Плис FPGA и перспективы развития телевидения

В статье изложены взгляды специали­стов на перспективы развития теле­видения высокой четкости и SD-телеви­дения. Показаны преимущества примене­ния ПЛИС компании Xilinx в телеви­зионном оборудовании.

За последние 10 лет электронная промышлен­ность выпустила большое число плоскопанель­ных телевизоров, вытеснив с рынка телевизоры с электронно-лучевыми трубками и проекционные телевизоры. Уходит в прошлое и аналоговое теле­видение. Новые телевизионные технологии раз­виваются стремительными темпами. Однако, чтобы потребители в полной мере ощутили пре­имущества этих технологий, необходимо слож­ное оборудование, позволяющее радиовещатель­ным компаниям и киностудиям передавать изоб­ражение в новом формате на домашний телевизор или кинотеатр, а в скором времени – и на телеви­зионный приемник в кармане или автомобиле.

Компании, выпускающие оборудование для радиовещания и киноиндустрии, уже давно используют ПЛИС FPGA компании Xilinx как основные компоненты в большинстве выпус­каемых ими изделий – от телекамер высшего класса до студийных и передающих комплек­сов. Применение ПЛИС FPGA облегчает повсе­местный переход к телевидению формата 1080p. Появляется также оборудование для 3Э-телевидения на основе FPGA, позволяющее передавать трехмерное изображение невысо­кого качества на экран небольшого формата. При исследовании рынка телевизионного обо­рудования обнаружился заметный рост ис­пользования в нем ПЛИС FPGA.

ОТ ТЕЛЕСТУДИИ ДО ТЕЛЕЭКРАНА

Телевещание – одна из тех сфер деятельно­сти, конечный результат которой виден почти всем, но мало кто представляет, насколько сложное оборудование используется для этого и сколь велики затраты сил и средств для вы­пуска телепередач. Продукция компаний, выпускающих телевизионное оборудование, от­личается высокой сложностью и стоимостью, однако объемы ее выпуска невелики.

Кинорынок первым осваивает новые техно­логии, но телерадиовещательные компании де­лают это быстрее, реагируя на требование повы­шения качества вещания. Тот, кто впервые по­падет на телестудию, будет поражен огромным количеством оборудования и километрами ка­белей, покрывающих почти всю площадь по­толков и стен. Поразительно, сколь сложные технологии используются для выпуска телеви­зионных программ. Например, во время переда­чи новостей с места событий репортер говорит в микрофон, глядя в цифровую видеокамеру. От нее видеосигнал передается по кабелю или ра­диоканалу в ПРТС – передвижную репортаж­ную телевизионную станцию. В ней установле­но оборудование, позволяющее сжимать видео­сигнал и передавать его (непосредственно или в записи) на телецентр или – через спутниковый канал связи – в аппаратно-студийный блок.

В свою очередь, сложное оборудование теле­центра используется для приема видеоинфор­мации с мест событий, записи телепрограмм и передачи видеосигнала на оборудование для микширования и редактирования. После этого видеосигнал, дополненный экранным текстом и другими атрибутами, передается в эфир.

Создание широковещательного канала пе­редачи телевизионного сигнала, особенно для передачи репортажей с мест событий, требует наличия большого числа широкополосных оп­товолоконных и спутниковых каналов связи, а также современного оборудования для редак­тирования и хранения информации. Оборудо­вание должно быть чрезвычайно надежным, так как оно предназначено для непрерывной работы, при которой потеря даже одного байта информации недопустима.

Высокие требования к пропускной способ­ности, гибкости и надежности обусловили вы­бор ПЛИС FPGA как наиболее предпочтитель­ных компонентов при разработке телевизион­ного оборудования (см. рисунок).

От передающих телекамер, оборудования ПРТС, студийного оборудования для редактиро­вания (коммутаторов, маршрутизаторов и др.) до аппаратуры для хранения, сжатия и переда­чи видеосигнала – всюду ПЛИС FPGA компании Xilinx играют важную роль. В телевизионной индустрии ПЛИС FPGA давно пришли на смену специализированным ИМС и в настоящее время являются доминирующими на рынке. Разработ­ка специализированных процессоров для обра­ботки сигнала связана с большими расходами, к тому же их производительность недостаточна для удержания позиций на рынке.

Поскольку через несколько лет объем аппара­туры для телевидения стандарта 1080p, а также для трехмерного и мобильного телевидения су­щественно возрастет, в стандарты на телевизион­ное оборудование будут включены требования еще большей производительности, надежности и, в особенности, гибкости. Соответственно увеличится и применение ПЛИС FPGA. Поэтому компания Xilinx разработала стратегию созда­ния платформы (Targeted Design Platform) для оказания помощи разработчикам в применении ПЛИС FPGA семейств Virtex^®-6 и Spartan^®-6. Ис­пользуя эту платформу, инженеры будут избав­лены от рутинной работы при разработке изде­лия и смогут больше внимания уделить расши­рению его функциональных возможностей.

Компания Xilinx предлагает ряд платформ, предназначенных для создания современного оборудования, обеспечивающего обмен видео-, аудио- и цифровой информацией, высококаче­ственную обработку видеосигнала в реальном времени, его кодирование и передачу.

Области применения ПЛИС FPGA компании Xilinx в телевизионном оборудовании

ОСНОВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ ТЕЛЕВИДЕНИЯ – ПЕРЕХОД К СТАНДАРТУ 1080р

Наблюдаемый сегодня бурный рост телеви­зионной индустрии обусловлен, в частности, тем, что за последние 25 лет появилось много стандартов, подготовивших почву для перехо­да к цифровому телевидению. Это позволило разрабатывать и выпускать новые типы аудио- и телевизионного оборудования.

В настоящее время большинство телеви­зионных компаний, обновляя существующиестудии или создавая новые, оснащает их обо­рудованием с пропускной способностью 3 Гбит/с, обеспечивая возможность беспровод­ной передачи видеосигнала стандарта 1080p.

Около восьми лет назад, когда телевидение высокой четкости (ТВЧ) лишь появилось в пер­спективных планах телевизионных компаний, некоторые телеканалы, такие как ESPN (Enter­tainment and Sports Programming Network), сделали решительный шаг вперед, установив передающее оборудование стоимостью миллион долларов и обустроив цифровые студии для ТВЧ стандарта 720p. В то время большинство телеканалов еще довольно долго воздержива­лись от модернизации своего оборудования.

Отчасти благодаря мерам, принятым прави­тельствами стран Северной Америки, а позд­нее и других регионов, наблюдается массовый переход к цифровому телевидению. Многие компании обновляют свои студии в расчете на ТВЧ стандарта 1080p, минуя стандарт 720p.

Для передачи видеосигнала стандарта 720p пропускная способность канала должна быть не менее 1.5 Гбит/с, в то время как для видео­сигнала стандарта 1080p при 60 кадрах в се­кунду — вдвое больше (около 3 Гбит/с). Объем передаваемых данных также удваивается.

Многие потребители широко используют термин «высокая четкость». Однако они не ви­дят большого различия в разрешающей способ­ности телевизионных сигналов стандартов 720p и 1080p, хотя по сложности оборудование, необходимое для передачи сигналов этих фор­матов, имеет довольно существенные отличия.

В последние годы наблюдается активный процесс модернизации оборудования телеви­зионных компаний с целью перехода к телеви­дению высокой четкости. Компании устанав­ливают цифровое передающее оборудование, обеспечивающее возможность передачи боль­ших объемов данных со скоростью 3 Гбит/с, что требует больших капиталовложений. Толчком, побудившим телекомпании начать модернизацию, явился рост потребительского спроса на телевизоры стандарта 1080р благо­даря тому, что цена на них несколько снизи­лась. Кроме того, сократилось производство оборудования, соответствующего более ран­ним стандартам.

В оборудовании для телевидения стандарта 1080p используется новый стандарт кодирования H.264/MPEG-4, хотя поддерживается и стандарт MPEG-2, а также более ранние стан­дарты. Кодек H.264/MPEG-4 совместим с тех­нологиями Blu-ray и потокового видео высокого качества. Как принято в новых стандартах, H.264/AVC состоит из нескольких частей. Его разработка в основном завершена, хотя продол­жается выпуск новых дополнений, таких как SVC-кодек (Scalable Video Codec) для масштаби­руемого видео и MVC-кодек (Multi-Viewer Codec) для демонстрации трехмерного изобра­жения одновременно нескольким зрителям.

Компании, выпускающие кодеки, часто вно­сят в них изменения для улучшения качества изображения, поэтому ПЛИС FPGA были и останутся лучшим выбором для этого рынка. Изменения стандартов влекут за собой модерни­зацию большей части эксплуатируемого обору­дования. Компания Xilinx имеет ряд наработок, которые она предлагает потребителям для об­легчения и ускорения модернизации их обору­дования, развернутого на месте эксплуатации.

Пока еще нет единого мнения о том, когда спрос на оборудование для телевидения стан­дарта 1080p достигнет максимума, а также о том, какой стандарт станет наиболее популяр­ным. Наличие оборудования с пропускной спо­собностью 3 Гбит/с позволит потребителям принимать телевизионный сигнал на мобиль­ные устройства, а также на аппаратуру, уста­новленную в автомобилях.

Качество мобильного телевидения сегодня нельзя назвать хорошим, но с повышением скорости передачи данных оно должно улуч­шиться. Со временем, когда вычислительная мощность и пропускная способность портатив­ных устройств увеличатся, станет возможным прием телепередач достаточно хорошего каче­ства на ноутбуки.

3D-ТЕЛЕВИДЕНИЕ

Кроме телевидения стандарта 1080p про­изводители также начали выпуск оборудова­ния для BD-телевидения. Ранее делались по­пытки передачи трехмерных изображений, од­нако их четкость была невысокой. Вскоре изображение высокого качества, которое сего­дня можно увидеть лишь в кинотеатрах, мож­но будет принимать и дома.

В этом году на выставке бытовой электрони­ки в Лас-Вегасе (США) несколько компаний демонстрировали 3Э-телепередачи. Для про­смотра некоторых из них требовались специ­альные очки, другие можно было смотреть не­вооруженным глазом.

По мере развития трехмерного телевиде­ния телекомпании смогут предложить потре­бителям еще больший комплекс услуг: паке­ты программ кабельного или спутникового ТВЧ или 3Э-телевидения, а также “видео по запросу”. Появится возможность смотреть в трехмерном варианте не только фильмы, но и футбольные матчи и другие передачи. Напри­мер, некоторые телекомпании Великобрита­нии уже начали подготовку оборудования для трансляции репортажей с Чемпионата мира по футболу 2010 г. в трехмерном варианте (www.televisionbroadcast.com/article/93870).

Для широкого внедрения 3Э-телевидения промышленность должна наладить выпуск ко­деков стандарта Н.264, а также MVC-кодеков, что позволит обрабатывать сигналы стереови­деокамер с расширенной полосой частот. Соот­ветственно должны быть расширены функцио­нальные возможности и пропускная способ­ность студийного оборудования. Оно должно будет обрабатывать одновременно, как мини­мум, два телевизионных сигнала: обычный и трехмерный. В некоторых случаях телекана­лы будут использовать дополнительную про­цедуру редактирования, чтобы преобразовать обычный видеосигнал в трехмерный. Это мож­но сделать и более сложным способом: запи­сать телепрограмму с помощью стереокамер, как это делали на киностудиях уже многие годы и как сделал Джеймс Камерон при съем­ке своего блокбастера «Аватар», а затем обра­ботать полученную информацию, сгенериро­вав из нее видеосигнал ТВЧ.

Большая часть 3Э-технологий не была апро­бирована в полной мере. Остается ряд вопросов, например, будет ли достаточно четким 3Э-изоб- ражение, которое можно смотреть невооружен­ным глазом, и будет ли желание у зрителей на­девать трехмерные очки. Однако большинство специалистов полагает, что 3Э-телевидение бу­дет прогрессировать довольно быстро после того, как рынок определит, какая из техноло­гий получит дальнейшее развитие.

Многие еще не забыли то время, когда они смотрели стереофильм, надев картонные очки. Новая технология значительно лучше, чем предшествующая. При этом она может исполь­зоваться и для трансляции спортивных пере­дач. Примечательно, что для BD-телевидения может быть использована большая часть ин­фраструктуры, предназначенной для ТВЧ. По­этому, если для развития ТВЧ понадобилась четверть века, то можно ожидать, что BD-теле­видение будет развиваться значительно бы­стрее.

Лидерами рынка BD-телевидения, скорее всего, станут DVD-плееры «Blu-ray», позво­ляющие воспроизводить фильмы, записанные на киностудиях. Через некоторое время BD-те­левидение придет в наш дом и доставит огром­ное удовольствие от просмотра спортивных и других передач в трехмерном варианте.

ЧТО ДАЛЕЕ?

У кого-либо может возникнуть мысль, что с повсеместным развитием телевидения стан­дарта 1080p и BD-технологии, широко распро­страненной в кино и быстро завоевывающей телевидение, темп развития технологии веща­ния начнет замедляться. Скорее всего, это не произойдет. Уже сегодня компании демон­стрируют передающие камеры “ультра-ТВЧ”, фиксирующие изображения с поразительной разрешающей способностью: 7680×4320 пик­селов, в 16 раз большей, чем в нынешнем ТВЧ.

Если будет обеспечена возможность переда­чи сигнала “ультра-ТВЧ”, то, вероятно, теле­видение или кино ожидают значительные пе­ремены. Откроется возможность передачи го­лографических изображений. Представьте, что в скором времени Вы сможете смотреть спортивный репортаж в голографическом ва­рианте, где будет виден каждый угол ринга. При зуммировании изображения качество ви­деосигнала будет соответствовать, как мини­мум, стандарту 1080p, т.е. будет таким же, как на телевизорах высокой четкости. И тогда, возможно, на месте обычного телевизора по­явится голографический проектор на основе ПЛИС FPGA компании Xilinx.

Дополнительную информацию о платфор­мах для разработки аппаратуры теле- и ра­диовещания можно получить в сети Интер­нет по адресу: www.xilinx.com/broadcast или в фирме VD MAIS — эксклюзивном партнере компании Silica AN Avnet по продукции Xilinx в Украине.