Разработка упрощенной методики создания HD видео с использованием цифровой камеры XD CAM

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СВЯЗИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

“ К защите”

Заведующий кафедрой «КГ и Д»

доц. Нуралиев Ф. М.

"___"________ 2013 г.

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

ТЕМА: разработка упрощенной методики создания hd видео с использованием цифровой камеры xd cam

Выпускник Жура?улов З. И.

Руководитель ___________ Махмудов А. Х .

Консультант

по БЖД ___________ ?одиров Ф. М.

Ташкент - 2013

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СВЯЗИ

ИНФОРМАТИЗАЦИИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Факультет «Телевизионные технологии» Кафедра «Компьютерная графика и дизайн»

Направление 5525500 «Аудио-видео технологии»

У Т В Е Р Ж Д А Ю

Зав. кафедрой Нуралиев Ф. М.

«_____» ____________2013 г.

ЗАДАНИЕ

на выпускную квалификационную работу Жура?улов З.И.

1. Тема работы: Разработка упрощенной методики создания HD видео с использованием цифровой камеры XD cam

2. Утверждена приказом по университету от 04.02. 2013 г. № 110

3. Срок сдачи законченной работы 20.05.2013 г.

4. Исходные данные к работе: форматы видео MPEG-4; разрешение изображения 1920 на 1080 точек; пропускная способность от-36 Мбит/с.

5. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов): этапы развития цифрового телевидения; принцип построения тракта телевизионных сигналов высокой четкости; разработка упрощенной методики создания HD видео с использованием цифровой камеры XD CAM; безопасность жизнедеятельности.

6. Перечень графического материала: структурная схема цифровой телевизионной системы; кодирование ТВ сигнала; структура видеокамер; характеристики Sony XD CAM; структура системы телевидения высокой четкости.

7. Дата выдачи задания ________05.02.2013 г._____________________

Руководитель ___________________

Задание принял __________________ . подпись

8. Консультанты по отдельным разделам выпускной работы

№	Наименование раздела	Ф. И. О. руководителя	Подпись, дата
			Задание выдал	Задание получил
1.	Введение	Махмудов А.Х.	05.02	05.02
2.	Этапы развития цифрового телевидения	Махмудов А.Х.	20.02	20.02
3.	Принцип построения тракта телевизионных сигналов высокой четкости	Махмудов А.Х.	25.03	25.03
4.	Разработка упрощенной методики создания HD видео с использованием цифровой камеры XD CAM	Махмудов А.Х.	05.04	05.04
5.	Безопасность жизнедеятельности
6.	Заключение	Махмудов А.Х.	20.05	20.05

9. График выполнения работы

№	Наименование раздела	Срок выполнения	Отметка руководителя о выполнения
1.	Введение	05.02-19.02
2.	Этапы развития цифрового телевидения	20.02-15.03
3.	Принцип построения тракта телевизионных сигналов высокой четкости	15.03-05.04
4.	Разработка упрощенной методики создания HD видео с использованием цифровой камеры XD CAM	05.04.-05.05
5.	Безопасность жизнедеятельности
6.	Заключение	20.05-25.05

Выпускник ___________ Журакулов З. И.

Руководитель ___________ Махмудов А. Х.

Аннотация

Данная выпускная квалификационная работа посвящена изучению структуры телевизионных сигналов высокой четкости, и особенностям формата HDTV и формирования ТВ сигналов высокой четкости с помощью видеокамеры XD CAM, кроме этого рассмотрены вопросы по безопасности жизнедеятелности.

Битирув малакавий иши ю?ори тини?ликдаги телевизион сигнали структурасини ва HDTV формати хусусиятларини, ?амда ю?ори тини?ликдаги ТВ сигнални XD CAM видеокамераси ор?али ташкил этишни ўрганишга ба?ишланган, бундан таш?ари ?аёт хавфсизлик саволлари кўриб чи?илган.

Given exhaust qualification functioning is dedicated to study of the structure television signal to high clearness, and particularity of the format HDTV and shaping TV signal to high clearness by means of video cameras XD CAM, except this considered questions on safety of vital activity.

Оглавление

Введение

Глава I. Этапы развития цифрового телевидения

1.1 Цифровой телевизионный сигнал

1.2 Общие принципы построения системы цифрового телевидения

1.3 Развитие телевидения высокой четкости происходит в рамках проекта DVB

1.4 Оборудование инфраструктуры телевизионного комплекса

Выводы по главе I

Глава II. Принцип построения тракта телевизионных сигналов высокой четкости

2.1 Особенности формата телевидение высокой четкости

2.2 Цифровое телевидение высокой четкости

Выводы по главе II

Глава III. Разработка упрощенной методики создания HD видео с использованием цифровой камеры XD CAM

3.1 Технические проблемы и перспективы внедрения цифрового телерадиовещания в Национальной телерадиокомпании Узбекистана

3.2 Технические характеристики цифровой камеры XD cam

3.3 Структура видеокамер

3.4 Устройство и работа преобразователя изображения на ПЗС

3.5 Методика создания HD видео и параметры телевидение высокой четкости

3.6 Структура передачи цифровых ТВ сигналов

Выводы по главе III

Глава IV. Безопасность жизнедеятельности.

4.1 Профессиональные вредности производственной среды и классификация основных форм трудовой деятельности

4.2 Техника безопасности при эксплуатации электрооборудования

Заключение

Список использованной литературы

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Доклад Президента Республики Узбекистан Ислама Каримова на заседании Кабинета Министров, посвященном итогам социально-экономического развития страны в 2012 году и важнейшим приоритетным направлениям экономической программы на 2013 год.

Уже в этом году следует обеспечить реализацию проектов по развитию цифрового телевидения путем установки 5 цифровых телевизионных передатчиков в Джизакской, Ташкентской, Ферганской и Хорезмской областях и увеличить охват населения республики цифровым телевидением с 42 до 45 процентов.

Предстоит завершить строительство более 2 тысяч километров волоконно-оптических сетей широкополосного доступа по современной технологии с предоставлением услуг видеотелефонии, Интернет-телевидения, высокоскоростного Интернета, просмотра каналов HDTV и других.

HDTV (High Definition TV) - это новое направление развития телевидения в мире. Его другими словами называют - телевидение высокой четкости (ТВЧ).

Актуальность данной работы заключается в том, Узбекистан тоже начал вещание в формате HDTV и изучение методики получения сигналов высокой четкости очень помогает специалистам в области телевещания.

Целью данной работы является анализ методов и алгоритмов получения HD-цифровых телевизионных сигналов с помощью цифровых видеокамер.

Данная выпускная квалификационная работа посвящена исследованию телевизионных сигналов высокой четкости с использованием цифровой камеры XD cam.

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

1.1 Цифровой телевизионный сигнал

Цифровое телевидение - это отрасль телевизионной техники, в которой

передача, обработка и хранение телевизионного сигнала осуществляются в

цифровой форме.

Применение методов и средств цифрового телевидения - это пень развития телевизионной техники, обеспечивающая ряд преимуществ по сравнению с аналоговым телевидением:

- повышение помехоустойчивости трактов передачи и записи телевизионных сигналов;

- уменьшение мощности передатчиков ТВ-вещания;

- существенное увеличение числа телевизионных программ, передаваемых в

том же частотном диапазоне;

- повышение качества изображения и звука в телевизионных приёмниках с обычным стандартом разложения;

- создания телевизионных систем с новыми стандартами разложения из ображения (телевидение высокой чёткости - ТВЧ);

- расширение функциональных возможностей студийной аппаратуры,

используемой при подготовке и проведении телевизионных передач;

- передача в телевизионном сигнале различной дополнительной информации, превращение телевизионного приёмника в многофункциональную информационную систему;

- создание интерактивных телевизионных систем, при пользовании которыми зритель получает возможность воздействовать на передаваемую программу.

Эти преимущества обусловлены как самими принципами, присущими цифровому телевидению, так и наличием разнообразных алгоритмов, схемных решений и мощной технологической базы для создания соответствующих устройств.

В своём развитии цифровое телевидение прошло ряд этапов. На каждом этапе сначала выполнялись научно-исследовательские и опытно- конструкторские работы, с оздавались экспериментальные устройства и системы, а затем принимались стандарты, как правило, международные, которые должны выполняться всеми организациями, ведущими телевизионное вещание и выпускающими видеопрограммы, и всеми фирмами-производителями аппаратуры. Принятие стандартов - важнейшая составляющая развития любой технологии.

Международные стандарты принимаются в первую очередь Международной организацией по стандартизации (ISO - International Organization for Standartization), созданной в 1947 г. Для разработки ст андартов в какой-либо области техники ISO создаёт рабочие группы. Пример такой группы - MPEG (Motion Picture Expert Group), занимающаяся стандартами для цифрового телевидения.

Первый этап развития цифрового телевидения - использование цифровой техники в отдельных частях телевизионной системы при сохранении обычного стандарта разложения и аналоговых каналов связи. Наиболее важным достижением было создание полностью цифрового студийного оборудования. На современных телестудиях сигналы передающих камер преобразуются в цифровую форму, и вся дальнейшая их обработка и хранение в пределах телецентра осуществляются цифровыми средствами. Это позволяет в значительной степени реализовать указанные выше преимущества цифрового телевидения. На выходе студийного оборудования телевизионный сигнал преобразуется в аналоговую форму и передаётся по обычным каналам связи.

Другое направление использования цифровой техники, характерное для первого этапа развития цифрового телевидения - введение цифровых блоков в телевизионные приёмники с целью повышения качества изображения или расширения функциональных возможностей. Примерами таких блоков могут служить цифровые фильтры для разделения яркостного и цветоразностных сигналов, для уменьшения влияния шумов на изображение и для подавления эхо-сигналов, возникающих при отражении радиоволн от поверхности Земли и различных объектов.

Второй этап развития цифрового телевидения - создание гибридных аналого-цифровых телевизионных систем с параметрами, отличающимися от приняты 9х в обычных стандартах телевидения.

Можно выделить два основных направления изменений телевизионного стандарта: переход от одновременной передачи яркостного и цветоразностных сигналов к последовательной их передачи и увеличение числа строк в кадре и элементов изображения в строке. Реализация второго направления связана с необходимостью сжатия спектра телевизионных сигналов для обеспечения возможности его передачи по каналам связи с приемлемой полосой частот.

Примерами гибридных телевизионных систем могут служить японская система телевидения высокой чёткости MUSE и западноевропейские система семейства MAC. В передающей и приёмной частях всех этих систем сигналы обрабатываются цифровыми средствами, а в канале связи сигналы передаются в аналоговой форме. Системы ТВЧ MUSE и HD-MAC имеют формат изображения 16:9, число строк в кадре 1125 и 1250, частоту кадров 30 и 25 Гц, соответственно. С помощью цифрового кодирования исходная полоса частот сигналов этих сигналов этих систем, превышающая 20 МГц, сжатием примерно до 8 МГц. Это позволяет передавать эти сигналы с частотной модуляцией (ЧМ) по спутниковым каналам связи, имеющим ширину полосы 27 МГц. В то же время, широко развитая сеть наземного телевизионного вещания, включающая УКВ-передатчики, кабельную сеть и другую технику, не позволяет передавать и принимать сигналы указанных систем телевидения, так как рассчитана на ширину полосы частот одного канала, равную 6…8 МГц.

Третьим этапом развития цифрового телевидения можно считать создание полностью цифровых телевизионных систем.

Первые предложения по полностью цифровым системам телевидения появились в 1990 г. В основе этих проектов лежали достижения в методах и техники эффективного кодирования и сжатия изображений. Работы в этой области проводились не только с целью создания цифровых телевизионных систем, но и для таких применений, как видеотелефон и видеоконференции, запись видеопрограмм на цифровые лазерные компакт-диски, компьютерная графика, видеосредства мультимедиа и др.

Для сжатия неподвижных изображений широко используется стандарт JPEG (Joint Picture Expert Group). Методы сжатия движущихся изображений и сигналов звукового сопровождения описаны в стандартах MPEG-1 и MPEG-2 (MPEG - Motion Picture Expert Group). Стандарт MPEG-1, ориентированный в основном на запись кинофильмов и видеопрограмм на компьютерные лазерные диски с возможностью воспроизведения изображения и звука с помощью обычного персонального компьютера, был окончательно утверждён к декабрю 1993 г. Стандарт MPEG-2, предназначенный для систем телевизионного вещания как с обычным стандартом разложения, так и с увеличенным числом строк (ТВЧ), был утверждён в ноябре 1994 г.

В настоящие время системы цифрового телевидения, основанные на сжатии телевизионных сигналов по стандарту MPEG-2, быстро распространяются во многих странах. При этом в первую очередь решается задача значительного увеличения количества передаваемых программ телевидения обычного разрешения, так как это даёт быстрый коммерческий эффект.

В Европе уже в 1993 г., как только стало ясно, что за цифровыми телевизионными системами будущее, был принят проект DVB (Digital Video Broadcasting - Цифровое Видео Вещание), в работах.

Главными особенностями нового поколения телевизионных систем являются:

1. Существенное сужение полосы частот цифрового телевизионного сигнала, достигаемое с помощью эффективного кодирования, то есть сокращения избыточности изображений, и позволяющее передавать 4 и более программ телевидения обычной чёткости или 1-2 программы ТВЧ по стандартному телевизионному каналу с шириной полосы частот 6…8 МГц.

2. Единый подход к кодированию и передачи телевизионных сигналов с различной чёткостью изображения: видеотелефон и другие системы с уменьшенной чёткостью, телевидение обычной чёткости, ТВЧ.

3. Интеграция с другими видами информации при передачи по цифровым сетям связи.

4. Обеспечение защиты передаваемых телевизионных программ и другой информации от несанкционированного доступа, что даёт возможность создавать системы платного ТВ-вещания.

Структурная схема цифровой телевизионной системы показана на рис. 1.1 Кратко рассмотрим назначение основных частей системы.



Рис. 1.1. Структурная схема цифровой телевизионной системы

Источник аналоговых телевизионных сигналов формирует яркостный сигнал Е'Y и цветоразностные сигналы Е'R-Y, E'B-Y , которые поступают на АЦП, где преобразуются в цифровую форму. В следующей части системы, называемой кодером изображения или кодером видео, осуществляется эффективное кодирование видеоинформации с целью уменьшения скорости передачи двоичных символов в канале связи. Как будет показано далее, эта операция является одной из наиболее важных, так как без эффективного кодирования невозможно обеспечить передачу сигналов цифрового телевидения по стандартным каналам связи.

Сигналы звукового сопровождения также преобразуется в цифровую форму. Звуковая информация сжимается в кодере звука. Кодированные данные изображения и звука, а также различная дополнительная информация объединяются в мультиплексоре в единый поток данных. В кодере канала выполняется ещё одно кодирование передаваемых данных, имеющие целью повышение помехоустойчивости. Полученным в результате цифровым сигналом модулируют несущую используемого канала связи.

В приёмной части системы осуществляется демодуляция принятого высокочастотного сигнала и декодирование канального кодирования. Затем в демультиплексоре поток данных разделяется на данные изображения, звука и дополнительную информацию. После этого выполняется декодирование данных. В результате на выходе декодера изображения получаются яркостный и цветоразностные сигналы в цифровой форме, которые преобразуются в аналоговую форму в ЦАП и подаются на монитор, на экране которого воспроизводится изображение. На выходе декодера звука получаются сигналы звукового сопровождения, также преобразуемые в аналоговую форму. Эти сигналы поступают на усилители звуковой частоты и далее на динамики.

Цифровой телевизионный сигнал получается из аналогового телевизионного сигнала путём преобразования его в цифровую форму. Это преобразование включает следующие (рис.1.2) три операции:

1. Дискретизация во времени, т.е. замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений в дискретные моменты времени - отсчётов или выборок.

2. Квантование по уровню, заключающееся в округлении значения каждого отсчёта до ближайшего уровня квантования.

3. Кодирование (оцифровку), в результате которого значение отсчёта представляется в виде числа, соответствующего номеру полученного уровня квантования.

Все три операции выполняются в одном узле - аналого-цифровом преобразователе (АЦП). В современной аппаратуре АЦП реализуется в виде одной большая интегральная схема (БИС). На входе АЦП подаются аналоговый сигнал и тактовые импульсы, синхронизирующие моменты выборок. Выходные сигналы образуют параллельный n-разрядный двоичный код, представляющий получающееся в результате аналого-цифрового преобразования число.



Рис.1.2. Кодирование ТВ сигнала

цифровой телевидение высокий четкость

1.2 Общие принципы построения системы цифрового телевидения

Системы цифрового телевидения могут быть двух типов. В системах первого типа, полностью цифровых, преобразование передаваемого изображения в цифровой сигнал и обратное преобразование цифрового сигнала в изображение на ТВ экране осуществляются непосредственно преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет. Во всех звеньях тракта передачи изображения информация передаётся в цифровой форме. В цифровых ТВ системах второго типа аналоговый ТВ сигнал, получаемый с датчиков, преобразуется в цифровую форму, подвергается всей необходимой обработке, передаче или консервации, а затем снова приобретает аналоговую форму. При этом используются существующие датчики аналоговых ТВ сигналов и преобразователи свет-сигнал в ТВ приёмниках. В этих системах на вход тракта цифрового телевидения поступает аналоговый ТВ сигнал, затем он кодируется, т.е. преобразуется в цифровую форму. Это преобразование представляет собой комплекс операций, наиболее существенными из которых являются дискретизация, квантование и непосредственно кодирование.

Строго говоря, дискретизированный и квантованный ТВ сигнал уже является цифровым. Однако цифровой сигнал в такой форме по помехозащищённости мало выигрывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом числе уровней квантования. Для увеличения помехозащищённости сигнала его лучше всего преобразовать в двоичную форму, т.е. каждое значение уровня сигнала записать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение уровня квантования) будет преобразован в кодовую комбинацию символов «0» или «1». В этом и состоит третья, заключительная операция кодирования. Данный способ преобразования получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

Дискретизация. Первой операцией процесса цифрового кодирования аналогового ТВ сигнала является его дискретизация, которая представляет собой замену непрерывного аналогового сигнала U(t) последовательностью отдельных во времени отсчётов этого сигнала. Наиболее распространённой формой дискретизации является равномерная дискретизация с постоянным периодом, в основе которой лежит теорема Найквиста-Котельникова. Согласно этой теореме любой непрерывный сигнал U(t), имеющий ограниченный спектр частот, может быть представлен значениями этого сигнала U(tn), взятыми в дискретные моменты времени (отсчёты) tn = nT, где n = 1,2,3,… - целые числа; Т - период или интервал дискретизации, выбранный из условия теоремы Найквиста-Котельникова: T? 0,5/fгр. Здесь

fгр - верхняя граничная частота спектра исходного сигнала U(t). (Для отечественного вещательного ТВ стандарта верхняя граничная частота спектра ТВ сигнала fгр ? 6,25 МГц). Величина, обратная периоду дискретизации fд , выбранная в соответствии с теоремой Найквиста-Котельникова, равна: fд = 2fгр.

Аналитическое выражение теоремы Найквиста-Котельникова, утверждающей возможность замены непрерывного сигнала U(t) последовательностью дискретных значений U(nT) имеет следующий вид:

?

U(t) = ? U(nT)??????эээээ sin2рfгр (t - nT) (1.1)

n=??

Ортогональная структура дискретизации. Если частоту дискретизации выбрать кратной частоте строк, то на изображении будет образована ортогональная структура дискретизации, в которой отсчёты располагаются в узлах прямоугольной решётки. Примем, что fд = 2fгр, тогда при этом условии число отсчётов в изображении будет равно числу его условных ТВ элементов. Поэтому сокращение числа отсчётов приведёт к пропорциональному уменьшению разрешающеё способности ТВ системы, т.е. к ухудшению качества изображения.

Для оценки возможностей ортогональной структуры отсчётов при формировании изображений рассмотрим более детально процесс зрительного восприятия. Установлено, что зрительный анализатор содержит совокупность рецепторов (рецептивные поля), кодирующие одновременно большие группы элементов изображения, реагируя при этом не столько на их яркость, сколько на форму, выделяя из фона изображения наиболее его информативную часть: контуры, перепады яркости. Такие свойства зрительного аппарата позволяют ему восстанавливать целостные контуры даже при их распаде на отдельные элементы вследствие дискретизации или из-за воздействия случайных помех. В изображениях существуют значительные статистические связи, к которым в результате эволюционного развития приспособился наш зрительный аппарат.

Эти свойства зрительного анализатора позволяют допустить, что в ТВ системе не обязательно обеспечивать условия для передачи каждого из элементов изображения. Можно удовлетвориться возможностью передачи ТВ системой определённого ансамбля конфигураций, при этом с пониженным (по отношению к стандарту) числом элементов.

Ортогональная структура дискретизации изображения с шагом дискретизации, удовлетворяющим условиям теоремы Найквиста-Котельникова, характеризуется заметной избыточностью в разрешающей способности системы по диагональным направлениям. Устранить эту избыточность путём уменьшения числа отсчётов (т.е. уменьшая частоту дискретизации).

Шахматная структура дискретизации. В строчно-шахматной структуре используется строчное чередование точек, образованное в результате сдвига на половину интервала дискретизации отсчётов соседних строк данного поля. Строчно-шахматную структуру получают двумя путями: либо дискретизируют ТВ сигнал с частотой (2n+1)fz/2 (где n - целое число; fz - частота строчной развёртки), либо частоту дискретизации выбирают равной nfz, но её фаза меняется в начале каждой чётной строки.

Кадрово-шахматная структура образуется путём сдвига отсчётов соседних полей на половину интервала дискретизации. Кадрово-шахматная структура получается дискретизацией ТВ сигнала с частотой, равной либо (nfz+25 Гц), либо nfz с изменением фазы частоты дискретизации в начале каждого чётного поля.

В силу отмеченных недостатков шахматная структура дискретизации, несмотря на свои достоинства, в вещательном телевидении не используется.

Выбор частоты дискретизации ТВ сигнала. В вещании практическое применение получила фиксированная ортогональная структура, отсчёты которой расположены на ТВ экране вдоль вертикальных линий периодично по строкам, полям, кадрам. Позволяя суммировать соседние поля чересстрочного разложения без потери разрешающей способности по горизонтали и вертикали, ортогональная структура дискретизации идеальна для выполнения различных интерполяций в преобразователях стандартов, аппаратуре видеоэффектов, устройств сокращения избыточности информации. Это обстоятельство явилось основным при выборе ортогональной структуры для базового стандарта цифрового кодирования.

Ортогональная структура отсчётов получается при выборе частоты дискретизации, кратной частоте строк. При этом следует учитывать, что в ТВ вещании ещё долго будут использоваться основные стандарты разложения 625/50 и 525/60. В связи с этим параметры цифрового кодирования ТВ сигнала необходимо согласовывать с двумя стандартами разложения. Последнее обусловливает следующее требование: fд должна быть кратна частоте строк систем с разложением на 525 и 625 строк. С другой стороны, эта частота должна быть по возможности низкой, чтобы не увеличивать скорость передачи цифрового потока. Наименьшее кратное двум значениям строчной развёртки fz (625) = 15625 Гц и fz (525) = 15734,266 Гц соответствует значению частоты 2,25 МГц. Поэтому для дискретизации ТВ сигналов подходят частоты 11,25, 13,5 и 15,75 МГц, кратные 2,25 МГц (множители 5, 6 и 7). Из них выбрана частота 13,5 МГц, поскольку это значение является единственным, которое обеспечивает перечисленные выше требования. Оно даёт возможность получить 864 отсчёта в строке с разложением на 625 строк и 858 отсчётов при разложении на 525 строк.

Квантование ТВ сигнала. За процессом дискретизации при преобразования аналогового сигнала в цифровую форму следует процесс квантования. Квантование заключается в округлении полученных после дискретизации мгновенных значений отсчётов до ближайших из набора отдельных фиксированных уровней. Квантование представляет собой дискретизацию ТВ сигнала не во времени, а по уровню сигнала U(t).

Фиксированные уровни, к которым «привязываются» отсчёты, называют уровнями квантования. Разбивая динамический диапазон изменения сигнала U(t) уровнями квантования на отдельные области значений, называемые шагами квантования, образуют шкалу квантования. Следствием этого становится появление в сигнале специфических шумов, называемых шумами квантования. Ошибки квантования или шумы квантования на изображении могут проявляться по-разному, в зависимости от свойств кодируемого сигнала. Если собственные шумы аналогового сигнала невелики по сравнению с шагом квантования, то шумы квантования проявляются на изображении в виде ложных контуров. В этом случае плавные яркостные переходы превращаются в ступенчатые, и качество изображения ухудшается. Наиболее заметны ложные контуры нВ изображениях с крупными планами. Этот эффект углубляется на подвижных изображениях. Когда собственные шумы аналогового сигнала превышают шаг квантования, искажения квантования проявляются уже не как ложные контуры, а как шумы, равномерно, распределённые по спектру. Флуктуационные помехи исходного сигнала как бы подчёркиваются, изображение в целом начинает казаться более зашумлённым.

Обычно используется линейная шкала квантования, при которой размеры зон одинаковы.

Число уровней квантования, необходимое для высококачественного раздельного кодирования составляющих цветового ТВ сигнала, определяется экспериментально. Очевидно, что с ростом этого числа точность передачи уровневой информации возрастает, шумы квантования снижаются, но при этом растёт информационный поток и расширяется необходимая для передачи полоса частот. С другой стороны, при заниженном числе уровней квантования ухудшается качество изображения из-за появления на нём ложных контуров. Кроме того, слишком велики, а потому и заметны шумы квантования. Недостаточное число уровней квантования особенно неприятно сказывается на цветных изображениях. В этом случае шумы квантования проявляются в виде цветных узоров, особенно заметных на таких сюжетах, как лицо крупным планом, на плавных перепадах яркости.

Пороговая чувствительность глаза к перепадам яркости в условиях наблюдения, оптимальных для просмотра ТВ передач, по экспериментальным данным около 1%, а это значит, что два соседних фрагмента изображения, отличающихся по яркости на 1%, воспринимаются как раздельные части изображения. Таким образом, кодирование сигнала яркости с числом уровней квантования меньшим или равным 100 ведёт к появлению на изображении ложных контуров, что заметно ухудшает его качество.

1.3 Развитие телевидения высокой четкости происходит в рамках проекта DVB

Следующим шагом развития телевидения может быть переход к стереотелевидению, в котором правый и левый глаз зрителя получают, соответственно, правое и левое изображение стереопары, и у зрителя возникает ощущение объёмности наблюдаемого изображения. Стерео-ТВ требует передачи двух видеосигналов.

Далее возможен и переход к многоракурсному телевидению, в котором наблюдаемое зрителем изображение зависит от положения зрителя относительно воспроизводящего устройства. Для реализации такой системы необходимо передавать информацию о вариантах изображений, наблюдаемых при разных положениях зрителя.

Современное развитие цифрового телевидения делают вполне возможной передачу сигналов стерео-ТВ и даже многоракурсного ТВ по обычным каналам ТВ-вещания. Основные проблемы внедрения стерео-ТВ лежат в области создания удобных в эксплуатации и доступных по цене устройств отображения.

По мере развития техники совершенствуется и технология создания ТВ передач. Современные и перспективные технологические принципы характеризуются следующими признаками:

- максимальной автоматизацией нетворческих процессов;

- интегрированием различных технологических функции в отдельных единицах технологического оборудования;

- применением цифровых методов при записи, обработке и передаче сигналов;

- широким применением современных вычислительных средств для реализации технологических процессов;

- обменом материалами между участниками технологического процесса в сигнальной форме, по возможности, исключая перемещение (переноску, перевозку) видеофонограмм от одного рабочего места к другому.

Весь технологический процесс производства и выпуска программ может быть разделен на 3 стадии:

- подготовку к производству ТВ передач;

- производство передач;

- формирование и выпуск программ.

Независимо от используемых технологических принципов стадия подготовки к производству передач включает в себя 4 технологических процесса:

- сбор и обработка информации (текстовой, видео-, звуковой);

- подготовка и написание сценария передачи (например, видеофильма);

- подготовка и производство декораций, бутафории, иных материалов;

-осуществление организационно-административных мероприятий (командирование съемочной группы, приглашение исполнителей, заказ технических средств и т. п.).

Если еще несколько лет тому назад для выполнения упомянутой подготовительной работы использовали шариковую ручку и средства телефонной связи, то в настоящее время для этих целей применяют современные средства оргтехники на основе персональных компьютеров, включенных в вычислительную сеть. Доступ к данным, включая видео и звукоданные, осуществляется по сети. Готовый отредактированный материал после «подписания» «электронной подписью» транслируется в сервер или следующему участнику технологического процесса. Автоматизированное рабочее место для выполнения подготовительной работы (АРМа) обычно содержит персональный компьютер и периферийное оборудование различной конфигурации в зависимости от требуемого набора необходимых технологических функций на каждом из рабочих мест.

1.4 Оборудование инфраструктуры телевизионного комплекса

Телевидением называют комплекс радиотехнических средств, позволяющих наблюдать изображение объектов за пределами видимости в режиме реального времени. Телевизионная система - это совокупность оптических, электрических и радиотехнических устройств для передачи изображения на расстоянии.

Цифровое телевидение представляет собой область, в которой операции обработки, записи и передачи телевизионного сигнала связаны с его преобразованием в цифровую форму. Отметим преимущества перехода к цифровой форме представления и передачи телевизионных сигналов:

- прежде всего, появляется возможность создания унифицированного видеооборудования, которое использует единый стандарт цифрового кодирования и, в перспективе, вытеснит многочисленные, несовместимые между собой стандартные системы цветного телевидения -- SECAM, PAL, NTSC:

- все цифровые сигналы обрабатываются по единой технологии. Повышается стабильность параметров оборудования, которое работает в бесподстроечном режиме. Так обеспечивается значительное повышение качества телевизионного изображения, особенно при цифровой видеозаписи с применением электронного монтажа. Качество цифровой видеозаписи чрезвычайно важно для создания фондовых и архивных материалов, а также для длительного их хранения. Внедрение единого стандарта цифровой видеозаписи значительно облегчает международный обмен телевизионными программами;

- применение цифровых сигналов значительно расширяет номенклатуру спецэффектов. Это и селективная обработка участков кадра, и электронный монтаж из фрагментов нескольких кадров, замена объектов в кадре, геометрические преобразования изображений и т.п.

Цифровая техника открывает совершенно новые возможности в художественном оформлении телевизионных программ. Таким образом, внедрение цифровых методов существенно обогащает технологию телевизионного вещания, делает ее исключительно гибкой и высокопроизводительной. Повышается качество передачи сигналов телевизионных программ по линиям связи благодаря значительному ослаблению эффекта накопления искажений и применению кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки передачи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1.3. Структурная схема ТВ системы

1 - объект; 2 - оптический канал; 3 - приёмник оптического сигнала; 4 - электрический канал связи; 5 - вторичный преобразователь; 6 - оптический канал; 7 - получатель.

На вход тракта цифрового телевидения (см. рисунок 1.4) поступает аналоговый телевизионный сигнал. В кодирующем устройстве (кодере) телевизионный сигнал преобразуется в цифровую форму и поступает на передающее устройство, которое состоит, в общем случае, из кодера канала и устройства преобразования сигнала. Пройдя через канал связи, цифровой сигнал поступает в приемник, состоящий из устройства обратного преобразования сигнала и декодирующего устройства (декодера).

Рис.1.4. Обобщенная структурная схема цифрового тракта преобразования ТВ сигнала

Декодер, осуществляет преобразование цифрового телевизионного сигнала в аналоговый. Кодер и декодер канала также обеспечивают защиту от ошибок в канале связи. В устройствах преобразования характеристики цифрового сигнала согласуются с характеристиками канала связи.

Выводы по главе I

На первой главе рассмотрены этапы развития цифрового телевидения, общие принципы построения системы цифрового телевидения и сделан анализ перспектив развития цифрового телевидения.

Телевидением называют комплекс радиотехнических средств, позволяющих наблюдать изображение объектов за пределами видимости в режиме реального времени. Телевизионная система - это совокупность оптических, электрических и радиотехнических устройств для передачи изображения на расстоянии.

На вход тракта цифрового телевидения поступает аналоговый телевизионный сигнал. В кодирующем устройстве (кодере) телевизионный сигнал преобразуется в цифровую форму и поступает на передающее устройство, которое состоит, в общем случае, из кодера канала и устройства преобразования сигнала. Пройдя через канал связи, цифровой сигнал поступает в приемник, состоящий из устройства обратного преобразования сигнала и декодирующего устройства (декодера).

ГЛАВА II. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ТРАКТА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ ВЫСОКОЙ ЧЕТКОСТИ

2.1 Особенности формата телевидение высокой четкости

Формат телевидение HDTV (High Definition TV) - это новое направление развития телевидения в мире. Его другими словами называют - телевидение высокой четкости (ТВЧ).

Если обычное ТВ (PAL или SEСAM) предполагает разрешение изображения 720 на 576 точек, то HDTV позволяет смотреть телепрограммы, фильмы с разрешением 1920 на 1080 точек. Таким образом, размер изображения в ТВЧ в 5 раз больше чем в обычном телевидении, или можно сказать, что ТВЧ в пять раз четче обычного ТВ.

Идея телевидения с более высоким количеством строк по экрану родилась уже очень давно. С середины 60-х годов теперь уже прошлого, ХХ столетия. Разработка нового телевизионного стандарта высокой четкости велась больше по законам войны, в основе которой лежали и технологические, и политические, и экономические причины. В войне участвовали все технологические сверхдержавы - США, СССР, Япония и европейцы, выступавшие тогда консорциумом.

В создании HDTV-форматов участвовали все сверхдержавы мира. Неясно, кто же первым начал разрабатывать стандарт высокой четкости, однако с начала 60-х годов этой проблемой все вышеперечисленные страны начали заниматься практически одновременно.

Сделавший очень многое для развития телевидения как нового вида электронного СМИ и создавший в свое время телевизионный стандарт в 625 строк (что для тех лет было само по себе ТВЧ, так как в США вещали всего в 343 строки), Советский Союз разработал два стандарта четкого ТВ - чересстрочные 1525 и 1250. Руководство страны, по всей видимости, считало, что если стандарт 625i, разработанный в СССР, Европа когда-то приняла для себя, то примет и технологически родственный ему стандарт ТВЧ 1250i. Для этого было немало предпосылок, и, собственно, почти так и произошло. Целиком и полностью подготовленный с научной и технологической точки зрения формат был готов к запуску, но сломалась экономика, и тут было не до ТВЧ, а так и не вышедший из стен лабораторий советский стандарт дал толчок развитию первой волны HDTV в Европе. В России же вопрос о ТВЧ вернулся тогда, когда о «родном» стандарте никто уже речь не заводил, а потому, если у нас и появится в ближайшее время ТВЧ, то это будет американский стандарт 1080i.

Европа с ТВЧ-вещанием стартовала просто поразительно. Европейцы, взяв за основу стандарт 1250i, предложили за технологическую основу стандарт уже работавшего на тот момент спутникового телевидения МАС и построили на его основе систему HD-MAC. Проект назвали «Эврика-95», а ядром разработчиков системы выступили Philips, Thomson и Bosh. Кроме них, в проекте участвовали Nokia, Grundig и целый ряд научно-исследовательских и учебных институтов - всего 12 исследовательских групп. Проект обошелся в приличную сумму, за 5 лет работы было потрачено более 350 миллионов долларов.

Европа впервые применила телевидение высокой четкости для демонстрации матчей своего Чемпионата по футболу в 1988 году, и с тех пор спорт считается одним из главных зрелищ достойных HD-разрешения.

Впрочем, эффектный технологический старт не дал коммерческого успеха европейскому HDTV.

Японская вещательная компания NHK в 1964 году начала разработку подобного стандарта и устройств под него. А к началу 80-х NHK предложила миру готовый стандарт HDTV. За 12 лет интенсивных разработок была создана полная линейка HDTV-аппаратуры: телекамера, видеомагнитофон и цветной монитор с диагональю экрана 80 см. Формат имел 1125 строк, 60 чересстрочных кадров в секунду и формат изображения 16:9. В проекте приняли участие Sony, Toshiba и NEC. Тогда же ими была разработана и вещательная спутниковая система MUSE с сигналом в диапазоне 11,7 - 12,5 ГГц. Трансляции NHK начались в 1985 году и, несмотря на просто гигантскую стоимость HDTV-телевизора тех лет. Действие той системы закончилось лишь в самом конце 90-х годов, когда на смену MUSE пришел более дешевый в эксплуатации американский формат HDTV 1080p.

В Соединенных Штатах за 18 лет поисков пришли к тому стандарту HDTV, который Федеральная комиссия по связи (FCC) определила как ATSC. Стандарт совместим с 18 форматами ТВ, причем только 6 из них относятся к HDTV. Все форматы, входящие в ATSC, изначально совместимы с аналоговыми телеприемниками, предотвращая, таким образом, потерю аудитории, смотрящей TV по старинке.

Домашний HD-кинотеатр с источником высокочеткого сигнала в виде BD или HD DVD-плеера это близкое будущее домашнего кино.

Конец 90-х годов ознаменовался концом всех промежуточных форматов высокочеткого вещания, все технологические, финансовые и интеллектуальные ресурсы были сосредоточены на более перспективной технологии MPEG-2, что в свою очередь подтолкнуло разработчиков к созданию систем HDTV-вещания второго поколения.

2.2 Цифровое телевидение высокой четкости

В современном кабельном и спутниковом ТВ используются те же стандарты PAL и SECAM, но в оцифрованном виде и с применением сжатия по алгоритму MPEG-2. В большинстве случаев цифровое телевидение значительно лучше эфирного, поскольку на качество изображения практически не влияют помехи. Но надо отметить, что настолько сжимают передаваемые сигналы, что качество спутникового или кабельного канала становится хуже, чем канала, принятого на эфирную антенну.



Рис. 2.1.Сравнение экранов HDTV и стандартного экрана

Во всех форматах эфирного телевидения (кроме западноевропейского PAL Plus) соотношения сторон картинки - 4 к 3. А в телевидении высокой четкости соотношение сторон 16 к 9. Поэтому обычная картинка на HDTV телевизоре будет либо растягиваться на весь экран с искажением пропорций, либо обрабатываться специальным алгоритмом, чтобы минимизировать это искажение, либо на телевизоре будут отображаться пустые черные полосы по краям.

Абоненты цифрового телевидения могут самостоятельно выбирать способ отображения стандартной картинки 4:3 на HD телевизоре, т.е. могут либо обрезать изображение сверху и снизу, либо показывать все изображение, но с пустыми полосами слева и справа (рис 2.1).

Просматривать фотографии, снятые с высоким разрешением на фотоаппаратах, (матрицы которых имеют большое количество мегапикселей), можно на телевизорах высокой четкости с большим разрешением экрана.

Сигнал аналогового телевещания передается точно так же, как и радиосигнал, поэтому подвержен воздействию помех, таких как появление ореола и снега. Цифровой же сигнал телевещания передается как поток единиц и нулей и менее подвержен воздействию помех. Он также поддерживает новые разработки, такие как реальное широкоформатное изображение, звуковое окружение и высокую четкость изображения.

Изделие может иметь логотип готовности к телевидению высокой четкости, когда оно удовлетворяет следующим требованиям:

- минимальное собственное разрешение дисплея составляет 720 физических строк в широкоформатном режиме.

- дисплей позволяет осуществлять вход сигнала высокой четкости через: аналоговый вход Y Pb Pr (Компонентный) и вход DVI или HDMI.

- входы, способные принимать сигнал высокой четкости, могут принимать видео высокой четкости следующих форматов:

1280x720 при 50 и 60 Гц с последовательной разверткой (“720p”) и 1920x1080 при 50 и 60 Гц с чересстрочной разверткой (“1080i”).

- вход DVI или HDMI должен поддерживать Протокол защиты широкополосных цифровых данных (HDCP).

Два различных способа отображения видеосигналов. Наиболее передовой является последовательная развертка, где обновление экрана дисплея происходит путем перезаписи содержимого экрана за один кадр. При чересстрочной развертке перезапись экрана обычно происходит в два этапа: Сначала переписываются четные строки, а затем - нечетные. Это может приводить к возникновению изображения с зазубренными краями, когда в изображении имеется множество движущихся объектов.

HDCP - это сокращение от High-bandwidth Digital Content Protocol (Протокол защиты широкополосных цифровых данных). Этот способ шифрования используется для защиты цифровых видеосигналов, передаваемых между устройством выхода (DVD-плейер, абонентская приставка кабельного телевидения) и дисплеем.

Композитное видео - это обычно желтый разъем, который используется для передачи видеосигнала стандартной четкости. Эти видеосигналы обычно объединяют резкость цветности и резкость яркости в один сигнал. Резкость цветности (Y) и резкость яркости (C) остаются разделенными в формате

S-Video (Y/C), что улучшает качество изображения.

В компонентном видео компонентные видеосигналы Красный/ Зеленый/ Синий остаются разделенными, что обеспечивает наилучшее качество изображения аналоговых сигналов и в отличие от композитного или S-Video компонентное видео способно передавать сигналы высокой четкости.

HDMI - это сокращение от High Defi nition Multimedia Interface (Мультимедийный интерфейс высокой четкости). Этот интерфейс объединяет в одном кабеле несжатый цифровой видеосигнал И цифровой аудиосигнал. Видеочасть совместима с HDCP. HDMI - это цифровой эквивалент кабеля SCART и, вероятнее всего, он де- факто станет стандартом подключения оборудования высокой четкости.

Практически все цифровые фотокамеры могут создавать изображения высокой четкости, так как обычно их разрешение превышает 2 миллиона пикселей. В настоящее время имеются передающие камеры высокой четкости, которые снимают непосредственно в формате 1080i (HDV и XDCAM). Выпуск видеокамер Sony HDV Handycam привел к появлению на рынке домашних видеокамер устройств высокой четкости, не забывая, естественно, о телевизорах высокой четкости. Ноутбуки Sony VAIO, игровые приставки Sony Playstation 3 и плейеры дисков Blu-ray также входят в основную линейку устройств высокой четкости.

Наиболее распространенной категорией устройств, способных подавать на выход видеосигналы высокой четкости, скорей всего являются плееры Blu-ray. Они позволяют смотреть фильмы в реальном формате высокой четкости 1080p. Также несколько вещательных станций в Европе в настоящее время имеют каналы, передаваемые в формате высокой четкости.

Так как видеоматериалы высокой четкости требуют значительно больше места для записи, чем имеется в настоящее время на DVD-дисках, требуется новая технология для записи фильмов высокой четкости. В настоящее время имеется 2 технологии - диск Blu-ray и диск HD-DVD.

Преимущество диска Blu-ray заключается в том, что на него можно записать больше данных (возможность двухслойной записи уже позволяет получить 50 Гб, а в будущем планируется использование большего числа слоев).

Рынок бытовой электроники, в отличие от компьютерной индустрии, традиционно медленно сбрасывает с себя устаревшую технику. Но выход DVD следующего поколения это правило, похоже, нарушит. Ещё до того, как DVD вышли на рынок в 1997 году, производители бытовой электроники уже работали над стандартом следующего поколения.

Информация о новых технологиях начала просачиваться в начале 2002 года, после чего в январе 2003 года на Consumer Electronics Show (CES) дебютировали демонстрационные накопители.

Создавалось ощущение, что формат Sony Blu-ray обладал преимуществами во всех отношениях, однако Forum выбрал AOD, который затем был переименован в HD-DVD.

В начале 2002 года компании Sony и Phillips, которых связывают долгие партнёрские отношения в сфере технологий оптических дисков, анонсировали новую технологию на основе голубого лазера, названную Blu-ray. (Ошибка в написании слова "Blue" была сделана специально, чтобы зарегистрировать торговую марку.) Формат Blu-ray более революционен, чем HD-DVD. Вместо того чтобы добиваться обратной совместимости с технологией DVD, Sony и Phillips внесли достаточно большие изменения, которые, в конце концов, привели к более ёмкому диску.



Рис.2.2. Эволюция форматов оптических дисков.

Blu-ray предлагает три возможных ёмкости: 23,3 Гбайт, 25 Гбайт и 27 Гбайт - из-за трёх различных длин Питов (рис.2.2). Кроме того, длину пита можно ещё больше сократить, увеличив ёмкость одного слоя по мере совершенствования технологии. В отличие от Blu-ray, стандарт HD-DVD использует фиксированную длину пита, предлагая только одну ёмкость 15 Гбайт на слой.

Самые большие изменения Blu-ray коснулись толщины прозрачного пластикового слоя, который защищает подложку. У DVD и HD-DVD она составляет 0,6 мм, в то время как у Blu-ray - всего 0,1 мм. В результате подложка оказывается намного ближе к поверхности, и у лазера возникает меньше рассеивания. Кроме того, лазеру нужно проходить меньший слой материала, что даёт более высокую численную апертуру. То есть можно использовать, меньший зазор между дорожками и меньшую длину пита. Если говорить простыми словами, подобная толщина прозрачного слоя обеспечивает более плотную упаковку данных на диске Blu-ray, чем на DVD или HD-DVD.

Однако при этом повышается вероятность ошибки. Согласитесь, даже 0,5 мм - это слишком тонкая защита от царапин. Данные Blu-ray лежат практически на поверхности, поэтому такой диск следует беречь, как зеницу ока, защищать от царапин и других дефектов. Что ещё хуже, считывающая головка оказывается ещё ближе к диску, поэтому плеер хуже реагирует на толчки и удары.

Производителям устройств Blu-ray следует быть максимально точными во время создания привода, не говоря уже об обязательном механизме защиты от ударов. Но технологии защиты, по крайней мере, уже разрабатываются. TDK объявила новую форму защиты дисков под названием Armor Plating, которая обещает обеспечить более чем в 100 раз надёжную защиту по сравнению с обычными дисками. Blu-ray также обладает более высокой числовой апертурой по сравнению с дисками DVD и HD-DVD. Числовая апертура отвечает за способность линз воспринимать мелкие детали объекта. Чем больше апертура, тем больше света собирает линза, и тем более высокое разрешение возможно. Высокая апертура в паре с меньшей длиной волны означает, что для считывания данных требуется луч лазера меньшего сечения.

Дорожка данных оптического диска закручена по спирали, от центра к периферии. Так как Blu-ray обладает меньшим расстоянием между дорожками (0,32 микрона) против HD-DVD (0,40 микрон) и DVD (0,74 микрон), данные упаковываются на диске более тесно.

Рис. 2.3 Сравнение сечения лазерных лучей для разных форматов

Ещё одно отличие Blu-ray кроется в системе защиты. Blu-ray использует 128-битное шифрование Advanced Encryption Standard (AES), причём ключ меняется через каждые 6 кбайт данных. Во время демонстрации на конференции Blu-ray в 2004 году Sony показала, как можно использовать один ключ для расшифровки DVD, но во время одной минуты воспроизведения Blu-ray один ключ менялся несколько сотен раз.

Подобная особенность очень важна, так как DeCSS и другие программы по копированию DVD способны снять шифрование CSS именно по причине того, что весь фильм используется один и тот же ключ. Если ключ от диска Blu-ray станет известным, можно будет считать всего 6 кбайт данных.

BD-ROM будет поддерживать уровень Java, так что программное обеспечение BD-ROM сможет автоматически модернизироваться. Кроме того, Java обеспечит большие возможности по анимации меню продукции BD-ROM, динамику и интерактивность, которую мы ещё не встречали на DVD. Различные компании могут передавать на компьютер новую информацию, а пользователи BD-ROM смогут обновлять эту информацию.

...