Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров «Радиотехника» (профиль «Аудиовизуальная техника»), «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (профиль «Цифровое телерадиовещание»), по специальности подготовки дипломированных специалистов «Радиоэлектронные системы и комплексы» Регистрационный номер рецензии № 2313 от 18.04.2013 г. МГУП Москва Горячая линия - Телеком 2015 УДК 621.397.6 ББК 32.841 Б39 Р е ц е н з е н т : канд. техн. наук, доцент Безруков В. Н., Балобанов В. Г. Б39 Системы цифрового вещательного и прикладного телевидения. <...> Систематизированы сведения в области построения и функционирования различных систем вещательного и прикладного телевидения. <...> Рассмотрены физические процессы цифрового преобразования сигналов и специфика современных преобразователей «свет-сигнал» и «сигналсвет» (ПЗС- и КМОП-матрицы, жидкокристаллические, плазменные и FED-панели, OLED-дисплеи) и др. <...> В пособии освещены в основном только те вопросы, которые нашли отражения в учебных планах по подготовке специалистов направления 210700 — «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» профиля «Радиотехника» по дисциплинам «Системы цифрового вещательного и прикладного телевидения», «Основы телевидения и видеотехники, а также направления 210400 для профиля «Цифровое телерадиовещание» по дисциплинам «Телевидение», «Системы и сети цифрового телерадиовещания», «Информационные технологии в телевидении». <...> Кроме вещательного телевидения, в настоящее время бурными темпами развивается прикладное телевидение. <...> Это, в первую очередь, охранное телевидение, ТВ системы наблюдения на транспорте в строительной технике (например, на больших подъёмных кранах), системы для технологического контроля в промышленности, видеоконт Введение 7 роля в медицине, астрономии, системы военного телевидения (особо точного оружия) и ТВ системы в других областях <...>
Системы_цифрового_вещательного_и_прикладного_телевидения._Учебное_пособие_для_вузов._(С_вклейкой)._-_2015_(1).pdf
УДК 621.397.6
ББК 32.841
Б39
Р е ц е н з е н т : канд. техн. наук, доцент
Безруков В. Н., Балобанов В. Г.
Б39 Системы цифрового вещательного и прикладного телевидения.
Учебное пособие для вузов / Под ред. профессора В. Н. Безрукова.
– М.: Горячая линия – Телеком, 2015. – 608 с.: ил.
ISBN 978-5-9912-0403-3.
Систематизированы сведения в области построения и функционирования
различных систем вещательного и прикладного телевидения.
Рассмотрены: специфика построения и современная аппаратурная
реализация систем прикладного телевидения; стандарты ТВ вещания
ATSC, DVB-T, ISDB, IP-TV; методы цифровой обработки сигналов
изображения и повышения их информативности; способы формирования
и применения испытательных сигналов для оценки качества ТВ
изображений; характеристики цифрового сжатия спектра видеосигналов.
Представлены функциональные схемы построения ТВ систем,
рассмотрены особенности их работы и характеристики, даны рекомендации
по применению. Уделено внимание вопросам построения отдельных
узлов и устройств, используемых как в вещательном, так и в
прикладном телевидении, принципам и специфике их реализации. Рассмотрены
физические процессы цифрового преобразования сигналов
и специфика современных преобразователей «свет-сигнал» и «сигналсвет»
(ПЗС- и КМОП-матрицы, жидкокристаллические, плазменные
и FED-панели, OLED-дисплеи) и др.
Студентам вузов, обучающимся по инфокоммуникационным и
радиотехническим направлениям подготовки бакалавров и магистров,
специалистам и аспирантам соответствующих профилей.
ББК 32.841
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU
Безруков Вадим Николаевич, Балобанов Владимир Григорьевич
СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО ВЕЩАТЕЛЬНОГО И ПРИКЛАДНОГО
ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Учебное пособие для вузов
Все права защищены.
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и
какими бы то ни было средствами без письменного разрешения правообладателя
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком»
www.techbook.ru
© В. Н. Безруков, В. Г. Балобанов
А.
М.
М
о
н
ч
а
к
Стр.2
Оглавление
Предисловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ЧАСТЬ I. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ПРИКЛАДНОГО
И ВЕЩАТЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Глава 1. Основные принципы телевидения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1. Свет и телевидение. Световые единицы . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2. Вычисление количества света, падающего на фотоприёмник
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3. Согласование параметров оптического и ТВ изображений
с характеристиками зрения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Глава 2. Прикладное телевидение как средство видеонаблюдения,
технологического контроля и управления производственными
процессами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.1. Информационные свойства прикладных телевизионных
систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2. Задачи, решаемые телевизионными средствами в различных
областях народного хозяйства . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3. Технико-экономическая оценка использования системы
промышленного телевидения как средства охраны контроля,
управления и автоматизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4. Требования, предъявляемые к телевизионным промышленным
системам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.5. Функциональная схема промышленной телевизионной
системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.6. Принципы построения телевизионных систем с цифровой
обработкой сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.7. Системы телевизионного наблюдения для офисов и
квартир . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.8. Особенности построения систем охранного телевидения 68
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Глава 3. Телевизионные системы охраны объектов и наблюдения
за производственными процессами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1. Видеокамеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2. Среды передачи телевизионных сигналов . . . . . . . . . . . . . 84
3.3. Принцип работы оптического волокна . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4. Сжатие видеоданных. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3
4
Стр.602
Оглавление
603
3.5. IP-видеокамеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.6. Мультиплексор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.7. Детекторы движения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.8. Устройства видеозаписи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.9. Охранные видеомагнитофоны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.10. Видеорегистраторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.11. Типовые примеры построения систем видеонаблюдения
и охраны объектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.12. Современные принципы построения систем охранного
телевидения и регистрации изображений на примере
VideoNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.13. Неортоганальный телевизионный контроль видеоинформационного
пространства в системах прикладного телевидения
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.14. Специфика реализации цифровых систем эффективного
видеоконтроля удаленных объектов . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Глава 4. Системы телевидения с высокой визуальной четкостью 136
4.1. Краткие сведения о системах телевидения высокой четкости
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.2. Стандарты ТВЧ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.3. Телевидение сверхвысокой четкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.4. Выбор параметров систем телевидения высокой визуальной
четкости и качества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.5. Цифровой кинематограф . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
ЧАСТЬ II. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ «СВЕТ-СИГНАЛ» И «СИГНАЛ-СВЕТ»
Глава 5. Твердотельные фотоэлектрические преобразователи
изображения «свет-сигнал» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.1. Приборы с зарядовой связью (ПЗС). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.2. Считывание потенциального рельефа с матрицы ПЗС . 164
5.3. Цветные ПЗС-камеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.4. Электронный затвор — затвор с переменной экспозицией
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.5. ПЗС-матрица как устройство дискретизации . . . . . . . . . . 174
5.6. Видеокамеры на фоточувствительных КМОП-матрицах. 176
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Глава 6. Преобразователи «сигнал-свет» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.1. Жидкокристаллические экраны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.2. Плоские плазменные панели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Стр.603
604
Оглавление
6.3. Проекционные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.4. Мониторы завтрашнего дня . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.5. Мониторы с автоэлектронной эмиссией (технология
FED) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
ЧАСТЬ III. РАЗВЁРТЫВАЮЩИЕИСИНХРОНИЗИРУЮЩИЕ
УСТРОЙСТВА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
Глава 7. Виды развёрток в телевидении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
7.1. Построчная развёртка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.2. Чересстрочная развёртка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
7.3. Спиральная развёртка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.4. Цифровая схема развёртки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Глава 8. Синхронизация развёртывающих устройств в телевидении
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
8.1. Принципы формирования сигналов синхронизации. . . . . 221
8.2. Упрощенная схема синхрогенеретора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8.3. Метод цифрового формирования сигналов синхронизации
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
8.4. Формирование импульсов строчной развёртки . . . . . . . . 227
8.5. Формирование импульсов кадровой частоты. . . . . . . . . . . 231
8.6. Формирование СС и ГС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.7. Структурная схема синхрогенератора . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Глава 9. Принципы формирования сигналов телевизионных испытательных
изображений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9.1. Назначение сигналов испытательных изображений . . . . 242
9.2. Синтез испытательных изображений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
9.3. Принципиальные схемы датчиков ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
9.4. Формирование телевизионной испытательной таблицы 254
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
ЧАСТЬ IV.ПОВЫШЕНИЕИНФОРМАЦИОННОЙ ЁМКОСТИ
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Глава 10. Повышение информативности чёрно-белых изображений
в прикладном телевидении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
10.1. Цветовое контрастирование — наиболее эффективный
способ повышения информативности черно-белых изображений
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
10.2. Характеристики сигналов цветовых составляющих в
системах телевидения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
Стр.604
Оглавление
605
10.3. Принцип построения цветокодирующих устройств дискретного
типа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
10.4. Дополнительные способы повышения информативности
чёрно-белых изображений при цветовом контрастировании
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
Глава 11. Объёмное телевидение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
11.1. Основы стереотелевидения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
11.2. Многоракурсное телевидение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
11.3. Голография и телевидение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
ЧАСТЬ V. ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ
В ТЕЛЕВИДЕНИИ
Глава 12. Общие принципы преобразования аналогового видеосигнала
в цифровой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
12.1. Импульсно-кодовая модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
12.2. Обобщенная структурная схема тракта цифрового телевидения
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
12.3. Дискретизация телевизионного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . 329
12.4. Квантование телевизионного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
12.5. Цифровое кодирование телевизионного сигнала . . . . . . . 337
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
Глава 13. Принципы построения и анализа структур дискретизации
телевизионных изображения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
13.1. Анализ характеристик спектра ортогональных структур
квазипериодической дискретизации в системах телевидения
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
13.2. Принципы построения и анализа характеристик спектра
структур квазипериодической неравномерной дискретизации
телевизионных изображений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
13.3. Результаты анализа характеристик спектра структур
внутрикадровой дискретизации сигналов телевизионных
изображений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
13.4. Характеристики и параметры квазипериодической дискретизации
видеоинформации в ограниченной многомерной
зоне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
Глава 14. Основные элементы цифрового преобразования сигналов
изображения в аппаратуре сжатия цифрового
потока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
Стр.605
606
Оглавление
14.1. Применение элементов цифровой телевизионной аппаратуры
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
14.2. Формирование цифрового телевизионного сигнала . . . 384
14.3. Основные параметры и характеристики ЦАП . . . . . . . . . . 407
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
Глава 15. Принципы построения систем сжатия цифрового потока
сигналов изображения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
15.1. Формирователи цифровых телевизионных потоков . . . . 412
15.2. Структурная схема цифровой телевизионной системы . 414
15.3. Свойства телевизионного сигнала. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
15.4. Теоретические основы преобразования аналогового видеосигнала
в цифровой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
15.5. Структурная схема сжатия неподвижных изображений
по стандарту JPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
15.6. Кодирование видеоданных по стандарту MPEG . . . . . . . . 430
15.7. Достижимые степени сжатия на основе ДKП . . . . . . . . . . 441
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
Глава 16. Современные стандарты сжатия цифрового потока. . . . 444
16.1. Стандарт сжатия движущихся изображений MPEG-2 . . 444
16.2. Основные особенности метода кодирования H.264/AVC 462
16.3. Стандарт представления медиаобъектов MPEG-4. . . . . . 494
16.4. Мультимедийный стандарт MPEG-7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
16.5. Вейвлет-преобразование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
16.6. Векторное квантование. Фрактальное кодирование . . . 502
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
Глава 17. Энтропийное кодирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
17.1. Информация и энтропия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
17.2. Кодирование Хаффмана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
17.3. Арифметическое кодирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
17.4. Кодирование текстовых сообщений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
Глава 18. Относительные преобразования структуры многомерного
спектра изображения в системах цифрового телевидения
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
18.1. Фазо-временные преобразования пространственного
спектра сигналов изображений в системах телевидения 531
18.2. Амплитудные и амплитудно-частотные преобразования
характеристик сигналов изображений в системах телевидения
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
Стр.606
Оглавление
ЧАСТЬ VI. ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ ТВ ВЕЩАНИЯ
Глава 19. Передача телевизионного сигнала в цифровой форме по
каналу связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
19.1. Формирование потоков цифрового ТВ сигнала . . . . . . . . 548
19.2. Канальное кодирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
19.3. Цифровые способы модуляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568
Глава 20. Цифровое ТВ вещание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569
20.1. Развитие цифрового ТВ вещания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569
20.2. Система ATSC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569
20.3. Система DVB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
20.4. Система ISDB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
20.5. IP-телевидение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588
Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592
607
Стр.607