HOWTO: Просмотр H.264/AVC HDTV вживую с применением DVB-карт.
Несколько лет назад общеизвестной стала аббревиатура HDTV - High Definition TV или в русском варианте ТВВЧ - ТВ Высокой Четкости. Несомненно именно оно произведет революцию в мире телевидения. Практически все эксперты ставят эту технологию в один ряд по значимости с появлением звука и цвета в кино, и собственно с появлением ТВ как такового.
HDTV/ТВВЧ?
Что-же такое HDTV/ТВВЧ? Попробуем кратко осветить этот вопрос.
Изображение стандартного разрешения имеет разрешение 720 * 576 пикселей и формат экрана 4/3. Кроме того используется чересстрочная развертка (interlaced), при которой кадр разбивается на два полукадра с четными и нечетными строками. Полукадры (поля) воспроизводятся последовательно, с в 2 раза большей частотой - 50 раз в сек, уменьшая мерцание экрана. Использование чересстройной разверки в свое время помогло найти компромис между шириной полосы ТВ-канала, четкостью изображения и уровнем мерцания экрана При таком формате число элементов экрана - пикселей составлет около 414.720
Увы, чересстройная разверка приводит к дрожанию тонких горизонтальных линий на ТВ экране, и неприятному эффекту при отображении на устройствах с прогрессивной разверкой (компьютерном экране) изображения быстродвижущихся объектов.- "гребенке". Для подавления этого эффекта разработаны разнобразные алгоритмы, той или иной степени эффективности.
Современное HD-вещание сейчас использует два стандарта 1080i (i - чересстрочная развертка) и 720p (p - прогрессивная развертка, аналогично компьютерному монитору):
* 1080i - Изображение состоит из 1080 активных линий по 1920 отсчетов в каждой. Чересстрочная развертка, 25 кадров/сек (50 полей/сек). Соотношение сторон - 16:9, использованы квадратные пиксели. Число пикселей - 2.073.600. Стандарт определен в Рекомендациях ITU-R BT.709-5
* 720р - Изображение состоит из 720 активных линий по 1280 отсчетов в каждой. Прогрессивная развертка, 50 кадров/сек. Соотношение сторон - 16:9, использованы квадратные пиксели. Число пикселей - 921.600. Стандарт определен SMPTE как 296M-2001
До сих пор нет единого мнения, что лучше: 2.073.600 чересстрочно или 921.600 построчно? Дело в том, что изображения в обоих форматах, 1080i и 720p, выглядят лучше в разных условиях. Формат 1080i предназначен для воссоздания мелких деталей в неподвижных кадрах и изображениях при незначительном движении или полном его отсутствии. Этот формат лучше всего подходит для "пространственного разрешения". Формат 720p имеет преимущества в воспроизведении движения. Он не вносит видимых искажений независимо от скорости движущихся объектов, поэтому обладает лучшим "временным разрешением". Кроме того прогрессивный стандарт является более простым для компрессии и приводит к более низкой скорости передачи данных
Европейский Союз Вещателей (EBU) рекомендовал для вещания в Европе принять HD-формат с прогрессивным сканированием 720p, считая что это наиболее эффективное решение с точки зрения экономики и ширины полосы вещания. Тем не менее, большинство вещателей выбрали формат 1080i, ссылаясь на то, что это широко распространенный в мире формат, а также формат съемки, используемый большинством кинопродюсеров.
Конечно, использование формата 1080p устранит проблему в корне. Но произойдет это вряд-ли скоро...
Наглядно показать изменение ситуации при переходе на HD можно как увеличение площади экрана, при одинаковом размере пикселя:
* SD 4/3 -> 576 линий * 720 точек * 25 кадров /сек = 10 М пикселей /сек
* HD 720p -> 720 линий * 1280 точек * 50 кадров /сек = 50 М пикселей /сек
* HD 1080i -> 1080 линий * 1920 точек * 25 кадров /сек = 50 М пикселей /сек
Либо как уменьшение размера пикселя при неизменной высоте экрана.
Один немаловажный аспект - HDTV приближает зрителя к кинематографическому восприятию изображения. На этот факт нечасто обращают внимание. Как видно из рисунка, поле зрения стандартного ТВ экрано очень узко и неестественно для глаза, а HD уже значительно приближается к естесвенному изображению.
* Кино -> 90% поля зрения
* HD 16/9 -> 70% поля зрения
* SD 3/4 -> 25% поля зрения
Практика
Итак, а что с практической реализацией? Справедливости ради, отметим, что первые HDTV трансляции были проведены японской компанией NHK с Олимпийских Игр 1964 года! Причем система HD-вещания была аналоговой, собственной разработки NHK. Впоследствии к 80-м годам появилась совместная разработка SONY и NHK.
Европа и Америка не спешили приянть японскую разработку. В Европе была разработана система HD-MAC, основанная на цифро-аналоговом стандарте для спутникового телевидения (МАС) и формирующая изображение из 1225 строк. Система оказалась мертворожденной, поскольку ее убило цифровое телевидение. Америка пошла своим путем - в 1996 году Американская федеральная комиссия по связи (FCC) утвердила стандарт, согласно которому картинка ТВЧ формируется из 1080 горизонтальных строк при развертке шестьдесят полукадров в секунду и формате 16:9.
Увы, сформировать единый мировой стандарт HDTV не удалось
Одним из основных сдерживающих факторов развития HD-вещания было многократный рост потока передаваемой информации, а следовательно и значительное увеличение стоимости передачи этого потока.
Как следует из вышеприведенного рисунка поток частота пикселей даже для ТВ стандартной четкости составляет 10 М пикселей/сек. При кодировании каждого пикселя 3-мя цветами по 8 бит, скорость несжатого потока составила бы 240 Мбит/сек! Передать такой поток непросто даже и сейчас. Естественно на помощь приходит сжатие, компрессия потока.
Еще на заре аналогового цветного ТВ для снижения объема передаваемой информации (и следственно сужения полосы) использовались особенности восприятия картинки человеком. В частности было известно, что глаз человека лучше различает градации яркости, а не цветности. Кроме того разные цвета воспринимаются глазом с разной четкостью (например синий, гораздо хуже, чем красный, а тот чем зеленый). Это позволяет резко снизить поток информации о цветности изображения.
Как известно, ТВ-изображение обладают большой избыточностью. В самом деле, основую часть экрана занимают сравнительно неподвижный фон и некоторые движущиеся детали. Именно этот факт лежит в основе практически любой системы цифрового сжатия (компрессии) изображения. Достаточно передать один базовый кадр, а потом некоторое время можно передавать промежуточные, отражающие только изменяющуюся информацию. Эти и еще ряд факторов, позволяют отбросить большое количество избыточной информации, без существенного ухудшения качества восприятия изображения.
При этом используется сжатие c откидывание второстепенной информации, знакомое по графическим файлам стандарта JPG. Степень сжатия - величина субъективная и выбирается вещателем исходя из множества факторов - доступной полосы пропускания, требовательности аудитории и пр. Итак, любая компрессия - это компромисс.
Компрессия MPEG-2
Для цифровых передачи ТВ-каналов стандартного разрешения в семействе стандартов DVB, используется алгоритм сжатия MPEG-2. Этот стандарт был специально разработан MPEG (Moving Pictures Experts Group), рабочей группой Международной Организацией Стандартизации (International Organization for Standardization - ISO, для кодирования ТВ сигналов вещательного телевидения и опубликован как международный стандарт ISO/IEC 13818. Он позволяет получить полную четкость декодированного ТВ изображения, соответствующую Рекомендации 601 МККР. (При скорости передачи видеоданных 9 Мбит/с качество ТВ изображения соответствует студийному).
Отметим, что стандарт описывает общие принципы компрессии, оставляя конкретные детали реализации за изготовителями кодеров. Прогресс не стоит на месте. В настоящее время при одинаковом визуальном качестве изображения, требуемая скорость потока (bitrate, битрейт) почти в 2 раза менее, чем на заре цифрового вещания.
Изображение стандартного разрешения имеет разрешение 720 * 576 пикселей и скорость информационного потока до 8 Мбит/сек (лицензионные DVD-диски). В практическом спутниковом вещании используются скорости не более 5 - 6 Мбит/сек, типично 3 - 4 Мбит/сек, а иногда и существенно меньше. Да и разрешение картинки некоторые горе-операторы сильно обрезают (например 544 * 480). Конечно, зрителея это не радует, но вещатель экономит. Отметим, что пиратские DVD тоже грешать этим (5 в 1, 10 в 1)
Как уже отмечалось выше, увеличениме числа элементов экрана при HD-передаче, увеличивает и информационную скорость, а следственно и полосу частот, требуемую для ее передачи. На практике при HD-вещании в стандарте MPEG-2 скорость потока достигает 18 - 20 Мбит/сек. Как видим, в один типичный 38 Мбит спутниковый транспондер вместо 5 - 6 каналов обычного качества помещается, 1 - максимум 2 канала высокой четкости. Далее вступают в дело законы экономики...
Компрессия MPEG-4/AVC
Как известно, если есть проблема, рано или поздно ее решат. На помощь вещателям пришли две новые технологии - усовершенствованный стандарт цифровой передачи DVB-S2 и новый стандарт компрессии изображения MPEG-4/AVC. О первой технологии мы поговорим в другой статье, здесь-же несколько раскроем вторую.
Ум человеческий пытлив и нашел, что-бы еще выбросить из потока информации, и как обработать данные на приёмной стороне, что-бы визуальное субъективное качество картинки не ухудшилось. Следующий виток в развитии алгоритмов компресcии ТВ-изображения - это открытый стандарт MPEG-4 (ISO 14496) – разработанный также Moving Picture Experts Group Изначально MPEG-4 предназначался не для стандартизации одного потенциального продукта, а для того, чтобы охватить большое количество под-стандартов, из которых поставщики продуктов могли бы выбрать то, что им нужно для своей продукции. Наибольший интерес представляют следующие:
* ISO 14496-1 (Системы), формат контейнера MP4, анимация/интерактивность (например, DVD меню)
* ISO 14496-2 (Видео #1), Продвинутый Простой Профайл (Advanced Simple Profile – ASP), которому соответствуют XviD, DivX 5, 3ivx.
* ISO 14496-3 (Аудио), Продвинутое Кодирование Аудио (Advanced Audio Coding – AAC)
* ISO 14496-10 (Видео #2), Продвинутое Кодирование Видео (Advanced Video Coding – AVC), так же известное как H.264
AVC/H.264 – это часть MPEG-4 стандарта, определяющая один из самых современных и технически совершенных форматов видео кодирования. Он был совместно завершён и специфицирован в 2003 году двумя группами: MPEG (Moving Pictures Experts Group) из Интернациональной Организацией Стандартизации (International Organization for Standardization – ISO и VCEG (Video Coding Experts Group) из Интернационального Телекоммуникационного Союза (International Telecommunication Union – ITU) Организации Объединённых Наций. Непосредственно AVC/H.264 стандарт был разработан Joint Video Team (JVT), которая включает экспертов из MPEG и VCEG. Со стороны MPEG, стандарт называется MPEG-4 Часть 10 (ISO 14496-10), а со стороны ITU – H.264 (по номеру документа ITU). Под этим названием формат уже широко известен. Официальное наименование нового стандарта, Advanced Video Coding (AVC), было выбрано MPEG как видео дополнение к аудио формату Advanced Audio Coding (AAC).
В отличие от стандарта MPEG-4/ASP (ISO 14496-2), технологии, описываемые в стандарте MPEG-4/AVC предназначены для обработки видеопоследовательностей, предварительно не разделенных на видеоплоскости. Довольно существенные изменения по сравнению со стандартом MPEG-4 претерпела компенсация движения. Следует выделить также еще две его особенности: большая точность представления векторов движения и другой способ увеличения масштаба опорных фреймов, используемых для получения предсказания. Допускается точность, равная либо 1/4, либо 1/8 макроблока (в стандарте MPEG-4 максимальная точность, как известно, составляет 1/4). Для масштабирования опорных фреймов применяется достаточно сложная многоточечная интерполяция.
Неполное сравнение MPEG-2, MPEG-4/ASP и MPEG-4/AVC (Envivio):
Эти ухищрения это позволяет в 2 и более раз уменьшить поток передаваемых данных по сравнению с MPEG-2. Заметим, при сохранении субъективно равного качества, но никак не его улучшении. Отменим, что и тут ничего не дается бесплатно. Сокращение полосы передачи, компенсируется возросшим на порядок количеством вычислений, требуемых как на передающей, так и на приёмной сторонах.
Итак, совместное примениение DVB-S2 и H.264/AVC позволяет вернуться к старой ситуации: 6 - 8 каналов на транспондер. Но уже HD-качества.
Справедливости ради заметим, что рекомендовал к применению два конкурирующих стандарта - H.264 и VC-1 основанный на Windows Media Video Encoder 9 компании Microsoft. Но все европейские вещатели выбрали H.264.
Европа
Как уже отмечалось выше трансляция HD-канала в стандарте MPEG-2 достаточно неэкономично, т.к. один HD-канал требует полосу передачи достаточную для 4 - 5 каналов SD качества. Этот и ряд других фактором привкел к тому, что Европа (о России скромно умолчим) сильно отстала от CША, Японии, Австралии, где коммерческое HD-вещание достаточно развито и темпы развития не падают, а наоборот, нарастают. В Европе-же до недавнего времени складывался замкнутый круг - вещатели ничего не вещали - производители не выпускали HD-аппаратуры - смотреть было некому - не было рынка - студии не давали достаточного количества HD-контента.
Даже год назад, эксперты не находили единого ответа на вопрос, что лучше - быть пионером HD-вещания и сорвать куш, но набить шишек, либо идти вторым по проторенной дороге?
Положение в Европе стало меняться лишь три года назад, когда комнания Euro1080, при содействии SES-ASTRA и SONY, начала тестовое HD-вещание (13 сентября 2003 г). Сейчас компания вещает три канала - HD1, HD2, HD5 в формате MPEG-2 со спутников Astra (позиция 19.2E) и Sirius (позиция 5.0 E).
Позже к внедрению HD подключился и второй крупнейший спутниковый оператор, Eutelsat, запустивший демо-канал HD-forum.
И лишь прогресс техники в практической реализации технологий DVB-S2/H.264/ сделал рентабельным HD-вещание. Этот прорыв привел к тому, что уже к середине 2005 г. практически все крупные европейские ТВ-вещатели заявили о предстоящем запуске своих коммерческих HD-пакетов:
* Premiere. Германия
* ProSieben. Германия
* Sat1. Германия
* BSkyB. Великобритания
* BBC. Великобритания
* Canal+. Франция.
* TPS. Франция.
* Sky Italia. Италия.
Канал Euro1080 тоже перейдет на H.264 к 2007 г.
Прогнозы
По данным английской аналитической компании Intex Management Services, к 2009 году доля HDTV вещания в Европе составит 7%. В 2009 году в Европе будет продано около 8 млн. HDTV систем, что составит около 17% продаж телевизоров в регионе. Если интерпретировать цифры, представленные компанией, в 2009 году цифровое телевидение появится в 108 млн. домов, в настоящее время это количество – около 47 млн. домов. По другим прогнозам в 2010 году в Европе будет насчитываться от 60 до 80 спутниковых, от 21 до 27 кабельных и от 4 до 14 эфирных HD-каналов.
Развитие HD-рынка будет ускоряться следующими факторами:
* Растущая доступность "HD ready" телевизоров
* Доступность HDTV-ресиверов на рынке
* Достижение ведущими провайдерами платного телевидения критических уровней развития на всех основных рынках
* Увеличение объемов производства HD-контента
* Увеличение числа телевизионных HD-каналов и HD DVD
Пожалуй спорт можно рассматривать в качестве локомотива зрительского спроса. Основные спортивные события - Олимпиады, Чемпионаты по футболу - напрямую влияют на уровень продаж HD-оборудования.
ТВ
Стремительное развитие HDTV имеет и свои "минусы". На волне популярности стандарта некоторые производители принялись спекулировать на этом понятии и для увеличения продаж позиционировать свою продукцию как HD-технику.
Чтобы сохранить "чистоту" формата и защитить права потребителей, в январе этого года организация EICTA (European Information & Communications Technology Industry Association) утвердила стандарт для техники, которая может продаваться под ярлыком HD-ready. В стандарте прописан минимальный набор функций современного ТВ, совместимого с грядущим переходом на цифровое телевещание. В организации полагают, что эти меры оградят рядового пользователя от ошибок при покупке электроники.
Грядущее
Разработчики компании NHK работают над последователем стандарта HDTV, названным UHDTV (U – ультра). UHDTV предусматривает не менее 32 млн. элементов изображения с максимальным разрешением до 7680 x 4320. Частота кадровой развертки – 60 кадров в секунду. Звук - предусматривается 24 канала по формуле 22.2. Формат UHDTV предусматривает размер диагонали экрана до 11,4 м (450"). При нынешних технологиях для 18 минут записи в формате UHDTV необходим объем порядка 3,5 терабайт, что эквивалентно 750 современных DVD.
Железо
Вернемся в 2006 г. Еще не все трудности преодолены! Вспомним о возросшем объеме вычислений. Обычный, даже дорогой ресивер для приSма спутниковых каналов не справляется с приёмом HDTV даже в MPEG-2 - его декодер просто не рассчитан на формат изображения и увеличенный поток данных HD-вещания. Кроме того, как описано выше, H.264 требует принципиально иных алгоритмов декодирования.
Несмотря на то, что еще в начале 2005 г компании STMicroelectronics и Broadcom объявили о выпуске одночиповых MPEG-4/AVC декодеров (STi7710 и BCM7038 соответственно), производители спутниковых ресиверов не спешили запускать в производство новые модели. Это привело к дефициту на рынке MPEG-4 премников. Дошло даже до того, что германский Premiere 4 раза переносил дату старта своего HD-пакета - его просто не на чем было смотреть. Сейчас (лето 2006 г) на рынке есть уже несколько моделей от разных изготовителей, но количественный дефицит все равно заметен.
Компьютер
И вот наконец, мы подходим к цели опубликованной ниже статьи. В силу своей универсальности, компьютеры позволяют применять новые технологии, до того как они находят широкое воплощение в бытовой технике. Не исключением стало и HDTV. Уже первые HD-трансляции стандарта MPEG-2 принимались при помощи обычных недорогих DVB-карт, в то время как HD-ресивер стоил в 10 раз дороже.
Важное замечание: Для приSма каналов стандарта DVB-S2 требуются соответствующие dvb-карты. Они уже появляются на рынке Существующие dvb-премники использовать для приSма DVB-S2 невозможно!
Но не все так печально. MPEG-4 совсем не обязательно влечет за собой DVB-S2. Ряд каналов вещают в привычном DVB-S/H.264. На сегодня это (открытые):
* TPS HD promo. Atlantic Bird 3, Hot Bird
* M6. Hot Bird
* Astra HDTV promo. Astra 1D, 23.5°E
* BBC HD promo. Astra 2D, 28.2°E
Приём и главное отображение MPEG-2 каналов на компьютере не вызвал большого затруднения - лишь бы CPU справился с задачей. На тот момент сам процесс декодирования MPEG-2 был уже несколько лет отлажен на DVD-дисках и программные декодеры понимали разрешение HD-каналов. Совсем иное дело MPEG-4, тем более H.264. С его декодированием, справляются без проблем только топовые модели процессоров, а главное - нет отлаженных программных декодеров (кодеков). Они еще в процессе разработки и отладки.
Со стороны железа ситуацию несколько смягчает то, что последние видеоадаптеры NVIDIA и ATI имеют апапратную поддержку декодирования H.264. Но ее програмная поддержка тоже далеко не отлажена. Программы для приSма спутникового ТВ еще не адаптированы для живого отображения MPEG-4/AVC. Все это приводит к тому, что настроить свою систему для приSма, отображения и записи HD-каналов в стандарте MPEG-4/H.264 бывает сложно даже опытным пользователям.
Предлагаемая ниже статья Андрея Великанова, надеемся поможет энтузиастам спутникового приSма в настройке собственных систем. Отметим, что публикуем ее в знаменательный день для развития европейского HD-вещания. Сегодня, 9 июня 2006 г. в Мюнхене стартует Чемпионат Мира по футболу-2006. Все его игры будут транслироваться в HD-качестве. Практически все эксперты, да и просто здравомыслящие люди не сомневаются, что это событие послужит мощнейшим катализатором HDTV в Европе. Надеемся и в России тоже.
http://www.gs.ru/info/si/h264onss.html
Несколько лет назад общеизвестной стала аббревиатура HDTV - High Definition TV или в русском варианте ТВВЧ - ТВ Высокой Четкости. Несомненно именно оно произведет революцию в мире телевидения. Практически все эксперты ставят эту технологию в один ряд по значимости с появлением звука и цвета в кино, и собственно с появлением ТВ как такового.
HDTV/ТВВЧ?
Что-же такое HDTV/ТВВЧ? Попробуем кратко осветить этот вопрос.
Изображение стандартного разрешения имеет разрешение 720 * 576 пикселей и формат экрана 4/3. Кроме того используется чересстрочная развертка (interlaced), при которой кадр разбивается на два полукадра с четными и нечетными строками. Полукадры (поля) воспроизводятся последовательно, с в 2 раза большей частотой - 50 раз в сек, уменьшая мерцание экрана. Использование чересстройной разверки в свое время помогло найти компромис между шириной полосы ТВ-канала, четкостью изображения и уровнем мерцания экрана При таком формате число элементов экрана - пикселей составлет около 414.720
Увы, чересстройная разверка приводит к дрожанию тонких горизонтальных линий на ТВ экране, и неприятному эффекту при отображении на устройствах с прогрессивной разверкой (компьютерном экране) изображения быстродвижущихся объектов.- "гребенке". Для подавления этого эффекта разработаны разнобразные алгоритмы, той или иной степени эффективности.
Современное HD-вещание сейчас использует два стандарта 1080i (i - чересстрочная развертка) и 720p (p - прогрессивная развертка, аналогично компьютерному монитору):
* 1080i - Изображение состоит из 1080 активных линий по 1920 отсчетов в каждой. Чересстрочная развертка, 25 кадров/сек (50 полей/сек). Соотношение сторон - 16:9, использованы квадратные пиксели. Число пикселей - 2.073.600. Стандарт определен в Рекомендациях ITU-R BT.709-5
* 720р - Изображение состоит из 720 активных линий по 1280 отсчетов в каждой. Прогрессивная развертка, 50 кадров/сек. Соотношение сторон - 16:9, использованы квадратные пиксели. Число пикселей - 921.600. Стандарт определен SMPTE как 296M-2001
До сих пор нет единого мнения, что лучше: 2.073.600 чересстрочно или 921.600 построчно? Дело в том, что изображения в обоих форматах, 1080i и 720p, выглядят лучше в разных условиях. Формат 1080i предназначен для воссоздания мелких деталей в неподвижных кадрах и изображениях при незначительном движении или полном его отсутствии. Этот формат лучше всего подходит для "пространственного разрешения". Формат 720p имеет преимущества в воспроизведении движения. Он не вносит видимых искажений независимо от скорости движущихся объектов, поэтому обладает лучшим "временным разрешением". Кроме того прогрессивный стандарт является более простым для компрессии и приводит к более низкой скорости передачи данных
Европейский Союз Вещателей (EBU) рекомендовал для вещания в Европе принять HD-формат с прогрессивным сканированием 720p, считая что это наиболее эффективное решение с точки зрения экономики и ширины полосы вещания. Тем не менее, большинство вещателей выбрали формат 1080i, ссылаясь на то, что это широко распространенный в мире формат, а также формат съемки, используемый большинством кинопродюсеров.
Конечно, использование формата 1080p устранит проблему в корне. Но произойдет это вряд-ли скоро...
Наглядно показать изменение ситуации при переходе на HD можно как увеличение площади экрана, при одинаковом размере пикселя:
* SD 4/3 -> 576 линий * 720 точек * 25 кадров /сек = 10 М пикселей /сек
* HD 720p -> 720 линий * 1280 точек * 50 кадров /сек = 50 М пикселей /сек
* HD 1080i -> 1080 линий * 1920 точек * 25 кадров /сек = 50 М пикселей /сек
Либо как уменьшение размера пикселя при неизменной высоте экрана.
Один немаловажный аспект - HDTV приближает зрителя к кинематографическому восприятию изображения. На этот факт нечасто обращают внимание. Как видно из рисунка, поле зрения стандартного ТВ экрано очень узко и неестественно для глаза, а HD уже значительно приближается к естесвенному изображению.
* Кино -> 90% поля зрения
* HD 16/9 -> 70% поля зрения
* SD 3/4 -> 25% поля зрения
Практика
Итак, а что с практической реализацией? Справедливости ради, отметим, что первые HDTV трансляции были проведены японской компанией NHK с Олимпийских Игр 1964 года! Причем система HD-вещания была аналоговой, собственной разработки NHK. Впоследствии к 80-м годам появилась совместная разработка SONY и NHK.
Европа и Америка не спешили приянть японскую разработку. В Европе была разработана система HD-MAC, основанная на цифро-аналоговом стандарте для спутникового телевидения (МАС) и формирующая изображение из 1225 строк. Система оказалась мертворожденной, поскольку ее убило цифровое телевидение. Америка пошла своим путем - в 1996 году Американская федеральная комиссия по связи (FCC) утвердила стандарт, согласно которому картинка ТВЧ формируется из 1080 горизонтальных строк при развертке шестьдесят полукадров в секунду и формате 16:9.
Увы, сформировать единый мировой стандарт HDTV не удалось
Одним из основных сдерживающих факторов развития HD-вещания было многократный рост потока передаваемой информации, а следовательно и значительное увеличение стоимости передачи этого потока.
Как следует из вышеприведенного рисунка поток частота пикселей даже для ТВ стандартной четкости составляет 10 М пикселей/сек. При кодировании каждого пикселя 3-мя цветами по 8 бит, скорость несжатого потока составила бы 240 Мбит/сек! Передать такой поток непросто даже и сейчас. Естественно на помощь приходит сжатие, компрессия потока.
Еще на заре аналогового цветного ТВ для снижения объема передаваемой информации (и следственно сужения полосы) использовались особенности восприятия картинки человеком. В частности было известно, что глаз человека лучше различает градации яркости, а не цветности. Кроме того разные цвета воспринимаются глазом с разной четкостью (например синий, гораздо хуже, чем красный, а тот чем зеленый). Это позволяет резко снизить поток информации о цветности изображения.
Как известно, ТВ-изображение обладают большой избыточностью. В самом деле, основую часть экрана занимают сравнительно неподвижный фон и некоторые движущиеся детали. Именно этот факт лежит в основе практически любой системы цифрового сжатия (компрессии) изображения. Достаточно передать один базовый кадр, а потом некоторое время можно передавать промежуточные, отражающие только изменяющуюся информацию. Эти и еще ряд факторов, позволяют отбросить большое количество избыточной информации, без существенного ухудшения качества восприятия изображения.
При этом используется сжатие c откидывание второстепенной информации, знакомое по графическим файлам стандарта JPG. Степень сжатия - величина субъективная и выбирается вещателем исходя из множества факторов - доступной полосы пропускания, требовательности аудитории и пр. Итак, любая компрессия - это компромисс.
Компрессия MPEG-2
Для цифровых передачи ТВ-каналов стандартного разрешения в семействе стандартов DVB, используется алгоритм сжатия MPEG-2. Этот стандарт был специально разработан MPEG (Moving Pictures Experts Group), рабочей группой Международной Организацией Стандартизации (International Organization for Standardization - ISO, для кодирования ТВ сигналов вещательного телевидения и опубликован как международный стандарт ISO/IEC 13818. Он позволяет получить полную четкость декодированного ТВ изображения, соответствующую Рекомендации 601 МККР. (При скорости передачи видеоданных 9 Мбит/с качество ТВ изображения соответствует студийному).
Отметим, что стандарт описывает общие принципы компрессии, оставляя конкретные детали реализации за изготовителями кодеров. Прогресс не стоит на месте. В настоящее время при одинаковом визуальном качестве изображения, требуемая скорость потока (bitrate, битрейт) почти в 2 раза менее, чем на заре цифрового вещания.
Изображение стандартного разрешения имеет разрешение 720 * 576 пикселей и скорость информационного потока до 8 Мбит/сек (лицензионные DVD-диски). В практическом спутниковом вещании используются скорости не более 5 - 6 Мбит/сек, типично 3 - 4 Мбит/сек, а иногда и существенно меньше. Да и разрешение картинки некоторые горе-операторы сильно обрезают (например 544 * 480). Конечно, зрителея это не радует, но вещатель экономит. Отметим, что пиратские DVD тоже грешать этим (5 в 1, 10 в 1)
Как уже отмечалось выше, увеличениме числа элементов экрана при HD-передаче, увеличивает и информационную скорость, а следственно и полосу частот, требуемую для ее передачи. На практике при HD-вещании в стандарте MPEG-2 скорость потока достигает 18 - 20 Мбит/сек. Как видим, в один типичный 38 Мбит спутниковый транспондер вместо 5 - 6 каналов обычного качества помещается, 1 - максимум 2 канала высокой четкости. Далее вступают в дело законы экономики...
Компрессия MPEG-4/AVC
Как известно, если есть проблема, рано или поздно ее решат. На помощь вещателям пришли две новые технологии - усовершенствованный стандарт цифровой передачи DVB-S2 и новый стандарт компрессии изображения MPEG-4/AVC. О первой технологии мы поговорим в другой статье, здесь-же несколько раскроем вторую.
Ум человеческий пытлив и нашел, что-бы еще выбросить из потока информации, и как обработать данные на приёмной стороне, что-бы визуальное субъективное качество картинки не ухудшилось. Следующий виток в развитии алгоритмов компресcии ТВ-изображения - это открытый стандарт MPEG-4 (ISO 14496) – разработанный также Moving Picture Experts Group Изначально MPEG-4 предназначался не для стандартизации одного потенциального продукта, а для того, чтобы охватить большое количество под-стандартов, из которых поставщики продуктов могли бы выбрать то, что им нужно для своей продукции. Наибольший интерес представляют следующие:
* ISO 14496-1 (Системы), формат контейнера MP4, анимация/интерактивность (например, DVD меню)
* ISO 14496-2 (Видео #1), Продвинутый Простой Профайл (Advanced Simple Profile – ASP), которому соответствуют XviD, DivX 5, 3ivx.
* ISO 14496-3 (Аудио), Продвинутое Кодирование Аудио (Advanced Audio Coding – AAC)
* ISO 14496-10 (Видео #2), Продвинутое Кодирование Видео (Advanced Video Coding – AVC), так же известное как H.264
AVC/H.264 – это часть MPEG-4 стандарта, определяющая один из самых современных и технически совершенных форматов видео кодирования. Он был совместно завершён и специфицирован в 2003 году двумя группами: MPEG (Moving Pictures Experts Group) из Интернациональной Организацией Стандартизации (International Organization for Standardization – ISO и VCEG (Video Coding Experts Group) из Интернационального Телекоммуникационного Союза (International Telecommunication Union – ITU) Организации Объединённых Наций. Непосредственно AVC/H.264 стандарт был разработан Joint Video Team (JVT), которая включает экспертов из MPEG и VCEG. Со стороны MPEG, стандарт называется MPEG-4 Часть 10 (ISO 14496-10), а со стороны ITU – H.264 (по номеру документа ITU). Под этим названием формат уже широко известен. Официальное наименование нового стандарта, Advanced Video Coding (AVC), было выбрано MPEG как видео дополнение к аудио формату Advanced Audio Coding (AAC).
В отличие от стандарта MPEG-4/ASP (ISO 14496-2), технологии, описываемые в стандарте MPEG-4/AVC предназначены для обработки видеопоследовательностей, предварительно не разделенных на видеоплоскости. Довольно существенные изменения по сравнению со стандартом MPEG-4 претерпела компенсация движения. Следует выделить также еще две его особенности: большая точность представления векторов движения и другой способ увеличения масштаба опорных фреймов, используемых для получения предсказания. Допускается точность, равная либо 1/4, либо 1/8 макроблока (в стандарте MPEG-4 максимальная точность, как известно, составляет 1/4). Для масштабирования опорных фреймов применяется достаточно сложная многоточечная интерполяция.
Неполное сравнение MPEG-2, MPEG-4/ASP и MPEG-4/AVC (Envivio):
Эти ухищрения это позволяет в 2 и более раз уменьшить поток передаваемых данных по сравнению с MPEG-2. Заметим, при сохранении субъективно равного качества, но никак не его улучшении. Отменим, что и тут ничего не дается бесплатно. Сокращение полосы передачи, компенсируется возросшим на порядок количеством вычислений, требуемых как на передающей, так и на приёмной сторонах.
Итак, совместное примениение DVB-S2 и H.264/AVC позволяет вернуться к старой ситуации: 6 - 8 каналов на транспондер. Но уже HD-качества.
Справедливости ради заметим, что рекомендовал к применению два конкурирующих стандарта - H.264 и VC-1 основанный на Windows Media Video Encoder 9 компании Microsoft. Но все европейские вещатели выбрали H.264.
Европа
Как уже отмечалось выше трансляция HD-канала в стандарте MPEG-2 достаточно неэкономично, т.к. один HD-канал требует полосу передачи достаточную для 4 - 5 каналов SD качества. Этот и ряд других фактором привкел к тому, что Европа (о России скромно умолчим) сильно отстала от CША, Японии, Австралии, где коммерческое HD-вещание достаточно развито и темпы развития не падают, а наоборот, нарастают. В Европе-же до недавнего времени складывался замкнутый круг - вещатели ничего не вещали - производители не выпускали HD-аппаратуры - смотреть было некому - не было рынка - студии не давали достаточного количества HD-контента.
Даже год назад, эксперты не находили единого ответа на вопрос, что лучше - быть пионером HD-вещания и сорвать куш, но набить шишек, либо идти вторым по проторенной дороге?
Положение в Европе стало меняться лишь три года назад, когда комнания Euro1080, при содействии SES-ASTRA и SONY, начала тестовое HD-вещание (13 сентября 2003 г). Сейчас компания вещает три канала - HD1, HD2, HD5 в формате MPEG-2 со спутников Astra (позиция 19.2E) и Sirius (позиция 5.0 E).
Позже к внедрению HD подключился и второй крупнейший спутниковый оператор, Eutelsat, запустивший демо-канал HD-forum.
И лишь прогресс техники в практической реализации технологий DVB-S2/H.264/ сделал рентабельным HD-вещание. Этот прорыв привел к тому, что уже к середине 2005 г. практически все крупные европейские ТВ-вещатели заявили о предстоящем запуске своих коммерческих HD-пакетов:
* Premiere. Германия
* ProSieben. Германия
* Sat1. Германия
* BSkyB. Великобритания
* BBC. Великобритания
* Canal+. Франция.
* TPS. Франция.
* Sky Italia. Италия.
Канал Euro1080 тоже перейдет на H.264 к 2007 г.
Прогнозы
По данным английской аналитической компании Intex Management Services, к 2009 году доля HDTV вещания в Европе составит 7%. В 2009 году в Европе будет продано около 8 млн. HDTV систем, что составит около 17% продаж телевизоров в регионе. Если интерпретировать цифры, представленные компанией, в 2009 году цифровое телевидение появится в 108 млн. домов, в настоящее время это количество – около 47 млн. домов. По другим прогнозам в 2010 году в Европе будет насчитываться от 60 до 80 спутниковых, от 21 до 27 кабельных и от 4 до 14 эфирных HD-каналов.
Развитие HD-рынка будет ускоряться следующими факторами:
* Растущая доступность "HD ready" телевизоров
* Доступность HDTV-ресиверов на рынке
* Достижение ведущими провайдерами платного телевидения критических уровней развития на всех основных рынках
* Увеличение объемов производства HD-контента
* Увеличение числа телевизионных HD-каналов и HD DVD
Пожалуй спорт можно рассматривать в качестве локомотива зрительского спроса. Основные спортивные события - Олимпиады, Чемпионаты по футболу - напрямую влияют на уровень продаж HD-оборудования.
ТВ
Стремительное развитие HDTV имеет и свои "минусы". На волне популярности стандарта некоторые производители принялись спекулировать на этом понятии и для увеличения продаж позиционировать свою продукцию как HD-технику.
Чтобы сохранить "чистоту" формата и защитить права потребителей, в январе этого года организация EICTA (European Information & Communications Technology Industry Association) утвердила стандарт для техники, которая может продаваться под ярлыком HD-ready. В стандарте прописан минимальный набор функций современного ТВ, совместимого с грядущим переходом на цифровое телевещание. В организации полагают, что эти меры оградят рядового пользователя от ошибок при покупке электроники.
Грядущее
Разработчики компании NHK работают над последователем стандарта HDTV, названным UHDTV (U – ультра). UHDTV предусматривает не менее 32 млн. элементов изображения с максимальным разрешением до 7680 x 4320. Частота кадровой развертки – 60 кадров в секунду. Звук - предусматривается 24 канала по формуле 22.2. Формат UHDTV предусматривает размер диагонали экрана до 11,4 м (450"). При нынешних технологиях для 18 минут записи в формате UHDTV необходим объем порядка 3,5 терабайт, что эквивалентно 750 современных DVD.
Железо
Вернемся в 2006 г. Еще не все трудности преодолены! Вспомним о возросшем объеме вычислений. Обычный, даже дорогой ресивер для приSма спутниковых каналов не справляется с приёмом HDTV даже в MPEG-2 - его декодер просто не рассчитан на формат изображения и увеличенный поток данных HD-вещания. Кроме того, как описано выше, H.264 требует принципиально иных алгоритмов декодирования.
Несмотря на то, что еще в начале 2005 г компании STMicroelectronics и Broadcom объявили о выпуске одночиповых MPEG-4/AVC декодеров (STi7710 и BCM7038 соответственно), производители спутниковых ресиверов не спешили запускать в производство новые модели. Это привело к дефициту на рынке MPEG-4 премников. Дошло даже до того, что германский Premiere 4 раза переносил дату старта своего HD-пакета - его просто не на чем было смотреть. Сейчас (лето 2006 г) на рынке есть уже несколько моделей от разных изготовителей, но количественный дефицит все равно заметен.
Компьютер
И вот наконец, мы подходим к цели опубликованной ниже статьи. В силу своей универсальности, компьютеры позволяют применять новые технологии, до того как они находят широкое воплощение в бытовой технике. Не исключением стало и HDTV. Уже первые HD-трансляции стандарта MPEG-2 принимались при помощи обычных недорогих DVB-карт, в то время как HD-ресивер стоил в 10 раз дороже.
Важное замечание: Для приSма каналов стандарта DVB-S2 требуются соответствующие dvb-карты. Они уже появляются на рынке Существующие dvb-премники использовать для приSма DVB-S2 невозможно!
Но не все так печально. MPEG-4 совсем не обязательно влечет за собой DVB-S2. Ряд каналов вещают в привычном DVB-S/H.264. На сегодня это (открытые):
* TPS HD promo. Atlantic Bird 3, Hot Bird
* M6. Hot Bird
* Astra HDTV promo. Astra 1D, 23.5°E
* BBC HD promo. Astra 2D, 28.2°E
Приём и главное отображение MPEG-2 каналов на компьютере не вызвал большого затруднения - лишь бы CPU справился с задачей. На тот момент сам процесс декодирования MPEG-2 был уже несколько лет отлажен на DVD-дисках и программные декодеры понимали разрешение HD-каналов. Совсем иное дело MPEG-4, тем более H.264. С его декодированием, справляются без проблем только топовые модели процессоров, а главное - нет отлаженных программных декодеров (кодеков). Они еще в процессе разработки и отладки.
Со стороны железа ситуацию несколько смягчает то, что последние видеоадаптеры NVIDIA и ATI имеют апапратную поддержку декодирования H.264. Но ее програмная поддержка тоже далеко не отлажена. Программы для приSма спутникового ТВ еще не адаптированы для живого отображения MPEG-4/AVC. Все это приводит к тому, что настроить свою систему для приSма, отображения и записи HD-каналов в стандарте MPEG-4/H.264 бывает сложно даже опытным пользователям.
Предлагаемая ниже статья Андрея Великанова, надеемся поможет энтузиастам спутникового приSма в настройке собственных систем. Отметим, что публикуем ее в знаменательный день для развития европейского HD-вещания. Сегодня, 9 июня 2006 г. в Мюнхене стартует Чемпионат Мира по футболу-2006. Все его игры будут транслироваться в HD-качестве. Практически все эксперты, да и просто здравомыслящие люди не сомневаются, что это событие послужит мощнейшим катализатором HDTV в Европе. Надеемся и в России тоже.
http://www.gs.ru/info/si/h264onss.html