2.4.2.2. Цифровое телевидение

Цифровое телевидение (digital television, DTV) – это система передачи цифрового телевизионного сигнала, его приема, обработки и отображения на цифровых телевизорах. Цифровой сигнал может передаваться конечному пользователю по радиоканалам, кабельным и спутниковым системам, а после приема непосредственно в цифровом виде он используется для формирования изображения и звука.

Бурное развитие цифровых технологий в последние десятилетия явилось предпосылкой к созданию новых систем телевидения. Желание улучшить качественные показатели телевизионного вещания, по сравнению с существующими аналоговыми системами PAL, SECAM и NTSC, привело к появлению новых цифровых стандартов изображения. Хранить необработанное цифровое видео (raw video) сложно из-за поистине гигантских размеров финального файла. В профессиональных камерах размер каждого кадра измеряется порой в десятках мегабайт. Одним из решений этой проблемы является разработка и использование различных способов сжатия исходной видеоинформации с помощью видеокодеков.

Кодек (КОдировщик/ДЕКодировщик), как следует из названия, – это программа, предназначенная для кодирования и декодирования видео. Вопреки расхожему мнению, термины «кодирование» и «сжатие» отнюдь не являются синонимами. Кодирование может включать в себя как сжатие, так и некоторые дополнительные операции, например перевод цветовой палитры видео из компьютерной RGB в телевизионную YC_BC_R.

Сжатие видеопотока может быть реализовано двумя способами – с потерями (lossy) и без потерь (lossless) (рис. 162). Первый способ исключительно хорошо уменьшает размер видеофайлов, он используется в самой конечной фазе производства фильма при тиражировании и предпродажной записи на носители. Однако до этого момента сжатие с потерями никогда не применяется. Сжатие без потерь, напротив, применяется только на промежуточных стадиях обработки видео.

С пособ кодирования видео каждый производитель кодека волен выбирать сам – лишь бы стандартный декодер смог прочитать результат. Из-за этого кодеки от разных производителей принципиально различаются как по скорости кодирования, так и по качеству конечного результата.

Лидером в области кодеков является международная организация – специальная группа экспертов MPEG (Motion Picture Experts Group), организованная в 1988 г., которая стала разработчиком стандартов на типы кодирования видео- и аудиосигналов. Результатом исследований этой группы стало создание международных стандартов для сжатия цифрового телевизионного сигнала, также получивших название MPEG. Созданные ею кодеки востребованы практически во всех областях, начиная от домашнего использования и заканчивая применением в профессиональных киностудиях самого высокого уровня. Рассмотрим их подробнее.

MPEG-1. Видео в MPEG-1 кодируется в разрешении 352×240 пикселей. Битрейт видео в MPEG-1 постоянный, и для видео CD он составляет 1,5 Мбит/с. Кодек позволяет сжимать видео только в прогрессивном (построчном) режиме.

Формат разделен на несколько частей (parts). Каждая из них отвечает за определенную область работы кодека.

MPEG-1 – Part 1 – отвечает за синхронизацию аудио- и видеоданных.

MPEG-1 – Part 2 – собственно кодек, обеспечивающий сжатие видеоданных.

MPEG-1 – Part 3 – кодек для сжатия аудио.

MPEG-1 – Part 4 – описывает тесты на совместимость аппаратуры с форматом.

MPEG-1 – Part 5 – описывает принципы создания ПО для воспроизведения формата.

Третья часть делится на несколько слоев (layers). Третий слой (MPEG-1 – Part 3. Layer 3), известный как МР3, в представлении не нуждается. Он получил широкое распространение на ПК в качестве формата для хранения музыки, однако в профессиональном видео его используют крайне редко. Для этого предназначены более совершенные слои – МР2 и МР1. Например, МР2 является главным конкурентом Dolby Digital на роль стандартного аудиоформата в DVD-проигрывателях.

MPEG-2 специально разработан для кодирования сигналов телевидения. Это общепринятый стандарт, известный как стандарт MP@ML (Main Profile at Main Level – основной профиль при основном уровне), для цифрового спутникового телевидения, компакт-дисков Super VideoCD и DVD. На низких битрейтах MPEG-2 проигрывает MPEG-1 по качеству сжатия видеоданных, но на более высоких (от 4 Мбит/с и выше) уверенно превосходит его.

Стандарт MPEG-2 устанавливает 4 уровня (Levels) разрешения кадра (LL – низкий уровень с разрешением 352×288; ML – основной уровень 720×576, HL-1440 – высокий уровень, 1440×1152; HL-1920 – высокий уровень, 1920×1152) и 5 базовых профилей (Profiles) кодирования сигналов яркости и цветности (SP – простой, МР – основной, 2 масштабируемых профиля и HP – высокий).

По сравнению с традиционной аналоговой системой, цифровое телевизионное вещание имеет следующие преимущества:

– очень высокое качество изображения;

– большее число программ;

– пониженные требования к мощности передаваемого сигнала;

– пониженные требования к отношению сигнала к шуму;

– отсутствие повторных изображений.

Пониженные требования к мощности передаваемого сигнала означают меньшее взаимное влияние соседних каналов.

Аудиокодек MPEG-2 является развитием МР1/2/3. Основной его отличительной особенностью является поддержка многоканального звука формата 5.1.

Таблица 14