Содержание к диссертации
Список основных сокращений 5
ВВЕДЕНИЕ 7
1. Современное состояние технологического процесса формирования и
распространения телерадиопрограмм с позиций контроля их
технического качества 18
Эволюция объектов контроля качества телерадиопродукции в новейший период развития отрасли 18
Современное состояние средств и методов контроля качества телерадиопродукции 23
1.2.1. Степень соответствия основных методов контроля
качества телерадиопродукции современной ситуации 23
Соответствие основных методов контроля качества современным формам представления аудиовизуальной информации в трактах формирования и распространения программ .... 23
Экологические факторы риска в телерадиовещании и состояние методов их контроля 33
1.2.2. Влияние организационных и экономических факторов на
реальное состояние и эффективность контроля качества
телерадиопродукции 41
Внешний контроль качества 41
Внутренний контроль качества 43
1.3. Выводы 47
2. Определение требований к системной оптимизации технологии
контроля качества телерадиопродукции 49
Схема обработки данных в системе управления техническим качеством телерадиопродукции 49
Разработка общих требований к системной оптимизации алгоритма контроля качества телерадиопродукции 52
Оптимизация структуры тестовых данных для измерений параметров звуковых трактов 65
Оптимизация методов измерений видеопараметров телевизионного тракта 82
Оптимизация структуры тестовых данных для измерений параметров видеотрактов 91
Моделирование применения размывающей насадки (dither) в методе УТФ 101
Выводы ПО
3. Разработка оптимизированных методов обработки и диагностики
аудиовизуальной информации в производстве и распространении
телерадиопрограмм 113
3.1. Разработка программного комплекса измерений параметров
звуковых трактов 113
3.2 Разработка программного комплекса измерений параметров
качества изображения в трактах формирования и передачи
телевизионных программ 119
Метод оценки качества и идентичности цветопередачи телевизионных камер 119
Метод измерения основных параметров кодера СЕКАМ .. 124
Метод определения основных параметров видеотрактов .. 134
3.3 Оценка влияния цифровой компрессии видеосигналов на
точность измерения видеопараметров методом УТФ 138
Разработка, оптимизация и внедрение метода дистанционной диагностики трактов формирования и передачи телерадиопрограмм 146
Трансформация, визуализация и анализ параметров качества изображения на основе компьютерных методов обработки информации 150
Разработка алгоритмов применения программ анализа и обработки звуковых сигналов для визуализации и анализа параметров качества изображения 150
Анализ периодичности статистических параметров в динамических телевизионных изображениях с цифровой компрессией 162
3.6. Выводы 169
4. Разработка и исследования устройств формирования и анализа
информации в комплексах телерадиовещания 172
4.1. Оптимизация компонентов тракта записи-воспроизведения
сигналов магнитной видеозаписи 172
Анализ и оптимизация эффективности магнитных видеоголовок наклонно-строчной видеозаписи 173
Измерение эффективной ширины субмикронных рабочих зазоров видеоголовок 179
Анализ и оптимизация эффективности малошумящих усилителей воспроизведения сигналов видеозаписи 185
4.1.3.1 Шумовые свойства усилителя воспроизведения
на полевых транзисторах 185
4.1.3.2 Оптимизация усилителя воспроизведения
видеомагнитофона на биполярных транзисторах 196
Расчет основных механических параметров видеоголовок автотрекинга 201
Внедрение наклонно-строчной видеозаписи 211
Диагностика современного состояния проблемы временного рассогласования изображения и звука в трактах формирования и передачи ТВ программ и разработка устройства для его измерений 214
Выводы 220
5. Разработка системного подхода к обеспечению гарантированного
качества предъявления телерадиопродукции 223
Разработка базового алгоритма проблемно-ориентированной диагностики состояния технической базы производства телерадиопродукции 223
Актуализация элементов нормативно-технической базы телерадиовещания 226
Отражение вопросов качества аудиовизуальной информации в новых стандартах цифрового телевещания 233
Выводы 243
6. Разработка перспективных методов диагностики и обработки
аудиовизуальной информации телевизионного вещания 245
6.1 Поиск путей и разработка методов предотвращения негативного
воздействия параметров ТВ изображения на зрителя 245
Разработка критериев принятия решений для коррекции экологических факторов риска телевизионного изображения 245
Разработка аппаратно-программных средств для выявления и коррекции экологических факторов риска и видеодефектов 250
6.2 Исследование путей повышения эффективности субъективных
испытаний качества ТВ изображения 257
6.2.1 Возможность повышения точности сравнений при
субъективной оценке качества 257
6.2.2 Сравнительная чувствительность зрительного
анализатора к основным характеристикам ТВ
изображений в зависимости от методов тестирования ... 261
Способ отображения сигналов телевизионного изображения в приемнике ТВЧ 264
Цифровое звуковое сопровождение в системе ЦТ СЕКАМ 271
Выводы 278
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 281
Библиографический список 284
Приложения
Список основных сокращений
АТ-факторы
ВГТРК
изсдк
кни кчм
мвг мко
пткс
аппаратно-студийный комплекс
автотрекинг
артитехногенные факторы
амплитудно-частотная характеристика
биморфный пьезоэлектрический преобразователь
видеоголовка
Всероссийская государственная телерадиокомпания
видеомагнитофон
генератор качающейся частоты
генератор стандартных сигналов
генератор шума
генератор цветных полос
допустимое качество
дифференциальное усиление
дифференциальная фаза
звуковая станция
изображение и звуковое сопровождение (телевидения)
изображение и звуковое сопровождение допустимого
измерительная установка
контрольная видеокассета
контрольно- измерительная аппаратура
коэффициент нелинейных искажений
критическая частота мельканий
контрольная фонограмма
метод ветвей и границ локального поиска
Международная комиссия по освещению
междугородняя телевизионная аппаратная
нормативная документация
отдел технического контроля
параметры сложноструктурированности изображения
пьезопластина
полевой транзистор
передвижная телевизионная контрольная станция
передвижная телевизионная станция
пространственно-частотная характеристика
сккт
СУТКТ РТПЦ
с/ш
твсл
ТПр ТРВ ТРК ТРИ
тсч ттц
расхождение во времени сигналов яркости и цветности
ретрансляционная телевизионная станция
различие усиления сигналов яркости и цветности
система контроля качества тракта
средства массовой информации
станция нелинейного монтажа
система управления техническим качеством
радиотелевизионный передающий центр
отношение сигнал/шум
телевизионные
телевидение высокой четкости
телевизионная соединительная линия
телевизионный журналистский комплект
телевизионный приемник
телерадиовещание
телерадиокомпания
телевизионный радиопередатчик
телевидение стандартной четкости
Телевизионный Технический Центр (Москва)
тракт формирования программ
усилитель воспроизведения
универсальный тестовый файл
Федеральный закон
фильтр низких частот
фазо-частотная характеристика
цифро-аналоговый преобразователь
эффективная ширина рабочего зазора (видеоголовки)
Введение к работе
Наиболее массовым средством информационного обеспечения населения является аудиовизуальная информация телерадиовещания, значение которой для информационного, культурного, развлекательного и других аспектов обеспечения коммуникационных потребностей населения России сейчас невозможно переоценить. В её формировании и передаче участвуют технологические комплексы и технические средства, активно изменяющиеся в настоящий период в связи с переходом вещания от аналоговых к цифровым методам подготовки и распространения программ. Кроме того, современные цифровые технологии подготовки программ слились с новыми компьютерными технологиями, усложнились внедрением различных способов сжатия и цифровой модуляции.
Вследствие глобальности распространения аудиовизуальной информации телерадиовещания её техническое качество (далее - качество) затрагивает в той или иной степени интересы почти всех граждан страны. Важность проблемы для общества и самих вещателей в настоящее время определяется следующими факторами:
1. Социальная значимость и защита прав потребителя.
Низкое качество изображения и звука телерадиопрограмм привносит паразитную психофизиологическую нагрузку на зрителя или слушателя, затрудняет восприятие им передаваемой аудиовизуальной информации и, тем самым, нарушает его права потребителя. Не вдаваясь в юридические тонкости (это не тематика данной работы), автор считает неоспоримым право потребителя на качественную телерадиопродукцию, независимо от способа ее получения и размера оплаты.
2. Экологическая безопасность вещания.
Аудиовизуальная информационная среда, в которую погружается телезритель, не должна содержать в своей экологии факторов, несущих риск негативного воздействия на его здоровье и самочувствие. Острота проблемы возрастает по мере роста технических возможностей создания сложноструктури-
8 рованных изображений в видеоряде. Получая в свое распоряжение эти возможности, создатели программ стремятся в полной мере их использовать. В результате даже в странах, где существуют нормативные ограничения уже достаточно известных опасных явлений, происходят инциденты с их проявлениями.
Помимо искусственно вносимых техногенных факторов (АТ-факторов), неблагоприятное действие могут оказывать и слишком низкие значения обычных объективно измеряемых параметров качества изображения и звука.
3. Конкурентоспособность программы.
Данный фактор, при всей его очевидности, пока не обладает должной мотивацией. В частности, 5 миллионов человек в РФ, которым доступна лишь 1 программа или вообще ни одной, просто не имеют выбора. Однако с внедрением цифровых способов доставки сигнала зрителю, резко увеличивающих количество доступных программ, влияние этого фактора усилится.
В настоящее время актуальность обеспечения качества программ возросла. В первую очередь это вызвано кардинальными изменениями структуры отрасли вещания в новейший период (15 лет), приведшими к более, чем десятикратному росту числа телерадиокомпаний всевозможных размеров и форм собственности. Одновременно происходила и продолжается техническая революция в отрасли вещания, связанная с переходом на цифровые технологии. Поэтому проблемы качества связаны и с появлением новых факторов, вызывающих искажения информации, и с необходимостью разработки новых подходов к методам контроля качества, актуализации нормативно-технической базы телерадиовещания. Предметом данной работы являются исследования и разработка методов и аппаратуры обработки информации в технических комплексах телерадиовещания, направленные на ее анализ, обработку и управление качеством.
Целью данной работы является разработка комплекса научно обоснованных решений проблемы повышения технического качества аудиовизуальной информации телерадиовещания, имеющей важное социально-культурное и хозяйственное значение.
9 Для достижения этой цели ставились и решались следующие основные задачи:
анализ состояния проблемы качества в телерадиовещании по его уровню, методам, средствам и организации контроля;
оптимизация методов контроля качества аудиовизуальной информации телерадиовещания;
исследования и разработка оптимизированных средств контроля качества изображения и звука в телерадиовещании;
разработка критериев экологической безопасности телерадиопродук-ции и методов контроля и коррекции факторов риска;
исследования и разработка способов и устройств для повышения качества изображения и звука.
Методы исследований. В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученных с использованием методов системного анализа (построение и верификация моделей, оптимизация методами локального поиска в глубину, в ширину, с возвратом, имитационное статистическое моделирование, трансформация, визуализация и отображение, нечеткая логика), теории передачи изображений по электрическим каналам связи, теории радиотехнических сигналов и цепей, теории дискретизации сигналов, статистической радиотехники, интегрального исчисления, теоретической механики, теории зрения и инженерной психологии.
В процессе выполнения работы проводились разработка и макетирование узлов и блоков аппаратуры, измерительных установок, компьютерное моделирование, выполнен большой объем работ по испытаниям разрабатываемых систем и реальных объектов телерадиовещания.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.
Во введении дана общая характеристика работы.
В первой главе рассмотрено развитие и современное состояние технологического процесса формирования и распространения телерадиопрограмм с
10 позиции анализа факторов, влияющих на конечное качество изображения и звука, включая методы контроля их параметров. Показан радикальный рост числа технологических композиций и форм представления сигналов по сравнению с периодом формирования методов контроля качества телерадиопродук-ции.
Определена номенклатура технических факторов аудиовизуальной информации, способных привести к риску опасного психофизиологического воздействия на потребителя. Из проведенного анализа следует необходимость мер для обеспечения психофизиологической безопасности телерадиопродукции.
Проведен анализ современного состояния средств и методов контроля и управления качеством телерадиопродукции. Показаны отсутствие, в настоящее время, механизма обязательного внешнего контроля качества и малая эффективность внутреннего контроля. Расчет минимальной стоимости организации контроля качества в производстве телерадиопродукции на базе существующих методик показал необходимость разработки методов и алгоритмов диагностики состояния трактов с более высокой технико-экономической эффективностью.
Во второй главе определены требования к системной оптимизации технологии контроля качества телерадиопродукции. Построена информационная модель системы управления техническим качеством телерадиопрограмм и показано место представленных в работе исследований в процессе ее функционирования. Разработаны общие требования к системной оптимизации алгоритма контроля качества телерадиопродукции. На базе системного анализа построенной модели системы контроля качества тракта определен ряд основных требований, составляющих алгоритм (метод универсальных тестовых файлов -УТФ), обеспечивающий резкое снижение затрат на организацию и функционирование системы контроля качества. Разработаны, критерии и проведена оптимизация структуры тестовых данных для измерений параметров звуковых трактов и видеотрактов. Обоснованы и разработаны предложения по коррекции методов измерений видеопараметров телевизионного тракта. Проведено имитаци-
онное моделирование видеотракта с оценкой точности измерений ряда параметров.
Третья глава посвящена разработке на основе результатов гл. 2 оптимизированных методов обработки и диагностики аудиовизуальной информации в производстве и распространении телерадиопрограмм. Представлена разработанная методика и ее программный комплекс для измерений параметров звуковых трактов. Описан разработанный метод колориметрической диагностики теле- и видеокамер, отличающийся автоматизацией и высокой точностью процесса измерений. Дано описание разработанных на аппаратном и частично на программном уровне файловых методов измерения основных параметров видеотрактов и кодеров СЕКАМ. Исследовано влияние цифровой компрессии видеосигналов на точность измерения видеопараметров.
Изложены результаты разработки и применения в практике метода дистанционной диагностики трактов с описанием различных алгоритмов его использования. Предложена идея и проведена разработка системы дистанционной диагностики трактов с автономным доступом авторизованного пользователя. Показана возможность использования различных существующих программных комплексов в практике оперативных измерений параметров качества изображения. Показана возможность выявления структуры динамических телевизионных изображений с цифровой компрессией путем анализа периодичности их статистических параметров.
Четвертая глава посвящена исследованиям и разработке устройств анализа и формирования информации в комплексах телерадиовещания, направленным на повышение качества программ.
В первом разделе главы приведены работы, проведенные автором в ходе создания и внедрения в серийное производство студийного видеомагнитофона 2-го поколения. Приведены расчеты эффективности магнитной видеоголовки в зависимости от частотных свойств материала сердечника и ширины рабочего зазора. Дано описание разработанной и реализованной методики измерения эффективной ширины субмикронных рабочих зазоров видеоголовок. Приведе-
12 ны расчеты и экспериментально подтверждены результаты анализа шумовых свойств усилителей воспроизведения и их оптимизации. Проведен и подтвержден измерениями анализ характеристик биморфных пьезопреобразователей для видеоголовок автотрекинга.
Далее проведен анализ современного состояния проблемы временного рассогласования изображения и звука в трактах формирования и передачи ТВ программ. Разработана методика и проведено исследование состояния вопроса в современном российском вещании, подтверждающее актуальность проблемы. Приводятся основные технические характеристики и сведения о внедрении разработанного под руководством автора серийного прибора для измерения временного рассогласования.
В пятой главе представлена разработка системного подхода к обеспечению гарантированного качества предъявления телерадиопродукции.
Представлена разработка на основе системного анализа положений базового алгоритма проблемно-ориентированной диагностики состояния технической базы производства телерадиопродукции.
Изложены результаты проведенной актуализации нормативно-технической базы телерадиовещания. Представлен системный ряд и основные принципы отраслевых стандартов, определяющих требования к параметрике трактов и методам ее измерения, процедуры проверки соответствия, правила эксплуатации технических средств телевидения и радиовещания.
Представлены новые стандарты в области цифрового телевидения, предназначенные для использования при переходе к цифровому телерадиовещанию.
В шестой главе представлена разработка перспективных методов диагностики и обработки аудиовизуальной информации телевизионного вещания. Проводится поиск путей и разработка методов предотвращения негативного воздействия параметров ТВ изображения на зрителя. Сформулировано понятие и разработаны нормы на изображение и звуковое сопровождение допустимого качества (ИЗС ДК), необходимое для регламентации параметров телерадиопродукции, исключающей негативное воздействие на потребителя. Параметры ИЗС
13 ДК являются критериями принятия решений для коррекции экологических факторов риска телевизионного изображения. Предложено создание двух видов аппаратуры и описана разработка аппаратно-программных средств для выявления и коррекции экологических факторов риска и видеодефектов.
Изложены предложения и результат первых экспериментов по повышению точности и оперативности субъективных оценок качества изображения.
Предложен способ отображения сигналов телевизионного изображения в приемнике ТВЧ для снижения заметности мельканий яркости изображения.
Предложен способ создания системы двухканального цифрового звукового сопровождения в телевизионной системе ЦТ СЕКАМ, не зависящей от параметров передатчиков и конвертеров в сети распространения ТВ программ.
Заключение содержит выводы по работе.
Научная новизна проведенных исследований состоит в следующем:
Разработаны принципы системной оптимизации алгоритмов контроля качества телерадиопродукции.
Определены критерии и проведена оптимизация технических параметров и условий работоспособности оптимального алгоритма контроля качества, в т.ч. структуры тестовых данных для измерений параметров видео- и звуковых трактов, влияния видеокомпрессии на точность измерений, проведена коррекция методов измерений ряда видеопараметров.
Впервые разработан и применен в практике метод дистанционной диагностики трактов формирования и передачи телерадиопрограмм в различных алгоритмах его работы. Предложены принципы и проведена разработка системы дистанционной диагностики трактов с автономным доступом авторизованного пользователя.
Сформулировано новое понятие телерадиопродукции допустимого качества, необходимое для регламентации ее экологических параметров. Разработаны критерии принятия решений для выявления и
14 устранения экологических факторов риска и видеодефектов. Предложено новое техническое решение для их автоматизированного выявления и фиксации. 5. Разработаны основные принципы и системный ряд отраслевых стандартов, определяющих требования к параметрике трактов и методам ее измерения, базовый алгоритм проблемно-ориентированной диагностики состояния конкретного производства телерадиопродукции, процедуры проверки соответствия, правила эксплуатации технических средств телевидения и радиовещания.
Решение поставленных задач позволяет автору выносить на защиту следующие основные положения:
1. Интегральный подход к обеспечению гарантированного качества телерадио-продукции при переходе к цифровым методам вещания, включая:
- повышение эффективности контроля качества телерадиопродукции, основан
ное на конвергенции технических средств вещания и информационных техно
логий;
- разработку комплексного ряда актуализированных и гармонизированных
норм и методик контроля качества телерадиопродукции;
- защиту зрителя от риска негативного воздействия технических параметров телепрограмм.
2. Общая концепция системной оптимизации технологии контроля качества телерадиопродукции, включая метод универсальных тестовых файлов и дистанционную диагностику трактов формирования и распространения телерадиопрограмм, основанные на конвергенции технических средств вещания и информационных технологий.
3. Новый подход к обеспечению зрителя/слушателя экологически безопасной телерадиопродукцией, включая нормирование факторов риска и разработку методов и аппаратуры их контроля и коррекции.
Практическая значимость работы.
Действующий ряд разработанных стандартов, включая ГОСТ 52722-2007, составляет основу нормативной базы качества тракта формирования отечественной телерадиопродукции.
Студийный видеомагнитофон «Кадр-ЮЗСЦ» с разработанными подсистемами и измеритель временного рассогласования ИВР-1 получили внедрение в производство и использование в отрасли вещания.
Созданы методики диагностики по методу УТФ и разработанные для них программные комплексы измерений звуковых трактов и колориметрии теле- и видеокамер и аппаратно-программные комплексы диагностики компонентных видеотрактов с возможными включениями переходов в PAL и кодеров СЕКАМ. Разработанные методы УТФ и дистанционной диагностики при широком практическом внедрении составляют базу для реального по технико-экономическим показателям повсеместного контроля качества телерадиопродукции и могут использоваться для диагностики трактов в режиме текущего вещания.
Разработанные критерии и пути обеспечения экологической безопасности телерадиопродукции служат основой для реализации комплексных мер в данном направлении.
Предложенные системы развертки сигналов изображения в приемнике ТВЧ и двухканального цифрового звукового сопровождения в системе ЦТ СЕКАМ отличаются повышенной технико-экономической эффективностью.
Разработанная методология использования инструментов стандартных звуковых программ позволяет проводить измерения полного набора видеопараметров без использования аппаратных средств.
Реализация результатов работы.
Теоретические и практические результаты работы использовались в НИР, ОКР и других работах ВНИИТР, учреждения «Телерадиотест» и НИЦРИТ, по итогам которых:
выпуск видеомагнитофонов 2-го поколения «Кадр-ЮЗСЦ», параметры качества которого были обеспечены в результате исследований, изложенных в главе 4, был произведен в количестве более 600 единиц и составил основу обновления парка видеозаписи государственных телекомпаний;
под руководством и при непосредственном участии автора разработаны и внедрены следующие нормативные документы:
ГОСТ Р 52722-2007 «Каналы передачи цифровых телевизионных сигналов аппаратно-студииного комплекса и передвижной телевизионной станции цифрового вещательного телевидения. Основные параметры и методы измерений»;
ОСТ 58-18-96 «Техническая база производства телерадиопродукции. Методы сертификации. Общие требования. Основные параметры и методы испытаний»;
ОСТ 58-21-00 «Техническая база производства телепродукции. Общие требования. Основные параметры»;
ОСТ 58-22-00 «Техническая база производства радиопродукции. Общие требования. Основные параметры. Классификация уровней качества»;
ОСТ 58-23-01 «Оборудование цифровое для формирования телепрограмм. Основные параметры. Методы измерений»;
ОСТ 58-30-03 «Таблицы отражательные телевизионные для цифрового телевидения. Общие технические требования»;
ПТЭ-2001 «Правила эксплуатации технических средств телевидения и радиовещания»;
СТП 47-13-00 «Порядок организации, подготовки и проведения работ по сертификации технической базы производства телерадиопродукции в учреждении «Телерадиотест»»;
СТО HAT 001.Т-01.2007 «Уровни сигналов в каналах звукового сопровождения аналогового и цифрового телевещания»;
результаты данной работы явились методической основой проведенных с 1997 г. испытаний и коррекции технических комплексов подготовки программ более чем 1000 телерадиокомпаний;
разработанные методы программно-файлового анализа и дистанционной диагностики были применены для сертификационных испытаний технической базы 26 телерадиокомпаний;
разработанный измеритель временного рассогласования изображения и звука ИВР-1 выпускается, применяется по назначению и рекомендован как средство измерений в 3 новых ГОСТах по ТВ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на П научно-технической конференции ВНИИТР (Москва, 1983 г.), 6-ой, 7-ой, 8-ой, 9-ой, 10-ой и 11-ой Международных конференциях «Организационно-правовые финансовые и научно-технические аспекты современного телевидения и радиовещания», (Софрино, 1996 г., 1998 г., 2000 г., 2001 г., 2002 г., 2003 г.), Научно-практическом семинаре «Праздник прогресса и будни практики телерадиовещания» (Софрино, 1999 г.), 1-й, 2-й и 3-й Международных научно-технических конференциях «Спутниковое и кабельное телевидение XXI века» (Москва, 1999 г., 2000 г., 2003 г.), П - VI, X и XI Международных конгрессах HAT «Прогресс технологий телерадиовещания» (Москва, 1998 г., 1999 г., 2000 г., 2001 г., 2002 г, 2006 г., 2007г.), Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы (AIS'07)» (Дивноморское, 2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 57 печатных работ, в том числе одна монография и 14 патентов и авторских свидетельств на изобретения и свидетельств на полезную модель.
