В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Марк Кривошеев
Главный научный сотрудник НИИР
Владимир Федунин
Ведущий научный сотрудник НИИР
Перспективы систем многоракурсного и объемного телевидения предвидел еще в середине прошлого века русский ученый и изобретатель в области телевидения профессор Павел Васильевич Шмаков [1]. Процесс развития этого направления и предложения по дальнейшим исследованиям были подробно рассмотрены в [2, 3].
На основе [4] ФГУП НИИР в 2008 году подготовил вклад РФ " Предложения по проекту нового вопроса МСЭ-Р [Х]/6 - Объемное телевизионное вещание" [5]. В нем предлагались стратегия международной стандартизации цифрового объемного трехмерного (3DTV) ТВ-вещания и пути практической реализации систем, обеспечивающих эффект присутствия зрителей в воспроизводимых изображениях. Выдвигалась идея изучения возможности передачи сигналов наземного цифрового SDTV-веща-ния в полосах стандартных наземных радиоканалов 6, 7 и 8 МГц в рамках существующих частотных планов (требования к радиочастотному ресурсу) и передачи сигналов программ 3DTV по существующим каналам спутниковых систем вещания и кабельного ТВ и др. В "Предложениях" было показано, что базовая система 3DTV могла бы основываться на цифровой версии рекомендации МСЭ-Р ВТ.709 при ее совместимости с 2D HDTV по этой рекомендации и возможностями 3D SDTV и 2D SDTV (телевидение стандартной четкости, 525 и 625 строк), а также с 3D и 2D при мобильном приеме. Отмечалась и целесообразность исследования возможности преобразования 2О-изображений в квази-ЗО-изображения на приемной стороне, например путем передачи дополнительной информации о глубине изображения. Впервые предлагался предварительный проект нового вопроса изучения. В его рамках планировалось также исследовать требования пользователя к системам и просмотру объемных ТВ-изображений, общие форматы для вещания программ, методы измерений и мониторинга для оценки качества передачи цифровых сигналов программ, методологии субъективной и объективной оценки качества изображения и звука и другие основные аспекты систем.
На основе этого вклада был разработан новый Вопрос 128/6 по изучению цифрового SDTV-вещания (его проект предложен в [6]), который необходим разработчикам трехмерных ТВ-систем во многих странах для получения информации о требованиях при международной стандартизации их систем.
Также был подготовлен проект решения о создании группы докладчиков, одной из первоочередных задач которой является подготовка отчета о достижениях в развитии объемного ТВ-вещания [7]. Принятые решения закрепили приоритет России в старте международной стандартизации этой важной и перспективной области [8], что было подтверждено в пресс-релизах МСЭ-Р и EBU, выпущенных в начале июня 2008 года [9].
Первым материалом, поступившим в группу докладчиков, был вклад Российской Федерации [ 10] со сведениями о начальном этапе исследований объемного ТВ-вещания на кафедре телевидения Ленинградского электротехнического института связи им. М.А. Бонч-Бруевича при участии и под руководством основоположника этой области науки и техники заведующего кафедрой, профессора П.В. Шмакова. Была изложена информация о приоритете и инициативах в исследованиях и разработках систем объемного ТВ-вещания в России. Были предложены перспективные направления исследований по этой тематике. Отмечена важность передачи сигналов по стандартным радиоканалам с полосами частот 6, 7 и 8 МГц, совместимости 2D- и ЗВ-систем и передачи дополнительных данных о глубине изображения в целях преобразования 2В-сюжетов в квази-ЗО-изображения на приеме.
В 2008 году председатель Рабочей группы 6С МСЭ-Р D. Wood (EBU) разработал предложения по предварительному проекту новой рекомендации МСЭ-Р [11], относящейся к требованиям к качеству изображений в вещательных системах стереотелевидения, наиболее близких к внедрению по сравнению с другими разновидностями систем ЗО-телевидения.
Они включают обеспечение визуального эффекта реальности воспроизводимого ТВ-изображения и комфортности его наблюдения, оцениваемого субъективно с применением процедуры с одним стимулом, и шкалы качества. В соответствии с этими требованиями:
- рекомендуется ограничивать отношение пространственного разнесения "левой" и "правой" ТВ-камер (базис передачи) к максимальной глубине изображения величиной менее 1:30. При этом проекции объектов демонстрируемой сцены на экран не должны превышать его высоты, а в случае удаленных объектов - значения глазного базиса 6,5 см;
- отмечается необходимость совмещения "левого" и "правого" изображений на экране дисплея с точностью до одного пикселя по горизонтали и вертикали;
- указывается, что угол наблюдения изображения должен составлять до 20% величины угла поворота головы зрителя в горизонтальной плоскости;
- необходимо, чтобы система передачи ЗВТУ-сигналов, предназначенная для обеспечения совместимого приема цифровых сигналов телевидения стандартной четкости, повышенного качества или ТВЧ, не вызывала визуально заметных искажений изображения из-за передачи дополнительной информации о его глубине, требуемой для обеспечения эффекта объема.
Для подготовки предварительного проекта нового отчета МСЭ-Р поступили также материалы, посвященные требованиям к системам стереоскопического ТВ-вещания и подходам к разработке соответствующей международной рекомендации [12]. В них отмечается, что в простейшем случае телезритель может просматривать стереоизображения, находясь в фиксированном положении относительно экрана дисплея. Более сложные системы позволяют дискретно варьировать восприятие перспективы изображения в процессе перемещения головы зрителя (многоракурсные системы). Самые совершенные (го-лографические) системы, основанные на волновом формировании изображений объектов, обеспечивают непрерывность этого варьирования одновременно с изменением положения головы, близкую к особенностям наблюдения реальных сцен и сюжетов. В документе отмечается зависимость визуального эффекта объемности ТВ-изображений от расстояния между зрителем и экраном дисплея, размеров изображения и углового смещения зрителя относительно экрана.
В целях ознакомления с исследованиями и разработками в области 3DTV вещания в международных организациях по стандартизации (MPEG, МСЭ-Т, SMPTE, EBU, DVB) и различных промышленных компаниях 30 апреля 2009 года в штаб-квартире EBU в Женеве был проведен семинар (Workshop) по данной тематике, организованный МСЭ-Р, EBU и SMPTE. На семинаре были представлены доклады, посвященные деятельности организаций по стандартизации в этой области, формированию и воспроизведению стереоскопических и объемных ТВ-изображений, кодированию сигналов изображения, перспективам развития технологий и другим аспектам 3DTV [13].
Рассмотрев и проанализировав поступившие в МСЭ-Р материалы, а также результаты изучений, проведенных ранее в 11-й Исследовательской комиссии МСЭ-Р [14], Группа докладчиков разработала проект нового отчета МСЭ-Р [15]. В нем учтены сведения о начальном этапе исследований объемного ТВ-вещания в России, изложенные в [10]. Отмечено, что социальный заказ на просмотр про-
грамм ЗОТУ-вещания в домашних условиях частично обусловлен "новой волной" появления трехмерных кинофильмов. Несмотря на некоторый дискомфорт для телезрителей, возникающий в связи с необходимостью использования специальных очков для просмотра таких программ на экранах телевизоров, эти кинофильмы оказались достаточно популярными и собирают большую зрительскую аудиторию. В перспективе планируется создание систем, позволяющих смотреть программы без применения очков.
В [15] предложена следующая классификация систем 3DTV:
1. Системы первого поколения. Это системы с использованием очков, обеспечивающих " плоскостереоскопический" просмотр с раздельным предъявлением "левого" и "правого" изображений соответственно левому и правому глазам зрителя и с защитой изображения, предъявляемого отдельному глазу, от влияния изображения, предназначенного для другого глаза.
2. Системы второго поколения. Это многоракурсные автостереоскопические системы, обеспечивающие указанный выше "плоскостереоскопический" просмотр без применения очков. Системы этого поколения позволяют наблюдать множество ракурсов сюжета так, что
зритель может изменять свое угловое положение относительно экрана дисплея и даже рассматривать изображения объектов с их тыльной стороны.
3. Системы третьего поколения. Это системы с интегральным изображением (голографические системы), основанные на записи волнового или интегрального изображения и предназначенные для моделирования светового поля реального сюжета. Системы должны обеспечить "безочковое" наблюдение изображения при произвольном положении зрителя относительно экрана дисплея. Кроме того, световое поле должно предоставлять зрительному аппарату оптическую информацию для фокусировки зрения на рассматриваемом изображении в соответствии с расстоянием конвергенции оптических осей глаз (глазной базис). Это дает возможность более естественного рассматривания сюжета, чем в случае других систем, где требуется фокусировка зрения на экран дисплея, независимая от расстояния конвергенции.
Предполагается, что в третье поколение войдут также новые разновидности систем с "записью волнового изображения объекта", обеспечивающих представление оптических изображений объектов без экрана в виртуальном пространстве, то есть на виртуальном экране.
Форматы сигнала изображения для систем 3DTV можно представить в виде иерархической матрицы, показанной на рис. 1. Элементы матрицы характеризуют различные виды сигнала для всех поколений систем, общие требования к приемникам этого сигнала и разнообразные уровни совместимости систем 3DTV с телевизорами и другой существующей бытовой аппаратурой ТВЧ. На рис. 1 символами L и R обозначены соответственно сигналы "левого" и "правого" изображений, символом MVC - кодирование многоракурсных изображений (рекомендация МСЭ-Т Н.264, приложение Н), символом SVC - масштабируемое кодирование изображений (рекомендация МСЭ-Т Н.264, приложение G).
Уровень 1 (совместимость с существующими дисплеями ТВЧ), приведенный на рис. 1, относится к сигналам "очковых" систем, не требующих использования каких-либо новых устройств вместо существующей бытовой аппаратуры ТВЧ.
Уровень 2 (совместимость со стандартным кадром сигнала ТВЧ) отвечает сигналам систем, характеризующихся применением дисплеев нового типа для просмотра изображений с сохранением существующих приставок STB для приема цифровых сигналов вещания ТВЧ. В таких системах сигналы L и R передаются в стандартном кадре этого сигнала, и один из них может быть использован при необходимости воспроизведения 2 D-изображения.
Уровни 3 и 4 относятся к системам, требующим применения новых дисплеев и приставок STB и формирующим сигналы L и R, совпадающие по спектру со стандартным сигналом ТВЧ. Уровень 3 является расширением уровня 2 и характеризуется дополнительным использованием масштабируемых методов цифрового кодирования изображений по стандартам MPEG. Уровень 4 соответствует совместимости с системой ТВЧ, поскольку системы данного уровня формируют 2D-сигнал ТВЧ, мультиплексированный с сигналами многоракурсных изображений.
Уровень 1 /профиль первого поколения. Данная комбинация уровень/профиль отвечает системам 3DTV с использованием существующих приемников программ вещания ТВЧ. Передача сигналов L и R осуществляется путем мультиплексирования с использованием разделения "левого" и "правого" изображений по первичным цветам.
Уровень 2/профиль первого поколения. В этом случае используются существующая приставка STB и дисплей нового типа, разделяющий кадр изображения ТВЧ на "левую" и "правую" компоненты. Передачу этих компонентов можно осуществлять в верхней и нижней частях кадра ТВЧ, в левой и правой его частях или с применением метода перемежения пикселей. При необходимости требуется также одновременная передача стандартного 2D-сигнала ТВЧ.
Уровень 3/профиль первого поколения. В системах этого типа используются приставка STB или интегральный декодер приемника нового образца, способные декодировать как сигналы систем с уровнями совместимости 1 и 2, так и сигналы систем, например, с масштабируемым цифровым кодированием изображений по стандартам MPEG, то есть с более высокой разрешающей способностью.
Уровень 4/профиль первого поколения. В этом случае применяются приставка STB или интегральный декодер приемника нового образца, способные декодировать сигнал многоракурсных изображений, сформированный в соответствии со стандартами ISO/IEC JTC1 MPEG. Структура этого сигнала такова, что существующие приставки могут выделять 2О-сигнал ТВЧ, воспроизводимый обычным дисплеем. В сигнале многоракурсных изображений передается также дополнительная информация, обеспечивающая декодирование и формирование составляющих L и R в новой приставке STB. Эта приставка способна, кроме того, декодировать сигналы систем с уровнем совместимости 2 и сигналы, соответствующие различным расширениям уровня 3.
Уровень 4/профиль второго поколения. Приемником сигналов в данном случае служит приставка STB нового типа, позволяющая декодировать 2D-cnr-нал ТВЧ и дополнительную информацию о глубине изображения, соответствующую стандартам ISO/IEC JTC1 MPEG. Для воспроизведения изображений обычно используется многоракурсный автостереоскопический дисплей. Приставки STB могут декодировать также сигналы систем уровней 1, 2 и 4 (профиль первого поколения).
Следует отметить, что в краткосрочной перспективе не планируется полный переход от 2D- кЗОТУ-вещанию. Предполагается, прежде всего, провести опытные передачи ЗОТУ-контента и исследовать, например, утомляемость зрения при просмотре таких передач, допустимую длительность просмотра и другие аспекты, которые могут оказать влияние на рейтинг этого нового вида вещания.
Могут оказаться привлекательными системы 3DTV первого поколения, позволяющие просматривать контент с помощью SD-дисплеев и обеспечивающие возможность пользования услугами существующих 2D-программ.
Возможны следующие основные технологии, позволяющие удовлетворить указанные требования:
1. Метод размещения "левого" и "правого" стереоизображений в стандартном кадре изображения ТВЧ в верхней и нижней частях этого кадра, в левой и правой его частях или с применением перемежения пикселей (чередование строк/столбцов пикселей, перемежение пикселей в шахматном порядке). Для просмотра изображений требуется специализированный SDTV-дисплей.
Этот метод может оказаться привлекательным для операторов многоканального платного ТВ-вещания, желающих использовать существующую инфраструктуру для доставки SDTV-контента зрителям с сохранением предоставляемых им услуг.
2. Метод совместимости с 2В-вещанием, требующий передачи вещательного 2В-сигнала, в качестве которого используется сигнал одного из пары стереоизображений, и дополнительной информации, необходимой для формирования сигнала другого стереоизображения в ЗО-приемнике. Этот метод позволяет также просматривать 2В-изображения с помощью существующей бытовой аппаратуры.
Возможны следующие способы передачи:
- параллельная передача 2О-сигнала и дополнительной информации;
- передача 2В-сигнала и информации о различии "левого" и "правого" изображений;
- передача 2В-сигнала и данных о глубине, перекрытии и прозрачности изображений объектов.
Последний из указанных способов может найти применение для коллективного просмотра программ 3DTV на экранах автостереоскопических дисплеев.
Проведенный в 2009 году объединенный семинар МСЭ, EBU и SMPTE [13] и разработанный отчет [15] впервые систематизировали результаты исследований объемного ТВ во многих странах и указали векторы дальнейших работ в этой области. Отчет [15] получил высокую оценку в МСЭ. По словам директора Бюро радиосвязи МСЭ В.В. Тимофеева, уделяющего большое внимание изучениям 3DTV-вещания, "этот новый отчет МСЭ определяет четкую структуру развития новых видов систем, которые полностью изменят наш опыт в передаче вещательного и мультимедийного контента. Это будет захватывающее зрелище, которое не только изменит взгляды на развлечения, но и откроет целый ряд привлекательных новых возможностей в областях от образования и здравоохранения до регулирования дорожного движения" [18].
Продолжение следует
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #1, 2010
Посещений: 12199
Статьи по теме
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
