Про те, чим «цифра» відрізняється від аналогу, які є способи стиснення інформації і нащо це все потрібно українцям, – просто і дохідливо.

Українці – нарід дуже мирний і певною мірою лінивий. Це жодним чином не є образою, лише констатація факту. Аби змусити українця щось робити, йому недостатньо сказати «роби», йому потрібно пояснити, для чого він має то робити, ще й переконати, що йому це таки потрібно. Без урахування цієї ментальної риси багато реформ – навіть хороших – були приреченими на провал саме через оце «навіщо».

Впровадження цифрового мовлення, безперечно, обіцяє нам багато вигод. Проте не слід забувати, що це досить дорога забаганка. Вже сьогодні лунають цифри від одного до двох мільярдів доларів – це витрати лише на встановлення веж, мультиплексів, синхронізації всього цього хазяйства. А ще є витрати кінцевого споживача – глядача, якому щонайменше доведеться купувати цифровий тюнер для ПК чи set-top-box для звичайного телевізора, а може – і новий і досить недешевий телевізор. Природно, виникає питання: навіщо і заради чого?

Маючи юридичну освіту, я був змушений зануритися не в свій «ареал» – нетрища телевізійників, аби зрозуміти, що нас зрештою чекає і як це регулювати. Тому одразу перепрошую в професіоналів за можливі неточності. Якщо я в чомусь помилюся – ви завше зможете мене підправити.

Отже, спробуємо розібратися в ситуації, що складається в Європі і, зокрема, в Україні з «цифрою», з’ясувати, чим це нам загрожує і чого од нас вимагає.

Навіщо? 

Телебачення з’явилося в нашому житті понад століття тому, і, впевнено пройшовши шлях від чорно-білих оптико-механічних приймачів до надсучасних плазмових панелей, воно міцно утримує нас у своїх обіймах. Розвиток електронно-обчислювальної техніки дав можливість зі статичної картинки ведучого в кадрі зробити телебачення своєрідним явищем культури.

Велике розмаїття каналів та програм робить глядача більш вибагливим – він постійно потребує чогось нового. Тож почали з’являтися канали з певною спеціалізацією – спортивні, розважальні, релігійні, дитячі тощо. Але постає проблема: як це розмаїття донести до користувача, ще й із якісною картинкою? Для великих міст це простіше – існує достатня кількість кабельних операторів, які можуть донести до вас сигнал тієї телестанції, яку ви обираєте, а для більш вибагливих чи заможних давно працюють супутники.

Проте залишається досить значна кількість людей, що мешкають у менших містах, містечках, селищах, хуторах… Вести для них кабель складно хоча б через високу вартість обладнання, до того ж постає питання його охорони. Залишається або супутник, або ефір. Не секрет, що навіть за доступними для міста цінами встановити супутник у селі мало хто зможе. Тож залишається ефір. І тут з’ясовується, що його ресурс теж не гумовий і має чітко визначені межі, в які аж ніяк не можна втиснути більше каналів, ніж це технологічно можливо.

Особливість аналогового мовлення полягає в тому, що носієм інформації є хвиля, яка посилається з певною частотою і власне приймач зчитує цю хвилю. Такий спосіб передачі інформації дуже залежить від навколишнього середовища – рельєфу, висоти, магнітної активності землі тощо. І будь-яка перепона створює шум, тому глядачеві буває дуже важко налаштувати певний канал, а деякі – взагалі неможливо.

«Цифра» використовує принцип комп’ютерних мереж, де зображення перетворюється на систему нуликів та одиничок (двійковий код: коли є сигнал – це один, немає сигналу – нуль). Такий спосіб передачі набагато менше залежний від навколишнього середовища. Адже інформація подається пакетами і при певних перешкодах ви хіба що недоотримаєте якийсь пакет і побачите на екрані «квадратики» чи пропустите кілька кадрів.

Однак, це не єдина перевага «цифри». За рахунок пакетування «цифра» дозволяє не лише доставити вам якіснішу картинку, але й декілька таких картинок в одній частоті одночасно. Тобто, ви отримуєте не один, а 3-4 і більше каналів, залежно від ступеню стиснення. Тож головна проблема для держави і тема суперечок для експертів – який обрати формат(и) стиснення, щоби, з одного боку, каналів було багато, а з іншого – якість картинки не втратилася.

MPEG-ів буває багато…

«Телекритика» вже викладала порівняльну таблицю форматів MPEG 2 та MPEG 4, представлену Концерном РРТ. Інформація, безперечно, корисна, але для людей, не наближених до технічної справи, варто було б пояснити, що означають ці абревіатури та їхні цифрові позначення.

Отже, MPEG – абревіатура від англійського Motion Pictures Experts Group (Експертна група з рухомих зображень), утворена майже два десятиліття тому – 1988 року при міжнародній організації зі стандартизації ISO. (Для допитливих: її офіційна назва – ISO/IEC JTC1 SC29 WG11). Мета діяльності цієї групи очевидна – розробка стандартів кодування і стиснення аудіо- та відеоінформації.

Першим продуктом цієї групи став формат MPEG 1, який остаточно з’явився на світ 1993 року. Формат мав використовуватися у двох напрямах – для запису синхронізованих зображень і звукового супроводу (те, що ми називаємо відео) на носії CD-ROM, Video-CD і для передачі телевізійної картинки каналами з низькою пропускною здатністю. Максимальна швидкість відтворення відео з CD-ROM на той час складала 150 кілобайт на секунду (1х швидкість, ≈1,5 Мбіт/сек), а пропускна здатність каналів для передачі телевізійного сигналу – до 400 кілобайт на секунду (≈1-3 Мбіт/сек). Розмір записаної картинки складав 352х240 або 352х288 точок. Цей формат за якістю був близький до запису звичайних VHS-касет, проте займав значно менше простору. Водночас, за чіткістю картинка була в чотири рази слабшою, ніж телевізійна.

1994 року на зміну цьому формату приходить MPEG 2. Головна його відмінність у тому, що цей формат орієнтувався на швидкість запису від 250-ти кілобайт до 1,8 мегабайт на секунду, а на професійному обладнанні, як зазначають деякі джерела, ця цифра зростає до 6 МБ/сек. Більш того, MPEG 2 дозволив збільшити як кількість кадрів, так розмір і картинки (до 1920х1080 точок), що, звісно, покращило якість останньої. Цей формат і зробив можливим появу відео на DVD та, зрештою, появу повноцінного цифрового телебачення, зокрема і Hi-Definition TV (HDTV – телебачення високої чіткості), про яке поговоримо згодом.

MPEG 3 виявився мертвим форматом. Первинно мета його розробки полягала в обслуговуванні (стисненні/кодуванні) швидкісних каналів (2,5-5 МБ/сек), але вже під час розробки стало зрозуміло, що це завдання спокійно виконує формат MPEG 2. Тож MPEG 3 став просто його специфікацією. (Маю застерегти не плутати формати MP 3 та MPEG 3, адже всім відомий MP3 – різновид формату MPEG 1.)

MPEG 4 є одним із нових форматів і він помітно відрізняється від своїх попередників. Спочатку MPEG 4 планувався як стандарт для поширення каналами з низькою пропускною здатністю. До таких можна віднести модемний доступ до всесвітньої мережі, мобільний зв’язок тощо. Проте, з часом концепція формату суттєво змінилася. Наразі MPEG 4 встановлює принципи роботи з контентом (оцифрованою інформацією) для трьох галузей: інтерактивних мультимедіа (мультимедійні продукти, що поширюються в Інтернеті й на оптичних дисках), графічних додатків та цифрового телебачення.

Особливість цього формату в тому, що він є не лише стандартом, але й дозволяє в майбутньому організовувати об’єктно-орієнтоване середовище. Це означає, що формат працює з будь-якими об’єктами – не лише з відео та аудіо, але й із текстом, графікою, в тому числі тривимірною. Більш того, ці об’єкти можуть бути як «природними» – відзнятими чи сканованими, так і штучно зґенерованими.

На практиці це можна пояснити так: на екрані в реальному часі транслюється відео, там зображено людину на пляжі біля дерева, яке змінює свою форму і породу, хоча на справді людина стоїть перед камерою на фоні звичайнісінької стіни. Ще один приклад, який більше зацікавить глядача, – це можливість вибору мови фільму (за аналогією з DVD) або вибору камери під час трансляції програм чи спортивних подій. У майбутньому це може надати глядачеві можливості втручатися у сцени – вибирати варіанти розгортання подій, додавати своїх персонажів тощо (звичайно, якщо це передбачатиметься розробниками контенту). Такі ефекти досягаються завдяки тому, що цей формат не лише кодує зображення, але й містить інтегровану мову програмування для опису сцен, об’єктів та їх класів, що фактично зводить комп’ютер і телебачення в одне русло. Отже, якщо сказати коротко: MPEG 4 – це інтерактивне телебачення.

Наступним після MPEG 4 став формат MPEG 7 (цифра 7 позначає не порядковий числівник, а суму 3 і 4 – попередніх двох форматів), або, як його ще називають, MCDI – Media Content Description Interface (формат опису аудіо- й відеоінформації). Цей специфічний формат призначений для опису інформації, поданої в будь-якому вигляді – чи то в аналоговому, чи в цифровому – і не залежить від середовища передачі даних. Формат має багаторівневу ієрархічну структуру, де містяться певні групи даних – властивості самого файлу, особливості інформації, що піддається обробці тощо. Формат цікавий тим, що він сам визначає тип інформації, котра піддається стисненню, і стискає за алгоритмами MPEG 1, 2 або 4.

MPEG 7 – це формат, призначений для Інтернету. Він дозволяє користувачам шукати позатекстові дані – музику, відео, графіку тощо. Достатньо буде зіграти декілька нот, намалювати (чи надати) фрагмент зображення або подати кілька рухомих об’єктів і вектори їх руху – і відповідну анімацію чи музику буде знайдено.

Найновішим форматом є MPEG 21, він ще має назву Multimedia Framework (система засобів мультимедіа). Цей формат має на меті уніфікувати MPEG 4 та MPEG 7.

Кодування

Так чи інакше, але загальний принцип кодування MPEG-ів спільний для всіх його версій. Аналоговий сигнал, який ми отримуємо з ефіру або проглядаємо на системі домашнього відео (VHS), має вигляд, котрий умовно можна уявити як неперервну хвилю (згадаємо, приміром, синусоїду). Його головна характеристика – неперервність часу. На практиці це можна зобразити плавним рухом будь-якого об’єкту.

Щоби перетворити цей сигнал на цифровий, треба зробити декілька кроків. Перший крок – це так звана дискретизація – процес розбивки часової хвилі на велику кількість малих відтинків. Для зрозумілості можна порівняти цей процес із малюванням олівцем кадрів для мультфільму, де кожний наступний малюнок мінімально відрізняється від попереднього, наприклад, зміною положення руки на 1 мм. При перегляді послідовних знімків із певною швидкістю ми, звісно, побачимо рух.

Другий крок – це квантування – перетворення аналогового зображення на цифрове. Простіше кажучи, йдеться про описування зображення і перетворення його на піксельне (точкове) відображення. Для наочності – дивіться мал. 1

Що дрібніші «квадрати»-точки – то більше зображення (як за розміром, так і за обсягом). Однак, уявімо, що ми розбили відео тривалістю годину з кількістю умовних кадрів 25 на секунду (за умови, що один такий кадр може важити, скажімо, 1 Мб). У такому випадку ми отримаємо 25х1х60х60 = 9000 Мб = 9 Гб. На момент розробки MPEG 1 такі обсяги мали хіба що надпотужні комп’ютери. Єдиним доступним носієм великого обсягу був CD-ROM, який уже з’явився на той час. Але для такого відео знадобилося би 12 подібних дисків. Це багато – як за ціною носія, так і за їх розміром (очевидно, що це більше, ніж одна VHS-касета). Тож таке оцифрування не мало би сенсу – так виникла необхідність стискати зображення.

Для початку відео розбивається на групи приблизно по 10 кадрів. Повністю буде записаний лише один кадр із групи – I-кадр (Intra). Далі аналізується відмінність наступних кадрів із ним. Кожен кадр розбивається на блоки, ті з них, що містять відмінність із відповідними блоками попереднього кадру, записуються, решта ж блоків (інформація в яких повторюється) знищується. Так утворюється P-кадр (Predictive). Третій вид кадрів – B-кадри (Bidirectional), вони порівнюються як із I-, так і з P-кадрами і містять лише найдрібніші відмінності.

Таким чином, I-кадри майже не стискаються, тоді як P-кадри становлять третину від обсягу І-кадру, а В-кадри – їх восьму частину. При використанні лише комбінації I- та P-кадрів обсяг інформації може зменшитися вдвічі, а з використанням B-кадрів – у чотири рази. На збільшення компресії впливають ще два фактори – це явище внутрішньокадрового стиснення, коли зменшується розширення по вертикалі та горизонталі, в тому числі з усередненням кольорів, і прибирання зайвих кадрів (непомітних для глядача).  При високій компресії зображення буде приблизно таким:

мал.2, стоп-кадр із кліпу, закодованого MPEG 4, кордони блоків зумисне акцентовано

Між тим, вилучення кадрів, зрозуміло, впливає на мерехтіння зображення, адже що більше кадрів – то м’якші й плавніші рухи, що менше кадрів – то вони різкіші.

Зупинимося на цьому і підсумуємо: різниця між стандартами MPEG 1 та MPEG 2 полягає у вдосконаленому алгоритмі квантування і кодування. Зокрема, вада MPEG 1 була помітна саме в кодуванні руху, адже квантування поширювалося на весь кадр і різна швидкість рухів не враховувалася, усереднювалася.

У форматі MPEG 2 цю проблему було вирішено застосуванням різного кодування для динамічної та статичної картинки. Більш того, MPEG 2 дозволив робити більші відстані між І-кадрами завдяки використанню нових алгоритмів, а отже – застосовувати більшу кількість P- та B-кадрів. Також було використано різні типи блоків, на які розбивається кадр, – 8х8 пікселів (як у MPEG 1), 16х16 та 16х8. І, насамкінець, у MPEG 2 застосовуються різноманітні алгоритми компресії щодо кодування різних частин кадру.

Аналог versus «цифра»

Аналогове мовлення здійснюється вже близько півстоліття в усьому світі. Система аналогового телебачення відносно проста: сигнал, а точніше електричний аналог зображення, передається зі студії до певного передавального пристрою, розміщеного на антені, а вже звідти посилається ефірним шляхом. Глядач ловить цей сигнал на свою антену-приймач і за допомогою телевізора перетворює його на картинку. Як уже зазначалося, аналоговий сигнал є безперервним у часі, що дозволяє передавати плавне, цілісне зображення. Проте, він є не надто захищеним – на кожній ділянці передачі сигналу він зазнає різноманітних небажаних впливів, які можуть бути спричинені як природними явищами, так і ввімкненими приладами – їх може зчинити навіть тролейбус, що проїздить повз ваші вікна, або ввімкнена мікрохвильова піч.

Аналогове мовлення провадиться у трьох стандартах – PAL, SECAM, NTSC. Ці стандарти встановлюють основні параметри мовлення: телевізійна розвертка (формат і частота зміни кадрів, спосіб упорядкування та кількість рядків тощо), параметри радіосигналів, характеристика телеприймача, яскравість, спосіб модуляції та інші параметри.

Першими (на початку 50-х років ХХ ст.) свій стандарт створили США – це був NTSC – National Television System Committee (Національний комітет телевізійних систем, англ.). Проте через високу вартість приймачів, що підтримували цей стандарт, та складність їх налаштування (що потребувало, у свою чергу, витрат на постійний сервісний супровід) впровадження NTSC тривало ціле десятиліття.

Позитивом стандарту, безперечно, є високий рівень захисту від сторонніх впливів та висока чіткість кольорів. Водночас, вадою NTSC є певне спотворення кольорів на яскравих і темних ділянках однорідної заливки.

Другим було розроблено стандарт SECAM – Sequential Coluleur avec memorie (Система передачі кольору з пам’яттю, фр.). На його появу вплинули кілька факторів: по-перше, холодна війна унеможливлювала обмін новаторськими ідеями між головними ворогами – СРСР і США; а по-друге, стандарт NTSC не був ідеальним і потребував удосконалення. 1961 року французький інженер Анрі де Франс розробив SECAM, але тільки 1967 року, після численних доробок, його було впроваджено в СРСР. Утім, попри сподівання, стандарт не вирішив проблему з кольорами, зате характеризувався серйозним захистом від сторонніх впливів.

Лише система PAL – Phase Alternation Line (Чергування фази по стрічках), розроблена німецькою фірмою Telefunken, дозволила вільно відтворювати оптимальні кольори й тіні телевізійного зображення і, головне, забезпечила чудову сумісність із чорно-білими передавачами. PAL став настільки зручним і вдалим стандартом, що почав застосовуватися в багатьох країнах світу.

Утім, подальше вдосконалення аналогових стандартів не могло призвести до суттєвих змін. Тут і виникала потреба у цифровому телебаченні.

На відміну від аналогу, «цифра» незалежніша під сторонніх небажаних впливів, адже перед відправленням в ефір зображення перетворюється на групу цифрових пакетів, які потім розпаковуються декодером і відтворюється в первинному вигляді. Крім того, така інформація піддається стисненню, що зменшує її обсяги і навантаження на канал, а отже – звільнює місце для інших. Стиснення може бути простим, як, до прикладу, зменшення кількості інформації про кольори шляхом групування сусідніх однорідних пікселів (легше написати: 10 пікселів кольору 54:80:70 – червоний, аніж десять разів написати 54:80:70). Про складне стиснення йдеться, коли застосовуються складні математичні рівняння й алгоритми. Саме ці алгоритми й описують стандарти MPEG 2 та MPEG 4. 

Нарешті про «цифру»

Через низку різноманітних обставин цифрове мовлення, так само як аналогове, має декілька стандартів: ATSC, ISDB, OpenCable та DVB. Останнє і буде впроваджуватися в Україні, але про це трохи згодом.

ATSC, або Advanced Television System Committee (Комітет вдосконалених телевізійних систем) – міжнародна некомерційна організація, котра з 1982 року розробляє стандарти до передових телевізійних систем. Наприкінці 1996 року Федеральна комісія зі зв’язку США ухвалила новий стандарт цифрового мовлення ATSC DVT. Протягом двох років цей стандарт ухвалила Канада, Південна Корея та Аргентина, згодом і Мексика. Сам стандарт розроблявся для заміни аналогового NTSC. Остаточний перехід США на «цифру» планується на 2009 рік.

Специфікація стандарту ATSC уможливлює декілька видів мовлення: HDTV (hi-definition TV – телебачення високої чіткості), SDTV (standard definition TV – телебачення стандартного розширення), EDTV (enhanced definition TV – телебачення покращеної чіткості), а також багатоканальний звук та інтерактивні послуги.

Максимальні параметри зображення, передбачені стандартом ATSC, такі: розширення 1920х1080 пікселів при використанні широкоформатного екрану зі співвідношенням сторін 16:9 та стисненні за допомогою MPEG 2.

ISDB, або Integrated Services Digital Broadcasting (Комплексні послуги цифрового мовлення) – стандарт цифрового мовлення, розроблений у Японії. За винятком декількох особливостей, він є аналогом ATSC, тож причина його появи – радше певні історичні обставини та технічні можливості.

Перш за все, особливість ISDB полягає в інтегрованій системі керування авторськими правами, яка унеможливлює несанкціоноване тиражування програм піратами. Крім того, вся інформація, що передається за допомогою ISDB, обов’язково шифрується – незалежно від режиму доступу до неї. Стандарт не підтримує телебачення покращеної чіткості EDTV, однак підтримує кодування у форматі MPEG 4. І насамкінець ще одна важлива особливість цього стандарту: він цілковито підтримує прийом сигналу в об’єктах, що рухаються на швидкості до 100 км/год. Це важлива відмінність, адже ATSC цю можливість не підтримує. (Може, й недаремно?)

Описувати OpenCable немає сенсу, адже цей стандарт орієнтований виключно на кабельне телебачення.

Останнім розглянемо стандарт DVB, або Digital Video Broadcasting (дослівно – Цифрове відеомовлення). Я не випадково залишив його на кінець, адже DVB визначено як стандарт, за яким здійснюватиметься мовлення в першому регіоні – Європа, Африка та Росія (загалом міжнародний союз електрозв’язку – ITU – поділив світ на три регіони). DVB Project – міжнародна організація, що займається розробкою стандартів у галузі цифрового відеомовлення для Європи (цифрове радіомовлення має власний стандарт T-DAB).

Стандарт DVB має багато підстандартів (протоколів передачі):

• – DVB-С, стандарт кабельного мовлення;
• – DVB-Т, стандарт ефірного мовлення;
• – DVB-S(S2), стандарт супутникового мовлення;
• – DVB-H, «оновлений» стандарт DVB-Т для мобільних пристроїв;
• – DVB-M, стандарт для вимірювання сигналів DVB-Т/S/С;
• – DVB-MHP, стандарт «мультимедійна домашня платформа».

Окрім цього, DVB описує мультиплексування (пакування каналів в один сигнал), кодування (DVB-MPEG), інтерактивність, субтитри, інтерфейси, інтернет-протоколи, умовний доступ.

Найбільше нас цікавлять стандарти DVB-Т та DVB-H.

DVB-Т, стандарт ефірного мовлення в діапазоні дециметрових хвиль був ухвалений 1996 року – на два роки пізніше стандартів для кабельного та супутникового мовлення. Така затримка виникла через пошук надійних технічних рішень, які б дозволяли, зокрема, знизити вартість обладнання. Основна проблема при розробці цифрового стандарту криється у небажаних впливах та шумах, зумовлених багатопроменевим прийомом (переважно в містах із багаторівневою забудовою) через відлуння сигналу від будинків та споруд. Проблему було вирішено завдяки використанню гостроспрямованих антен та спеціальному методу кодування, де цифровий потік розбивається на декілька потоків, які подаються паралельно. (Для аналогії: такий принцип використовують програми, що допомагають скачувати файли з Інтернету.) Стиснення в DVB-Т відбувається з використанням MPEG 2.

СтандартDVB-Н було ухвалено Європейською асоціацією телекомунікаційних систем у 2004 році як основний стандарт для мобільних сервісів. Особливість цього формату полягає в його призначенні: по-перше, мобільні пристрої не потребують великих розширень, їм достатньо розширення 320х240. По-друге, сигнал, що надсилається користувачеві, не є постійним – зображення завантажується пакетами і відтворюється з буферу, що дозволяє економити заряд акумуляторів. Крім того, сигнал DVB-Н може використовуватися в загальному потоці DVB-Т, що дозволяє зекономити частотний ресурс.

Завершуючи тему різноманітних форматів, слід згадати про HDTV (телебачення високої чіткості), та SDTV (телебачення стандартного розширення) .

HDTV, або телебачення високої чіткості – це найбільш передова технологія в цифровому мовленні. Характеристики HDTV дійсно вражають: 1920х1080 пікселів (а нинішній аналог та експериментальна «цифра» дають 720×480 / 720×576), широкоформатне зображення зі співвідношенням 16:9 та об’ємний звук. Головна перевага HDTV – можливість дивитися чітку картинку на екранах із великою діагоналлю. HDTV, закодований за допомогою MPEG 2, орієнтований на канал із пропускною 25 Мбіт/сек, що фактично може повністю зайняти одну частоту.

SDTV, або просто SD, характеризує якість передачі сигналу, аналогічну аналоговим форматам NTSC/PAL/SECAM. Ця система має низку обмежень, зокрема в розширенні – 720×480 / 720×576 пікселів. Крім того, ця система підтримує традиційне співвідношення екрану 4:3, що характерно для звичайного телебачення.

Частина друга