Основы радиовещания и телевидения

При работе с системами покадровой анимации только сам аниматор, в соответствии со своими желаниями, определяет, насколько высоким будет качество изображения на выходе. Компьютер в данном случае ничего не диктует. Художник может тратить на генерацию изображения столько времени, сколько считает нужным, и записывать его на носитель кадр за кадром. Покадровая анимация позволяет добиться прекрасных результатов с использованием даже не самых мощных машин. Само воспроизведение, конечно, должно вестись уже с других аппаратов, а не с настольных компьютеров. Впрочем, в будущем все эти различия должны исчезнуть. Ведь единственное, что ограничивает сегодня использование анимации в реаль-ном времени на персональных компьютерах это аппаратные ограничения. Однако придет время, когда анимация в реальном времени с фотографическим качеством станет обычной для всех персональных компьютеров.

Программное обеспечение.

Программа для компьютерной анимации самого простого типа использует способность компьютера генерировать и хранить изображения. В этом случае компьютер используется для рисования и раскрашивания индивидуальных кадров с применением типичных средств рисования: масштабирования, вращения, вырезания и вставки в комбинации со средствами нанесения текстуры, масками и т.д., что в итоге дает возможность генерации серии кадров, пригодных для анимации. Каждый законченный кадр записывается на жесткий диск или на видеоленту для дальнейшего использования. Анимационные системы такого типа называются двумерными. Это - плоский мир, создаваемый скорее художником, чем техническим специалистом, поскольку именно от художника зависит, как будет восприниматься изобретенный им мир и как будет воспроизводиться его глубина. Такая технология представляет собой компьютеризированную версию старой технологии ручной мультипликации. В отличие от двумерной трехмерная (3D) программа анимации обеспечивает восприятие глубины за счет того, что программа сама производит необходимые вычисления для отображения перспективы, нанесения теней и т.д.

Роль аниматора в данном случае скорее концептуальная, чем художественная. Она включает определение объектов изображения и их траекторий в пространстве кадра. В отличие от двумерной технологии большая часть огромного объема работы по созданию трехмерного изображения в 3D анимации ложится именно на компьютер.

Двумерные (2D) системы.

Основу систем двумерной графики и анимации составляют функции рисования и раскрашивания. Кроме них в систему включаются средства обработки фотографических изображений, обеспечивающие художнику-графику или аниматору очень широкие возможности, например, манипуляции с положением частей изображения. Такие функции относятся к пространственным трансформациям. Тремя важными типами пространственных трансформаций изображения являются перенос, вращение и увеличение/уменьшение. Математические операции, лежащие в основе этих функций, проиллюстрированы на рис.2. В каждом таком случае предполагается некоторый центр, вокруг которого осуществляется трансформация. Если такого центра на самом деле нет, можно ввести в вычисления некоторый произвольный центр.

Трудности при осуществлении пространственных трансформаций связаны с тем, что точные координаты вычисляемых точек не совпадают с дискретным расположением пикселов в растре. Одно из возможных решений проблемы -- округление координаты точки до положения ближайшего пиксела. Но в этом случае возможны слишком сильные искажения, особенно при передаче изображений небольших объектов. Более совершенная технология включает интерполяцию точных положений путем осреднения значений сигнала в трансформированном и ближайшем к нему пикселе и отображение результата.

Идеальной была бы такая технология, которая сначала как бы повышала степень дискретизации, затем проводила бы пространственную трансформацию, а затем - обратную “субдискретизацию” к исходному числу пикселов.

Все без исключения коммерческие программы рисования на компьютере допускают выбор какой-либо зоны изображения, вырезание ее и помещение в буфер для последующих пространственных трансформаций - переноса, вращения и увеличения/ уменьшения.

Путем масштабирования размера изображения и переноса, повторяемых несколько раз, был сделан ряд ключевых кадров, показывающих, как отсканированное изображение может быть наложено поверх заднего плана. Отметим, что для получения качественного движения в кадре необходимо было бы иметь серию кадров, в которой соседние изображения были бы гораздо ближе к друг к другу, чем показано на рисунке. На самом деле, генерацию кадров, находящихся между ключевыми, также можно было бы возложить на компьютер. Процедура наложения одного изображения поверх другого называется композитингом.

Рассматривая обработку видеосигналов, мы уже видели как два изображения могут использоваться одновременно для получения другого результирующего изображения. Говоря телевизионным языком, для этого используется такой процесс, как “прорезка”, при котором в исходном изображении электронным образом “прорезается отверстие” и заполняется сигналом от видеоисточника или генератора титров. В компьютерной области используют такие термины, как “композитинг” или “маскирование”, но суть процесса остается той же самой.

Трехмерная (ЗD) графика и анимация.

Трехмерная (3D) графика и анимация дают возможность наблюдать с любой точки зрения и под любым углом, в трехмерном пространстве созданные на компьютере объекты как реальные объекты реального мира. При работе с трехмерной графикой на первом месте стоит методология описания объектов, основанная на использовании численного моделирования окружающей среды и самих этих объектов.

Модель окружающей среды называется трехмерным искусственным окружением 3Dа.е. Каждый объект в пространстве ЗDа.е. имеет высоту, ширину и глубину, т.е. описывается тремя измерениями в трехмерной декартовой системе координат. Горизонтальный размер обозначается через х, вертикальный -- через у, глубина - через z. Центр системы координат обозначается тройкой (0,0,0). Поло-жение любой точки в пространстве по отношению к центру системы координат однозначно задается тройкой чисел х,у,z. В таком пространстве любой объект (внешняя его поверхность) набирается из множества многоугольников (полигонов), каждый из которых имеет заданное число вершин, определяемых в свою очередь тремя координатами. Обратите внимание, что с помощью многоугольников набираются любые, даже криволинейные объекты. В силу различных практических причин в таком трехмерном пространстве чаще всего задаются две системы координат. Одна из них определяет уже описанное нами трехмерное пространство. Координаты в этой системе называются «мировыми координатами».

Вторая система - система координат наблюдателя или камерная система координат (связанная с видеокамерой). Причина такого усложнения состоит в том, что целью программ трехмерной графики или анимации является создание и манипулирование изображениями, т.е. тем, что видит зритель или наблюдатель. Отсюда следует, что лучше описывать окружающее пространство с “точки зрения” снимающей его воображаемой камеры, находящейся в месте расположения “наблюдателя”. Таким образом, возникает необходимость ввести камерную систему координат. Однако не все описания в трехмерном пространстве было бы удобно вести в системе координат, связанной с камерой. В таких случаях используется мировая система координат. Уже отмечалось, что при анализе пространственных преобразований можно вводить произвольные (ложные) центры, меняя положение точки, вокруг которой происходит вращение.

То же самое можно делать и в трехмерных системах для получения эффекта перехода от одной системы координат к другой. Как мы уже видели ранее, перемещение и вращение на плоскости описываются математическими операциями сложения и умножения.

Поэтому нет ничего удивительного в том, что преобразования в трехмерном пространстве включают те же операции, но только объем требуемых вычислений становится больше.

Записанные в одну длинную строку, эти вычисления могли бы выглядеть очень запутанными. Поэтому с целью более удобного определения операций пространственных преобразований используется математический аппарат матриц. Поступательное перемещение осуществляется с помощью сложения матриц:

[х,у,z] + [dх,dу,dz] = [х+dх, у+dу, z+dz]

Вращение осуществляется с помощью последовательного умножения на три типовые матрицы вращения. Вращение вокруг оси x (“крен” ) осуществляется путем умножения на следующую матрицу размера ЗхЗ:

соsА sinА 0

-sinА соsА 0

0 0 1.

Аналогия с приведенными выше формулами для осуществления эффекта вращения на экране совершенно очевидна. Обратите только внимание, что положительному направлению вращения, как принято в математике, соответствует направление вращения против часовой стрелки. Вращение вокруг оси у (“рыскание”) осуществляется путем умножения на матрицу:

соsА 0 sinА

0 1 0

-sinА 0 соsА

Вращение вокруг оси z (“тангаж”) осуществляется путем умножения на матрицу:

1 0 0

0 соsА sinА

0 -sinА соsА

Увеличение всего тела в размерах достигается путем умножения каждой координатной тройки на один и тот масштабный коэффициент.

Генерация изображений в трехмерной графике.

Итак, мы задали систему координат, определяющую трехмерное окружение -- иерархическую структуру, внутри которой мы можем строить объекты (тела). Объекты строятся на основе многоугольников, каждый из которых определяется своими вершинами, которые задаются координатными тройками. Возьмем простой пример -- куб. Куб состоит из шести многоугольников, положение каждого из которых определяется положением четырех вершин, а положение каждой вершины -- тремя координатами. Имея рассмотренный выше аппарат матричных преобразований, мы можем манипулировать положением и ориентацией тел в этом трехмерном пространстве. Ирония, однако, состоит в том, что после генерации трехмерной математической модели система трехмерной графики должна будет снова “свернуть” результат к двум измерениям, т.к. все изображения надо отображать на плоском экране. Таким образом, финальная стадия манипуляций в трехмерном искусственном окружении (ЗDа.е.) включает нахождение “экранных” координат каждой точки по заданной тройке ее координатных чисел в пространстве.

Для получения двумерного изображения можно использовать различные преобразования координат. В большинстве систем выбрано преобразование, называемое “перспективным преобразованием”. Суть его состоит в том, что в пространстве задается некая “фокальная точка”, а между этой фокальной точкой и наблюдаемой сценой помещается плоскость. От каждой точки в ЗDа.е. (или в наблюдаемой части этого пространства) проводится прямая линия, соединяющая ее с фокальной точкой. Пересечение этой линии с плоскостью определяет проекцию точки в трехмерном пространстве на плоскость. При выполнении такой процедуры для каждой точки сцены и при соединении точек в изображении сцены на плоскости в том же порядке, в котором они соединены в пространстве, получается окончательное двумерное изображение трехмерного пространственного окружения. Перспективное преобразование оказывается еще одним преобразованием относительно центра камерной системы координат.

Моделирование освещения.

Этот созданный Нами виртуальный мир имеет исключительно академический интерес, т.к. без освещения, а мы его еще не ввели, мы не в состоянии будем увидеть ни одно из тел, набранное из многоугольников. В качестве искусственных источников освещения наиболее целесообразно рассматривать так называемые точечные источники. Предполагается, что в случае точечного источника свет испускается из бесконечно малой области пространства и равномерно распространяется во всех направлениях по прямым линиям. Чем более долгий путь проходят лучи от источника до объекта, тем меньше света попадает на этот объект. В качестве точечного источника можно рассматривать стандартную лампу накаливания.

Представим себе, что стандартная 100-Ваттная лампа подвешивается в центре небольшой комнаты с окрашенными в белый цвет стенами. Такая комната будет смотреться очень ярко освещенной, поскольку стены будут отражать относительно большую часть световой энергии, падающей на единицу площади.

Теперь представим, что та же самая лампа помещается в центр на этот раз огромной комнаты, стены которой также окрашены в белый цвет. В этом случае комната будет казаться гораздо более темной. Это происходит не потому, что стены стали отражать свет менее эффективно, а потому, что тот же поток световой энергии, испускаемый лампой, будет приходиться уже на гораздо большую площадь стен. Размеры солнечной системы таковы, что даже очень большая комната будет по сравнению с ней микроскопически мала. Таким образом, солнечное освещение будет создавать совершенно другую картину. Можно считать, что солнечные лучи падают на Землю параллельно, поэтому степень освещенности не будет зависеть от расстояния. Величина световой энергии, приходящаяся на единицу площади поверхности объекта (или освещенность Е) при освещении его параллельными лучами, является функцией только интенсивности источника света (I) и угла, под которым лучи падают на поверхность (А):

Е = I соsА

В случае освещения объекта точечным источником в вышеприведенном выражении должно быть учтено распределение заданной световой энергии по всей освещаемой площади в зависимости от расстояния до источника света. В этом случае освещенность будет определяться выражением:

Е = I соsА / r2

где г -- расстояние от точечного источника света до объекта. Как видно, освещенность падает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Итак, теперь наш трехмерный мир имеет свой источник или источники света, подчиняющиеся физическим законам. Но мы все еще не можем увидеть ни один из многоугольников, поскольку каждому из них надо приписать еще и яркость.

Яркость свечения отражающей поверхности определяется как величина световой энергии, исходящая с этой поверхности. Другими словами -- это количество света, отраженного от поверхности. Различные материалы отражают свет по-разному. Яркость следует отличать от освещенности, которая обозначает количество света, падающего на поверхность. Яркость меняется в зависимости от коэффициента отражения.

Для объектов с матовой (не блестящей) поверхностью величина яркости, связанная с отражением от их поверхности так называемого рассеянного света, определяется как:

У = R Е

Поскольку каждый объект представляемой сцены способен отражать свет, то любой из объектов будет соответственно действовать и как источник света. Лучи от первичного источника, попадая на объект, отражаются от его граней по-разному. Если поверхность матовая, то лучи отражаются под разными углами.

Если поверхность блестящая, отражение может происходить в очень узком диапазоне углов. Из-за взаимодействия с поверхностью отраженный свет может окрашиваться в различные цвета. Процесс отслеживания траектории лучей в трехмерном пространстве с учетом отражения и действия объектов как вторичных источников освещения называется трассировкой лучей.

Именно расчеты освещенности занимают большую часть вычислительных ресурсов любой системы трехмерной графики. Совокупность соответствующих вычислений и других операций, необходимых для получения окончательного изображения (например, нанесение теней), составляет процесс, который называется “рендерингом”. Этот процесс даже на мощных компьютерах занимает несколько часов.

3D TV или стереотелевидение.

Как упоминалось, стереозрение человека определяется разнесением на некоторое расстояние его глаз, вследствие чего картинки на сетчатках отличаются из-за разных углов наблюдения. Человеческий мозг как заправский компьютер анализирует разницу между этими двумя картинками и вычисляет расстояние до объектов, то есть делает изображение объемным.

Существует несколько технологий объемной визуализации: стереоскопическое видео(S3D) и многоракурсное - (M3D). В настоящее время наиболее распространены три способа трансляции S3D-каналов.

1. Передача двух каналов видео с уменьшением горизонтального разрешения. В этом случае в один кадр HD-разрешения шириной 1920 пикселов записываются два кадра, один из левого, второй из правого каналов. При этом разрешение каждого канала по горизонтали становится 960 пикселов. Достоинство этого формата в том, что для S3D-трансляций можно использовать существующие HD-каналы. Кроме того, при правильной подготовке исходного видеоматериала синхронизация каналов обеспечивается автоматически, а для декодирования потока на приемном конце не требуется более высоких ресурсов. Принять и вывести на ЗD-телевизор такой сигнал может любая телевизионная приставка, поддерживающая HD-разрешение. Недостаток способа- в уменьшении разрешения.

2. Трансляция каналов для левого и правого глаза отдельными каналами. Такое вещание также может быть обеспечено существующей инфраструктурой цифровых HD-трансляций. Для синхронизации каналов используются специальные метки времени, присутствующие в каждом потоке. Данная схема обеспечивает полное разрешение изображения, однако для передачи и декодирования требует удвоенных ресурсов. Уменьшить количество передаваемых данных за счет межканального сжатия нет возможности. Достоинством данного подхода является то, что любой из каналов может быть просмотрен как обычный 2D-канал.

3. Еще один способ -- увеличенная частота кадров. В этом случае в потоке вместо 25 кадров в секунду передается 50 кадров: 25 для левого и 25 для правого глаза чередуются в потоке. Это накладывает дополнительные требования на синхронизацию потоков при подготовке. Такой поток требует меньшей скорости передачи за счет использования механизмов межкадровой компрессии, в том числе и между правым и левым каналами. Однако к декодерам предъявляются дополнительные требования -- поддержка более сложного профиля компрессии. Такую трансляцию также нельзя посмотреть на обычном телевизоре.

Видимо, за счет сравнительной простоты в тестовых телевизионных S3D -трансляциях чаще используется первый подход.

После декодирования и перед выводом на устройство визуализации S3D -видео форматируется следующими способами:

1. Чересстрочное чередование.

2. Чередование по времени.

3. Чередование попиксельно в виде шахматной доски.

4. Макетирование в один кадр с уменьшением разрешения по горизонтали и вертикали.

Различные ЗD-дисплеи и телевизоры обычно понимают несколько форматов. Однако для компрессии и передачи не все форматы одинаково удобны. В частности, «шахматная доска» будет компрессироваться сложнее. Поэтому форматирование сигнала рационально осуществляется уже на приемном конце, непосредственно перед выводом на телевизор.

Как же SЗD ТV воспроизводится? Основная задача для любого стереоизображения -- показать левому и правому глазу телезрителя немного разные картинки. Обычно это достигается при помощи специальных очков. Первая конструкция очков изобретена очень давно. В них разделение картинок достигается фильтрацией спектральных составляющих изображения при помощи цветных фильтров. Обычно используются очки с красным и сине-зеленым фильтрами для разных глаз.

Среди других 3D-технологий можно отметить поляризационные очки, каждое из стекол которых пропускает только одну из поляризаций света. Понятно, что могут использоваться как вертикальная и горизонтальная поляризации, так и левая и правая круговые.

Еще одна технология основана на очках с жидкокристаллическими затворами, которые открывают попеременно то один, то другой глаз. Изображение для правого и левого глаза на экране меняется с переключением жидкокристаллических затворов. Очки и экран должны быть синхронизированы по радиоканалу.

Несмотря на широкое распространение ЗD-телевизоров с очками, этот способ показа имеет существенный недостаток- необходимость надевать очки. Это сложно для людей, использующих очки для коррекции зрения. Однако есть 3D-дисплеи, позволяющие отобразить объемное видео без очков. Наибольшее развитие и воплощение в виде серийно выпускаемых устройств получила технология, использующая оптический линзовый растр для создания 3D-эффекта. Принцип получения 3-D эффекта с использованием лентикулярных лин, где изображения от двух камер воспринимаются каждым глазом в отдельности и уже в мозгу человека формируется объемное изображение.

Однако при этом угол зрения весьма ограничен, поэтому для показа объемного изображения с использованием метода линзового растра исходное видео должно: содержать несколько каналов, снятых со смещением по горизонтали (обычно 8-9 шт.). Такой набор видеопотоков позволяет создать перед экраном большое количество зон стереовидения, находясь в которых, зритель может видеть изображение объемным без очков. Причем у зрителя появляется возможность как бы заглянуть за объекты переднего плана и увидеть скрытые за ними элементы изображения. Видеопотоки такого рода называют multiview(M3D).

У многих известных марок (Philips, Sharp и др.) есть модели ЗD-дисплеев, основанные на принципе линзового растра. Для формирования кодированного многоракурсного изображения требуется более высокое разрешение, чем для каждого из исходных кадров по отдельности: под каждую линзу должны войти элементы всех исходных кадров. Только с появлением возможности передавать и декодировать видео высокого разрешения количества пикселов стало достаточно, чтобы увеличить качество воспроизводимого стереоэффекта.

Очевидно, что выполнить многоракурсную видеосъемку -- задача непростая. Требуется либо специальная камера с большим количеством объективов, либо ряд камер и устройство, обеспечивающее синхронную съемку. Также возникает задача хранения большого количества данных -- видеопотоков с каждой камеры. Даже с учетом того, что современные методы цифрового видеосжатия позволяют эффективно учитывать временную и пространственную избыточность, объем данных при многоракурсной видеосъемке возрастет многократно.

Один из эффективных способов решения проблемы большого объема данных состоит в использовании так называемого формата 2D+Z.

Любому обычному (2D) изображению можно сопоставить информацию об удаленности каждого пиксела от наблюдателя (Z-координату). Такое представле-ние изображения называют «формат 2D+Z», а плоскость координат Z-- «картой глубины». Карту можно представить в виде монохромного изображения. В карте глубины градациями серого обозначается удаленность точек изображения от наблюдателя. Формат 2D+Z является продолжением концепции представления информации об изображении по компонентам. Как известно, и в аналоговом, и в цифровом телевидении изображение формируется из яркости и двух цветовых составляющих. Добавление еще одного компонента, характеризующего «объемность» изображения, является вполне логичным развитием и хорошо согласуется с принципами совместимости.

Использование формата 2D+Z позволяет осуществить передачу стереоскопического видео с увеличением потока данных всего на 15-20%.

Таким образом, удовлетворяется требование приемлемого объема данных.

Однако 2D+Z не многоракурсная серия и даже не стереопара. Чтобы показать объемное изображение, необходимо выполнить расчет серии кадров. Восстанов-ление стереоскопического изображения происходит путем интерполяции исход-ного изображения с учетом карты глубины. Полученная серия кадров моделирует M3D-видео. Надо отметить, что достоинством 2D+Z видео является то, что такой видеопоток может быть преобразован и в S3D, то есть позволяет создать универсальное решение.

Однако задача построения карты глубины (Z) требует применения сложных алгоритмов и больших вычислительных ресурсов. До недавнего времени не была решена задача генерации 2D+Z потока в реальном времени. Разработанное компанией Triaxes Vision программное обеспечение для сервера видеокомпрессии позволяет выполнить такой расчет.

Лекция 16. Принципы магнитной видеозаписи

Магнитная видеозапись и последующее воспроизведение сигналов стали неотъемлемой частью технологии формирования телевизионных программ. Сигнал изображения в процессе магнитной записи преобразуется в пространственную последовательность соответствующим образом намагниченных участков рабочей среды магнитной ленты.

Под действием переменного тока, протекающего в обмотке записывающей видеоголовки, возникает магнитный поток, концентрируемый в зазоре ? и воздействующий на рабочую среду ленты.

Максимально возможные частоты воспроизводимого сигнала изображения определяются скоростью протяжки ленты ?в/л и шириной зазора ?.

?smax = (2n+1) ?в/л /2?

При проектировании видеомагнитофонов рабочий диапазон частот записываемых сигналов выбирают в пределах до первого минимума. Для уменьшения расхода ленты стремятся уменьшить ширину зазора. Однако это ведет к резкому снижению эффективности головки; имеется и технологический предел уменьшения ?. Следует также учесть, что действующая ширина зазора определяется протяженностью магнитного поля, создаваемого головкой в районе рабочей среды и она несколько превышает значения ?.

Запись видеосигнала с помощью традиционной схемы ленточного аудио-магнитофона невозможна ввиду двух ограничений: видеосигнал имеет постоянную составляющую и при ?smax равном 6 МГц, с учетом искажений, вно-симых в процессе записи, скорость протяжки ленты должна быть до 10... 12 м/с. Это слишком высокая скорость для того, чтобы реализовать способ записи и воспроизведения с линейным перемещением магнитной ленты относительно головок, используемый в магнитофонах для записи и воспроизведения звука, скорость ленты в которых составляет 4,53 см/с и ниже.

Для сохранения постоянной составляющей в видеомагнитофонах используется запись частотно-модулированного сигнала.

Для получения требуемой относительной скорости (лента -- видеоголовка) используют построчную запись (воспроизведение) вращающимися видеоголовками. При этом они перемещаются в направлении, поперечном линейному движению ленты (рис. 2,а). При этом скорость ленты не превышает скоростей, используемых в звукозаписи. Нетрудно представить, что в этом случае, подобно построению телевизионного растра, на магнитном носителе формируются строчки (рис. 2,б). Строчки записи располагаются поперек или наклонно по отношению к направлению движения ленты. Таким образом, путем выбора соответствующего значения ?в/л решается проблема записи/воспроизведения верхних частот сигнала изображения.

Изложенный подход был положен в основу видеозаписи черно-белого изображения: система вращающихся головок записывает частотно-модулированный видеосигнал на дорожки, проходящие от одного края ленты до другого; частота развертки дорожек при сканировании ленты равна частоте полей. В принципе, эта же схема может использоваться для записи композитного (цветного) телевизионного сигнала. Однако, проблема заключается в передаче сигналов цветности, представляющих собой модулированные по фазе сигналы поднесущей с точно заданной частотой.

Любая модуляция скорости головок относительно ленты приводит к изменению частоты в сигнале цветности, снимаемом с головок, а это в свою очередь к большой нестабильности цвета на экране, если не использовать дорогие корректоры временных искажений.

Решением этой проблемы стал метод переноса спектра сигнала цветности, так называемый метод “цвет -- ниже”. В этом случае сигналы яркости и цветности разделяются, после чего сигнал цветности подвергается супергетеродинированию и переносится вниз по частоте в область, находящуюся ниже диапазона, занимаемого частотно-модулированным сигналом яркости. Именно этот “псевдокомпозитный” сигнал и записывается на ленту.

Техника видеозаписи находится в состоянии постоянного совершенствования и обновления, однако ряд фундаментальных основ заложены в созданных устройствах и стандартизованы в виде форматов записи. Формат записи -- это система расположения на поверхности рабочего слоя магнитной ленты серии строчек и дорожек, сохраняющих информацию о записанных телевизионных и других сигналах. Формат записи определяет технологию записи и считывания информации.

К форматам записи, используемым в профессиональней аппаратуре относят форматы с наклонно-строчной структурой записи. Форматы с наклонно-строчной структурой нашли наибольшее распространение в полупрофессиональных и бытовых видеомагнитофонах.

К ним относят форматы VНS(Video Ноmе System), Веtаmах и формат V 2000. Отличительная особенность этих форматов состоит в том, что благодаря наклону строчки записи удается в каждой строчке записать полный полукадр, что имеет ряд достоинств. Одним из них является простота реализации режима стоп-кадра путем остановки ленты. Принцип наклонно-строчной записи и картина расположения строчек на магнитном носителе на примере формата L «Веtа».

Лента, имеющая ширину 12,65 мм, размещается в стандартной кассете, а при прохождении через блок видеоголовок принимает форму ?-петли со смещением вдоль оси вращения примерно на ширину ленты. Так как видеоголовки вращаются в горизонтальной плоскости, строчки на ленте располагаются наклонно (в формате L «Веtа» ? = 4,6841°). На каждой строчке записывается сигнал изображения, соответствующий одному полю, причем сигналы яркости и цветности записываются разными видеоголовками. За один оборот диска записывается полный кадр (два поля), так как используются две видеоголовки Y и две С.

Для уменьшения проникновения сигналов из канала в канал рабочие зазоры видеоголовок яркости и цветности развернуты на угол ? = 15° (рис. 3,б). Рассмотрим некоторые характеристики распространенного формата VHS. В таких видеомагнитофонах используется лента шириной 12,65 мм в стандартной кассете, обеспечивающая трехчасовую запись. Сигнал изображения записывается двумя видеоголовками, расположенными в одной плоскости под углом 180° на диске диаметром 62 мм. Частота вращения диска с видеоголовками -1500 об/мин. Каждая видеоголовка записывает одно поле изображения; следовательно, за один оборот диска записывается полный телевизионный кадр.

В видеомагнитофонах формата Веtаmах используют ленту шириной 12,65 мм. Сигнал изображения записывают двумя видеоголовками. Диаметр диска 74,48 мм, что при частоте вращения 1500 об/мин приводит к возможности расширения полосы частот яркостного канала до 5,2 МГц вместо 4.3 МГц в VHS.

Стремление к сокращению расхода ленты привело к созданию “двухдорожечных” форматов. К ним относится формат V 2000.

Оптическая видеозапись.

Развитие оптических дисковых устройств записи и воспроизведения изображений стимулируется рядом их достоинств по сравнению с аналогичными устройствами магнитной записи. К числу их можно отнести более высокую плотность записи, бесконтактный способ считывания, простой доступ к фрагментам записи, простые способы реализации режимов ускоренного и замедленного (до стоп-кадра) воспроизведения изображения, простоту тиражирования и др. Оптическая видеозапись по сравнению с магнитной позволяет получить лучшее качество воспроизводимого изображения и звука. Рассмотрим основные особенности оптической видеозалиси.

На оптическом диске информация записывается по спиральной траектории. Оптическая запись и считывание реализованы на базе эффектов, изменяющих состояние падающего света при отражении. Оптическая считывающая головка преобразует отраженный световой пучок в сигнал изображения. Преимущественное использование модуляции отраженного, а не поглощенного пучка вызвано рядом причин, не последнее место среди которых занимает удобство конструкции считывающего устройства; в этом случае оно располагается с одной стороны диска, в оптико-механической защите односторонних дисков нуждается только одна сторона диска, достаточно просто реализуются автоматические фокусировка и слежение за дорожкой в процессе считывания.

Модуляция отраженного пучка света может быть вызвана изменением коэффициента отражения, состояния поляризации или фазы в процессе его взаимодействия с оптическим диском. Модуляцию фазы можно осуществить за счет формирования микрорельефа в материале диска и изменения за этот счет оптической длины пути при распространении света до отражающей поверхности и обратно.

В процессе воспроизведения излучение полупроводникового лазера фокусируется при помощи микрообъектива на поверхность, несущую информацию.

Изменение оптической длины пути осуществляется за счет формирования в процессе записи микроуглублений -- питов (продолговатых углублений на поверхности диска), количество и длина которых могут нести информацию о записанньих сигналах. Для формирования максимального контраста между лучами необходимо, чтобы ?? = ?.

Формирование сигнала на выходе детектора при вращении диска происходит в рассматриваемом случае за счет изменения оптического сигнала на его входе при прохождении границ участков спирали свободных или занятых питами. Сигнал на выходе детектора имеет импульсный характер.

В процессе изготовления диска-оригинала используют стеклянный диск, покрытый тонким слоем фоторезиста. Рельеф на поверхности формируют в два этапа: при экспонировании, сфокусированным лазерным пучком, интенсивность которого модулируется записываемым телевизионным сигналом и при обработке экспонированного диска с помощью кислотного растворителя, который растворяет фоторезист на экспонированных участках, образуя рельефную структуру. Технология изготовления диска-оригинала весьма сложна и базируется на высоких требованиях к идентичности толщины фоторезиста, диска, параметрам устройства экспонирования и обработки диска, устройству развертки и др.

При тиражировании на посеребренной поверхности диска-оригинала гальваническим методом наращивается слой никеля -- формируется копия, включающая «негатив» поверхностной структуры диска-оригинала, называемая никелевым оригиналом.

Последний используют для тиражирования методом гальванопластики или другими способами.

Изготовление рабочего оптического диска завершается нанесением металлического зеркального слоя (алюминий или серебро) и защитного слоя. Два диска склеиваются и образуют герметичный двусторонний видеодиск.

Считывание записанной видеоинформации осуществляется путем регистрации детектором отраженного светового потока, фокусируемого с помощью микрообъектива, используемого для фокусировки первичного пучка и направляемого на детектор полупрозрачным зеркалом. Вся рассмотренная оптическая система находится в головке считывания видеопроигрывателя. Для записи/воспроизведения сигналов звукового сопровождения в видеодисковых системах применяют широтно-импульсную модуляцию путем изменения протяженности питов.

Таким образом, расстояние между центрами питов модулируется телевизионным сигналом, а протяженность пита -- сигналом звукового сопровождения. Детектор излучения видеопроигрывателя наряду с сигналами изображения и звукового сопровождения выделяет сигналы ошибки радиального слежения за дорожкой и ошибки фокусировки. Эти сигналы используются для управления автоматическими устройствами радиального слежения и фокусировкой микрообъектива.

Новый импульс в развитии устройств оптической записи/воспроизведения связан с созданием цифровых универсальных дисков - DVD. Диски бывают односторонними и двухсторонними; на каждой стороне диска может быть один или два рабочих слоя.

Однослойный односторонний диск представляет собой две склеенные между собой подложки. Одна изготовлена из прозрачного материала и содержит информационный слой, металлизированный пленкой алюминия толщиной около 0,05 мкм. Другая изготовлена из непрозрачной пластмассы. Она обеспечивает необходимую жесткость диска.

Двухсторонний однослойный диск включает две подложки, содержащие информационные слои.

Односторонний двухслойный диск как и двухсторонний однослойный, имеет информационный слой в каждой подложке, но запись и считывание производятся с одной стороны.

Один из информационных слоев (внутренний) металлизирован отражающим материалом, другой (внешний) -- изготовлен из полупрозрачного материала. Считывание производится световым пучком, сфокусированным на один (отражающий) или другой (полупрозрачный) слой. После считывания информации с внутреннего слоя, лазерный пучок автоматически изменяет фокусировку и считывает информацию с внешнего слоя. Для устранения помех, возникающих при переключении, используют буфер памяти. С целью уменьшения влияния помех, возникающих при считывании, в глубинном слое увеличивают рабочие размеры питов.

Естественно, это приводит к уменьшению суммарной емкости глубинного слоя. Наибольшей емкостью обладает двухсторонний двухслойный диск. Каждая из его подложек содержит два информационных слоя: полупрозрачный и отражающий. Такое усложнение структуры дисков производится с целью увеличения их емкости.

При записи видеопрограмм используют способы сжатия сигналов изображения и звука, в том числе предусмотренные стандартом МРЕG-2.

DVD делятся на два типа: диски, предназначенные для однократной записи данных - DVD-R и допускающие многократную перезапись -- DVD-RW (ReWriteable). Принципы записи цифровых данных на эти диски основаны на использовании материалов, способных однократно или многократно изменять свою структуру, переходя при воздействии лазерного излучения определенной мощности из кристаллического состояния в аморфное. При этом изменяются оптические свойства отражающей поверхности: при отражении от участка диска с аморфной или кристаллической структурой наблюдается изменение фазы отраженного светового потока, которое фиксируется детектором излучения. Существует ряд новых технологий залиси/считывания, в том числе ориентированных на создание устройств хранения видеоинформации в формате НDTV.

Одно из направлений связано с использованием лазеров с более короткой длиной волны Blu-Ray(синий лазер). Напомним, что для СD и DVD применяется лазер, работающий в красном диапазоне длин волн. Чтобы поместить на DVD как можно больше данных, был уменьшен физический размер питов, обеспечивающих запись информации в цифровом виде. А для повышения точности считывания (и уменьшения размеров питов) нужно уменьшить длину волны лазера, что и было сделано. Ее величина изменилась с 650 до 405 нм.

Физические же размеры носителя не изменились -- это 12-см диск.

В формате НD TV на один слой записываются 15 Гбайт информации, на два-- 30, а Вlu-Rау хранит 25(двухчасовой видеофильм в формате НDТV или 13 часов в обычном вещательном формате) и 50 Гбайт соответственно.

Преимущества формата НDTV перед Вlu-Rау очевидны -- он основан на спецификации DVD и совместим с форматами СD и DVD.

Планируется, что Вlu-Rау будет поддерживать язык Jаvа. Это позволит не только создать более динамическое меню, чем обеспечивает НDTV, но и внести интерактивность. В настоящее время эти диски несовместимы.

Жесткие диски.

Внедрение компьютеров во все сферы современной жизни настолько очевидно, что не требует никаких объяснений. Одним из следствий этого является постепенное смещение цифровых технологий бытовой аудио- и видеозаписи в сторону использования аналогичных компьютерным жестких дисков. Такие диски проигрываются либо на тех же компьютерах с дисковой операционной системой, либо на специальных записывающих устройствах, использующих дисковые технологии.

Технологию использования жестких дисков -- винчестеров можно рассматривать как комбинацию ленточной и дисковой технологий. Во многих смыслах она сочетает преимущества обоих подходов, объединяя их вместе в недорогом и надежном устройстве.

Запись в таком дисководе ведется на ряд круговых дорожек (треков) подобно записи на СD или на аналоговые грампластинки.

Но в отличие от грампластинок запись ведется не в форме волнистых дорожек и не так как на СD -- в форме последовательности выпуклостей, а в форме последовательностей определенных структур намагничивания поверхности. Это означает, что записывающая и воспроизводящая головка должны быть расположены на некотором поворотном рычаге, который давал бы возможность передвигать головку над поверхностью цилиндра.

При этом необходимо наличие системы сервоуправления, которая бы с большой точностью могла удерживать блок с записывающей воспроизводящей головкой над заданной дорожкой.

Это означает необходимость установки дисковой операционной системы, обеспечивающей форматирование диска, т.е. разметку дорожек на нем перед началом работы и ведением каких-либо записей. Аналогично записи на грампластинку запись на магнитный диск ведется на обе стороны. При выполнении процедуры форматирования соответствующие параметры форматирования записываются непосредственно на форматируемый диск, чтобы система сама имела возможность находить дорожки для записи новых данных. Основная часть процесса - разбиение диска на последовательность концентрических круговых дорожек. Следует иметь в виду, что дорожки на магнитном диске не спиральные, как на СD, а круговые. Дорожки разделяются на части, которые называются секторами.

Сам диск, т.е. магнитный носитель, размещаемый внутри дисковода, имеет форму жесткой пластины. Несколько таких пластин, собранные в один пакет, вращаются на общем шпинделе, при этом все головки, собранные в один блок, синхронно перемещаются относительно пластин.

Технология записи/считывания при использовании жесткого диска аналогична знакомой с более ранних времен технологии записи/считывания с дискет. Но есть и существенные различия. Винчестер изготавливается с гораздо более жесткими допусками и вращается раз в десять быстрее.

Головки не касаются поверхности диска, а “плавают” над ней, отделенные воздушной подушкой микроскопической толщины.

Если даже частица сигаретного дыма попадет между головкой и диском, то головка будет повреждена, а данные будут потеряны. По этой причине дисководы жестких дисков исполняются в виде герметически закрытых устройств.

RAID - сокращение, обозначающее “избыточный массив независимых дисков”. В технологиях RAID для хранения и воспроизведения данных используется массив из нескольких совместно работающих жестких дисков. Массив RAID дисков всегда имеет встроенный контроллер, внутри которого спрятана вся “кухня” поддержки работы массива. Благодаря этому компьютер всегда будет “думать”, что обращается к обычному дисководу.

Для чего используется технология RAID?

Во-первых, для скорости. Диски, работающие совместно, обеспечивают большую скорость записи/считывания, чем один диск.

Во-вторых, для надежности. Имея в распоряжении только один диск, Вы не можете застраховать себя от его разрушения. Каждый, кто хоть раз испытал это на себе, прекрасно знает весь этот кошмар -- все эти попытки установки нового диска, переустановки операционной системы и восстановления всех файлов из резервных копий, хранящихся на ленте. При наличии же массива дисков Вы получите систему с резервированием, которая будет продолжать работать даже при полном отказе одного из дисков.

Более того, контроллеры RAID-маcсивов достаточно интеллектуальны для того, чтобы в случае отказа одного из дисков и замены его “свежим', выстроить архитектуру массива заново.

Указанные выше две причины использования RAID-массивов в некоторой степени противоречат друг другу. Поэтому под общим названием RAID объединяется несколько различных схем, для каждой из которых проблема компромисса между скоростью и надежностью решается по-своему.

Медиа -сервер.

Посмотрим теперь на телевизионную студию новостей. Несколько лет назад любая такая студия была похожа на улей или муравейник. Со всех сторон проносилась масса народу: операторы с кассетами -- на монтаж, обратно с монтажа, на выдачу в эфир, журналисты с дискетами с огромным числом текстов, дизайнеры канала тоже с дискетами, но уже не с текстами, а с логотипами, картами и прочей графикой. Все в движении, все несут в охапке свой “кусочек” информации. Можно рассматривать такую систему как широкополосную сеть типа “доставки ногами”. Теперь вообразите, что вся эта информация -- не только тексты, но и изображения, звук, логотипы и графика, расписания, эфирные листы, в общем, все -- хранится в одном центре. Более того, представьте себе, что каждый имеет доступ к этому хранилищу:журналист может проверить карту, оператор графики проверить орфографию надписей. И, наконец, режиссер, не сходя с места наблюдает и контролирует весь этот поток, выбирает, к какому входному каналу лучше всего подключиться, и загружает его в систему автоматического выхода в эфир. Все это и делает медиа-сервер. Медиа-сервер должен отвечать двум основным критериям: способности хранить большие массивы информации и обеспечивать превосходные сетевые соединения. Нормальный медиа-сервер способен принимать одновременно несколько видеоканалов с полным разрешением или сотни каналов сжатого видео. Он также должен поддерживать многочисленные сетевые протоколы.

Виртуальные студии.

Одним из наиболее впечатляющих применений технологий виртуальной реальности в вещательном телевидении стало построение так называемых «виртуальных студий» или “виртуальных декораций”. Виртуальные студии являются дальнейшим развитием метода цветовой рирпроекции (хромакея), при использовании которого объект снимается на фоне плоской или вогнутой, частично охватывающей сцену поверхности определенного цвета, а после этого с помощью разделения цветов изображение объекта накладывается на другое телевизионное изображение, создавая тем самым впечатление, что ведущий находится где-то за пределами студии. При построении виртуальной студии такая технология идет еще дальше. В этом случае на телевизионные камеры устанавливаются специальные датчики движения, сигналы с которых подаются на высокопроизводительный компьютер, запрограммированный на моделирование и скоростной рендеринг трехмерного искусственного окружения (ЗDа.е.). Таким образом, ведущий может двигаться “внутри” этого виртуального окружения параллельно с действиями оператора, который в свою очередь может менять фокусное расстояние, двигаться с камерой вперед/назад или вбок.

На экране же при этом зритель увидит полностью согласованные между собой пространственные трансформации как в изображении ведущего (вследствие автоматического воспроизведения пространственных соотношений реального мира при съемке), так и в изображении искусственной окружающей обстановки (благодаря главным образом очень высокой скорости просчета трансформаций изображения при смене параметров виртуальной оптической проекции). Потенциальная экономия от такой технологии очевидна, особенно при создании телевизионных художественных постановок.

Лекции 17-18 Кодирование и передача сигналов аналогового телевидения по каналам связи

Характеристики каналов для передачи сигналов изображения определяются назначением рассматриваемой ТВС. В числе многочисленных видеосистем центральное место занимают системы вещательного телевидения.

Сети телевизионного вещания обеспечивают передачу сигналов изображения, звукового сопровождения и вспомогательных сигналов для телевизионных приемников.

Они включают в себя источники сигналов изображения, каналы связи и индивидуальные телевизионные приемники. Системы связи используют радиоканалы, волоконно-оптические и проводные линии связи. При проектировании таких сетей основной задачей является согласование и стандартизация параметров сигналов изображения и характеристик каналов связи. Рассмотрим основные характеристики сигналов и каналов связи, используемые в вещательных ТВС.

Для передачи телевизионного сигнала используют метровый и дециметровый диапазоны волн и амплитудную модуляцию несущей частоты, что приводит к образованию двух боковых частотных полос. Если спектр сигнала изображения принять равным ?max, то после амплитудной модуляции полоса частот радиосигнала будет в два раза шире.

Как правило, передача такого сигнала осуществляется с частичным подавлением одной боковой полосы. Частотные характеристики телевизионного канала связи для стандартной системы с ?max = 6 МГц. Низкочастотные составляющие телевизионного сигнала передаются обеими полосами, высокочастотные -- одной верхней боковой полосой b-с, что приводит к известным (квадратурным) искажениям сигнала, влияние которых на качество воспроизведения мелких деталей изображения незначительно.

Для передачи сигнала звукового сопровождения используют несущую звука ?зв, причем разнос несущих частот изображения и звука в рассматриваемом примере составляет 6,5 МГц. В канале звукового сопровождения используют частотную модуляцию несущей частоты, что обеспечивает высокое качество звукового сопровождения. Общая ширина полосы стандартного канала системы вещательного телевидения 8 МГц.

Для передачи сигнала изображения подавляющее большинство стандартов используют негативную модуляцию, т.е. наибольшей излучаемой мощности сигнала соответствуют уровни черного сигнала изображения, гасящих и синхронизирующих сигналов. Полоса частот, предназначенная для передачи одной телевизионной программы, называется радиоканалом.

Яростный и цветоразностные сигналы.

В системах цветного телевидения должны быть сформированы сигналы изображения, обеспечивающие их передачу по стандартному радиоканалу, а также прием для воспроизведения неискаженного изображения не только цветными, но и черно-белыми телевизорами. Поэтому при выборе параметров системы цветного телевидения необходимо исходить из действующего в стране стандарта на систему черно-белого телевидения, чтобы обеспечить выполнение требования совместимости цветного телевидение с черно-белым.

В Европе действуют три основных стандарта на черно-белое телевидение с разверткой на 625 строк при 50 полях (25 кадрах) в секунду -- это стандарт I, стандарты В, С,G и Н, стандарты L,D и К.

Различия между стандартами В, С,G и Н не существенны с этой точка зрения, так же как и различия между стандартами L,D и К. Стандарты В и С действуют только в I, II, III диапазонах частот. В Армении в метровом диапазоне действует стандарт D, дециметровом - K.

В большинстве стран Западной Европы стандарты B и G.

Для передачи цветного телевидения формируют яростный сигнал Е'Y и два цветоразностных: E'R-Y и E'B-Y. Эти сигналы образуют из ?-корректированных сигналов основных цветов Е'R, Е'G, Е'B. Как было отмечено выше, расчет передающей камеры производится с учетом того, что выбранные светотехнические характеристики (цветоделительная система, спектральные характеристики преобразователей изображений и др.), а также коэффициенты усиления соответствующих каналов при передаче белых участков изображения обеспечивали равные выходные сигналы Е'R, Е'G, Е'B, поскольку при расчете устройства воспроизведения цветного изображения учитывают необходимость получения белого цвета при подаче равных сигналов Е'R, Е'G, Е'B.

Выбор равносигнального белого цвета связан с тем, что в приемниках цветного телевидения при приеме сигналов черно-белой программы возбуждение трех люминофоров осуществляется тремя равными сигналами, что обеспечивает формирование на экране цветного телевизора черно-белого изображения.