Обработка сигналов. Телевизионные стандарты и форматы

ЧТО ТАКОЕ СТАНДАРТЫ И ФОРМАТЫ ТВ И ПОЧЕМУ ИХ ТАК МНОГО?

Цветное телевидение базируется на известных свойствах человеческого зрения, в первую очередь его инерционности, а также физических возможностях средств отображения. Отсюда следуют базовые стандарты телевидения: минимальная частота смены кадров, при котором глаз не замечает мерцания и дробности движений, и аддитивный принцип сложения трех цветов – красного, зеленого и синего. Изначально стандарты ТВ разрабатывались в расчете на телевизионный приемник с масочным кинескопом и триадами из фосфорного люминофора, поэтому в них нашли отражение технологические ограничения, свойственные данному типу дисплея.

Основные условия получения качественного изображения:

• обновление не реже 50 раз в секунду,
• белый цвет получается при соотношении интенсивностей свечения красного E_R, зеленого Е_G и синего Е_B люминофоров E_Y = 0,3E_R + b,59E_G + 0,11E_B.

Общим правилом является то, что электронный луч прочерчивает строки слева направо и сверху вниз. Наконец, при разработке стандартов цветного телевидения ставилось условие обратной совместимости с черно-белым ТВ. Поэтому вместо трех цветовых компонент – R, G и B – в телевидении, в отличие от компьютерной графики, использовались яркость (интенсивность свечения) и цветоразностные составляющие, получаемые вычитанием каждой цветовой компоненты из сигнала яркости. Полный телевизионный сигнал нужно было вписать в стандартный диапазон канала ЧБ (6 МГц), поэтому количество компонент сократили до трех за счет цветоразностного зеленого, доля которого довольно велика в яркостной компоненте. Оставшиеся Y (яркость), Pr (цветоразностный красный) и Pb (цветоразностный синий), передаваемые по отдельным линиям, представляют собой аналоговый компонентный сигнал. Но для передачи по эфиру такой сигнал не подходит, поэтому основным типом сигнала является композитный, в котором яркость и цветность кодируются различными способами. На приемной части демодулированные сигналы подаются на матрицу, в которой восстанавливаются исходные компоненты трех основных цветов (цветной телевизор) либо все, кроме сигнала яркости, просто отбрасывается (телевизор ЧБ).

Несмотря на общие принципы передачи изображения с помощью электрических сигналов, в мире существует множество ТВ стандартов (систем). Стандарт – это набор спецификаций, определяющих число строк и кадров, структуру сигнала и временные соотношения его составляющих, уровни белого, черного и чернее черного (синхронизация), порядок смены полей (полукадров) в кадре, способы кодирования цвета. Приведем основные спецификации из перечисленных выше.

Уровни. 30% размаха сигнала снизу (чернее черного) приходится на синхро-часть, остальные 70% – на сигнал яркости, на котором «сидят» промодулированные сигналами цветности поднесущие. Уровень белого составляет 100%. Уровень гашения – те же 30%, уровень черного находится чуть выше.

Временные параметры. Кадр с целью уменьшения полосы частот, занимаемой полным телевизионным сигналом, делится на два полукадра, или поля: в одном передаются нечетные стройки, в другом четные. Полученный метод черестрочной развертки позволяет выполнить изначальное условие частоты обновления экрана при меньшей полосе частот, занимаемой сигналом. В течение 1 секунды передается 50 полукадров (полей) в ситемах PAL и SECAM и 60 – в NTSC. Соответственно, частоты кадровой развертки составляют 25 и 30 Гц. Каждый кадр содержит по 625 (PAL, SECAM) или 525 (NTSC) строк, из которых активными (видимыми) являются 576 и 480. В соответствии с этими параметрами жестко определены длительности строк, а также строчных синхроимпульсов, полевых гасящих, уравнивающих и синхронизирующих импульсов, которые задают структуру полного видеосигнала.

Отдельные стандарты складываются в системы, которых, если говорить о традиционном аналоговом телевидении, в мире всего три: NTSC, PAL и SECAM (каждая из них имеет по несколько разновидностей). Телевизионный формат – более широкое понятие, включающее, помимо стандарта, еще и интерфейс: физическую среду распространения сигнала с ее нормированными параметрами (скажем, волновое сопротивление кабеля) и регламентированными напряжениями и мощностями. Кроме этого, формат ТВ определяет конкретные типы кабелей и разъемов, подходящих для конкретного сигнала и обеспечивающие согласование линии передачи. Например, эфирный ТВ-формат, представляющий собой излучаемую в эфир несущую одного из ТВ-каналов, модулированную композитным сигналом. Или тот же композит в «чистом» виде, передаваемый по коаксиальному 75-омному кабелю. Далее: S-Video, отличающийся от композитного раздельными линиями передачи сигналов яркости и цветности, компонентный (не две, а три отдельных линии: яркость и два цветоразностных сигнала). Или цифровой компонентный – SDI, и т.д.

В области ТВ форматов и стандартов существует определенная терминологическая путаница: один и тот же сигнал можно передавать по разным интерфейсам, сам термин «формат» часто используется для обозначения экранных пропорций, да и большое количество стандартов, принятых в разных странах, затрудняет четкую систематизацию.

Разнообразие стандартов и форматов ТВ объясняется множеством факторов, включая экономические и политические. Становление цветного телевидения пришлось на время холодной войны, и эфирная разобщенность стран разных лагерей вполне отвечала специфике эпохи. Тем более что в силу сравнительно высоких частот эфирное распространение ТВ-передач имело ограниченный радиус действия. Собственно, авторами цветного телевидения являются три страны: США, Германия и Франция. Остальные страны просто приняли ту или иную модификацию одного из трех мировых стандартов.

Серьезную лепту в мировую разобщенность по цветному телевидению внесло изначальное различие в стандартах энергосистем, по сути разделив мир на два ТВ-лагеря. В Америке частота переменного тока сети электропитания, как известно, 60 Гц, а в странах Европы – 50 Гц. Частота кадровой развертки была жестко привязана к этим значениям, поскольку в ранних системах «механического» телевидения, использовавших диск Нипкова с расположенными по спирали отверстиями, последний раскручивался с помощью синхронного двигателя. Впоследствии, когда механика полностью уступила место электронике, достаточно высокая стабильность частоты сети электропитания явилась готовым решением, которое лежало на поверхности. Это противоречие дожило до наших дней и продолжает создавать трудно и дорого решаемые проблемы.

ТРАДИЦИОННЫЕ СТАНДАРТЫ ТВ

NTSC (National Television System Committee)

Принят в 1953 г в Америке, получил также распространение в Японии, Канаде, Мексике. Каждая строка содержит, помимо яркостной составляющей Y, информацию двух цветоразностных сигналов E_R-Y и E_B-Y, которыми модулирована поднесущая 3,58 МГц. Квадратурная модуляция обеспечивает синхронное кодирование двух независимых сигналов. Для этого поднесущая разделяется на две компоненты с фазовым сдвигом 90°, одна из которых модулируется по амплитуде сигналом E_R-Y, а другая – E_B-Y. Затем эти компоненты складываются. В результате получается сигнал, модулированный и по амплитуде, и по фазе, который можно представить в виде вектора. Модуль вектора однозначно определяет насыщенность цвета, а фазовый угол‑цветовой оттенок.

Преимуществом NTSC является полноценная кодировка цвета в каждой строке. Недостаток же – высокая чувствительность к перекрестным фазовым искажениям, возникающем в канале передачи и приводящим к заметным искажениям цветопередачи. Именно поэтому в телевизорах NTSC предусмотрена регулировка оттенка (Tint), предназначенная для компенсации искажений цветопередачи уже на уровне восстановленного компонентного сигнала. Кроме этого, ввиду относительно малого числа строк система NTSC лимитирована по вертикальному разрешению.

PAL (Phase Alternation Line, или строки с изменяемой фазой)

Разработан в ФРГ компанией Telefunken в 1963 г. в целях исправить свойственные NTSC недостатки. Здесь также применяется квадратурная модуляция, но при этом поднесущая 4,43 МГц, которая модулируется сигналом E_R-Y, меняет свою фазу на 180°от строки к строке. В состав гасящего строчного импульса вводится сигнал цветовой синхронизации в виде «вспышки» в несколько периодов поднесущей с соответствующей фазой. На приемной стороне происходит декодирование путем сложения и вычитания соответствующих цветоразностных сигналов каждой пары строк (для чего необходима линия задержки на длительность одной строки). Балансная демодуляция позволяет полностью избавиться от перекрестных искажений – основного недостатка NTSC. Существенно уменьшается зависимость качества изображения от искажений и помех в линии передачи, снижаются требования к стабильности и точности электронных узлов и компонентов. Исключение составляет только прецизионная линия задержки. Именно из-за трудоемкости ее производства СССР в свое время отказалась от принятия стандарта PAL, который получил широкое распространение во многих странах Западной Европы, Азии и Африки.

Стандарт PAL имеет целый ряд важных преимуществ: поскольку сама поднесущая подавляется и передается только боковая полоса спектра, отсутствуют характерные помехи на неокрашенных участках изображения. Вдвое выше отношение сигнал/шум благодаря удваиванию сигналов цветности при декодировании. Отсутствуют фазовые искажения, нарушающие цветопередачу, а также перекрестные искажения между цветоразностными сигналами. Недостаток лишь в том, что вертикальное разрешение по цвету ниже, чем у NTSC: цветовая информация усредняется для каждой пары строк. Это не так заметно, поскольку чувствительность зрения к яркости мелких деталей существенно выше, чем к их цветовым градациям. К тому же, PAL превосходит NTSC по числу строк NTSC (хотя уступает по частоте обновления кадров, хоть и незначительно).

SECAM (Sequentiel Couleur Avec Memoire, или последовательная передача цветов с запоминанием)

Стандарт разработан инженером Анри Де Франсом в 1954 г., принят Францией и Россией одновременно в 1967. Принципиальное отличие этого стандарта от двух других (довольно схожих друг с другом) в том, что здесь две поднесущие: 4,25 МГц (для E_R-Y) и 4,406 МГц (для E_B-Y), а модуляция не амплитудная, а частотная, которая обеспечивает гораздо более высокую помехозащищенность. Сигналы цветности передаются поочередно, через строку, и каждая строка имеет вспышки цветовой синхронизации соответствующей частоты в составе гасящих строчных импульсов. С помощью линии задержки (на длительность одной строки) сигналы цветности задерживаются на длительность одной строки. Таким образом, как и в стандарте PAL, вертикальное разрешение по цвету вдвое меньше разрешению по яркости, но число строк больше, чем в NTSC. Низкая чувствительность к помехам и погрешностям тракта делают сигналы SECAM идеальными для передачи. Однако стандарт SECAM не допускает никакого вмешательства в сигнал, поэтому производство телепрограмм ведется в системе PAL, а в SECAM сигнал транскодируется непосредственно перед излучением в эфир.

Во всех стандартах видео используется уплотнение спектра сигнала. Области, в которых энергия сигнала яркости, спектр которого обладает ярко выраженной неравномерностью, практически отсутствует, выделяются для поднесущих цветности с их боковыми полосами. Это дает возможность уложить полный цветной сигнал в стандартный диапазон 6 мГц, принятый еще для черно-белого телевидения. Звук передается с помощью частотной модуляции отдельной поднесущей, смещенной вверх по оси частот настолько, чтобы исключить взаимное влияние с видеоинформацией. Сигнал, включающий все компоненты яркости и цветности со своими поднесущими, плюс звуковую часть, называется полным телевизионным сигналом, а без звуковой поднесущей – полным цветным сигналом. Базовым типом полного цветного сигнала является композитный сигнал, передаваемый по одному кабелю или эфирному каналу.

Композитный сигнал (CV)

Разъем типа BNC

Разъем типа RCA

Рис. 1. Диаграмма композитного сигнала (одна строка), разъемы

Полоса до 6 МГц. Наиболее универсальный сигнал, который обычно передается по коаксиальному кабелю 75 Ом на расстояние до 50-100 м либо на большее при наличии активных повторителей с коррекцией высокочастотных потерь. Композитный интерфейс использует разъемы RCA (в бытовой аппаратуре) или BNC (в профессиональной). Второй тип предпочтительнее, поскольку позволяет сохранить нормированное волновое сопротивление 75 Ом. Ввиду относительно узкой полосы частот композитный сигнал довольно неприхотлив. Его можно передавать и по другим интерфейсам, например по витым парам, оптоволоконной линии и пр. при наличии соответствующих преобразователей. При этом расстояние передачи значительно увеличивается.

Недостатки композитного сигнала – способность передавать только видео стандартного разрешения, неприменимость в области ТВЧ, только чересстрочная развертка, а также помехи из-за биений сигналов яркости и цветности, ограничивающие качество изображения.

Сигнал S-Video (Super, Separate Video)

Рис. 2. Диаграмма сигнала S-Video, 4-контактный разъем DIN для него

Отличается от композитного тем, что сигналы яркости и синхронизации передаются по одной линии, а сигналы цветности – по другой. Это различие позволяет достичь гораздо более высокого качества изображения за счет отсутствия биений сигналов яркости и цветности и возникающего из-за них муара. Следствие – почти втрое более высокая четкость. Интерфейс S-Video имеет место только для стандартов NTSC и PAL, но не для SECAM. Для передачи используются коаксиальные кабели 75 Ом (но уже не эфир). Разъемы – четырехконтактные, стандарта DIN.

Ни композитный сигнал, ни S-Video неприемлемы для форматов высокого разрешения (HDTV, или ТВЧ). Последние реализуются в компонентных сигналах, аналоговых и цифровых.

Компонентный сигнал (YPbPr, YCbCr, YUV)

Рис. 4. Диаграмма компонентного сигнала

Композитное видео

Компонентное видео

Рис. 5. Качество компонентного сигнала в сравнении с композитным

Здесь уже не два, а три независимых канала передачи, реализованных обычно с помощью 75-омных коаксиальных кабелей с разъемами RCA или (что лучше) BNC. Таким образом, сигналы яркости с синхросмесью и оба цветоразностных сигнала полностью разделены. Надобность в поднесущих и модуляции отпадает, полностью исчезают перекрестные и фазовые искажения, биения и пр. артефакты. Компонентный сигнал – наиболее совершенный из всех аналоговых видео сигналов, позволяющий реализовать форматы ТВЧ. Известен также цифровой компонентный сигнал – SDI, отличающийся от аналогового тем, что информация тех же самых каналов имеет цифровое представление. Причем при переходе к цифровому интерфейсу SDI отпадает надобность в трех кабельных каналах, достаточно одного, как в случае с композитным видео. Поэтому для внедрения трактов SDI можно пользоваться имеющейся инфраструктурой композитного тракта. Информация (4:2:2, глубина 8/10 бит на компоненту) может передаваться при скорости потока 270/360 Мбит/с и накапливаться в буферах на приемной стороне. Помимо видео появляется возможность предать до 16 каналов цифрового аудио и тайм-код. Вариант SDTI (Serial Digital Transport Interface), в отличие от собственно SDI, допускает передачу как несжатых, так и сжатых потоков без промежуточной декомпрессии. Дальность передачи по коаксиальному кабелю может доходить до 300 м (с повторителями и более), по оптоволокну – до 50 км.

СТАНДАРТЫ ТВЧ

С широким внедрением пиксельных дисплеев (плазменные и ЖК-панели, CLD- и DLP-проекторы), а также средств цифровой обработки видеосигналов и развитием цифрового телевидения появилось большое количество новых стандартов ТВ, которые стало принято обозначать количеством пикселей по вертикали и указывать тип развертки. Форматы HDTV (ТВЧ) начинаются с 480p (прогрессивная, или построчная, развертка), или 720 x 480p при частоте обновления кадров 60 Гц. Далее следуют 576p, 1080i, 1080p. Стандарты с меньшими значениями разрешения, нежели 720p (например, 480i) относятся к категории SDTV (ТВ стандартного разрешения). В разное время возникали и другие стандарты ТВЧ японского и европейского происхождения, но они не получили широкого распространения и были забыты.

Рис. 6. Разъем HD-SDI типа BNC

Преимущество стандартов ТВЧ в значительно более высоком качестве изображения. Причем благодаря мощным цифровым процессорам, как встраиваемым, так и внешним, даже сигналы с источников стандартного разрешения (например, диска DVD) в значительной степени приблизить по качеству к собственно ТВЧ-программам. Прирост качества картинки стал особенно актуален в последнее время, когда значительно выросли размеры дисплеев: если на телевизорах с диагональю экрана 21-25’’ артефакты изображения практически незаметны даже при воспроизведении обычной эфирной программы, на экранах больших размеров, особенно если речь идет о проекционных системах, видно все: строки разъезжаются, оставляя темные промежутки, наклонные линии становятся зубчатыми, а движения прерывистыми. Поэтому возрастает роль качественных преобразований форматов ТВ с применением продвинутых алгоритмов интерполяции (синтез новых строк и полей), компенсации последствий преобразования развертки в построчную и сглаживания дискретности движений на экране.

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СТАНДАРТОВ

Подобную задачу приходится решать очень часто: в студиях – чтобы показать по ТВ зарубежную программу, а бытовой технике – чтобы привести исходный сигнал к собственному разрешению дисплея. В разных случаях эта задача может решаться легко или быть практически не решаема, если речь идет о сохранении исходного качества. Например, крайне сложно преобразование NTSC в PAL или SECAM из-за разных значений частот кадровой развертки. После появления цифровых технологий обработки сигнала задача значительно упростилась, но стоимость оборудования весьма высока: сигнал приходится полностью реконструировать с оцифровкой и обратным преобразованием, буферизацией, интерполяционным синтезом промежуточных строй и полей, переносом на новую строчно-кадровую основу. Значительно проще обстоит дело с преобразованиями PAL/SECAM, поскольку и кадровая частота, и количество строк в этих стандартах идентичны. Речь идет лишь о перекодировке сигналов цветности. Поэтому существует масса недорогих интегральных микросхем-транскодеров.

Рис. 7. Общая схема преобразователя композитного видеосигнала в RGB

В процессе преобразования из исходного композитного сигнала восстанавливаются яркостная и цветоразностные компоненты, а также синхросмесь. В S-Video производится разделение синхроимпульсов и яркостного сигнала, а также цветоразностных компонентов Cb и Cr. Компонентный сигнал предоставляет все это в готовом виде, остается лишь отделить синхросмесь. Затем осуществляется преобразование в RGB, стандарт, в котором весовые коэффициенты основных цветовых составляющих равны 1.

Сигнал YPrPb

Сигнал RGB

Рис. 8. Уровни основных цветов YPrPb и RGB

После этого сигнал оцифровывается и помещается в буфер, откуда считывается в соответствии с новой сеткой частот синхронизации.

Преобразование стандартов должно сопровождаться как можно меньшими сдвигами цветовых оттенков. Если при этом попутно преобразуется развертка, не должно быть заметно характерных артефактов данного преобразования («эффект расчески» и пр.). Также не должно возникать дискретности движений из-за некорректного перехода на новую кадровую частоту, если таковой имеет место быть. Наконец, существенный фактор – стоимость аппаратуры, которая может сильно меняться в зависимости от специфики задачи преобразования.

С появлением стандартов ТВЧ преобразования стали более актуальными – без них не обходится ни один дисплей со средним и большим экраном. В первую очередь чересстрочная развертка преобразуется в прогрессивную, при этом приходится идти на различные ухищрения, чтобы свести к минимуму такие характерные искажения, как «эффект расчески» (из-за временного сдвига между полями одного кадра), зубчатость наклонных линий, мерцание соседних строк. Попутно производится интерполяция, сглаживание движений, при необходимости изменяются экранные пропорции.

Преобразование без сглаживания и со сглаживанием

Эффект «расчески» при движении объекта на экране

Цифровые артефакты сжатия (на правой стороне примера)

Смазывание движения

Рис. 9. Артефакты преобразования

ИЗМЕНЕНИЕ ФОРМАТА

Часто возникает необходимость перехода на другой формат или интерфейс, не выходя за пределы стандарта ТВ. Такая задача обычно не вызывает проблем и решается с помощью недорогих приборов, часто аналоговых. Существует большое количество различных преобразователей, которые дают возможность получать один и тот же сигнал сразу в нескольких форматах, например композитном, S-Video и компонентном, и даже не только форматах, но и стандартах.

Рис. 10. Универсальный преобразователь форматов и стандартов

ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ

Основной из них – это взаимные преобразования компьютерных и телевизионных форматов. С целью получить из компьютерного сигнала в видео применяются преобразователи развертки, или скан-конверторы. Для обратного же преобразования – масштабаторы. Это универсальные приборы, многие из которых строятся по принципу «любой сигнал на входе – любой на выходе», причем имеются в виду все атрибуты этого сигнала: разрешение, виды разверток, аналоговое или цифровое представление.

С появлением цифровых форматов ТВ и эффективных алгоритмов сжатия (MPEG2, MPEG4 и т.д.) резко возросли потребности в преобразованиях, связанных с изменением степени компрессии или ее способа. Кроме этого, успешно развивается сетевое телевидение, доставляющее программы поверх IP-протокола. Существует и множество удачных решений с применением беспроводного интерфейса Wi-Fi. Обычно последний комбинируется с инфраструктурой местных сетей Ethernet, выполненной на витых парах, и более протяженными внешними оптоволоконными магистралями. Все это требует множества преобразований на входе и выходе каждого интерфейса. Однако на сегодня преобразования практически полностью вышли из аналоговой области и концентрируются в цифровой, поэтому их количество не уже оказывает отрицательного влияния на сигнал. Более того, в процессе многих преобразований происходит реконструкция сигнала с исключением джиттера.