Кривошеев М.И. Международная стандартизация цифрового вещательного телевидения

Подождите немного. Документ загружается.

зования в более поздних технологических операциях и при передаче

сигнала программы.

В этой области работало много крупных специалистов, и среди них

— J. Flaherty, R. Green, S. Baron (США), K. Davies (Канада), Y. Guinet,

H. Schachlbauer и D. Wood (Европа), T. Saito (Япония), в СССР — И. Цук-

керман, результаты исследований которого изложены в [3.203], Н. Г. Ха-

ратишвили, внесший весомый вклад в теорию и практику цифрового

кодирования [3.204], В. Хлебородов (СССР), предложивший, напри-

мер, значение 5,75 МГц для высшей частоты сигнала яркости в систе-

ме 625 / 50 [3.187], Е. Сорока, и др. Особо следует упомянуть H. Jones

(Великобритания), одного из ведущих европейских ТВ специалистов,

принимавшего активное участие в обсуждении вопросов выбора часто-

ты дискретизации видеосигнала.

Наиболее трудным вопросом был выбор частоты дискретизации,

общей для систем PAL, SECAM и NTSC. Мир NTSC, например, сом-

невался в правильности первого европейского предложения о выборе

частот дискретизации составляющих яркости и цветности соответс-

твенно 12 и 4 МГц.

В США и Канаде предложили наивысшие частоты дискретизации

14,3 МГц для сигнала Y и 7,15 МГц для сигналов U и V. Эти значе-

ния оказались вдвойне привлекательными. Они хорошо подходили

для компонентного кодирования, и с их помощью можно было реали-

зовать любое композитное кодирование. Частота 14,3 МГц вчетверо

превышала частоту цветовой поднесущей, используемой при форми-

ровании сигнала NTSC. Поскольку получилось удобное математи-

ческое соотношение с частотой цветовой поднесущей сигнала NTSC,

то возник вопрос, согласятся ли с таким решением сторонники дру-

гих ТВ систем?

В то время сторонники PAL и SECAM твердо придерживались своего

выбора частот 12 и 4 МГц. Однако стало ясно, что только при компромис-

се обеих сторон можно было бы достичь единого решения. Сторонники

PAL и SECAM постепенно приближались к нему и предложили часто-

ты 13 МГц для сигнала Y и 6 МГц для сигналов U и V. Они были близки

к значениям, предложенным сторонниками NTSC, но этого оказалось

недостаточно для поддержки со стороны США, Канады и Японии.

Хотя 11 ИК МККР находилась в центре мировой дискуссии по стандар-

ту для производства цифровых ТВ программ, подготовительная работа

была начата и в других специализированных организациях, например,

в Целевой группе EBU / SMPTE во главе с P. Rainger (Великобритания),

3.2. МЕЖДУНАРОДНЫЙ СТУДИЙНЫЙ СТАНДАРТ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

ГЛАВА 3. ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ КОДИРОВАНИЯ ТВ СИГНАЛОВ

в которую также вошли D. Fibush (США), T. Eguchi (Япония), K. Davies

(Канада) и P. Zaccarian (Италия).

При выборе частоты дискретизации необходимо было учесть также

следующие требования:

качество изображения должно быть достаточно высоким (прозрач-

ность относительно качества изображения источника);

цифровой сигнал должен быть приспособлен к различным операциям

ТВ постпроизводства (предельное качество при постобработке);

аппаратура должна соответствовать стандартам как 525 / 60, так

и 625 / 50.

Требование прозрачности качества можно было бы выполнить с ис-

пользованием частоты дискретизации 12 МГц, однако для выполнения

второго требования — предельного качества при постобработке — необ-

ходима более высокая частота, например, 13 МГц и выше. Для хорошей

постобработки требовалось соотношение частот дискретизации сигна-

лов яркости и цветоразностных сигналов 2:1. Это было принципиально

необходимо для обеспечения возможности правильного переключения

цветов при электронной рирпроекции.

При раздельном кодировании сигнала яркости и двух сигналов

цветности учитывалось, что для получения ТВ изображений высо-

кого качества частота дискретизации должна немного превышать

удвоенное значение высшей частоты сигнала яркости, а ее номиналь-

ное значение следует выбирать с учетом необходимости получения

ортогональной структуры отсчетов на ТВ изображении. Последнее

требовало, чтобы частота дискретизации была кратна строчным час-

тотам систем с разложением на 525 и 625 строк. С другой стороны,

эта частота дискретизации должна была быть по возможности ниже,

чтобы не увеличивать скорость передачи символов в объединенном

цифровом потоке.

Наименьшее кратное строчных частот f

стр

(625) = 15625 Гц и f

стр

(525) =

15734, 26573 Гц соответствует 2, 25 МГц = 144 f

стр

(625) = 143 f

стр

(525).

Поэтому для дискретизации сигналов яркости в системах с разложени-

ем на 525 и 625 строк, находящихся в эксплуатации в разных странах,

подходили частоты 11,25; 13,5 и 15,75 МГц, кратные 2,25 МГц (мно-

жители 5, 6, 7). США, Канада, Япония и другие страны, у которых вы-

сшая частота сигнала яркости близка к 5 МГц, отдавали предпочтение

частоте дискретизации 11,25 МГц. Многие европейские страны, СССР,

Китай, у которых полоса частот сигнала яркости близка к 6 МГц, пред-

почитали более высокие значения частоты дискретизации.

•

Выяснилось, что из всех возможных значений частоты дискретизации

сигнала яркости Y лишь частота 13,5 МГц была целым кратным числа

отсчетов в строке для структур разложения изображения как 525 / 60,

так и 625 / 50. Это означало, что сканируемый участок сигнала зани-

мает стабильное положение в обоих случаях, и в обе системы нетрудно

ввести другой общий элемент — общее число отсчетов в активной час-

ти строки. Кроме того, данная частота была приемлема с точки зрения

как обеспечения требуемого качества изображения, так и постобра-

ботки, что послужило веской причиной для ее окончательного выбора.

Частота дискретизации сигналов цветности U и V была выбрана в два

раза ниже и равной 6,75 МГц.

Эта идея появилась почти одновременно в разных странах. D. Wood

в отмеченных выше воспоминаниях сообщает, что рассчитал требуемое

соотношение частот после прочтения статьи о том, что частоту дискре-

тизации сигнала можно получить путем умножения частоты поднесу-

щей в системе NTSC, и поделился своими результатами с тогдашним

руководителем Технического Департамента ВВС H. Jones. Здесь же

он отмечает, что сложные международные согласования проводились

под руководством и при непосредственном участии Председателя 11 ИК.

К магическому значению 13,5 МГц пришел также F. Davidoff (США),

ведущий специалист из компании CBS.

Новая частота дискретизации и соотношение частот для сигналов

Y,U,V 4:2:2 стали предметом соглашения, достигнутого и в Целевой

группе EBU / SMPTE. Ее члены поставили задачу убедить специалистов

вещания в своих и зарубежных странах в том, что нужно принять ука-

занное значение частоты. Команда из SMPTE вела жестокий бой у себя

в США. Там еще существовала оппозиция, в особенности по предлагае-

мой частоте 14,3 МГц, которая хорошо подходила для стандарта NTSC,

где частота цветовой поднесущей равна 3,58 МГц. Однако, R. Green

(СВС, США) и его коллеги признали, что если частота 13,5 МГц ста-

нет единым мировым значением, то она будет одинаково приемлемой

или неприемлемой для всех сторон.

Международные и региональные вещательные организации также

обсуждали, пропагандировали и поддерживали разработку единого

мирового цифрового стандарта. Достижению международного кон-

сенсуса препятствовала только точка зрения Японии. Несмотря на то,

что решения в Целевой группе SMPTE / EBU принимались при участии

японских специалистов, это было не одно и то же, что официальная по-

зиция Японии по этому важному вопросу. Окончательно все решилось

3.2. МЕЖДУНАРОДНЫЙ СТУДИЙНЫЙ СТАНДАРТ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

ГЛАВА 3. ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ КОДИРОВАНИЯ ТВ СИГНАЛОВ

лишь на заключительном собрании 11 ИК в 1981 году, когда Y. Tadakoro

(NHK) из Японии сообщил коллегам всего мира, что его страна провела

независимые испытания с использованием частоты 13,5 МГц и готова

согласиться с этим значением [3.188].

В итоге первый проект Рекомендации со спецификацией цифрового

студийного стандарта на основе вкладов США, Европейского вещатель-

ного союза (EBU), Международной организации радиовещания и телеви-

дения (ОIRТ), Канады и Японии был принят на собрании 11 ИК в 1981 г.

[3.14]. Она основывалась на компонентном кодировании ТВ сигнала

и устанавливала параметры кодирования по стандарту 4:2:2 при восьми-

разрядном кодировании видеосигнала и т. п. Стандарт предусматривал

дискретизацию сигнала яркости с частотой 13,5 МГц и дискретизацию

каждого сигнала цветности с частотой 6,75 МГц [3.16].

Кульминационной точкой принятия исторической рекомендации

как единого мирового цифрового студийного стандарта явилась XV

Пленарная Ассамблея МККР, состоявшаяся в г. Женеве в феврале

1982 года. Хотя, как было отмечено выше, проект первой рекомендации

по этому долгожданному стандарту был принят единогласно на заклю-

чительном собрании 11-й ИК в 1981 году, непосредственно на Пленар-

ную Ассамблею были представлены вклады NANBA, Японии, ОIRТ,

США, Италии, содержащих ряд поправок к стандарту. В связи с этим

Пленарная Ассамблея поручила Председателю 11 ИК доработать и со-

гласовать разработанный проект Рекомендации с учетом этих вкладов.

В результате этой работы Председатель 11 ИК представил новый проект

данной рекомендации (Док. 11 / 1027, Rev. 1). Делегации стран и меж-

дународных организаций, представившие вклады, были удовлетворены

новым текстом и подтвердили это, поставив соответствующие подписи

(рис. 3.3). В итоге предложения Председателя 11 ИК по Рекомендации

по кодированию для цифровых студий (Рекомендация 601) были при-

няты Пленарной Ассамблеей единогласно.

В этой Рекомендации [3.17], рассмотренной в [3.209-3.211], исполь-

зуются цифровые сигналы, полученные в результате аналого-цифрового

преобразования аналоговых видеосигналов Y

–

= 219 (E'

) + 16, C

–

= 224

(E'

) + 128 и C

–

= 224 (E'

) + 128, где E'

— обычный сигнал яркости,

изменяющийся в диапазоне 0-1, а E'

и E'

— компрессированные цве-

торазностные сигналы с диапазоном изменения от — 0,5 до 0,5. Для опи-

сания кодируемых сигналов применена аналоговая шкала 0-255, удоб-

ная при рассмотрении 8-разрядного кодирования. На рис. 3.4 показаны

диаграммы уровней, дающие наглядное представление о соответствии

между указанными сигналами (здесь в скобках приведены значения

уровней, выраженные в шестнадцатиричной системе счисления, ко-

Рис. 3.3. Предложения Председателя 11 ИК (XV Пленарная Ассамблея МККР, Же-

нева, 1982 г.) к Рекомендации по кодированию для цифровых студий.

3.2. МЕЖДУНАРОДНЫЙ СТУДИЙНЫЙ СТАНДАРТ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

ГЛАВА 3. ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ КОДИРОВАНИЯ ТВ СИГНАЛОВ

торая отличается компактностью записи; в этой системе применяется

алфавит символов 0-9, А, В, C, D, E, F). Как видно, сигнал E'

получа-

ет смещение на 16 единиц шкалы и масштабируется с коэффициентом

255 / (235-16) = 1,164, а сигнал E'

или E'

смещается на 128 единиц

шкалы и дополнительно уменьшается в 255 / (240 –16) = 1,138 раза.

Допуск на частоты дискретизации 13,5 и 6,75 МГц должен совпадать

с допуском на строчную частоту соответствующей системы цветного те-

левидения. Здесь возможны два практических случая. При цифровом

кодировании внешних видеосигналов частоты дискретизации должны

«привязываться» к поступающим синхроимпульсам, иначе говоря,

их стабильность будет целиком определяться долговременной часто-

тной стабильностью внешнего видеоисточника. Возможность такой

синхронизации будет зависеть также от кратковременной стабильности

(фазового дрожания) поступающих синхроимпульсов. При кодирова-

нии на цифровых телецентрах частоты дискретизации являются пер-

вичными, а синхросигналы — вторичными, и в этом случае проблема

частотной стабильности теряет свою остроту.

Предусматривается единое количество отсчетов в активной части

строки для сигналов стандарта как 625 / 50, так и 525 / 60, как показано

на рис. 3.5, где T

— тактовый период (период дискретизации) сигна-

ла яркости. Моменты формирования отсчетов условно помечены им-

пульсами, причем, следует отметить, что фактическое число отсчетов

Рис. 3.4. Диаграмма уровней аналоговых видеосигналов Y, C

и С

, подаваемых

на вход АЦП.

может превышать нормируемое число «активных» отсчетов 858 и 864.

Здесь же показан фрагмент последовательности яркостных отсчетов,

а ниже — соответствующим образом совмещенные последовательности

красного и синего цветоразностных сигналов. Так как длительность ак-

тивной части строки сигнала 525 / 60 немного больше ее длительности

в сигнале 625 / 50, было выбрано 720 отсчетов в строке, охватывающее

обе длительности активной части строки и немного большее, чем дли-

тельность активной части строки сигнала 525 / 60 (NTSC). Исходя из это-

го значения был определен ряд других параметров для систем стандар-

тного телевидения и телевидения высокой четкости. Во всех системах

следует формировать 360 отсчетов каждого цветоразностного сигнала.

Предложение использовать 720 отсчетов в строке было сделано актив-

ным участником в работе 11 ИК H. Jones (ВВС, Великобритания).

Рис. 3.5. Временная диаграмма, поясняющая понятие «цифровой активной части

строки». T

– тактовый период (период дискретизации) сигнала яркости. Внизу по-

казано временное соответствие между отсчетами яркостного и цветоразностных

сигналов.

3.2. МЕЖДУНАРОДНЫЙ СТУДИЙНЫЙ СТАНДАРТ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

ГЛАВА 3. ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ КОДИРОВАНИЯ ТВ СИГНАЛОВ

Относительно временного соответствия аналогового и цифрового

видеосигналов в Рекомендации указывается, что от конца цифровой

активной части строки до опорного момента О

строчной синхрони-

зации, задаваемого фронтом строчного синхроимпульса, должно ук-

ладываться 16 и 12 тактовых периодов сигнала яркости в системах

525 / 60 и 625 / 50 соответственно (рис. 3.5). Временное соответствие

цифрового и аналогового видеосигналов показано на рис. 3.6. Отме-

ченные на нем сигналы EAV (end of active video — конец цифровой

Рис. 3.6. Структура цифрового сигнала параллельного интерфейса и его времен-

ное соответствие аналоговому видеосигналу.

активной части строки) и SAV (start of active video — начало цифро-

вой активной части строки) предназначены для осуществления циф-

ровой синхронизации.

Соглашение по Рекомендации 601 стимулировало разработку систем

для остальных элементов тракта вещания, для систем подачи и распреде-

ления и для форматов цифровой записи. Спустя несколько лет появился

формат записи D1 и ряд стандартов передачи, основанных на использо-

вании источника сигналов формата 4:2:2. Усилиями многих специалис-

тов и в первую очередь, таких как K. Davies (СВС, Канада) и S. Micelli

(RAI, Италия), были разработаны параметры последовательного и па-

раллельного интерфейсов для сигналов по Рекомендации 601.

Рекомендация 601 прочно вошла в историю как первый единый ми-

ровой стандарт для цифровых ТВ студий [3.205]. За разработку этого

стандарта МККР получил награду Национальной академии телевизи-

онных искусств и наук (США) за инженерные достижения в кино и те-

левидении (см. главу 1, рис. 1.14). Директор МККР R. Kirby поздравил

с этой наградой всех участвовавших в работе МККР на собрании 11 ИК

и совместном собрании 10 ИК и 11 ИК в 1983 г. [3.18, 3.19].

На собрании 11 ИК в 1983 г. была создана новая Временная рабочая

группа ВРГ 11 / 7 по изучению цифровых ТВ стандартов [3.20]. Ее воз-

главила следующая «тройка»:

Председатель: A. Heightman (Великобритания)

Вице-председатель: K. Davies (Канада)

Вице-председатель: T. Saito (Япония).

В исследованиях принимали участие также следующие подгруппы

РГ 11-D (Председатель Y. Yamamoto, Япония) [3.21, 3.22]:

11-D-1 (Председатель D. Wood, EBU) работала над модификацией

Рекомендаций 601 и Отчетов 629 и 962;

11-D-2 (Председатель K. Davies, Канада) завершила проекты новых

отчета и Рекомендации по цифровым интерфейсам;

11-D-3 (Председатель I. Saito, Япония) изучала вопросы цифрового

сжатия и оценки качества изображений.

Первый проект новой Рекомендации «Интерфейсы для цифровых

компонентных видеосигналов в 525 — строчных и 625 — строчных

телевизионных системах» был принят на собрании 11 ИК в 1985 г.

[3.23, 3.24]. Первый проект нового отчета по измерению интерфе-

ренционных помех, обусловленных гармониками частоты дискре-

тизации 13,5 МГц, был подготовлен ВРГ 11 / 7 и принят на собрании

11 ИК в 1987 г. [3.25].

3.2. МЕЖДУНАРОДНЫЙ СТУДИЙНЫЙ СТАНДАРТ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

ГЛАВА 3. ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ КОДИРОВАНИЯ ТВ СИГНАЛОВ

Изучение цифровых методов проводилось в тесной кооперации со мно-

гими организациями, в первую очередь, с СМТТ. Оценивая состояние

кооперации, Председатель СМТТ W. Simpson в выступлении на собрании

11 ИК в 1987 г. отметил достижения СМТТ в изучении передачи цифро-

вых ТВ сигналов и предложил в качестве одного из направлений даль-

нейших, совместных с 11 ИК исследований вопросы передачи сигналов

ТВЧ [3.26]. Важным результатом собрания явилось принятие проекта

нового отчета по требованиям пользователя к цифровой ТВ передаче,

разработанного группой Y. Yamamoto [3.27].

При решении задачи нормирования характеристик и параметров от-

дельных компонентов тракта цифрового ТВ вещания следовало учесть

сложную их взаимосвязь. Было намечено определить характеристики

единого цифрового вещательного пространства от источника до телеэк-

рана пользователя с тем, чтобы оптимизировать не только параметры

отдельных компонентов канала, но и характеристики системы в целом

(масштабирование качества изображения при варьировании характе-

ристик процесса кодирования-декодирования, совместная оптимизация

кодирования канала и источника сигналов в студии, возможность такой

оптимизации при различных условиях передачи-приема и т. п.).

В рамках решения этой задачи РГ 11В (кодирование источника

для цифрового телевидения) под председательством T. Nishizawa (Япо-

ния) подготовила первые проекты Рекомендаций «Требования пользо-

вателя к передаче цифровых телевизионных сигналов, определяемых

в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р ВТ.601, по сетям подачи и пер-

вичного распределения» и «Испытательные изображения и последова-

тельности для субъективной оценки качества цифровых кодеков, пе-

редающих сигналы, сформированные в соответствии с Рекомендацией

МСЭ-Р ВТ.601» [3.29].

3.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТАНДАРТОВ MPEG

Целевая группа ЦГ 11 / 4 под председательством R. Bedford (Великоб-

ритания), созданная в начале исследовательского периода 1990-1994 го-

дов, явилась связующим звеном между вещательными Исследова-

тельскими комиссиями (10 ИК и 11 ИК) и проектом ISO / IEC MPEG,

который оказался выгодным для обеих комиссий и позволил создать

ряд новых цифровых стандартов. «Эд хок» группа ЦГ 11 / 4 по вза-

имодействию МСЭ-Р и MPEG (Moving Picture Expert Group, группа

экспертов по движущимся изображениям) по изучению методов циф-

рового кодирования под председательством T. Nishizawa (Япония),