Кино
Читайте сейчас
Прыжок в будущее, или что придет на смену HDTV? Перспективы телевидения высокой четкости
0
Прыжок в будущее, или что придет на смену HDTV? Перспективы телевидения высокой четкости

В наступлении эры HDTV уже нет ни малейших сомнений. Во многих странах, в т.ч. и России, начато спутниковое вещание по системе DVB-S и DVB-S2. Больше половины выпускаемых LCD и PDP-телевизоров с размером экрана от 37 дюймов имеют разрешение Full HD. Наконец, быстрое развитие сетей широкополосного доступа привело к появлению альтернативы физическим носителям контента высокой четкости.

Так что возврата к стандартному разрешению уже не будет. А возможен ли дальнейший прогресс, т.е. достижение еще более высокой четкости?

Надо сказать, что именно дисплеи, т.е. телевизоры и видеопроекторы были самым узким местом при внедрении ТВЧ в 80-е и 90-е годы, поскольку организовать массовое производство цветных кинескопов, удовлетворяющих требования HD Ready (не говоря уже о HDTV), невозможно даже при современном уровне технологий. И даже плоские панели достигли необходимого разрешения 1080х1920 не сразу — еще лет 5 назад успешное преодоление всевозможных проблем казалось совершенно неочевидным. Поэтому первое поколение систем HDTV ориентировалось на более скромные параметры — 720х1280 пикселей (их начали позиционировать как HD Ready). Сейчас такое разрешение имеют лишь панели с малой диагональю экрана.

Прогресс в совершенствовании плазменных и ЖК-дисплеев набрал такие обороты, что даже требования HDTV уже становятся устаревшими. К примеру, на прошедшей в мае выставке «ТВЧ Россия-2008» (подробнее о ней (http://www.mniti.ru/cnews/72/) ) японская компания Astrodesign Inc. показала 56-дюймовый ЖК-телевизор DM3400, относящийся уже к следующему поколению систем высокой четкости QFHD с разрешением 4Кх2К, т.е. 3840х2160. Эта модель серийно выпускается второй год, и ее может купить любой желающий, правда кто не пожалеет астрономическую сумму — $66000. В качестве матрицы использован жидкокристаллический видеомодуль тайваньской компании Chi Mei Optoelectronics Corp., но всю остальную начинку телевизора, включая программное обеспечение видеопроцессора, инженеры Astrodesign Inc. разработали сами. Отметим, что сегодня только две компании в мире — Sharp и Chi Mei — способны выпускать ЖК-модули сверхвысокого разрешения.

Для демонстрации телевизора DM3400 на выставке в качестве источника видеосигнала использовался специальный рекордер HR-7508 с жестким диском, также разработанный и изготовленный Astrodesign Inc. Надо сказать, что первоначально у нас был определенный скепсис относительно того, насколько заметным будет на 56-дюймовом экране улучшение картинки при увеличении количества пикселей вчетверо по сравнению с HDTV (вдвое по вертикали и столько же по горизонтали).

Вопреки ожиданиям, телевизор буквально поразил исключительной реалистичностью изображения, он показывал заметно лучше контрольного HDTV-дисплея. Впечатление от демонстрационной программы было просто потрясающим. Отбросив эмоции, мы постарались объективно проанализировать увиденное. Несмотря на отсутствие заметной растровой структуры и в том и в другом случае, дисплей QFHD значительно лучше, чем HDTV, прорабатывал тонкие яркостные и цветовые переходы, а также фактуру второго и третьего планов с большим количеством мелких деталей (листья деревьев, камешки на дороге и т.д.). Все это очень сильно влияет на субъективное впечатление от картинки, которая становится исключительно воздушной и кристально четкой. Впрочем, специалисты в области дисплейных технологий утверждают, что это еще далеко не предел, и через несколько лет можно ожидать появления следующего поколения систем телевидения высокой четкости Ultra-HDTV с разрешающей способностью уже 8Кх4К (7680х4320 пикселей). Самое интересное, что спецификации на такие системы разработаны и даже утверждены в международных стандартах ITU-R и SMPTE в 2006 (!) и 2007 гг. соответственно.

Такие характеристики обеспечивают просто фантастическое качество картинки и звукового сопровождения в системах Ultra-HDTV. Возникает вопрос: а нужно ли все это, ведь изображение на экране «обычного» дисплея Full HD, а тем более дисплея 4Кх2К, и так воспринимается большинством зрителей как верх совершенства? Казалось бы, лучшего уже и желать нельзя.

Спецификация стандарта Ultra-HDTV (ITU-R Recommendation BT.1769, SMPTE 2036)
ПараметрHDTVUltra-HDTV
Разрешение1920х10807680х4320
Количество пикселей изображения2 млн.33 млн.
Формат экрана16:916:9
Оптимальное расстояния просмотра изображения (высота экрана H)3 H0,75 H
Оптимальный угол просмотра изображения30 град.100 град.
Количество каналов аудио5.122.2

РЕПОРТАЖ ИЗ 2020 ГОДА

Прыжок в будущее, или что придет на смену HDTV? Перспективы телевидения высокой четкости

Чтобы разобраться в этом вопросе, мы обратились к ведущему инженеру научно-исследовательской лаборатории японской телекомпании NHK г-ну Наоки Каваи (Naoki Kawai). Его можно считать, пожалуй, самым информированным в мире специалистом по созданию систем Ultra-HDTV — возглавляемая им лаборатория (Science & Technical Research Laboratories NHK) как раз и разработала спецификацию на этот стандарт. Более того, под его непосредственным руководством была создана и успешно испытана экспериментальная аппаратура, отвечающая стандарту ультравысокой четкости. Мы встретились с господином Каваи в Москве на упомянутой выше выставке «ТВЧ Россия-2008».

САV: Г-н Каваи, расскажите, пожалуйста, чем вызвана необходимость разработки системы следующего поколения Ultra-HDTV?

Н. Каваи: Вначале ответим на вопрос: а являются ли требования стандарта HDTV достаточными для будущего? По нашему мнению, нет, ведь в ближайшие годы требования к качеству телевизионного изображения резко возрастут. Чтобы определить эти требования, давайте посмотрим, по каким направлениям пойдет развитие приемных телевизионных устройств.

Первое направление — появление огромных экранов во всю стену размером в 100 — 200 дюймов по диагонали, которые станут основой систем домашнего кинотеатра сверхвысокого разрешения. В силу своих гигантских размеров такие видеостены будут дисплеями коллективного пользования для всех членов семьи.

Вторым генеральным направлением развития систем «ультра-HDTV» станет создание своего рода «персональных дисплеев» на основе тонких и гибких экранов формата А3, которые могут иметь вид «электронного журнала» или «электронной газеты». (Заметим, что «электронные книги» на основе дисплеев с «электронными чернилами» e.ink уже можно купить в Москве.) Чтобы они соответствовали современному полиграфическому уровню настоящих глянцевых журналов, разрешающая способность воспроизводимого на них изображения не должна быть менее 300 — 400 линий на дюйм.

А теперь давайте оценим, какими должны быть требования к качеству картинки в обоих этих случаях. Как известно, разрешающая способность человеческого зрения составляет порядка 1 угловой минуты. То есть мы не замечаем дискретности изображения, если расстояние между его пикселями будет меньше минуты. Это означает, что если на экране количество строк будет порядка 1080, такое изображение нужно наблюдать с расстояния не менее трех высот экрана. При этом угол, под которым зритель будет смотреть телевизор, составит всего 30 градусов, но в этом случае периферийное зрение практически не задействовано, и о сколько-нибудь значительном эффекте присутствия говорить не приходится. Иное дело, когда изображение формируется гораздо большим числом строк — например, 4000. В этом случае дискретность картинки не будет заметна, даже если зрители будут находиться от экрана на расстоянии всего в 0,75 его высоты. Здесь уже условия просмотра для зрителя меняются принципиально, ведь при углах порядка 100 градусов картинка Ultra-HDTV будет занимать практически все поле зрения, включая его периферийные зоны. Примерно так, как это происходит в кинотеатрах IMAX. Как вы понимаете, вовлеченность в таком случае будет значительно больше, чем в системах HDTV, здесь у зрителей возникнет полное ощущение реальности происходящего.

Теперь обратим наш взор ко второму типу Ultra-HDTV-дисплеев — «электронным газетам». Здесь дело обстоит несколько иначе, ведь в этом случае не требуется особо широкого угла зрения, зато изображение по качеству должно быть сравнимо с полиграфией глянцевых журналов. Понятно, что качество «фотографий» в электронных изданиях будет тем выше, чем больше пикселей.

Проведенные в нашей лаборатории расчеты показывают, что для решения обеих задач необходима и достаточна система Ultra-HDTV с параметрами 8Кх4 К. В этом случае изображение с 4320 пикселями по вертикали и 7680 пикселями по горизонтали будет состоять из 33 миллионов точек, что в 16 раз больше, чем у HDTV.

САV: При столь высоких стандартах изображения, наверное, придется ужесточить и требования к звуковому сопровождению программ Ultra-HDTV?

Н. Каваи: Вы совершенно правы. Помимо экстремально высокого качества картинки системы Ultra-HDTV предъявляют принципиально иные требования и к звуку. Понятно ведь, что при панорамном изображении для полного «погружения» зрителей многоканальное звуковое поле должно также окружать со всех сторон и давать четкое направление на все мнимые источники не только в горизонтальной, но и вертикальной плоскости. Поэтому, кроме собственно изображения, важнейшей составной частью систем ТВЧ следующего поколения является система объемного звучания 22.2, т.е. 22 раздельных канала и 2 для низкочастотных эффектов. При этом для создания третьего измерения по высоте акустика располагается в три яруса:

  • нижний ярус состоит из трех фронтальных каналов;
  • средний, на уровне ушей слушателей, включает 10 каналов;
  • и наконец, верхний — под потолком помещения.

Это позволяет получить в комнате однородное трехмерное поле, полностью соответствующее по натуралистичности изображению на экране Ultra-HDTV. Вы просто не можете себе представить, насколько сильна иллюзия присутствия в этой системе!

CAV: Расскажите, пожалуйста, об аппаратуре, необходимой для создания тракта Ultra-HDTV.

Н. Каваи: Для построения сквозного тракта Ultra-HDTV нам потребовалось разработать и изготовить его ключевые элементы:

  • телевизионную камеру;
  • дисковый рекордер;
  • видеокодер для записи программ на диск и передачи ее по линиям связи;
  • IP converter для трансляции программ по Интернету;
  • воспроизводящее оборудование — проектор Ultra-HDTV.

В настоящее время компании NHK удалось создать полную линейку Ultra-HDTV-аппаратуры, включая видеокамеру и дисплей с 33 миллионами пикселей. Окончательная спецификация на эту систему будет готова к 2009 году после проведения всесторонних испытаний изготовленных нами экспериментальных образцов.

В таблице приводятся технические спецификации оборудования Ultra-HDTV первого и второго поколений. Если камера первого поколения весила 80 кг, то во втором поколении ее масса уменьшилась до 40 кг. Прогресс налицо!

Характеристики телекамер Ultra-HDTV первого и второго поколений компании NHK
 1 поколениеРазрабатываемые образцы 2-го поколения
Оптический формат1,25дюйма 2,5 дюйма
Размер светочувствительной матрицы16,6×9,2 мм29,8×16,4 мм
Эффективное число пикселей4 матрицы 
 3840×21607680×4320
Размер пикселя матрицы4,2 кв. мкм3,8 кв. мкм
Выходной каскадSingle-end (LVCMOS)Differential (LVDS)
Параметры выходного видеосигнала10 бит, 16 каналов12 бит, 16 каналов
СканированиеПрогрессивноеПрогрессивное

При этом камеры второго поколения имеют значительно более совершенную оптическую систему. Если в первом поколении использовались объективы с фиксированным фокусным расстоянием, то второе поколение уже имеет зум с кратностьюх4.5. Помимо камеры наибольшие трудности вызвало создание видеопроектора Ultra-HDTV. В разработанном NHK образце использовано четыре ЖК-матрицы LCOS размером 1,7 дюйма, содержащих в общей сложности 32 млн. пикселей (по 8 млн. в каждой). Для создания изображения на экране задействовано два таких мегапроектора, растры которых оптически совмещаются на экране. Один из них проецирует изображение только зеленого цвета, а второй — синего и красного.

СAV: Что является источником сигнала Ultra-HDTV?

Н. Каваи: Следующий по важности элемент тракта — накопитель с жесткими дисками. Вы не поверите, но создание рекордера, способного в реальном масштабе времени записывать и воспроизводить 10-битовый цифровой поток со скоростью 1,5 Гбит/c оказалось едва ли не самой сложной частью нашего проекта. В нем установлено 48 жестких дисков суммарной емкостью 3,5 Тб. Несмотря на столь чудовищный объем памяти, его хватает для записи всего 18-минутной программы Ultra-HDTV. Для передачи видеосигнала к проектору используется выходной интерфейс, состоящий из 16 каналов HD-SDI. Распределение цифровых потоков между дисками осуществляет специальный быстродействующий контроллер.

СAV: Когда NHK собирается представить систему ультравысокой четкости широкой публике?

Н. Каваи: Первая публичная демонстрация системы Ultra-HDTV уже состоялась в конце 2006 года. Нашей компанией была организована трансляция с музыкального фестиваля из Токио в Осаку на расстояние 500 км. Для передачи использовалась IP-сеть компании NTT, при этом скорость передачи видеопрограммы даже при компрессии MPEG-2 составила 600 Мбит/c. Об эффективности этого алгоритма свидетельствует тот факт, что скорость цифрового потока исходного несжатого изображения составляла 16 Гбит/c! Благодаря кодеру MPEG-2 нам удалось без потери качества картинки ужать его в 25 раз. С удовлетворением могу засвидетельствовать, что четырехчасовая трансляция имела просто оглушительный успех у японский публики!

В дальнейшем наряду с IP-сетями мы в качестве основной физической среды Ultra-HDTV-вещания рассматриваем каналы спутникового телевидения DVB-S2. В этом случае планируем применить еще более эффективный, чем MPEG-2, алгоритм компрессии MPEG-4 AVC/H.264, при этом исходный поток 16 Гбит/c ужимается до 200 Мбит/с. Такой сигнал уже вполне можно передать по спутниковым каналам в диапазоне 21 ГГц при использовании многопозиционной фазоманипулированной модуляции Trellis-8PSK (как в американской системе цифрового телевидения ATSC).

Упрощенно говоря, схема спутникового канала вещания Ultra-HDTV будет состоять из следующих основных элементов (см. рис. 1).

Входной видеосигнал Ultra-HDTV поступает на преобразователь формата (кодер MPEG-4). После сжатия цифровой видеопоток вместе с сигналом многоканального звука 22.2 поступает на модулятор 8PSK, выходной сигнал которого на радиочастоте в диапазоне 21 ГГц излучается спутником связи. Телезрители могут принимать этот сигнал на свои спутниковые тарелки и после обратных преобразований смотреть на телевизорах Ultra-HDTV. Например, DM3400 компании Astrodesign Inc.

Как я уже говорил, генеральными направлениями развития технологии приема телевидения сверхвысокой четкости, с нашей точки зрения, должны стать:

  • плоские дисплеи Ultra-HDTV;
  • видеостены;
  • гибкие дисплеи типа «электронный журнал» или «электронная газета».

Лаборатория NHK сегодня разработала и изготовила прототипы плазменных и ЖК-панелей, а также гибких дисплеев. В частности, был создан образец плазменной панели ультравысокого разрешения с диагональю 6,5 дюйма. При этом нам впервые в мире удалось достичь размера плазменной ячейки в 0,3 мм. При использовании подобной технологии возможно без особых проблем изготовить и 100-дюймовый PDP-дисплей Ultra-HDTV. (К слову сказать, в Москве уже продается плазменный телевизор Panasonic с экраном 103 дюйма. Это, конечно, еще далеко не Ultra-HDTV, да и стоит эта «Царь-плазма» 2 млн. руб.) Видеостена больших размеров может быть создана с помощью задней проекции на просветный экран либо набрана из нескольких плоских панелей.

Для электронных журналов и газет нужны другие типы дисплеев — тонкие и гибкие матрицы сверхвысокого разрешения. Японские компании сегодня активно работают по двум направлениям:

  • органические электролюминесцентные дисплеи (EL);
  • тонкопленочные гибкие ЖК-дисплеи.

Оптимальным размером электронной газеты, с нашей точки зрения, мог бы стать гибкий дисплей одного из этих типов размером 12х21 дюймов с собственным разрешением 4320х7680.

САV: А полная система Ultra-HDTV с многоканальным звуком где-нибудь демонстрировалась?

Н. Каваи: Да, мы организовали несколько публичных демонстраций систем домашнего театра, выполненных по этой технологии. Так, на выставке «Expo 2005» в Нагое (Япония) был построен кинотеатр Ultra-HDTV на 300 зрителей, в котором на 600- дюймовом экране показывались семиминутные программы со звуковым сопровождением 22.2. Каждый раз картинка с ультравысоким разрешением и трехмерный звук вызывали неописуемый восторг у посетителей. За полгода работы этого кинотеатра его посетили более 1,5 млн. человек.

После Японии настала очередь США (выставка «NAB-2006») и Европы («IBC-2006»). В Америке изображение демонстрировалось на 400-дюймовом экране, и его смогли увидеть свыше 8000 посетителей. В Амстердаме к просмотру на 275-дюймовом экране приобщились примерно 6400 зрителей.

Как видим, на сегодняшний день в лаборатории NHK созданы все ключевые компоненты системы — от камер Ultra-HDTV до проекторов, обеспечивающих необходимое разрешение картинки. В настоящий момент японские компании совместно с NHK приступили к разработке экспериментальных образцов приемного и передающего оборудования Ultra-HDTV, сигналы которого будут передаваться по цифровым спутниковым линиям связи.

CAV: Как скоро, по вашему мнению, начнется реальное внедрение Ultra-HDTV?

Н. Каваи: Начало телевизионного вещания в этом формате ожидается уже в 2015 году. Я бы выделил следующие этапы подготовки:

  • 1995 г. — начало эры Ultra-HDTV, когда была разработана телекамера с разрешением 2000 строк;
  • 2000 г. — появилась система с разверткой в 4000 строк;
  • 2004 г. — был предложен термин «Super Hi-Vision»;
  • 2005 г. — демонстрация системы Ultra-HDTV на «Экспо 2005» в Нагое;
  • 2006 г. — демонстрации на «NAB-2006», «IBC-2006», «СEATEC-2006»;
  • 2015 — 2016 г. — экспериментальное Ultra-HDTV-вещание;
  • 2020 г. — появление бытовой аппаратуры Ultra-HDTV;
  • 202х — начало Ultra-HDTV-телевещания.

ВМЕСТО ПОСЛЕСЛОВИЯ

Признаемся, так далеко в своих прогнозах мы еще не заглядывали. Одно дело предсказывать будущее на 2 — 3 года вперед, экстраполируя довольно четко обозначившиеся технологические тренды в развитии плоских панелей и домашней AV-техники, и совсем другое — перепрыгнуть, по сути, через два поколения ТВЧ: от Super-HDTV (QFHD) до Ultra-HDTV. Однако картина грядущего мира ультравысокого разрешения, столь убедительно нарисованная г-ном Каваи, с высокой степенью вероятности будет реализована. Согласно данным статистики, собранным на протяжении нескольких десятков лет, прогнозы NHK сбываются с вероятностью 95%. В немалой степени потому, что компания является одним из ведущих мировых научных центров, разрабатывающих стратегию развития телевизионной отрасли на десятки лет вперед, которая затем материализуется в международных стандартах на новые системы телевидения. Судя по всему, уже в ближайшее время нас ожидает немало приятных сюрпризов.

Авторы выражают глубокую признательность г-ну Н. Каваи за предоставленные иллюстрационные материалы и помощь в подготовке статьи.

56-дюймовый ЖК-телевизор Astrodesign DM3400
56-дюймовый ЖК-телевизор Astrodesign DM3400
Рекордер HR-7508 с разрешением 4Кх2К
Рекордер HR-7508 с разрешением 4Кх2К

Области применения дисплеев Ultra-HDTV - электронная газета...
Области применения дисплеев Ultra-HDTV — электронная газета…
...или видеостена гигантского размера
…или видеостена гигантского размера

3. Видеокамеры Ultra-HDTV первого и второго поколений весом 40 и 80 кг соответственно
3. Видеокамеры Ultra-HDTV первого и второго поколений весом 40 и 80 кг соответственно
Прыжок в будущее, или что придет на смену HDTV? Перспективы телевидения высокой четкости

Изображение на экране создается двумя видеопроекторами 8-мегапиксельными матрицами
Изображение на экране создается двумя видеопроекторами 8-мегапиксельными матрицами
Стойка с HDD-рекордерами суммарной емкостью 3,5 Тб
Стойка с HDD-рекордерами суммарной емкостью 3,5 Тб

Параметры спутникового канала передачи Ultra-HDTV

  • Полоса частот 4 каналах34.5 МГц
  • Скорость цифрового потока (MPEG-4 AVC /H.264) 200 Мбит/c (50 Мбит/cх4)
  • Модуляция и канальное кодирование TC-8PSK , RS (204, 188) + Trellis code

Рис. 1. Схема спутникового вещания в Ultra-HDTV
Рис. 1. Схема спутникового вещания в Ultra-HDTV
Прототип 6,5-дюймовой плазмы с самыми маленькими в мире ячейками (0,3 мм)
Прототип 6,5-дюймовой плазмы с самыми маленькими в мире ячейками (0,3 мм)
Демонстрационный зал Ultra-HDTV в Нагое (2005 г.).
Демонстрационный зал Ultra-HDTV в Нагое (2005 г.).