Ермакова Е.Ю.
Мультимедийные системы в России
(сокращенный
вариант)
Цифровая
обработка сигнала — одна из самых
динамичных и быстроразвивающихся
технологий в мире
телерадиокоммуникаций. Проблема
создания высокоэффективной
системы цифровой передачи
видеоинформации, главным образом,
заключается в поиске путей
быстрого и эффективного ее сжатия и
передачи закодированной
информации по каналам связи.
Разработка алгоритмов и
соответствующей аппаратуры
цифрового сжатия различных видов
информации для передачи по каналам
связи проводится уже более 20 лет
практически во всех развитых
странах. Главные достижения в этой
области — стандарты JPEG, JPEG-2000, MPEG-1,
MPEG-2, MPEG-4, H.261, H.263.
В России уже внедряется система
цифрового телевизионного вещания в
трех опытных зонах — Нижнем
Новгороде, Санкт-Петербурге и
Москве. Все более широкое
применение в бизнесе и
повседневной жизни находят системы
видеоконференцсвязи.
Видеотелефония постепенно
превращается из экзотической в
обычную систему общения.
Для разработки и внедрения
мультимедийных систем в
Научно-исследовательском
институте радио (НИИР) был создан
специальный отдел Компьютерной и
цифровой обработки информации,
который прошел путь от
фундаментальных исследований до
конкретных разработок аппаратных
средств и программного обеспечения
в области сжатия и обработки
изображений.
 Отдел
компьютерной
В. П. Дворкович |
Его
руководитель, доктор
технических наук Виктор
Павлович Дворкович, один из
активных пропагандистов и
исполнителей основных работ,
ведущихся в России по созданию
и внедрению мультимедийных
систем, делится с нашими
читателями своим опытом и
взглядами в данной области. — Виктор Павлович, что включают в себя мультимедийные системы в исполнении НИИР? — Сложнейшая проблема, которую сегодня пытаются решить во всем мире, заключается в том, как наиболее эффективно закодировать и передать информацию по каналам связи. Мы предлагаем программно-аппаратные решения на базе компьютеров, использование которых позволяет гибко и эффективно обрабатывать и передавать цифровую аудиовизуальную информацию. Главным, но не единственным преимуществом мультимедийных систем и, в частности, цифрового телевещания является отсутствие искажений информации в каналах их передачи. Однако одной оцифровки сигнала недостаточно. Если применять преобразование сигнала с использованием импульсно-кодовой модуляции, то его спектр резко расширяется. Например, чтобы передать такой «необработанный» телевизионный сигнал, нужно использовать полосу частот 5–6 телевизионных каналов. То есть, по 15 московским телеканалам можно передать только две |
полноценные цифровые программы.
Значит, информацию надо «сжать»,
удалить ее избыточность.
Статистическая избыточность
связана с зависимостью дискретных
точек изображения между собой.
Независимые отсчеты только у
случайного процесса — шума. Значит,
если всю информацию изображения
преобразовать в «шум», то объем ее
сократится. При приеме,
естественно, необходимо по
обратному алгоритму «шум»
преобразовать в исходную
информацию. Телевизионное
изображение таким образом можно
сжать в 3–5 раз.
Другой вид избыточности —
визуальная, то есть часть
видеоинформации; ее удаление для
человека незаметно или почти
незаметно. Значит, при
необходимости ею можно
пожертвовать, что позволяет
уменьшить объем информации в
десятки и даже сотни раз. При
использовании стандарта MPEG-2
производится устранение обоих
видов избыточности, что позволяет в
одном канале 8 МГц передать 4–5
программ. Значит, по 15 московским
каналам можно передать 60 программ!
Причем со значительным увеличением
их качества у абонента по сравнению
с системой цветного телевидения
СЕКАМ.
— Вы, как я поняла, решили вести
свои работы не в области аппаратных
решений, а путем создания
программных продуктов. Почему?
— Даже когда существовал СССР, наши
интегральные схемы не обеспечивали
необходимые функциональные
возможности, а сейчас говорить о
собственном производстве
аппаратных средств мирового
качества просто несерьезно.
Мировой прогресс в этой области
настолько стремителен, что
сделанное сегодня становится
устаревшим уже завтра. И мы решили
делать то, что можем и умеем лучше
других. В России очень много
грамотных и талантливых
программистов. Поэтому мы пошли по
пути создания компьютерных
программ.
Программная система более
интеллектуальная, чем аппаратная. В
этом ее преимущество, с одной
стороны, и сложность использования
— с другой. Например, аппаратные
кодеры MPEG-2 совместно обрабатывают,
как правило, 12 кадров телевизионных
изображений. Если в этой группе
кадров происходит смена сюжета или
монтажная склейка, то качество
декодируемого изображения резко
падает. Предложенный алгоритм
анализа смены сюжета позволяет
обеспечить раздельную обработку
кадров до и после монтажной
склейки. При этом сохраняется более
высокое качество первого и второго
фрагментов.
Аппаратное решение в наше бурное
время неизменно и стремительно
устаревает. Появляется новая
технология, которая требует
совершенно других решений.
Программный продукт гибок и может
постоянно совершенствоваться,
подгоняться под новые нужды
потребителя. Весьма перспективным,
на мой взгляд, является и
использование программных
декодеров, что обеспечивает
возможность совершенствования
стандартов кодирования без
необходимости замены аппаратных
средств абонентов.
Передвижной комплекс «Уличного телевидения» (Киев, площадь Независимости)
— Какие Ваши разработки были
использованы на практике?
— В 1999 г. на Украине совместно с
украинскими специалистами мы
создали систему так называемого
«Уличного телевидения». В
частности, была внедрена
мультимедийная система,
позволяющая в течение многих часов
вести дискуссию претендента на
пост президента (или любого гостя) в
студии с избирателями одновременно
из десятков городов и сел.
Система была сделана за 3 месяца. В
основу положена компьютерная
технология, обеспечивающая на
скоростях от 64 до 1024 кбит/с передачу
приемлемых по качеству изображений
и нескольких звуковых сигналов.
Относительно недорогие
спутниковые VSAT-станции были
оснащены компьютерами с
разработанным в НИИР оригинальным
программным обеспечением. Связь с
регионами с использованием
космической мультимедийной
системы обеспечивали 50 передвижных
станций со спутниковой антенной и
экраном. В центральной же студии
одновременно принимались 8 каналов
и формировался 1 канал передачи.
На основе этой системы мы
предложили так называемый
«дистанционный монтаж
телерепортажей» (например, из
«горячих точек»). Обычно такой
репортаж передается по очень
дорогой спутниковой связи 15–20
минут, а в телепрограмму попадает
его отредактированная часть
максимум на 30 секунд. Наша система
позволяет передавать весь материал
с пониженным качеством по
узкополосному каналу, который в 50
раз дешевле. Неотредактированный
материал поступает в место приема,
редактор отмечает моменты, которые
нужны, и затем в нереальном времени
передают только необходимые 30
секунд, которые выйдут в эфир.
Антенна центральной станции «Уличного телевидения» (Киев)
— Вы говорили, что ваша система
может обеспечить и мобильное
вещание, например в автомашинах?
— Уже много лет ведутся разговоры о
проблемах мобильного телевидения,
то есть приема телепередач в
автотранспорте. И здесь необходимо
учитывать один нюанс. Чтобы такие
системы были востребованы, надо не
только технически обеспечить
возможность приема телесигнала, но
и подкрепить технику необходимыми
для мобильного абонента
телепередачами и программами.
Обычное телевидение в автомобиле
смотреть неразумно и некомфортно.
Например, игровой фильм или
футбольный матч, которые
транслируются минимум полтора
часа, сложно смотреть в машине,
движущейся в городе. Значит,
мобильное телевидение должно
отличаться от обычного. Оно должно
быть быстротекущим, динамичным,
новостийным.
Вторая проблема связана с экраном.
Оптимальный размер экрана в
автомобиле 6"—10". Поэтому
бессмысленно использовать
цифровой поток в 6 Мбит/с, вполне
достаточно 512 кбит/с, которые можно
передавать в полосе 250 кГц. Для
передачи такого изображения можно
было бы использовать старые
передатчики УКВ ЧМ. Если учесть, что
в России под такие каналы отведена
полоса 8 МГц (от 66 до 74 МГц), то можно
обеспечить передачу 32 таких
программ.
— У Вас очень молодой коллектив.
Где Вы берете специалистов?
— В основном из Московского
физико-технического института,
который дает замечательные знания
и навыки работы, из МГУ, других
ведущих вузов. Я горжусь тем, что
руководит лабораторией обработки
изображения мой сын Александр,
кандидат физико-математических
наук. Но вообще подготовка и выпуск
специалистов для разработки и
обслуживания мультимедийных
систем — очень важная и пока
нерешенная проблема. Практически
нет литературы, где бы описывались
современные способы цифровой
обработки мультимедийной
информации. Нет такой дисциплины ни
в одном вузе. А необходимость в ней
давно назрела.
Мы принимаем активное участие в
популяризации данного направления
науки. Институтом были изданы книги
«Цифровая обработка телевизионных
и компьютерных изображений» и
«Цифровое телевизионное вещание»,
три года выпускается журнал
«Цифровая обработка сигналов». В
Москве прошла уже 4-я Международная
конференция по проблемам цифровой
обработки сигналов.
— Виктор Павлович, расскажите о
планах Вашего отдела на ближайшее
будущее.
— Проводятся интенсивные научные
исследования по дальнейшему
совершенствованию аппаратных и
программных средств мультимедиа:
от цифрового телевидения до
приемлемых для использования в
мобильных карманных телефонах и
пейджерах. В перспективе
спутниковые системы связи позволят
реализовать персональные
мобильные видеотелефоны в потоке
от 32 кбит/с.
Закончена разработка программного
телевизионного кодера MPEG-2.
Реализованный кодер был
оптимизирован для работы на
многопроцессорном PC (на
процессорах Intel Pentium IV) под
управлением операционных систем
Linux и MS Windows 2000, которые обеспечивают
полноценную поддержку
мультипроцессорной обработки.
Фото автора
Полнфй текст - в № 12 журнала "ТКТ" за 2002 год
