ТВ: от высокой к сверхвысокой четкости

М.А.Моргулис,
ведущий инженер-конструктор
Научно-исследовательского института Радио (НИИР)

Днем рождения телевидения высокой четкости (ТВЧ) в международном масштабе можно считать 1972 г., когда Япония предложила Международному консультативному комитету по радио (МККР) приступить к изучению вещания ТВЧ. Японская Администрация связи обосновывала свое предложение тем, что качество стандартного вещательного телевидения хуже, чем кино, как по четкости изображения, так и по качеству звукового сопровождения. Поэтому, считали японские специалисты, необходимы телевизионные системы более высокого качества, которые бы удовлетворяли будущие потребности в различных применениях ТВЧ с использованием дисплеев с экранами большого размера.
Уже в начале изучений ТВЧ как нового направления в ТВ-технологии была поставлена цель: зритель на расстоянии, равном трем высотам экрана (3Н), должен видеть телевизионное изображение, которое бы по качеству приближалось к тому, как эту же сцену воспринимает человек с нормальной остротой зрения в естественных условиях, не применяя какие-либо технические средства.
Это требовало разработки системы с отображением движения, восприятием глубины и колориметрией, улучшенными по сравнению с существующими 525- и 625-строчными стандартами вещательного телевидения. Причем изображение необходимо получать на больших экранах с широким форматом кадра, создающим у зрителя впечатление, что «картинка» находится «вокруг» него. Кроме того, данная система должна найти применение в электронном кинопроизводстве, для создания спецэффектов в традиционном кинематографе, а также в полиграфии, компьютерной технике, обучении, медицине, при организации видеоконференций, в научно-исследовательской работе…
Учитывая перечисленное, к системе ТВЧ предъявляются следующие требования:
• пространственная разрешающая способность в вертикальном и горизонтальном направлениях не менее чем в два раза выше, чем в обычных телевизионных системах;
• возможность улучшения временной разрешающей способности;
• лучшая цветопередача по сравнению с обычным ТВ;
• кадр вытянут вдоль (отношение ширины к высоте 16 : 9) в отличие от обычных телевизионных систем, где формат 4 : 3;
• звуковое сопровождение многоканальное, с высоким качеством воспроизведения;
• сигналы ТВЧ должны передаваться по стандартным радиоканалам, используемым в разных странах в сети наземного ТВ-вещания с шириной полосы 6, 7, 8 МГц.
Изначально предполагалось, что технология производства ТВЧ упростит обмен контентом благодаря объединению процесса производства программ для телевидения и фильмов для кинопроката. Концепция единого производственного стандарта для всех регионов мира с использованием его в телевидении и кинопроизводстве призвана обеспечить выгоды как вещательным организациям, так и создателям экранного продукта.
Разработана глобальная модель ТВЧ, которая предусматривает распределение сигналов телевидения высокой четкости во многих странах и характеризуется рядом особенностей:
• телевизионные центры должны не только создавать ТВ-программы, но и иметь базу для производства кинофильмов;
• такие технологии, как спутниковое вещание, видеозапись, кабельное ТВ, широкополосные оптоволоконные линии, могут использоваться для подачи сигналов ТВЧ на различные виды дисплеев разным потребителям (что влечет необходимость гармонизировать применение этих средств для распространения программ ТВЧ);
• вещательные интерфейсы являются, по существу, новыми ключевыми элементами на пути к возможному созданию унифицированного стандарта для производства программ и международного обмена программами.
При моделировании предполагалось, что бытовой приемник ТВЧ позволит воспроизводить информацию любой из служб с соответствующим уровнем качества. В модель были заложены такие функции обработки, как преобразование стандартов, удаление повторов, фильтрация шума и др.
При разработке глобальной модели системы ТВЧ особое внимание уделялось наиболее ответственному ее элементу – узкополосному вещательному интерфейсу, который должен обеспечить необходимую компрессию и обработку сигналов ТВЧ, чтобы они могли передаваться по стандартным радиоканалам, используемым в разных странах, в сети наземного ТВ-вещания с шириной полосы 6,7,8 МГц.
Таким образом, формулировалась фундаментальная задача: насколько могут для ТВЧ-вещания использоваться наземные передающие средства и существующие сети кабельного телевидения?
Было разработано несколько систем ТВЧ, проведены многочисленные испытания, однако решение всех вопросов стало возможным только с появлением цифрового телевидения.
Бурное развитие последнего обусловлено появившимися возможностями:
• резко повысить качество телевизионных программ (с соблюдением определенного стандарта) без расширения полосы частот;
• передавать в той же полосе частот сигналы программ ТВЧ.
В России первоочередное внимание при реализации цифрового телевещания уделяется системам многопрограммного ТВ, поскольку приходится учитывать социально-экономические аспекты.
Вместе с тем проблема внедрения ТВЧ в нашей стране не сбрасывается со счетов и рассматривается как долгосрочная перспектива: телевидение высокой четкости в РФ, безусловно, получит развитие после появления на рынке достаточно дешевых ТВ-приемников с форматом экрана 16 :9 и переводом на цифровое вещание действующих наземных и спутниковых систем.
Принятая сектором радиосвязи Международного союза электросвязи (МСЭ-Р) Рекомендация ВТ.709-3 стандартизировала параметры ТВЧ.
Устанавливается единый формат изображения в виде матрицы 16 : 9 с 1080 активными строками в кадре (отсчетами по вертикали) и с 1920 квадратными элементами изображения (пикселями) в активной части строки (по горизонтали). При этом значения единых параметров не зависят от частоты кадров (ее значения могут равняться 60, 50, 30, 25 и 24 Гц). Таким образом, в стандарт включены новые значения частоты кадров при прогрессивной развертке (в том числе частота 24 Гц, которая используется в кинематографии). Применение частоты 24 кадра/с не только упрощает преобразование фильмов в видеосигнал. Ожидается, что с такой частотой будет производиться и видеосъемка. У создателей программ появится еще одно средство для «бесшовного» объединения изображений, полученных от различных источников. Это обеспечит тождественность электронной и кинематографической версий фильма, что облегчит международный обмен кинофильмами, которые могут редактироваться в электронном виде и затем передаваться по цифровым каналам связи. На смену кинопленке приходит электронная память с мгновенным просмотром и монтажом.
Подсчитано, что при электронном производстве кинофильмов достигается 70%-ная экономия производственных затрат. Основные ее источники:
• кинопленка в 10 раз дороже диска;
• диск не требует химической обработки;
• компоновка программ и нелинейный монтаж на основе оригинала на мастер-диске осуществляется быстро и требует меньше финансовых затрат, чем перенос информации с кинопленки на видеодиск.
Кроме того, если кинофильм пользуется успехом у публики (причем не только в своей стране, но и за рубежом), стоимость изготовления копий на кинопленке и их распределения по кинотеатрам может составить несколько миллионов долларов, в то время как копии на диске недороги.
Особое значение ТВЧ заключается в том, что впервые в истории телевидения зритель получит возможность наблюдать в домашней обстановке большие изображения почти фотографического качества. ТВЧ окажет также существенное влияние на телевидение и кино за счет использования электронных технологий формирования подвижных изображений и, как отмечалось выше, найдет применение во многих других областях человеческой деятельности. Поэтому ТВЧ следует рассматривать как многофункциональную систему, имеющую большой потенциал.
Сейчас, по-видимому, о широком повсеместном (подчеркнем: повсеместном, а не об эксклюзивном, на коммерческой основе) внедрении ТВЧ в России говорить преждевременно из-за огромных расходов и высокой стоимости телевизоров. Однако благоприятные условия постепенно складываются, и к этому необходимо готовиться заранее (тем более, что одна программа цифрового ТВЧ может передаваться в одном стандартном радиоканале). В то же время при разработке концепции внедрения цифрового вещания следует учитывать наши специфические особенности и стимулы, которые позволяют предложить ряд направлений, ускоряющих принятие в нашей стране мирового стандарта ТВЧ.
В России проявляется большой интерес к применению технологии ТВЧ при создании федеральной общедоступной сети кинопроката на базе спутникового вещания (проект «Народный экран») (см. «Install-Pro», 2003, N№4, с. 36 – 45.) и при организации национальной сети электронных архивов видео- и аудиоматериалов. Можно предположить, что в дальнейшем будут развиваться и другие вещательные и невещательные применения ТВЧ. Предпосылкой к тому является создание концепции цифрового ТВ и звукового вещания в РФ, первый этап которой достаточно успешно реализован.
В мае 2004 г. в Токио состоялась японско-российская конференция «Стратегия развития информационных технологий», в рамках которой проводилась конференция «Телевидение высокой четкости». В Японии вещание ТВЧ уже ведется: спутниковое – с 2000 г., наземное эфирное – с 2003 г.
Вместе с тем в исследовательском институте японской вещательной корпорации NHK разработана система телевидения сверхвысокой четкости (ТСВЧ) на большом экране, которая является следующим шагом развития телевидения. В этой системе формат изображения 7680 х 4320 пикселей обеспечивает разрешение 4320 строк по вертикали и 7680 пикселей в каждой строке по горизонтали (в 16 раз больше, чем в формате ТВЧ). Формат телевизионного экрана – 9,8 м х 5,6 м (450” по диагонали). Кадровая развертка прогрессивная с частотой 60 Гц. Такая система позволяет передавать значительно больший объем видеоинформации по сравнению с обычным ТВ. Высокое качество звука обеспечивается за счет трехмерного пространственного звучания в системе 24-х акустических каналов. Благодаря специальному 1,25-дюймовому объективу на КМОП-элементах уменьшаются размер и вес телекамеры, облегчается процесс видеосъемки.