Результаты нового подхода к международной стандартизации цифрового телевизионного вещания

Автор: Марк Кривошеев, научный консультант ФГУП НИИР, д.т.н., профессор

Введение

К началу второй декады XXI века первоначальные представления о задачах цифрового ТВ-вещания оказались намного превышены и уже не отражали ни социальный заказ, ни возможности прогресса технологий. В связи с этим были предложены новый подход к технологической платформе ТВ-вещания и примеры ее модели [2, 3], а также проект Вопроса изучения в ИК-6 (Служба вещания) МСЭ-Р (ITU-R. Doc. 6/147. Annex 2. Statement of Prof. M. Krivocheev, 30.04.2013; ITU-R Doc. 6SCOM/12, 13.11.2013) (рис. 1).

Уверенному внедрению платформы (рис. 2) способствуют потенциал заложенных в нее перспективных направлений, периодическое выдвижение новых системных инноваций, отражающих прогресс в стратегии ТВ- и мультимедийного вещания, а также их технического обеспечения. Важно, что платформа не замыкается на интегрировании только ТВ-вещания, а учитывает многие примыкающие задачи, включая значимый вклад в цифровую трансформацию экономики.

Совокупность основных достигнутых результатов в международной стандартизации цифрового ТВ-вещания в ИК-11 МККР (МСЭ-Р), а затем в ИК-6 МСЭ-Р приведена на рис. 3 в виде «спирали развития» со ссылками на официальные документы (вплоть до 3 июня 2016 г.). Опыт показывает, что реально широкое внедрение новых идей, оригинальных достижений в этой сфере наступает лишь после принятия соответствующих международных решений, в первую очередь рекомендаций и стандартов МСЭ (мировой рынок аппаратуры, обмен программами и т. п.).

Следует отметить, что разработка такого рода документов для ТВ-вещания (примерно 150 рекомендаций) отличается большим количеством согласований и увязок (оптика, светотехника, калориметрия, кодирование, цифровая обработка, кино, видеозапись, передача-прием, оценка качества и т. п.). За единодушным принятием таких документов, что в определенной мере является признанным мировым гарантом, стоит огромный коллективный труд специалистов многих стран, сплоченных целью МСЭ создать глобальное информационное общество и улучшить жизнь людей. Поэтому результаты продвижения платформы подтверждаются именно такими решениями — это самый высокий и объективный критерий.

Интегрированные вещательные широкополосные системы

Важным направлением исследований стали интегрированные вещательные широкополосные системы (IBB) [3], расширяющие возможности традиционного цифрового ТВ-вещания путем его сопряжения с интернетом (МСЭ-Р. Рекомендация ВТ.2037 «Общие требования к ориентированным на вещание применениям интегрированных вещательных широкополосных систем и их планируемое использование» и Отчет ВТ.2267 «Интегрированные вещательно-широкополосные системы»). В эту платформу включен ожидаемый значительный вклад средств телекоммуникаций и, практически впервые, мобильной связи в обеспечение ШПД, интернета и других услуг, что необходимо для высококачественного ТВ-вещания и различных видеоуслуг, трафик которых будет быстро возрастать (см. рис. 2).

В связи с этим была разработана Рекомендация МСЭ-Р ВТ.2055 «Элементы контента в системах мультимедийного радиовещания для приема на мобильные устройства». В ней приводятся указания для кодирования программ ТВ, звукового вещания и данных, навигации по контенту при приеме этих сигналов на мобильные приемники. При этом учитываются целесообразность применения одних и тех же форматов сигналов в стационарных и мобильных системах и малые размеры экранов мобильных приемников.

В ближайшей перспективе реальные возможности существующих и разрабатываемых форматов достав-ки сигналов цифрового ТВ-вещания и, обязательно, их сервисов (см. рис. 2) предстоит гармонизировать и до определенного времени сопрягать с учетом специфических особенностей стран и регионов. Весьма важна реализация широких инфокоммуникационных возможностей, предоставляемых новыми так называемыми смарт-телевизорами, которые в ближайшие годы станут основой приемной сети [4]. Обратим внимание на последние результаты передачи ШПД со скоростью 1 ГГц по линиям электропередач и проводным системам связи (МСЭ-Р. Док. 6/7, 19.01.2016). Все ближе время, когда можно будет считать, что там, где есть электричество, обеспечиваются и многие инфокоммуникационные услуги.

Третья форма телесмотрения

Традиционное понятие вещания — «из точки повсюду», т. е. «для всех». Однако с учетом прогресса цифровых технологий становится доступным обилие видеоконтекта, и прежнее понятие вещания, по-видимому, находится на пороге расширения, отражающего возможности удовлетворения и индивидуальных запросов, т. е. вещание и «для каждого». Новое понятие «многоэкранность» охватывает, в том числе, возможность одновременного просмотра разных ТВ-программ и сюжетов по индивидуальному выбору на телевизоре, планшете, смартфоне и т. п.

В пункте «k» (см. рис. 1) намечены задачи развития видеоинформационных систем (ВИС), призванных обеспечить массовую интерактивную экранизацию в слиянии с мобильной связью. Изучение вещательных и мультимедийных ВИС в МСЭ-Р было начато на основании вклада R.F.Proposal on draft revision of Question (ITU-R — 13/6 Doc. 6X/7, 7.04.2008) и включено в Вопрос 13/6(45/6) МСЭ-Р.

В перспективе экраны ВИС станут вездесущими и во многих случаях заменят традиционные афиши, плакаты и другие подобные малоэффективные средства. В отличие от традиционных двух форм телесмотрения — домашнего и мобильного, когда пользователь выбирает видеоинформацию, понятие ТВ-вещания в ВИС отражает условия, при которых ему предоставляется заданный контент — как внутри помещений, так и снаружи. Это третья форма телесмотрения.

Объединение множества интерактивных экранов ВИС с многомиллионным парком мобильных терминалов позволит значительно увеличить трафик мобильных и других средств связи. На интерактивные ВИС получены международный и российский патенты [3]. Отчет МСЭ-Р ВТ.2249 посвящен состоянию и перспективам развития ВИС (ITU-R. Doc. 6/409, 31.07.2015).

Телевидение ультравысокой четкости

В разделе платформы «Тракт цифрового ТВ-вещания» [2] представлены разработанные ТВ-системы (см. рис. 3), в том числе новая технология — телевидение ультравысокой четкости (ТУВЧ). Следует отметить, что еще в 1992 г., когда практически была реализована концепция «ТВЧ 6−7-8», сразу же было предложено начать международные исследования ТВ-систем сверхвысокой четкости с разрешением более 1000 строк, выбранных для ТВЧ [3]. В основе этого предложения было предвидение востребованности изображений сверхвысокой четкости в ТВ-вещании, кинематографии, компьютерной графике, мультимедиа и др.

Первая рекомендация МСЭ-Р по этой теме — ВТ.1201 «Изображения со сверхвысокой четкостью» — была принята в 1993 г. Именно из нее в Рекомендацию МСЭ-Р ВТ.2020 «Значение параметров систем телевидения ультравысокой четкости для производства и международного обмена программами», принятую в 2012 г., были выбраны форматы ТУВЧ 3840×2160 (4К) и 7680×4320 (8К).

ТУВЧ не только повышает качество изображения, но и, благодаря особенностям его восприятия, обеспечивает создание заметного эффекта присутствия зрителя в передаваемой сцене. Зрители обходятся без очков и сложных экранов. Предполагается (Технический отчет EBU-TR 036, Женева, март, 2016), что при использовании системы DVB-T2 и кодера HEVC-H265 в одном мультиплексе при стационарном приеме с антенной на крыше можно будет принимать 4−11 программ ТВЧ и 3−7 программ ТВЧ при мобильном приеме на смартфоны и планшеты. При ТВ ультравысокой четкости, если следовать оптимистическому подходу, в аналогичных условиях ожидается соответственно 2−4 и 1−3 программы. В Японии планируется начать вещание ТУВЧ в формате 8К в 2020 г. Результаты разработок системы ATSC 3.0 приведены в IEEE Transactions on Broadcasting (Special Issue ATSC 3.0), vol. 62, No. 01, Part II, March 2016.

Расширение динамического диапазона яркости

Восприятие изображений в формате 4К и 8К, безусловно, повышает удовлетворенность пользователя предоставляемой услугой, но не столь всеобъемлюще, как расширение динамического диапазона ряда ключевых параметров, отмеченных в пункте «n» на рис. 1. Так, расширение динамического диапазона (РДД) ряда яркости существенно улучшает восприятие на самых темных и ярких участках ТВ-изображений стандартной, высокой и ультравысокой четкости, воспроизводимых на различных по размеру экранах (рис. 4). Данный эффект достигается за счет использования сформированных соответствующим образом опто-электронной характеристики передающей ТВ-камеры и характеристики электронно-оптического преобразования сигнала в телевизоре или дисплее.

Поскольку эффект восприятия видеоконтента при РДД существенно зависит от параметров воспроизводящих устройств и условий его просмотра, на приемной стороне системы целесообразно использовать унифицированные устройства, автоматически оптимизирующие работу телевизора и звуковоспроизводящей системы с учетом условий освещения и акустической обстановки при просмотре [3]. Важным достижением является разработанная под руководством председателя ИК-6 Y. Nishida (Япония) Рекомендация ВТ.2100 «Значения параметров изображений для систем телевидения широкого динамического диапазона для использования в производстве программ и международном обмене» (ITU-R. Rec. BT.2100, 10.02.2016). Документ открывает путь широкому внедрению РДД, что значительно повысит качество принимаемых изображений.

В последнее время отмечается некоторое «отчуждение» ТВ-вещания от 3D. Это явление преходящее, вызванное не столько несовершенством технологии (очки, выбор точки наблюдения и др.), сколько неудачным подбором контента, который в 3D-воспроизведении отвергался пользователями. Отнесем это и к трудностям роста, поскольку 3D ТВ требуется для многих сюжетов. Прогресс в повышении качества 3D-систем в разработанных рекомендациях [3] и при 2D/3D-преобразованиях со временем позволит занять им должное положение.

Всемирный вещательный роуминг

Чтобы уменьшить трудности при приеме отличающихся по ряду параметров мировых, региональных и национальных вещательных стандартов и систем предложен новый подход к этой задаче — «Всемирный вещательный роуминг — ВВР (WBR)» (РФ, МСЭ-Р. Док. 6A/593. 22.09.2011). Для изучения ВВР был принят новый вопрос MCЭ-R 136/6. По аналогии с мобильной связью он предусматривает возможность для потребителя принимать телевизионные, радио, мультимедийные программы в любом месте мира, где они доступны, с использованием одного приемника — независимо от вещательной платформы, доставляющей эти программы.

Группа докладчиков (ГД) под председательством А.В. Дворковича (РФ) в 2015 г. разработала Рекомендацию ВТ.2072, определяющую основные функциональные характеристики приемника для обеспечения ВВР. Это значительно расширит доступ к телерадиовещанию в мобильных и стационарных условиях.

Виртуальная реальность

В пункте «n» на рис. 1 указана необходимость повышения эффекта присутствия зрителей в наблюдаемых сценах и сюжетах. Во вкладах РФ в МСЭ-Р (Док. 6В/19 и 6С/19. РФ, 13.04.2012) было предложено приступить к изучению характеристик систем ТВ-вещания, совокупность которых позволяла бы создавать у зрителей ощущение присутствия, его усиления и более широкого проявления, а также методов оценки. Эти предложения были учтены при пересмотре вопросов МСЭ-Р 40/6 (Док. 6/14, 23.04.2012) и 128/6 (Док. 6/22, 26.04.2012). Так сформировалось одно из новых направлений стандартизации методов повышения качества обслуживания телезрителей.

В связи с появлением на рынке в большом количестве новых игр, шлемов, видеоочков и других устройств с использованием многоэкранных дисплеев, обеспечивающих также просмотр программ ТВ- и мультимедийного вещания, во вкладе РФ в МСЭ-Р, Док. 6В/290 (14.03.2014) было предложено начать изучение качества воспроизведения в таких устройствах. В итоге эта задача была включена в вопрос МСЭ-Р 102/6 «Методология субъективной оценки качества изображения и звука» и отражена на модели, приведенной на рис. 2.

В пункте «n» (см. рис. 1) отмечается, что в платформе будут реализовываться результаты изучений по качеству вещания. ИК-6 МСЭ-Р систематически совершенствует рекомендации по ТВ-системам. Однако и промышленность активно занимается повышением качества изображений при обработке и представлении сигнала в телевизоре. Поскольку ИК-6 изучает общее качество обслуживания, в Док. 6/49 (Приложение 3, 04.04.2014) было предложено гармонизировать усилия обеих сторон путем тесного сотрудничества ИК-6 с производителями видеоаудиоприемников. В соответствии с вкладом Norddentscher Rundfunk (NDR), ITU-R Doc. 6С/359, 03.11.2004, в Вопросе МСЭ-Р 102/6 была учтена эта задача. Таким образом, вопрос 102/6 стал основным вектором в стратегии изучения качества вещания.

Сегодня уже нельзя ограничиваться оценкой только изображения на экране, не учитывать влияние многоканального звука, формы экрана и других факторов, совокупность которых определяет ощущения конечного пользователя. Поэтому ИК-6 приступила к изучению методов оценки параметра, называемого «качеством восприятия» с учетом результатов изучения этой проблемы в МСЭ-Т [5]. Создана Группа докладчиков, в задачи которой входят определение термина «качество восприятия» применительно к ТВ-вещанию и разработка математической модели для прогнозирования субъективных ощущений пользователя в зависимости от искажений изображения (Приложение 11 к Отчету председателя РГ 6С, Док. 6С/380, 01.12.2014). ГД подготовила проект новой рекомендации ВТ.2095 «Субъективная оценка качества видео с использованием протокола просмотра экспертами (EVP)» (Док. 6/33 (Rev. 1), 10.02.2016) В ней описывается метод субъективной оценки качества подвижных ТВ-изображений.

Интегральное восприятие ТВ-вещания (изображение, звук, особенности воспроизводящих устройств, условия просмотра и т. п.) недостаточно характеризовать такого рода оценками, как естественность, натуральность, объемность (учитывая специфику проявления глубины изображения), погруженность в звуковое поле и т. п. Необходимо более общее и емкое понятие, такое, например, как продвигаемая в последние годы на основе компьютерных технологий виртуальная реальность [6]. Это понятие включает тренажеры, видеоочки, шлемы, игры и другие подобные возможности, а также используется, как отмечено выше, в ИК-6 MCЭ-R, после включения изучений этой тематики в Вопрос МСЭ-Р 102/6.

Применительно к ТВ-вещанию с учетом модели, приведенной на рис. 2, виртуальная реальность определена, например, как аудиовизуальные и другие иллюзии имитируемых в реальном времени событий, способствующие эффекту присутствия и погружения пользователя в передаваемый контент. Требуется максимально возможное приближение виртуальной реальности к действительной, физической. Во всяком случае, уже начаты изучения особенностей этого понятия для ТВ-вещания с учетом опыта его использования в других сферах.

Итак, по-новому решается важнейшая задача повышения качества ТВ-вещания. Инициирование указанных исследований актуально не только в современных условиях. Накопленный опыт будет весьма востребован и в перспективе. На пороге — разработка новых ТВ-систем на основе прогресса в голографии, оптоэлектронике, в других областях. Исследуются методы внешнего воздействия на мозг для создания эффекта непосредственного восприятия передаваемого зрительного образа, звука и других ощущений. Влияние обработки и представления сигналов вещания, а также мультимедиа на приемной стороне с сохранением информации о передаваемом контенте, включая возможные конкурентные намерения фирм, будет все возрастать.

Для экологической защиты зрителей от вредных для здоровья психофизиологических воздействий, которые могут вызываться некоторыми частями ТВ-программ (РФ. МСЭ-Р. Дoк. M/65, 07.09.2001), были начаты исследования по этой теме. Разработана Рекомендация ВТ.1702 по предотвращению недопустимых мерцающих изображений.

Интерактивность

Модель платформы включает многофункциональное интерактивное цифровое ТВ-вещание. Создание таких систем прогнозировалось еще в начале 70-х годов [3], а в 1993 г. ИК-11 МСЭ-Р (МККР) первой в мире приступила к международной стандартизации интерактивных систем телерадиовещания и медиаметрии [7]. После преобразования МККР в МСЭ-Р изучения в данной области были продолжены ИК-6 МСЭ-Р. К настоящему времени разработано 18 основных рекомендаций по этой тематике. ИК-9 МСЭ-Т подготовила 7 рекомендаций по интерактивным системам кабельного телевидения.

Все рекомендации по интерактивному цифровому ТВ-вещанию основаны на глобальном подходе, ориентированном на мобилизацию всех возможных технических средств для организации обратных каналов [3]. Ранее интерактивные системы вещания характеризовались большой асимметрией трафика, поскольку применялись обратные каналы с полосой пропускания в несколько десятков килогерц. Сейчас стали востребованы широкополосные обратные каналы для передачи различных видеосюжетов, например предлагаемые варианты тех или иных фрагментов программ мультимедийного ТВ-вещания, адресованные другим пользователям.

Обратим внимание, что уже в первом, принятом в 1994 г., Вопросе изучения МСЭ-Р — 232/11, пункт «с», кроме задач традиционного вещания, была учтена необходимость создания обратных каналов от потребителей и для других целей. Сегодня это ВИС, телемедицина, многомиллиардные каналы интернета вещей, индустриального интернета и, особо отметим, такие платформы, как IPTV и ОТТ. Важно, что в этих платформах абонент во многих случаях одновременно получает высокоскоростной обратный интерактивный канал, который может использоваться для высококачественного потокового видео и многих других форм интерактивности. ИК-6 МСЭ-Р приступила к работе с ИК-20 (Интернет вещей) МСЭ-Т.

Таким образом, дальновидно начатая в МСЭ международная стандартизация интерактивности во всех аспектах стала магистральным направлением развития средств телекоммуникаций.

Объемный звук

В завершение о новом направлении развития цифрового ТВ-вещания, связанном со звуковым сопровождением. Весьма впечатляющее воздействие при просмотре изображений создает достигнутый эффект погружения в звуковое поле многоканального звука. Он способствует ощущению присутствия и вовлечения в передаваемую сцену. При этом восприятие ТВ-программы коренным образом отличается от привычного.

Под руководством бывшего председателя ИК-6 МСЭ-Р (2008−2015 гг.) Ch. Dosch (Германия) был достигнут важный результат — разработана Рекомендация МСЭ-Р BS 2088 «Формат расширенных файлов для международного обмена материалами звуковых программ с метаданными», в которой впервые были установлены форматы передачи многоканального звука с метаданными для эффекта погружения. До последнего времени для создания объемного звучания использовались системы, показанные в виде примера на рис. 5. Ясно, что такая громоздкая и дорогая приемная часть для массового воспроизведения объемного звука не приемлема и не перспективна.

Поэтому на основании проекта Рекомендации BS.2088, принятого ИК-6 в июле 2015 г. (ITU-R Doc. 6/450 Rev. 1, 29.07.2015), была предложена новая форма массового ТВ-вещания стандартной, высокой и ультравысокой четкости с объемным звуковым сопровождением для аудитории в любом помещении с использованием на приеме результатов ожидаемого прогресса в разработках компактных и миниатюрных устройств, воспроизводящих многоканальный звук с эффектом погружения. Одновременно были сформулированы и новые направления международной стандартизации, необходимые для ускорения внедрения такой формы вещания [8−10].

Значимость и своевременность Рекомендации МСЭ-Р BS.2088 и подхода к ее широкому использованию подтвердили демонстрации компактных систем на выставке IFA в Берлине уже в сентябре 2015 г. (рис. 6). Найдены более эффективные пути воспроизведения объемного звука с помощью новых компьютерных методов, в том числе на основе использования микрофонов, дающих информацию об отраженных звуковых сигналах в помещении прослушивания. Они наглядно показали, что не за горами время, когда зритель, в дополнение к прослушиванию существующих моно- и стереофонических звуковых систем, сможет достичь значительного эффекта присутствия и без множества размещенных по периметру большого помещения аудиоколонок. Это именно тот особый случай, когда разработка рекомендации МСЭ-Р может повлиять не только на медиаотрасль, но и на большой мировой рынок профессиональной и бытовой аппаратуры. Ведь речь идет о выпуске миллиардов компактных устройств. Отметим, что Рекомендацию МСЭ-Р BS 2088 высоко оценили генеральный секретарь МСЭ Хоулинь Чжао и директор МСЭ-Р Франсуа Ранси в пресс-релизе МСЭ от 19 октября 2015 г., после того как эта рекомендация была утверждена.

Объемный звук действительно ворвался, для многих совершенно неожиданно, в планы создания и модернизации многих объектов, связанных с ТВ-вещанием. Однако внедрение новой формы вещания неотвратимо и выгодно. Альтернативы ему нет.

Знаменательно, что в связи с важностью рассмотренной темы проект нового вопроса изучения (см. рис. 1) был значительно расширен — до глобального охвата всей платформы ТВ, звукового и мультимедийного вещания. Уже создана Группа докладчиков RG-16 под председательством P. Zaccarian (Италия) — Chair report to RG on Global Plat., 03.06.2016.

Заключение

Даже частичное рассмотрение деятельности МСЭ в последние годы в одной из важнейших сфер СМИ — ТВ-вещании подтверждает, что достигнут новый уровень в его международной стандартизации. Благодаря этому появилась возможность значимых скачков в повышении качества телевещания, предоставлении услуг населению, расширении рынка профессиональной и бытовой аппаратуры.

Новая технологическая платформа и связанные с ней результаты международной стандартизации являются примером важного вклада в цифровую трансформацию экономики [11, 12] и в итоге −во всеобъемлющую многоотраслевую цифровую систему страны. Они в значительной мере смогут войти в технические основы стратегии концепции развития телерадиовещания до 2025 г. [13].

Выражаю благодарность ведущему научному сотруднику ФГУП НИИР В.Г. Федунину за помощь при подготовке этой статьи.

Список литературы

1. ITU-150. Мировое признание вклада в телевизионное вещание // Электросвязь. — 2015. — № 7.
2. Кривошеев М.И.Будущее ТВ. Новая технологическая платформа // «625». — Август, 2013.
3. Кривошеев М.И., Шавдия Ю.Д., Федунин В.Г.Цифровое телевизионное вещание. — М.: ФГУП НИИР, 2014.
4. Баринова Д.Smart TV: национальные масштабы // Кабельщик. — 26.05.2016.
5. Маколкина М.А.Оценка качества восприятия видео на основе распознавания эмоций // Электросвязь. — 2015. — № 9.
6. Коник Л.Г.Реальная виртуальность // Стандарт. — 2016. — № 3.
7. Krivocheev M.I.A Global Options for Enhanced Television.- Adress to ITU-R Workshop on Enhanced Television, Auckland, New Zealand, 3−5 October, 1993.
8. Богородицкая И.А.Шаболовка 2.0 // Первая миля. — 2015. — № 8.
9. ITU-R Summary Record of the first meeting of SG 6, Geneva, 5 February 2016, Doc. 6/44 (Rev.2), 24 February 2016, Annex 2. Prof. M. Krivocheev. Some tasks for ITU-R SG 6 Activities.
10. Новые задачи международной стандартизации цифрового вещания // niir.ru/novye-zadachi-mezhdunarodnojstandartizacii-cifrovogo-veshhaniya.
11. Александров С., Искандеров Р.Цифровая экономика (Digital economy) — экономика, осуществляемая с помощью цифровых телекоммуникаций // Технологии и средства связи. — 2009. — № 5.
12. Trends in Telecommunication Reform 2015: Getting ready for the digital economy // www.itu.int/pub/D-PREF-TTR. 16−2015.
13. Минкомсвязи России разработало стратегию развития телерадиовещания на период до 2025 года // ComNews Conferences, 23.10.2015.