного сжатия. Поэтому на базе SDI был создан специальный формат передачи сжатых данных – SDTI (Serial Digital Transport Interface), стандарт SMPTE-305M. Синоним SDTI – QSDI, принятый у разработчиков аппаратуры DVCAM. SDTI обеспечивает передачу сигнала быстрее, чем в реальном времени – несжатый сигнал передается со скоростью до 360 Мбит/с, а сжатый до 200 Мбит/ с, то есть в 4 раза быстрее, чем сжатый компонентный 4:2:2 (50 Мбит/с). Передача происходит быстрее реального времени. Стандарт предусматривает 8 каналов аудио, тайм-код и пр. В качестве среды распространения используется такой же коаксиальный кабель, как и в SDI, а также оптоволоконные линии. Первая версия формата – SDT – сочетала в себе основные особенности интерфейсов DVCAM и Betacam SX (Sony) и DVCPRO (Panasonic). SDTI обладает односторонней совместимостью с SDI (компоненты стандарта SMPTE-305M корректно работают с SMPTE-259M), что обеспечивает преемственность оборудования и дает возможность плавного перехода с одного формата на другой без глобальной замены.
Структура сигнала SDTI в целом та же, что и у SDI, но данные в области активного видео пакетируются. Между метками EAV и SAV (т.е. в служебной области) в каждой строке присутствуют специальные коды, оповещающие приемную сторону о том, что данная строка содержит информацию в формате SDTI.
