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

К примеру, одним постоянным источником проблем является локализация. С BD-ROM проблема решается проще - выпускается один продукт, а затем пользователь может скачать локализованную информацию. Скажем, новую звуковую дорожку для фильма. Кроме того, в будущем планируется реализовать функцию Blu-Door, которая обеспечит контроль содержания. Её можно использовать, к примеру, для блокировки содержания до тех пор, пока пользователь не заплатит за него.

Если стандарт Blu-ray разработан практически с "нуля", то спецификация NEC/Toshiba Advanced Optical Disc (AOD), известная сегодня как HD-DVD, является модификацией существующего формата DVD. Данные располагаются на том же уровне, что и на DVD, но используется уже голубой лазер, обладающий меньшей длиной волны и позволяющий более плотно упаковать данные. В результате обеспечивается ёмкость 15 Гбайт на слой, в отличие от 4,7 Гбайт у существующих DVD.

Основное преимущество HD-DVD заключается в том, что у него много общего с DVD, и производителям будет легче перестроиться на HD-DVD. А Blu-ray требует от производителей оптических дисков установить полностью новое оборудование.

HD-DVD использует структуры данных (кадры, секторы, блоки ECC), алгоритмы коррекции ошибок и схемы модуляции от стандарта DVD. Единственное отличие от DVD заключается в том, что один ECC-блок HD-DVD соответствует двум объединённым ECC-блокам DVD, что позволяет выполнять больший объём пакетной коррекции ошибок.

У Blu-ray и HD-DVD есть единая общая основа - кодеки. Оба формата поддерживают MPEG-2 (для обратной совместимости с DVD), MPEG-4 AVC (также известный как H.264) и (возможно) Microsoft VC-1. MPEG-2 может использоваться для кодировки видео 1080, но при этом требуется пропускная способность от 20 до 25 Мбит/с. В принципе, и с этим проблем нет, так как HD-DVD поддерживает пропускную способность 36 Мбит/с, а Blu-ray - 54 Мбит/с.

Но формат MPEG-2 постепенно теряет свои преимущества. По мере того, как экран становится больше, становятся более заметны артефакты сжатия и ошибки, ведь и блоки оказываются больше. Кроме того, уменьшать поток данных больше не получается. К чему приводит чрезмерное сжатие, легко можно увидеть на DVD типа "2 в 1", "3 в 1" и т.д.

MPEG-4 AVC может снизить поток в два-четыре раза по сравнению с MPEG-2. Поэтому поток AVC HD потребует скорости передачи около 8-9 Мбит/с вместо 18 Мбит/с (и больше) для MPEG-2.

Уже, примерно, два года компании, поддерживающие формат DVD, осуждают разделение формата DVD следующего поколения, требуя единый стандарт. В апреле, наконец-то, обе стороны прислушались. Между ними начались переговоры по поводу объединения формата. В апреле казалось, что единый формат может появиться, но в мае обе стороны вновь продолжили войну форматов.

Сегодня обычный DVD не слишком хорошо справляется со сменой слоя. Можете ли вы представить себе задержки для четырёхслойного диска?

Кроме того, добавление слоёв не даёт 100% увеличения ёмкости, что наглядно демонстрирует формат DualDisc, гибридный вариант CD/DVD, не предоставляющий полной ёмкости.

На таблице 2.1. представлен сравнение цифровых форматов

Таблица 2.1. Сравнительная таблица цифровых форматов

Параметр	CD	DVD	Blu-ray	HD-DVD
Число сторон	1	1 или 2	1 или 2	1 или 2
Число слоёв	1	1 или 2	1 или 2 *	1 или 2 **
Ёмкость (Гбайт)	0,68	4,7/9,4	25/50	15/30
Толщина защитного слоя (мм)	1,20	0,60	0,10	0,60
Расстояние между дорожками (мкм)	1,60	0,74	0,32	0,40
Минимальная длина пита (мкм)	0,83	0,41	0,149	0,204
Длина волны лазера (нм)	780	650	405	405
Числовая апертура	0,45	0,60	0,85	0,60
Линейная скорость (м/с)	1,30	3,49	7,36	5,60
Модуляция	EFM	От 8 до 16	17PP	ETM
Скорость передачи, Мбит/с	Н/Д	11,1	54	36

Выводы по главе II

Во второй главе рассмотрены особенности формата телевидения высокой четкости и подробно рассмотрены и приведены основные параметры цифрового телевизионного сигнала 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, разрешение изображения в ТВЧ в 5 раз больше чем в обычном телевидении, или можно сказать, что ТВЧ в пять раз четче обычного ТВ.

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

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

Переход к цифровому телерадиовещанию, и в частности, к многопрограммному цифровому телевидению (ЦТВ), приобрел особое значение в связи с присоединением Узбекистана к общемировой системе DVB. Практически во всех странах Европы определены сроки полного перехода на цифровое вещание.

Одной из важнейших отличительных особенностей внедрения цифровых систем является использование канала связи в качестве "контейнера данных", обеспечивающего передачу различных сигналов (информационных сообщений, одной или более ТВ-программ, данных) по запросу пользователя. При рациональном мультиплексировании такая система позволяет оператору потока данных в несколько раз увеличить число программ и дополнительных услуг, предлагаемых различным потребителям, без использования дополнительного частотного ресурса .

В связи с этим цифровая сеть телерадиовещания Узбекистана должна обеспечить при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах реализацию мультимедийных систем различного назначения, таких, как:

- высококачественные системы интерактивного цифрового теле- и радиовещания при удовлетворении постоянно возрастающих запросов на частотные присвоения систем связи без пересмотра частотных планов;

- принципиально новые системы мобильного видео- и аудиовещания;

- новые интерактивные системы опроса общественного мнения;

- системы, осуществляющие деятельность органов государственной власти;

- системы, ответственные за сбор и распространение информации различного экономического и политического характера, популяризация проводимых властями программ, акций, мероприятий и др.

Внедрение цифровых систем телерадиовещания в НТРК Узбекистана связано с решением следующих пяти наиболее важных проблем:

- эффективное использование мирового опыта по созданию и применению систем цифровой обработки и передачи информации;

- разработка стандартов Узбекистана по системам формирования и передачи по каналам связи различных видов цифровой информации;

- разработка и внедрение собственных систем и соответствующей аппаратуры;

- обучение студентов и специалистов для обеспечения разработки, внедрения и эффективной эксплуатации таких систем;

- создание средств метрологии.

Необходимость и эффективность внедрения цифровых систем в Узбекистан связаны со следующими требованиями:

-достижение на современном этапе развития видео- и аудиоинформационных систем нового уровня по качеству воспроизведения изображения и звука;

- удовлетворение постоянно возрастающего спроса на частотные присвоения для систем связи без пересмотра частотных планов;

- развитие цифровых систем передачи видео- и звуковых данных при существенном увеличении объема передаваемой сопутствующей информации;

- постепенная замена существующего линейного, передающего, коммутационного и проч. оборудования, систем технической видеозаписи и хранения информации на более прогрессивное цифровое оборудование;

- создание высоконадежных систем передачи информации с эффективной системой защиты от несанкционированного доступа;

- интегрирование Узбекистана в общемировую систему телекоммуникаций с учетом тенденций перехода к мультимедийным системам многопрограммного телевидения, телевидения высокой четкости и радиовещания в глобальном масштабе.

Решение этих проблем, по сути, может устранить отставание Узбекистана в развитии информационных технологий.

Что означает эффективное использование мирового опыта по созданию и применению систем цифровой обработки и передачи информации?

Проводимые во всех технически развитых странах разработки алгоритмов и аппаратуры сокращения объема и рационального пакетирования видео, аудио и сопутствующей информации являются основой создания систем эффективного использования каналов связи, сохранения действующих частотных планов, высвобождения значительной части частотного пространства для передачи потребителям дополнительных видов услуг - видеотелефона, мобильной и стационарной телеконференц -связи, многопрограммного интерактивного телевидения, телевидения высокой четкости, многопрограммного звукового вещания, цифрового кино. Разработка алгоритмов и соответствующей аппаратуры цифрового сжатия различных видов информации для их передачи по каналам связи как альтернативы аналоговым системам проводится уже более 20 лет практически во всех развитых странах мира. Был получен ряд важных результатов как в плане разработки алгоритмов сжатия (включая стандарты JPEG (JPEG-2000), MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 (видео), Н.261, Н.263, H.264/AVC и др. для статических и динамических изображений различного разрешения,MPEG-1/2 Layer-2, Layer-3, AC-3, MPEG-4 (аудио)/НЕ-ААС, G.729, G.728, G.723-1 и др. для звуковой информации и речи), так и в плане создания действующих комплексов.

В качестве поставщиков цифровых кодеров/декодеров ТВ-информации, реализующих стандарты MPEG, можно назвать известные фирмы, такие, как Array Microsystems, Compression Labs Inc., COMSAT Lab, Hewlett Pac-card, IBM, JVC Professional Products Co., Matsushita Elec. Industrial Co., NEC, NTL, Toshiba Corp., Sony Corp., TV/COM International, BNI, Satellite Transmission Systems Inc., Elecard и др.

Большое количество фирм занимается проблемами реализации видеоконференц-связи как на уровне создания соответствующих аппаратных средств, так и на уровне ее программного обеспечения. К ним можно отнести компании Datapoint, Intel, Picture Tel, Polycom, Sony Electronics, VCOM, VideoServer, VistaCom, White Pine, Zydacron и др.

Из этого обширного, хотя и неполного, перечня фирм, занимающихся перспективными разработками цифровых систем передачи видеоинформации, видно, насколько дружно весь мир движется к реализации таких систем. Можно привести еще больший список фирм, освоивших массовое производство устройств декодирования цифровой информации.

Проблема создания высококачественной системы цифровой передачи видеоинформации - это главным образом проблема быстрого и эффективного ее сжатия - наиболее ресурсопотребляющей части всей системы. Ее эффективность существенно влияет на качество воспроизводимой информации.

Кодирующее устройство решает сложные задачи в реальном времени и производит большое количество операций обработки, определяющих качество цифрового преобразования сигналов изображения и звукового сопровождения. Декодер, как правило, менее сложен и должен получать и восстанавливать данные.

На основании изучения последних результатов разработок международных стандартов и соответствующей аппаратуры можно предложить варианты использования цифровых и звуковых форматов в отечественных системах ЦТВ

Система DVB, к целесообразности внедрения которой присоединилась Узбекистану, охватывает спутниковые (DVB-S, DVB-S2), кабельные (DVB-C), наземные (DVB-T) средства передачи. В стандарте реализован принцип использования MPEG-кодирования сигналов при различных способах их мультиплексирования и передачи, что обеспечивает максимальную совместимость разных систем. Международными стандартами охвачены также такие системы распределения телевизионных программ, как MMDS, LMDS, MVDS. Стандарт DVB-H нормирует параметры передачи данных на наладонные (handheld) устройства.

3.2 Технические характеристики цифровой камеры XD cam

XD cam камкордер обеспечивает полное ТВЧ-разрешение 1920 x 1080 и обработку сигнала высокой четкости, имеющий три 1/2-дюймовых CMOS-датчика изображения, функцию записи через интервалы и функцию записи с переменной частотой кадров для создания творческих эффектов ускоренного и замедленного движения, а также возможность непрерывной записи с заменой карт памяти, компактный ТВЧ-камкордер PMW-EX1 - идеальный выбор для различных пользователей - от вещателей до независимых видеооператоров, а также его можно использовать в фильмопроизводстве, когда требуется высокое качество ТВЧ. На таблице 3.1. приведена Характеристики Sony XDCAM EX PMW-EX1.

Таблица 3.1. Характеристики Sony XDCAM EX PMW-EX1

Тип Видеокамера формата 1080p
Длина	178 мм
Высота	312 мм
Ширина	176 мм
Вес	2400 г
Широкоэкранная видеосъемка
Носители информации	Карта памяти
Тип оптического сенсора	3 Exmor CMOS
Размер оптического сенсора	1/2"
Форматы видео	MPEG-4
Минимальная освещенность	0.14 люкс
Максимальная скорость затвора	1/2000 сек
Минимальная скорость затвора	1/33 сек
Поддерживаемые разрешения	1080i, 720p, 1080p
Горизонтальная развертка	1000 линий
Профессиональные возможности видеокамеры
Настройки	+12 dB, +18 dB, +3 dB, +6 dB, 0 dB, -3 dB, + 9 dB, +15 dB
Чуствительность	F10
Разрешение	252,000 пикселей
Соотношение картинки	16:9

Особенности этой камеры следующие:

- обеспечивает полное ТВЧ-разрешение 1920 x 1080 и обработку сигнала высокой четкости;

- имеет три 1/2-дюймовых CMOS-датчика изображения;

- есть функция записи через интервалы и функцию записи с переменной частотой кадров для создания творческих эффектов ускоренного и замедленного движения, а также возможность непрерывной записи с заменой карт памяти.

Запись видео может вестись только в ТВЧ форматах 1080/50i или 720/50p со сжатием MPEG-4 и потоком 36 или 25 Мбит/с на твердотельные карты памяти SxS (формат Express Card - со скоростью записи до 800 Мбит/с).

Камкордер будет оснащен 2 слотами для таких карт, что при емкости одной карты 16 Гбайт эквивалентно примерно двум часам записи в формате HD. Камкордер оснащен не только HD-SDI выходом, но и SD-SDI (однако запись на карты будет только в HD).

Отсутствие “ленточной составляющей” позволило сделать камкордер достаточно легким (всего 2,2 кг) и ограничить энергопотребление на уровне 10 Вт. Для работы с картами SxS (Express Card) можно будет использовать любой современный ноутбук, оснащенный слотом Express Card, или специальный привод, который будет доступен в качестве опции.



Рис.3.2. Внешный вид видеокамеры XD cam

3.3 Структура видеокамер

На рис.3.3. представлена укрупненная схема видеокамеры, которая состоит из объектива, камерной головки, видеомагнитофона и устройства управления. Остановимся на характеристиках основных узлов аппарата.

Рис. 3.3. Структурная схема видеокамеры



Рис. 3.4. Камерная головка

К объективу цифровой видеокамеры предъявляются требования повышенной разрешающей способности из-за малого размера элемента разложения прибора с зарядовой связью (ПЗС). Кроме того, объектив должен быть легким, надежным и формировать изображение с наименьшими искажениями. Наилучшими считаются объективы фирм Canon и Fujinon. Объективы имеют регулируемые диафрагму, трансфокатор и фокусировку. Они снабжаются дополнительными сменными светофильтрами. Основной блок видеокамеры - камерная головка (рис.3.4), которая состоит из узла преобразования "свет-сигнал" и цифрового процессора обработки сигнала изображения (рис.3.4). Узел преобразования "свет-сигнал" и объектив составляют оптическую часть видеокамеры и представлены на рис. 3.8. Сразу за объективом расположен фильтр нижних пространственных частот и светоделительная призма с цветными фильтрами, которая разделяет световой поток на три спектральные составляющие - красную (R), зеленую (G) и синюю (B) - по числу преобразователей изображения на ПЗС. Так как преобразователи на ПЗС имеют максимальную чувствительность в ИК-области спектра, а необходимо иметь кривую спектральной чувствительности камеры, близкую к кривой чувствительности глаза, то в оптическую часть камеры входит фильтр ИК-отсечки.



Рис. 3.5. Цифровой процессор сигнала

Рис.3.6.Оптическая часть видеокамеры

Рис.3.7. ПЗС со строчно-кадровым переносом, FIT CCD

3.4 Устройство и работа преобразователя изображения на ПЗС

Преобразователь изображения на ПЗС - это прибор, осуществляющий пространственную дискретизацию изображения. Для исключения интермодуляционных искажений или элайзинга (наложения спектров при дискретизации), в соответствии с теоремой Котельникова, спектр передаваемых пространственных частот перед дискретизацией должен быть ограничен на частоте, равной половине частоты дискретизации. Этой цели служит фильтр нижних пространственных частот (ФНПЧ), установленный перед светоделительной призмой. В видеокамерах, применяемых в ТВ-вещании, обычно используют самые высококачественные и дорогостоящие ПЗС со строчным (IT CCD) или строчно-кадровым переносом (FIT CCD). На рис. 3.8. представлен ПЗС со строчно-кадровым переносом. IT CCD отличается от него только отсутствием секции хранения. Из рисунка видно, что часть светочувствительной поверхности секции накопления покрыта непрозрачными для света вертикальными регистрами переноса, что существенно снижает световую чувствительность таких ПЗС по сравнению с ПЗС с переносом кадра. Преодолеть этот недостаток позволило применение микролинз, которые располагаются перед каждым фотодиодом и поэтому практически весь свет собирается на них, минуя закрытые от света участки секции накопления. Следует отметить существование в преобразователях двух режимов накопления: режим накопления поля (это стандартный режим работы), и режим накопления кадра. Рассмотрим работу преобразователя в этих режимах на примере работы строчно-кадрового ПЗС (IT CCD), фрагмент которого представлен на рис. 3.8. В этих приборах регистр вертикального переноса, который закрыт от света, является четырехфазным (фазы фV1...фV4), а горизонтальный выходной регистр - двухфазным (фазы фH1, фH2). В режиме накопления поля (рис. 3.8) все фотодиоды преобразователя опрашиваются одновременно - один раз в течение поля. Поэтому время накопления информации в таком режиме составляет одно ТВ-поле. Причем, два соседних по вертикали фотодиода объединяются в одну ТВ-строку.

Чересстрочность обеспечивается следующим образом: в нечетном поле первой телевизионной строке принадлежат первый и второй фотодиоды, второй - третий и четвертый фотодиоды, третьей - пятый и шестой фотодиоды, и так далее. В четном же поле фотодиоды объединяются в пары со сдвигом на один фотодиод: первая строка - первый фотодиод, вторая строка - второй и третий фотодиод, третья - четвертый и пятый фотодиод и так далее. Такой режим обеспечивает минимальную временную инерционность, но разрешающая способность по вертикали при этом понижена, так как высота элемента накопления равна высоте двух фотодиодов. Повысить разрешающую способность позволяет режим накопления кадра, когда в нечетном поле опрашиваются нечетные фотодиоды (1, 2, 3 и так далее), а в четном - четные (2, 4, 6 и т. д). Тем самым, размер элемента разложения по вертикали уменьшается вдвое, но также вдвое увеличивается временная инерционность ПЗС, так как фотодиоды накапливают информацию в течение двух телевизионных полей. Некоторые фирмы-производители для повышения разрешающей способности по вертикали применяют этот режим в выпускаемых ими видеокамерах, но применять его следует весьма осторожно, учитывая повышенную временную инерционность.



Рис. 3.8. Режим накопления поля

Сигнал, снимаемый с ПЗС, содержит характерные искажения и шумы, связанные с работой его выходного устройства. Чтобы найти пути, позволяющие избавиться от этих последствий, рассмотрим особенности формирования этого выходного сигнала. Как показано на рис.3.11. выходной сигнал ПЗС имеет три уровня:

- уровень, определяемый импульсами сброса, проникающими в выходной сигнал через паразитные емкости (Reset Level);

- уровень фиксации, определяемый постоянным напряжением на стоке транзистора сброса с шумовой добавкой (Feed-Through Level);

- уровень сигнала с той же шумовой добавкой, вызванной цепями узла детектирования выходного устройства ПЗС (Signals).

Эти шумы включают в себя:

- шумы сброса;- низкочастотные 1/f-шумы повторителя на МОП-транзисторе;

- тепловые шумы.



Рис. 3.9. Сигналы ПЗС и схемы ДКВ

Рис. 3.10. Схема ДКВ

Устранить эту шумовую добавку Uш можно, так как ее величина в момент импульса фиксации tф (когда информационный заряд еще не поступил в выходное устройство) и в момент импульса выборки tвыб (когда информационный зарядный пакет уже слился с этой шумовой добавкой) остается неизменной. Именно операцию устранения шумовой добавки осуществляет схема двойной коррелированной выборки (ДКВ) или, в английской интерпретации, CDS (Correlated double sampling) (рис. 3.12). Схема ДКВ работает следующим образом. В момент времени фиксации tф, когда на выходе ПЗС еще нет полезного сигнала, но есть шумовая составляющая Uш, схема выборки осуществляет выборку и запоминание этой составляющей, которая передается на неинвертирующий вход операционного усилителя (ОУ). Схема выборки 1 осуществляет выборку и запоминание сигнала в момент времени tвыб, когда сигнал на выходе ПЗС уже содержит полезную составляющую Uс и ту же самую, что и в момент времени tф, шумовую составляющую Uш. Схема выборки 3 производит выборку шумовой составляющей Uш в момент времени tвыб, переписывая значение шума с выхода схемы выборки 2 на инвертирующий вход ОУ. В результате, с момента выборки tвыб до следующей выборки на неинвертирующем входе ОУ будет присутствовать полезный сигнал с шумом Uс + Uш, а на инвертирующем - Uш. На выходе схемы ДКВ получим значение сигнала без шума Uс.

После схемы ДКВ сигнал поступает на регулируемый усилитель, который обеспечивает заданный размах сигнала перед подачей его на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а также стабилизацию уровня черного и shading-коррекцию (коррекция проработки деталей изображения в местах со слабой освещенностью). Регулировка осуществляется путем задания необходимого уровня смещения, которое поступает на видеоусилитель с ЦАП, преобразующего сигнал обратной связи, формируемый цифровым процессором сигналов. Глубина регулировки усиления обычно составляет от -6 до 30 дБ. В усилителе осуществляется также регулировка, обеспечивающая постоянство уровня черного и уровня белого во всех трех каналах.



Рис. 3.11. Сжатие светового диапазона

Оценим разрядность АЦП, применяемого в цифровых видеокамерах. Стандартный видеосигнал на выходе видеокамеры, в соответствии с рекомендацией CCIR - 601, должен быть восьмиразрядным. В то же время, к современным видеокамерам предъявляется требование передачи динамического диапазона по освещенности, как минимум в шесть раз превышающей номинальную. С учетом этого динамический диапазон АЦП должен быть как минимум на 2,5 разряда (log 6/1) больше. С учетом нелинейности гамма-характеристики, требующей дополнительного четырехкратного усиления в черном, потребуется дополнительно еще 2 разряда(log 4/1). Таким образом, общая разрядность АЦП должна была бы составлять13 разрядов (8 + 2,5 + 2). Создание такого АЦП, работающего на частоте преобразования видеосигнала, является в настоящее время достаточно сложной задачей. Поэтому разработчики видеокамер идут по пути сжатия динамического диапазона за счет регулировки режимов ПЗС, используя метод регулировки перегиба световой характеристики (knee correction), и обеспечения запаса по усилению в предварительном видеоусилителе (рис. 3.9). Этими методами удается сузить динамический диапазон сигнала и ограничиться 10...12-разрядным АЦП. Учитывая, что в большинстве видеокамер используется три ПЗС - по одному на каждый из основных цветов - общее число АЦП в видеокамере равно трем.

Назначение и работу ЦПС рассмотрим на примере ЦПС первой полностью цифровой видеокамеры фирмы SONY. Задачей цифровой обработки является такая обработка сигналов трех основных цветов, поступающих с АЦП, при которой обеспечиваются высокая разрешающая способность, широкий динамический диапазон, верность цветопередачи и высокая надежность работы видеокамеры. Высокая разрешающая способность формируемого видеокамерой изображения обеспечивается использованием ПЗС с большим числом элементов разложения, не менее 980(H)~х~576 (V), и сложным алгоритмом цифровой апертурной коррекции. Она заключается в интерполяции сигналов, полученных с двух ПЗС синего и красного каналов, сдвинутых относительно ПЗС зеленого канала в горизонтальном направлении на половину элемента разложения. При таком количестве элементов разложения ПЗС в горизонтальном направлении (980) и временем прямого хода по строке (52 мкс) нетрудно оценить частоту считывания информации с ПЗС, приближающуюся к 20 МГц. С учетом тактовой частоты цифрового сигнала, равной 13,5 МГц, и соответствующей рекомендации CCIR-601, выбирается частота считывания информации из ПЗС, равная 18 МГц=4/3 х 13,5 МГц. Для исключения эффекта элайзинга тактовая частота, на которой работает ЦПС, выбирается в два раза больше частоты считывания информации с ПЗС - 36 МГц. Для исключения циклических ошибок при масштабировании сигнала в цепях цифрового процессора сигналов осуществляется как минимум 14-разрядная, а в последних моделях 22-разрядная, цифровая обработка и с каждым годом, благодаря совершенствованию технологических процессов производства больших интегральных схем, разрядность цифровой обработки повышается. Особенно важна высокая разрядность сетки при нелинейной обработке сигналов, например, при гамма-коррекции.



Рис. 3.12. Гамма-коррекция

Задачей гамма-коррекции является создание такой " характеристики свет-сигнал" цифровой видеокамеры (обычно значение меньше единицы), чтобы она компенсировала модуляционную характеристику кинескопа, (которая больше единицы) и обеспечивала значение сквозной характеристики всего ТВ-тракта "от света до света" (то есть, по цепи "снимаемый объект - экран монитора"), близкое к единице. Одним из способов получения кривой, соответствующей требуемой гамма-характеристике, является кусочно-линейная аппроксимация, представленная на рис.3.12, из которой видно, что в области малых освещенностей (где Х мало) коэффициент усиления тракта существенно больше, чем в области средних и, тем более, больших сигналов. Пропорционально увеличению коэффициента усиления расширяется и разрядная сетка цифрового процессора. Реализация заданной кривой осуществляется путем запоминания в устройстве памяти (RAM) необходимых коэффициентов an и bn, а выходной сигнал Y вычисляется по формуле: y=an x + bn. Реализация этого алгоритма представлена на рис. 3.15. Альтернативным методом формирования заданной выходной характеристики является табличный, когда в отдельных ячейках таблицы по адресам, определяемым входным сигналом Х, хранятся выходные сигналы Y. Недостатком такого метода является большой объем памяти, обусловленный необходимостью плавной регулировки гамма-коэффициента.

Рис. 3. 13. Структурная схема гамма-корректора

Как уже упоминалось, ПЗС красного и синего каналов смещены относительно ПЗС зеленого канала на половину элемента разложения. В цифровом процессоре производится интерполяция сигналов, позволяющая вдвое поднять частоту дискретизации сигнала Y. В результате, практически полностью исключается эффект элайзинга в горизонтальном направлении, а также влияние эффектов дискретизации, снижающих разрешающую способность ПЗС на предельных пространственных частотах, приближающихся к половине частоты дискретизации, то есть на частоте 900 ТВ линий в горизонтальном направлении для 980-элементного ПЗС. Следует отметить, что этот же метод может быть применен для повышения разрешающей способности в вертикальном направлении. Для исключения влияния на разрешающую способность перегиба световой характеристики (knee correction) и гамма-регулировки, сигнал апертурной коррекции вводится и до, и после гамма-коррекции.

Цифровой процессор сигналов открывает широкие возможности для цветовой обработки и коррекции изображения. Линейное матрицирование позволяет корректировать цветовой тон в соответствии с творческими задачами оператора или режиссера, а также в зависимости от предпочтений ТВ-аудитории. Особенно это касается цветового тона лиц диктора и артистов, участвующих в передаче. Цифровой процессор позволяет корректировать только эту область изображения, не затрагивая других цветовых деталей.

После гамма-коррекции и коррекции перегиба световой характеристики расположена матрица цветности, которая из сигналов трех основных цветов - R, G и B - формирует цифровой сигнал яркости Y и два цветоразностных сигнала R-Y и B-Y, которые разделяются на два цифровых потока. Из одного с помощью цифрового кодера получают аналоговые композитные сигналы PAL или NTSC, а из другого, имеющего тактовую частоту 36 МГц, с помощью цифрового конвертера, использующего цифровые интерполяционные фильтры, - цифровой поток стандарта CCIR-601 с тактовой частотой 13,5 МГц.

Для управления цифровым процессором сигналов и выполнения огромного числа служебных функций и регулировок в современной цифровой видеокамере используется специальный контроллер. В число функций, выполняемых этим устройством, входят:

- автоматическая предустановка режимов;

- автоматический контроль за уровнем пересвеченных областей;

- управление интерфейсами связи с другими цифровыми аппаратами;

- связь с блоком дистанционного управления и др.

Преимуществом цифровых технологий является то, что они обеспечивают практически абсолютную согласованность установочных параметров многокамерного комплекса, обеспечивая полную идентичность формируемого изображения.

Видеокамеры можно условно разделить на моноблочные камеры, когда камерная головка и видеомагнитофон представляют собой единую конструкцию, и камерные головки с пристыковываемым видеомагнитофоном. В камерных головках с пристыковываемым видеомагнитофоном необходимо преобразование сигналов в аналоговую форму. В моноблочных камерах, где видеомагнитофон и камерная головка объединены в один узел, такой необходимости нет, и вся обработка сигнала происходит в цифровой форме. Для стыковки видеокамер со студийным видеооборудованием используются как аналоговые, так и цифровые интерфейсы.

SDI - последовательный цифровой интерфейс, разработанный фирмой Sony и предназначенный для передачи изображения в формате 4:2:2 со скоростью 270 Мбит/с на расстояние до 300 м.

Интерфейс IEEE-1394 Fire Wire ("огненный провод"), разработанный фирмой Texas Instruments для периферийных устройств в компьютерной технике, нашел широкое применение как в бытовой технике, так и в видеотехнике форматов DV и DVCAM. По инициативе VESA он стал стандартом для домашней сети. IEEE-1394 представляет собой последовательный двунаправленный интерфейс со скоростью передачи 100, 200 и 400 Мбит/с, позволяющий передавать одновременно два цифровых потока изображения со скоростью 25 Мбит/с. Стандарт предусматривает связь устройств с помощью шестипроводного кабеля, помещенного в общий экран. Две витые пары используются для передачи сигналов (одна для приемника, вторая для передатчика). Два провода используются для питания устройств (напряжение 8...40В, ток до 1,5А). Некоторые видеокамеры, например, DSR-200, имеют один 4-контактный разъем меньшего размера, у которого имеются только сигнальные цепи. Длина линии связи определяется стандартом и составляет) около 4,5м (17 футов. Интерфейс позволяет также осуществлять управление подключенным устройством.

Аналоговые выходы используются для стыковки с оборудованием, работающим с аналоговыми сигналами. Использование цифровой камеры совместно с аналоговым оборудованием позволяет улучшить качество изображения и осуществить постепенный переход на цифровые технологии при производстве программ.

При использовании видеокамер в составе ПТС иногда возникают трудности с обеспечением проводной связи с камерой. В этом случае используются специальные системы беспроводной передачи видеосигнала, использующие частотную модуляцию с индексом модуляции "2", и работающие на частоте 2...2,5 ГГц. Например, фирма CamLink предлагает несколько комплексов - S100, S150, S200 - с радиусом действия от 800 м до 6,5 км. Однако, в сложных условиях приема, при наличии индустриальных помех и многолучевом приеме возникают искажения принимаемого сигнала, поэтому в системе CamLink используются три антенны, и приемник выбирает сигнал с той антенны, где он наиболее сильный и качественный. В последние годы фирмы-изготовители проявляют интерес к цифровой системе модуляции COFDM - многочастотной ортогональной модуляции, использующей компрессированный цифровой сигнал MPEG-2 со скоростью цифрового потока до 32 Мбит/с. Такой способ модуляции способен передать изображение в условиях многолучевого приема и с движущихся объектов.

Видеокамеры с пристыковываемым видеомагнитофоном часто используются в качестве студийных. При этом применяются специальные камерные адаптеры, которые подразделяются по способу передачи сигналов по камерному кабелю. При съемке в павильоне или студии используются многожильные камерные кабели, передача сигналов по которым осуществляется в аналоговом виде. Максимальная длина кабеля при таком виде передаче составляет 100 м. При необходимости передачи сигналов на большие расстояния используются триаксиальные адаптеры, где передача сигналов осуществляется по специальному триаксиальному кабелю. Такие системы могут передавать сигнал на расстояние от нескольких сотен метров до нескольких километров. Использование триаксиальных адаптеров позволяет не только осуществить передачу сигналов изображения, но и обеспечить питание камеры, подачу сигналов синхронизации и тайм-кода, обеспечить двустороннюю служебную связь "оператор-режиссер", осуществить дистанционное управление диафрагмой объектива, параметрами сигнального процессора и синхрогенератора камеры, подачу сигнала программы на камеру. Эти два интерфейса требуют наличия базовой станции.

В последние годы появились полностью цифровые триаксиальные адаптеры, разработанные для цифровых камер. Таким образом, появилась возможность иметь полностью цифровую систему передачи сигналов изображения при многокамерной съемке.

3.5 Методика создания HD видео и параметры телевидения высокой четкости

Системы для съемки в формате ТВЧ можно условно разделить на две категории: видеокамеры и телекамеры. Видеокамеры еще очень любят называть камкордерами. Образовался термин camcorder из двух слов: camera и recorder. То есть это симбиоз камерной головки и устройства записи.

Но начать лучше именно с телекамеры, поскольку она представляет собой в общем случае не что иное, как камерную головку с объективом, блоком управления и интерфейсами передачи сигнала. Камерная головка, ранее строившаяся на базе исключительно ПЗС (CCD), теперь может содержать и сенсор типа CMOS, что реализовано, например, в нескольких камерах Ikegami, новой камере Sony формата HDV, а также в наделавшей достаточно шума Arriflex D-20. Сенсоры CMOS уступают матрицам ПЗС по некоторым параметрам, но, во-первых, это отставание быстро сокращается, а во-вторых, применение одного сенсора CMOS вместо трех ПЗС значительно упрощает оптическую систему камерной головки и в ряде случаев позволяет применять объективы, созданные для кинокамер, что и имеет место в случае с Arriflex D-20.

Параллельное существование оборудования стандартной и высокой четкости в рамках одного телевизионного комплекса порождает и другую проблему, заключающуюся в формате кадра. В телевидении стандартной четкости используется в основном формат кадра 4:3, тогда как ТВЧ оперирует с изображением формата 16:9. И до тех пор, пока ТВЧ-материал будет использоваться для производства программ стандартной четкости, эта проблема останется. Решается она разными способами, в том числе и при помощи понижающего преобразования в самой камерной головке или посредством дополнительного конвертера. Но факт остается фактом -- большинство ТВЧ-камер может работать и в стандартном разрешении. Особенно это касается последних моделей. Интересна технология, примененная в камерах Thomson Grass Valley. Она заключается в том, что элементы изображения сенсора группируются таким образом, что, отбрасывая определенное количество групп по горизонтали и вертикали, можно получить на выходе матрицы тот или иной стандартный вариант разрешения начиная от 1080p и ниже. То есть никаких понижающих или повышающих преобразований не требуется..Схемы цифровой обработки сигнала также более совершенны в камерах ТВЧ. Стандартный вариант здесь -- 12-разрядные сигнальные процессоры, хотя есть и модели с более высокой разрядностью.

Что касается интерфейсов, то в зависимости от представления цифрового сигнала (4:2:2 или 4:4:4) используются HD-SDI или HD-SDI Dual Link соответственно. Многие камеры комплектуются и интерфейсами стандартного разрешения SDI, и даже аналоговыми: компонентными и композитными. Последние нужны скорее для мониторинга, чем для передачи основного сигнала.

Видеокамеры, как уже упоминалось, отличаются от телекамер наличием устройства записи. Хотя до сих пор существуют модели, которые могут работать как без такого устройства, так и с ним. Это модульные системы, конструкция которых позволяет пристыковать к камерной головке и накамерный видеомагнитофон, и блок камерного адаптера для работы в режиме телекамеры. До недавнего времени в качестве устройства записи для видеокамер использовались видеомагнитофоны, осуществляющие запись материала на магнитную ленту. Но вот уже несколько лет, как эта монополия разрушена: запись выполняется и на кассету, и на жесткий диск, и на лазерный диск, и на карту твердотельной памяти.

В последнее время появилось и другое отличие при записи материала. Если раньше это была наклонно-строчная запись именно видеосигнала, то теперь такая форма осталась только при работе с кассетой. На остальные же носители материал записывается в виде файлов, поэтому роль устройств воспроизведения фактически сводится к считыванию файлов.

И все же лента пока остается хоть и не единственным, но доминирующим носителем. Причин тому несколько: она привычна, стоит недорого, обеспечивает отличное качество записи и воспроизведения, может достаточно долго храниться, да и парк оборудования для работы с лентой просто огромен. Да, у нее есть и недостатки, основной и очень неприятный из которых -- линейная природа кассеты, что не позволяет реализовать произвольный доступ к материалу, записанному на ней. Но пока ни один из альтернативных носителей не способен обеспечить, к примеру, запись видео высокого разрешения максимального качества, сравнимого по объему и цене с видеокассетой. Поэтому до сих пор запись видео высокого разрешения в аппаратах высокого класса осуществляется на кассеты формата HDCAM SR (Sony) и D-5 (Panasonic).

Тем не менее, альтернативные носители все больше теснят магнитную ленту. Особенно это касается жестких дисков. Они сегодня стали настолько компактными, надежными и универсальными, что успешно заменяют ленту. Достаточно упомянуть такие видеокамеры, как Ikegami Editcam HD и Grass Valley Infinity. Компания Focus Enhancements также выпустила дисковый рекордер FireStore 4 (FS-4) и версию Pro этого аппарата. Он может использоваться с камерами практически всех производителей: Canon, JVC, Panasonic, Sony.

Новым, очень бурно развивающимся сектором HD, ориентированным на малобюджетные проекты, является оборудование формата HDV. Первую камеру этого формата несколько лет назад представила компания JVC, и всего за пару лет техника HDV привлекла к себе не только острый интерес, но и получает все большее распространение. Запись компрессированного ТВЧ-сигнала выполняется на кассету miniDV. Уже появилась камера HDV со сменной оптикой (JVC).

Разумеется, альтернативой ленте является не только жесткий диск. Серьезным конкурентом стал лазерный Professional Disk, разработанный и успешно внедряемый компанией Sony. Уже Sony представил камеру XD CAM HD с записью ТВЧ-материала на лазерный диски и многие телерадиокомпании работают с этими камерами.

Первой же компанией, реализовавшей заманчивую идею исключения из камерной головки различных электромеханических приводов, являющихся постоянно зоной риска и, пожалуй, самым слабым местом видеокамеры, стала компания Panasonic, представившая семейство устройств P2. В аппаратах этого семейства запись выполняется на карту твердотельной памяти P2. В отношении этой техники язык не поворачивается сказать «воспроизведение», поскольку на самом деле происходит чтение файлов с карты и их визуализация уже программными методами. Впрочем, то же самое имеет место в случае с магнитными и лазерными дисками. Стараясь снизить ценовое бремя (карты памяти пока весьма дороги) и не уйти в то же время от концепции P2, Panasonic недавно представила камеру, в которой мирно соседствуют лентопротяжный механизм и два слота для карт P2. Так что компания, купившая эти камеры, в перспективе может разбогатеть и перейти на полностью безленточное производство, не прибегая к замене съемочной техники.

3.6 Структура передачи цифровых ТВ сигналов

Полный телевизионный сигнал обладает определенной избыточностью. Так, например, если бы существовала техническая возможность исключить все пустые промежутки в спектре видеосигнала, то удалось бы получить реальный спектр с полосой всего 400 КГц вместо 5 МГц, но такая возможность в настоящее время неизвестна. Простое аналого-цифровое преобразование видеосигнала приводит к увеличению занимаемой полосы частот в десятки раз и поэтому несовместимо с существующими линиями связи с полосой пропускания 8...40 МГц.

Рис.3.16. Структура передачи цифровых ТВ сигналов

Решить задачу передачи цифрового контента по каналам связи смогла группа экспертов по движущимся изображениям (Moving Pictures Expert Group). Компания Tandberg Television принимала активное участие в работе этой группы, начавшейся в 1992 г. В 1994 г. был разработан международный стандарт MPEG-2. Для телевидения высокой четкости (ТВЧ) предназначался стандарт MPEG-4, впоследствии объединенный с MPEG-2 и прекративший свое самостоятельное существование. В настоящее время свыше 300 компаний-производителей поддерживают стандарт MPEG-2 и принципы DVB, что означает совместимость оборудования разных фирм и обеспечивает заполнение, предусмотренных стандартом MPEG-2, а также введение в MPEG-поток всех инструкций, по которым приемник должен этот поток "распаковывать". Существовавшие на момент создания стандарта MPEG-2 каналы связи отличались как полосой пропускания, так и степенью помехозащищенности. Для спутникового канала связи при аналоговой передаче сигнала (ЧМ) типичной была полоса пропускания 27...36 МГц, а пороговое отношение сигнал/шум (C/Ш) на входе приемника 10,5 дБ, поэтому для цифровой спутниковой передачи была предложена модуляция QPSK. Ее использование позволило обеспечить устойчивую связь при отношении C/Ш на входе приемника до 6 дБ. Для кабельных сетей типичной была полоса пропускания 8 МГц (в Европе, Азии, Африке и Австралии), а отношение C/Ш на входе аналогового приемника 46 дБ (при амплитудной модуляции), поэтому для цифровой передачи по кабельным сетям используется модуляция QAM64, позволяющая при отношении C/Ш на входе цифрового приемника 24 дБ обеспечивать устойчивую связь. Несмотря на разнообразие средств распространения сигнала, центральным и неизменным звеном системы являются устройства компрессии и, конечно, кодеры. Mitsubishi Electric разработала инновационную технологию, позволяющую увеличить разрешение видеоизображения высокой четкости комбинированием картинок от нескольких телекамер в один поток. В западной прессе эту разработку называют "супер-HD"... Компания Mitsubishi тестирует эту технологию в своём научно-исследовательском центре в Токио - для создания одного высококачественного изображения используются пять телекамер. Эти телекамеры подключены к компьютерам с чипами для обработки трёхмерной графики, которые обеспечивают исходные данные. Различия в изображениях анализируются, и на их основе создаётся новая единая картинка, значительно превосходящая источник по разрешению. При помощи пяти телекамер получается создавать видео с разрешением в четыре раза большим, чем в стандарте HDTV - качество выходного изображения соответствует цифровому кинотеатру. Оценено, что при использовании тестируемой конфигурации задержка на цифровую обработку сигнала и его воспроизведение составляет всего лиш 0,15 с. Новый «помощник» Intel TV Wizard поможет легко подключить ваш ноутбук на базе процессорной технологии Intel Centrino к системам телевидения высокой четкости.



Рис.3.17. Структура системы телевидения высокой четкости

В ходе разработки проекта был проведен анализ существующих систем стереотелевидения 3D и выбран формат передачи данных 2D+Depth. Компрессия 3D видеосигнала при помощи стандартных алгоритмов сжатия (MPEG-2 и MPEG-4 AVC/H264) и использование транспортного потока MPEG-2 TS для его передачи позволит использовать для трансляций 3D стандартное телекоммуникационное оборудование и каналы передачи данных. Группа по Цифровому кинематографу Общества инженеров кино и телевидения (The Society of Motion Picture and Television Engineers Digital Cinema Study Group -- SMPTE DCSG) дала такое определение цифровому кинематографу: «Цифровой кинематограф -- совокупность процессов, которая приводит к публичному показу контента электронными средствами, в частности при этом особое значение придается проекторам, для которых источником изображения являются цифровые данные».В последнее время много спорят о том, какое разрешение необходимо для полноценной передачи деталей кинопленки. В результате появляются форматы 2К, 4К и даже 7К, что означает количество пикселов по большей стороне, хотя уже при разрешении 4К проявляется зернистость пленки. Какая технология лучшая на сегодняшний день (традиционная с кинопленкой, цифровая или гибридная, когда на разных этапах используются обе технологии) и какие у них перспективы? Какие параметры принимать во внимание при оценке той или иной технологии кинопроизводства (качество изображения, стоимость производства)? На сегодняшний день большинство специалистов сходятся в том, что качество изображения на кинопленке лучше, нежели качество материала, снятого HD-камерой. Конечно, цифровой формат, такой, как 24Р, имеет разрешение 1920х1080 пикселов -- это фиксированное количество. Кинопленку же можно отсканировать с разрешением 4К, 7К. Но согласно исследованиям специалистов, проведенным в американских кинотеатрах, установлено, что реальное разрешение изображения на киноэкране составляет не более 750 твл. А современными цифровыми кинопроекторами с источником изображения 24Р обеспечивается разрешение 1000 твл.

За последнее время видеопроизводство высокой четкости (HD - High Definition) получило широкое развитие в различных областях - телевидение высокой четкости, электронный кинематограф, домашнее кино, архивирование киноматериалов.

Существует два основных стандарта HD, которые различаются в основном количеством горизонтальных линий и условно называются "1080" и "720". В свою очередь каждый из стандартов в зависимости от скорости делится на подразделы.

Стандарт "1080" предполагает полное разрешение - 1920x1080 точек. Развертка каждого кадра может быть как прогрессивной, так и чересстрочной. В зависимости от частоты кадров этот стандарт подразделяется на три категории:

- 1080/24p (24 кадр/с) - идеальный формат для электронного кинематографа, так как соответствует традиционной частоте кадров, принятом в кино. Кроме того, этот формат удобен для универсализации процесса видео- и кинопроизводства. Так, отсняв и обработав материал в этом формате, можно сделать HD мастер-кассету, которую, затем, легко можно перевести в стандарты PAL и NTSC.

- 1080/25p (25 кадр/с) - удобен для видеопостпроизводства и создания мастер-продукции в формате PAL.

- 1080/30i - основной формат для создания телевизионных программ высокой четкости и вещания в NTSC.

Стандарт "720" предполагает полное разрешение - 1280x720 точек. Развертка каждого кадра - только прогрессивная. Теоретически это стандарт может иметь любую частоту кадров. Однако в настоящее время практически поддерживается только 60/59.94 кадров/с. Этот стандарт хорошо подходит для создания передач новостийного или спортивного характера.

На сегодняшний день практическая реализация этих стандартов в студийном оборудовании сводится к пяти форматам, которые приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.3. Технические характеристики форматов высокой четкости

HD формат	YUV	Глубина цветности (бит)	Степень сжатия	Скоростной поток (Мбит/с)
Philips D6	4:2:2	10	без сжатия	-
D5 HD	4:2:2	10	5:1	235
D5 HD	4:2:2	8	4:1	235
Sony HDCAM	3:1:1	8	4:1	140
DVCPRO HD	4:2:2	8	6.7:1	100

Среди этих форматов наибольшее распространение получили два - Sony HDCAM и DVCPRO HD.

До недавнего времени видеопроизводство в HD формате требовало дорогостоящего оборудования, которое было доступно не многим студиям. Однако с появлением недавно двух систем на базе настольных компьютеров коренным образом изменило ситуацию и позволило существенно удешевить процесс видеопостпроизводства материалов HD формата.

Выводы по главе III

В этой главе рассмотрены методы получения цифровых ТВ сигналов -HD формата, исследованы технические характеристики цифровой камеры XD CAM.

XD cam камкордер обеспечивает полное ТВЧ-разрешение 1920 x 1080 и обработку сигнала высокой четкости, имеющий три 1/2-дюймовых CMOS-датчика изображения, функцию записи через интервалы и функцию записи с переменной частотой кадров для создания творческих эффектов ускоренного и замедленного движения, а также возможность непрерывной записи с заменой карт памяти, компактный ТВЧ-камкордер PMW-EX1 - идеальный выбор для различных пользователей - от вещателей до независимых видеооператоров, а также его можно использовать в фильмопроизводстве, когда требуется высокое качество ТВЧ.

По анализам создания HD видео с использованием цифровой камеры XD cam предоставляется диск с записями сигналов высокой четкости в форматах DV 576i ,DVCPro HD1080i, IMX 576i.

4. бЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

4.1 Профессиональные вредности производственной среды и классификация основных форм трудовой деятельности

Большую часть времени активной жизнедеятельности человека занимает целенаправленная профессиональная работа, осуществляемая в условиях конкретной производственной среды, которая при несоблюдении принятых нормативных требований может неблагоприятно повлиять на его работоспособность и здоровье.

Производственная среда -- это часть окружающей человека среды, включающая природно-климатические факторы и факторы, связанные с профессиональной деятельностью (шум, вибрация, токсичные пары, газы, пыль, ионизирующие излучения и др.), называемые вредными и опасными факторами.

...