Файл: ВидеостандартыСигналы, форматы, стыкиВ. Л. Штейнберг Содержание 2Видеостандарты.pdf

Видеостандарты
Сигналы, форматы, стыки
В.Л.Штейнберг

Содержание
2
Видеостандарты
Сигналы, форматы, стыки
В.Л.Штейнберг
Д-р Виктор Штейнберг в настоящее время является главным научным сотрудником фирмы
Snell & Wilcox, Великобритания. После окончания Московского Энергетического Института в
1969 году он с 1974 года работал заведующим сектором видеосистем во Всесоюзном Научно-
Исследовательском Институте Телевидения и Радиовещания в Москве и занимал пост
Председателя Координационной Группы по Терминологии ОИРТ
Д-р Штейнберг является автором 3 книг (на русском языке) и более 100 статей (на русском и английском языках) по тематике вещательного телевидения. Имеет авторские свидетельства
СССР и патенты Великобритании
Engineering with Vision

3
ПРЕДИСЛОВИЕ
По мере постоянного роста коммуникационных потоков, международный обмен видеоинформацией становится обычным повседневным явлением. Поэтому производители оборудования стремятся поставить на рынок все больше многостандартных устройств.
Однако этому процессу препятствует некоторая недоговоренность соответствующих документов. Впервые, материалы по всем важнейшим стандартам и форматам сигналов собраны в одном справочном пособии. Здесь описаны и классифицированы аналоговые и цифровые, компонентные и композитные стандарты и форматы, как обычного ТВ, так и ТВЧ.
Для полноты картины в книгу включены также форматы компьютерных файлов для ТВ стоп- кадров.

Содержание
4
СОДЕРЖАНИЕ
Cтр.
РАЗДЕЛ 1 - ВВЕДЕНИЕ В ВИДЕОСТАНДАРТЫ 7
1.1 Исторический очерк
7
1.2 Карта ТВ вещания во всем мире 8
1.3. Организации, занимающиеся стандартизацией 9
РАЗДЕЛ 2 - СТРУКТУРА СТАНДАРТА 10
2.1. Составные части видеостандарта 10
2.2. Стандарты разложения
12
2.3. Форматы кадра
14
2.4 Представление и кодирование цветовой информации 16
2.5 Уровни, напряжения, коды, единицы измерения 19
2.6 Звуковое сопровождение
21
РАЗДЕЛ 3 - СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ 23
3.1 Общие сведения
24
3.2 Аналоговые видеосигналы и стыки 24
3.2.1 Параметры развертки и синхронизации 24 3.2.2 Формирование и уровни сигнала яркости 25 3.2.3 Аналоговый компонентный стык YPrPb (YsPrPb)
26 3.2.4 Цветовые поднесущие и цветовая синхронизация 27 3.2.5 Система нумерации строк 29 3.2.6 Обработка сигнала яркости 32 3.2.7 Обработка сигнала цветности 33
NTSC
33
PAL
34
SECAM
35 3.2.8 Аналоговый компонентный стык Y/C
36 3.2.9 Система PALplus
37 3.2.10 Сигналы вертикального гасящего интервала 38
Вертикальный временной код 38
Испытательные строки 40
Опорные строки
42
Строки данных
42
Строка управления широкоэкранными системами (WSS - Wide Screen Signalling) 43

Содержание
5
3.3 Цифровые компонентные видеосигналы (Формат 4:2:2)
45
3.3.1 Дискретизация и квантование 45 3.3.2 Мультиплексирование данных Y и Cr,Cb
49 3.3.3 Предфильтрация и постфильтрация 50
Канал яркости:
51
Канал цветоразностных сигналов: 51
3.4 Цифровые композитные видеосигналы 52
3.5 Цифровые видеостыки
57
3.5.1 Параллельный цифровой видеостык 57 3.5.2 Цифровой последовательный видеостык 58 3.5.3 Обнаружение и обработка ошибок (EDH)
62
3.6 Сжатие цифровых потоков 64
Что такое MPEG?
64
Что такое DVB?
65
Почему требуется сжатие сигналов? 66
Как MPEG-2 сжимает цифровой поток? 66
Межкадровое предсказание
66
Предсказание с компенсацией движения 67
Кадры типа I, P и B
67
Структура группы видеокадров GOP
67
Дискретное косинусное преобразование 68
ДКП для любителей математики 68
ДКП для тех, кто не любит математики 69
Квантование
70
Кодирование длин серий (VLC - Variable-length coding)
70
Регулирование заполнения буфера 70
Как же выглядит все в целом? 72
Формирование цифрового потока 73
Предполагаемые параметры отображения 73
Кодер и декодер MPEG-2 74
Если алгоритм представляется чрезмерно простым, то ...
75
Сжатие звукоданных MPEG-2 75
Системный уровень
75
Цифровые потоки MPEG
76
Коммутация и редактирование сжатых потоков 76
Уровни и профили
76
Профиль 4:2:2 77
Повышенные профили
77
Профиль, масштабируемый по отношению сигнал-шум 77
Стыки MPEG-2 78
3.7 Системы производства программ Телевидения Высокой Четкости 83
3.7.1. Сигналы и уровни сигналов 85 3.7.2. Параметры развертки и синхронизации 87 3.7.3. Стыки ТВЧ
90

Содержание
6
3.8. Форматы файлов стоп-кадров 91
3.9. Сигналы цветных полос
92
3.9.1 Аналоговый компонентный формат YPrPb [Спецификация EBU]
94 3.9.2 Цифровой компонентный формат YCbCr
95 3.9.3 Аналоговые композитные форматы 96
NTSC-M (США), PAL-M
96
NTSC-M (Япония)
97
PAL, PAL-N
99
SECAM
100
РАЗДЕЛ 4 - СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СТАНДАРТОВ 101
Стандарты МОС (ISO Standards) 101
Рекомендации МСЭ-Р (ITU-R Recommendations) 101
Рекомендации МСЭ-Т (ITU-T Recommendations) 101
Стандарты СМПТЕ (SMPTE Standards) 102
Рекомендации СМПТЕ (SMPTE Recommended Practices) 102
Технические Руководства СМПТЕ (SMPTE Engineering Guidelines) 102
Европейские Стандарты Электросвязи (European Telecommunication Standards) 103

Введение в видеостандарты
7
РАЗДЕЛ 1 - ВВЕДЕНИЕ В ВИДЕОСТАНДАРТЫ
1.1 Исторический очерк
Слово "video" в латинском языке означает "я вижу". Строго говоря, видеосигнал - это любой сигнал, переносящий информацию об отображаемом объекте. Например, видеосигналом является сигнал факсимильного аппарата. Можно привести и другие примеры. Сигнал радиолокатора также бесспорно принадлежит к славной семье видеосигналов. Тем не менее, здесь речь пойдет только о видеосигналах вещательного ТВ.
В области ТВ вещания из первоначального термина было произведено немало полезных производных, например "цветоразностный видеосигнал" или "композитный видеосигнал" (в англоязычной литературе он часто обозначается сокращением CCVS, по-немецки FBAS, по- русски ПЦТВС). Когда это ясно из контекста, слово "видео" часто опускается, поэтому "цветоразностный сигнал" также является вполне правильным термином.
С другой стороны, в мире компьютеров слово "видео" подчас использовалось как антоним к "нормальному", тем самым подчеркивая, что такой сигнал - пришелец из чуждого компьютерам ТВ мира. Зачастую, общий термин "видеосигнал" некорректно используют вместо частного "композитный сигнал". Пришествие эры мультимедиа потребовало гармонизации как технологии, так и терминологии этих двух миров.
Стандарт можно определить как набор правил или характеристик, описывающих определенную систему или изделие. Некоторые стандарты обязательны к применению, однако большинство из них, в том числе ТВ стандарты, применяются на добровольной основе.
В давние времена черно-белого ТВ международные обмены сигналами были исключительно редки. Поэтому, с точки зрения жителей какой-либо отдельной страны существовал всего один стандарт, который так просто и назывался "Телевизионный Стандарт". Однако, где-то за океаном, был еще другой, совершенно несовместимый "Телевизионный Стандарт", в котором число строк, частота кадров и даже число уравнивающих импульсов были не такими. Тогда это вообще имело очень малое значение, а несовместимость рассматривалась политиками даже как благо. В редчайших случаях, когда надо было показывать "их" программы, на помощь приходили старшие братья из кинематографа. У них-то все было в порядке, - и ширина пленки во всем мире составляла 35 мм и шаг перфораций почти всегда одинаков.
По мере прогресса техники жизнь обитателей ТВ мира становилась все менее спокойной.
Один за другим возникали новые стандарты, а затем появились три весьма различные системы цветного телевидения. Развитие спутниковой связи облегчило трансконтинентальные обмены и несовместимость стандартов стала серьезной проблемой. Теперь в процесс создания
ТВ программ вовлечено такое количество форматов и стандартов, что, как сказал когда-то один великий человек, - " и не сразу в голову возьмешь".
Напрасно ученые мужи и международная бюрократия пытались установить какое-то подобие порядка. Стандарт, пышно наименованный "Единый Мировой Цифровой Телевизионный
Стандарт" (хорошо известный по Рекомендации 601 МККР и своему подварианту 4:2:2, а также по соответствующему формату цифровой видеозаписи "Digital-1" - D1), оказался первым, но далеко не последним. Появились форматы D2, D3 и даже D5.
Необходимо признать, что все попытки глобальной унификации не удались и мир распался на множество "миров". Сейчас в ходу такие выражения, как "в среде компонентных сигналов" или "для аппаратных D2". Соседи с несовместимыми стандартами теперь не только где-то в туманной дали, они совсем рядом. А общаться с соседями приходится: то соли попросить, то спичек, а то и просто узнать, как они там живут. Мосты между "мирами" существуют, да уж больно узки и плата за проезд высока.
На помощь многострадальным обитателям смежных ТВ миров поспешили многие, но первой среди равных несомненно следует считать фирму Snell & Wilcox Ltd.

Организации, занимающиеся стандартизацией
8
1.2 Карта ТВ вещания во всем мире
В мире существуют три основные системы цветного телевидения - это NTSC [National
Television Standard Committee], PAL [Phase Alternating Lines] и SECAM [SЙquence de Couleur
А Mйmoire]. В русскоязычной литературе используются также фонетические транскрипции этих названий: НТСЦ, ПАЛ, СЕКАМ.
Однако, если взглянуть на карту ТВ вещания, то можно увидеть гораздо большее число оттенков. Дело в том, что стандарт ТВ вещания описывает не только параметры видеосигнала, но и многие другие параметры, такие как полярность модуляции радиочастотной несущей, разнос несущих изображения и звука, и т.д.
Принято обозначать стандарт ТВ вещания путем прибавления латинской буквы к наименованию системы цветного телевидения. Уже использованы почти все буквы алфавита, однако во многих случаях различия между стандартами минимальны, например они различаются соотношением мощностей несущих звука и изображения. Некоторые другие стандарты ТВ вещания применяются только определенными службами. Например, стандарт
D2-MAC и цифровой стандарт со сжатием потока MPEG-2 применяются в ограниченном масштабе для непосредственного спутникового вещания.
Рис. 1.2.1 Системы ТВ вещания
Характеристики излучаемых сигналов черно-белого и цветного телевидения (радиочастотные параметры вещания) основных мировых ТВ стандартов приведены в следующей таблице:
Система ТВ вещания
Параметр
M, N
B
G, H
I
D, K, K1
L
Полоса видеочастот, Гц 4.2 5
5 5.5 6
6
Модуляция несущей изображения негативная негативная негативная негативная негативная позитивная
Разнос несущих звука и изображения, МГц 4.5 5.5 5.5 5.9996 6.5 6.5
Модуляция звука
ЧМ
ЧМ
ЧМ
ЧМ
ЧМ
АМ
Ширина частотного канала, МГц 6 7
8 8
8 8

Организации, занимающиеся стандартизацией
9
1.3. Организации, занимающиеся стандартизацией
Существует много организаций, занимающихся стандартизацией на глобальном, региональном и национальном уровнях.
В области ТВ вещания одной из наиболее важных организаций является бывший МККР -
Международный Консультативный Комитет Радиосвязи (CCIR - International Radio
Consultative Committee). Этот комитет являлся отделением Международного Союза
Электросвязи (ITU - International Telecommunication Union), который, в свою очередь, является органом Организации Объединенных Наций.
В 1993 году МККР был переименован в ITU-R (Radiocommunication Sector of the ITU). В ITU-
R телевидением занимается, прежде всего, 11-я Исследовательская Комиссия (Study Group
11). Этот орган выпускает важнейшие документы, а именно
Рекомендации
и
Отчеты.
Они содержат исчерпывающую информацию, даваемую однако в весьма обобщенном виде, оставляя достаточно свободы для различных вариантов практической реализации. Документы
ITU-R, относящиеся к вещательному ТВ имеют префикс "BT" (аббревиатура от слов Broadcast
Television).
ITU-T (ITU Telecommunication Standardisation Sector) также является постоянным органом
МСЭ. Он занимается вопросами технологии, эксплуатации и тарификации и публикует собственные
Рекомендации,
применяемые во всем мире.
Международная Организация по Стандартизации (ISO - International Organisation on
Standardisation) занимается в основном стандартизацией параметров аппаратуры. Через свои
Комиссии, такие как МЭК - Международная Электротехническая Комиссия (IEC),
Международная Светотехническая Комиссия (CIE), и т.д., эта организация выпускает
Публикации
, содержащие, например, подробное описание процессов магнитной записи, колориметрические координаты люминофоров для цветных кинескопов и т.п. В соответствии с регламентом МОС публикация Международного Стандарта требует его одобрения не менее чем 75 % от числа представленных в МОС национальных администраций.
На региональном (азиатском, европейском и т.д.) уровне стандартизацией занимаются международные союзы вещания.
В частности, Европейский Союз Вещания (EBU - European Broadcasting Union) выпускает собственные
Технические Рекомендации,
которые фактически обязательны для его членов.
Созданный первоначально для стран Западной Европы, этот союз в январе 1993 году слился с восточно-европейской Международной Организацией по Телевидению и Радиовещанию
(OIRT - International Radio and Television Organisation) и сейчас представляет большинство ведущих вещательных организаций Европы. Имея в своем составе 63 полноправных участников из 48 стран Европы и Средиземноморья плюс 52 ассоциированных члена из 30 стран Африки, Азии и Америки, ЕСВ сейчас является крупнейшим в мире профессиональным объединением вещательных организаций. ЕСВ сотрудничает с Европейским Институтом
Стандартизации Электросвязи (ETSI), выпускающим Европейские Стандарты по
Электросвязи (European Telecommunication Standards).
Общество Кино и ТВ Инженеров (SMPTE - Society of Motion Pictures and Television Engineers) было первоначально североамериканским, но затем выросло до международной организации, в которой уникальным образом объединены вещательные компании, изготовители аппаратуры, ученые-исследователи и ученые-педагоги. Эта организация также выпускает свои
Рекомендации, Стандарты и Технические Руководства.
Картину завершают национальные правительственные организации, такие как Федеральная
Комиссия Связи США (FCC - Federal Communications Commission) и существующие практически во всех развитых странах национальные Институты (Комитеты или
Министерства) Стандартизации. Они также выпускают важные документы, например описания испытательных строк (VITS - Vertical Interval Test Signals или ITS - Insertion Test
Signals) и опорных строк (VIRS - Vertical Interval Reference Signals).
Все упомянутые организации стараются скорее сотрудничать, нежели конкурировать, поэтому часто они просто присоединяются к стандарту, подготовленному другой стороной.
Таким образом, тексты многих документов фактически совпадают. Например, знаменитая
Рекомендация 601 МККР эквивалентна Рекомендации SMPTE 125M, Рекомендации EBU
Tech. 3246-E и Рекомендации 106 OIRT.

Составные части видеостандарта
10
РАЗДЕЛ 2 - СТРУКТУРА СТАНДАРТА
2.1. Составные части видеостандарта
Структура видеостандарта весьма сложна, поскольку он содержит весьма детальное описание видеосигнала совместимого с предполагаемым (идеальным) приемником. Строго говоря, любой стандарт ТВ вещания представляет собой техническое описание метода радиочастотной передачи изображения и звукового сопровождения. Однако, при производстве ТВ программ радиочастотные параметры обычно не имеют значения, а звуковое сопровождение может формироваться множеством различных методов, поэтому более подходящим термином является видеостандарт.
Видеостандарт можно подразделить на несколько важнейших разделов:
Стандарт разложения определяетпроцесс дискретизации изображения в пространстве и во времени, в частности число строк в кадре, структуру расположения строк и число кадров в секунду. Только преобразование видеосигналов с различными стандартами разложения, например преобразование сигналов NTSC в PAL или обратное преобразование, может быть названо преобразованием стандартов.
Формат кадра определяет, каким образом изображение располагается в пределах экрана данной формы.
Формат сигнала представляет собой какой-либо общепринятый способ упаковки информации с целью ее передачи или записи. Здесь мы имеем дело с множеством измерений и степеней свободы:
• Цифровой или аналоговый
• Компонентный или композитный
• Последовательный или параллельный
• Со сжатием или без сжатия
• Диск или лента
• и т.п. и т.д.
Видеоформаты часто путают с видеостандартами. Приведенные ниже примеры помогают понять в чем состоит различие между ними.
Например, формат D1 определяет каким образом видеомагнитофон упаковывает данные, представляющие цифровой компонентный видеосигнал. С другой стороны, формат D1 обеспечивает запись в любом из двух стандартов разложения 525/59.94/2:1 и 625/50/2:1. На профессиональном жаргоне оборудование для обработки сигналов 4:2:2 иногда называют и даже маркируют как "оборудование формата D1", вместо правильного "оборудование, совместимое с D1". Строго говоря, только цифровой видеомагнитофон может называться "оборудованием формата D1". Однако D1 - это короткое, удобное и весьма популярное название, к тому же с ним связаны такие хорошие термины как "преобразователь D1-D2" взамен длинного, скучного и не вполне ясного "преобразователь цифрового компонентного сигнала в цифровой композитный сигнал" или краткого (но весьма двусмысленного) термина "цифровой кодер".
Последовательный цифровой стык SDI (Serial Digital Interface) описан как формат. При этом через такой стык можно передавать цифровые компонентные сигналы (с форматом кадра как 16:9, так и 4:3), либо оцифрованные сигналы PAL или NTSC. В цифровой области передача сигналов различного рода через один и тот же стык не представляет труда. Через последовательный цифровой стык можно передавать сигналы 4:2:2, 10 бит [D1] со скоростью
270 Mбит/с, цифровые сигналы PAL [D2, D3] со скоростью 177 Mбит/с, цифровые сигналы
NTSC [D2, D3] со скоростью 143 Mбит/с, или даже цифровые сигналы 5.3333:2.6666:2.6666
[D5H] со скоростью 360 Mбит/с.
Сейчас появляются новые форматы со сжатием сигнала. Очевидными примерами являются форматы MPEG-1 и MPEG-2. В рамках этих форматов все еще сохраняются различия в стандартах разложения, например MPEG-2/50 не совместим с MPEG-2/59.94.
Не только назначение, но и параметры формата, часто оказываются не вполне четко определенными. Простой пример - аналоговые компонентные видеосигналы RGB. Формат

Составные части видеостандарта
11
стыка RGB существует в трех вариантах: а) с синхросигналом в зеленом канале (Sync on
Green, иногда этот вариант обозначают RGsB), б) с синхросигналом во всех трех каналах R, G,
B, и в) с синхросигналом в отдельном четвертом кабеле (этот вариант обычно обозначается
RGBS).
Уровни видеосигнала играют особенно важную роль в аналоговых блоках, поскольку они определяют ожидаемую реакцию приемника на данное электрическое напряжение. С другой стороны, в цифровых устройствах весьма важно соблюсти стандартное соотношение между цифровыми кодами и аналоговыми напряжениями.
Представление и кодирование цветовой информации - это та часть формата, которая определяет способ передачи информации о цвете. Здесь главная линия раздела проходит между компонентными форматами, применяемыми прежде всего при производстве программ, и композитными форматами, традиционно применяемыми для целей вещания.
Преобразование из компонентного формата в композитный называется кодированием, а обратное преобразование - декодированием.
Композитные форматы подразделяются в соответствии с системами цветного телевидения на
NTSC, PAL и SECAM. Здесь вновь следует подчеркнуть различие между стандартом
разложения и системой цветного телевидения. Например, система PAL может применяться как со стандартом 525/59.94 так и со стандартом 625/50. Частный случай преобразования системы цветного телевидения без изменения стандарта разложения принято называть
транскодированием. Примерами транскодирования являются преобразования PAL - SECAM или NTSC - PAL-M.
На рис 2.1.1 показаны различные форматы, применяемые в производстве ТВ программ.
Аналоговые
Цифровые
Композитные
Компонентные
NTSC
PAL
SECAM
D2, D3
[143 или 177 Мбит/с]
RGB
VGA
YPrPb
Y/C
D1, D5 [4:2:2, 270 Мбит/с]
4:2:2:4 [YCrCbK]
D5H [360 Мбит/с]
Рис. 2.1.1 Форматы видеосигналов

Стандарты разложения
12
2.2. Стандарты разложения
Стандарт разложения определяет в каком порядке изображение разбивается на элементы с целью его передачи в виде сигнала. Тремя основными параметрами при этом являются:
число строк в кадре, частота кадров, и коэффициент чересстрочности. Частота строк и
частота полей являются производными от этих основных параметров. Разложение без чересстрочного перемежения последовательно по пространственно смежным строкам кадра имеет специальное название - прогрессивная развертка. В этом случае коэффициент чересстрочности составляет 1:1. При чересстрочной развертке кадр разбивается на отдельные поля - например, на четные и нечетные. Частота полей получается путем умножения частоты кадров на коэффициент чересстрочности.
Стандарт разложения обычно записывают в краткой форме как три числа, разделенных косой чертой: число строк в кадре/частота кадров/коэффициент чересстрочности, - например "625/50/2:1". Часто последнюю часть или даже две последние части опускают, подразумевая их известными из контекста, например "625/50" или просто "625".
Для передачи двух ТВ программ по одному каналу связи некоторые вещательные организации используют метод Vidiplex, по которому два разных видеосигнала передаются по очереди в четных и нечетных полях чересстрочной последовательности. Необходимо подчеркнуть, что Vidiplex не является ни стандартом, ни форматом, поскольку он может применяться к любой паре видеосигналов при условии, что они относятся к одному стандарту.
Исторически (и технически) несовместимость различных видеостандартов в наибольшей степени проявляется в различии кадровых частот. На заре черно-белого ТВ была принята весьма разумная мера, а именно: частота полей была связана с частотой сети электропитания
(в случае чересстрочности 2:1, частота кадров вдвое ниже частоты полей). Эта мера обеспечивала неподвижность горизонтальной полосы, вызываемой помехами от сети электропитания на экране телевизора. Когда началась эра цветного телевидения, в котором все частоты задаются кварцевыми резонаторами, а качество фильтрации электропитания гораздо лучше, эта связь оказалась, в общем-то, ненужной. Последним аргументом в пользу такой связи остается снижение заметности неприятных низкочастотных биений между частотами питания студийного освещения и частотами полей передающих камер. К сожалению, экономическая необходимость так называемой обратной совместимости не позволила и не позволяет сколько-нибудь существенно изменять частоты полей и кадров.
Поэтому мы имеем сейчас группу стран, применяющих частоту 50 Гц, и другую группу стран, применяющих частоту 60 Гц (строго говоря, эта частота составляет не 60 Гц, а 59.94 Гц).
Наиболее распространенные стандарты разложения показаны на следующей диаграмме:
525 625 1125 1050 1250
Число строк в кадре
50 29.9 25 30
Частота кадров, Гц
Коэффициент
чересстрочности
2:1 1:1 1125/60/2:1 625/50/1:1 60 525/59.94/2:1 625/50/2:1
Рис. 2.2.1 Стандарты разложения