Как высчитать задержку телевизионного сигнала

Задержка в прямых трансляциях потокового видео

Что такое задержка при трансляции потокового видео?

Предположим, вы смотрите футбольный матч через сервис передачи потокового видео по существующим каналам связи (OTT). Тем временем ваш сосед смотрит тот же матч на обычном телевизоре, громко празднует голы и возмущается назначением пенальти, которые вы увидите только через 30 секунд.

А может быть, вы с интересом ждете объявления победителя в прямой трансляции конкурса, и тут телезрители в социальных сетях раскрывают интригу на 15 секунд раньше.

Задержки при просмотре видео вызывают разочарование у зрителей, которым приходится видеть событие позже, чем оно происходит. Со временем разочарование зрителей становится проблемой для поставщиков контента.

Своевременность доставки видео очень важна для определенных типов контента, включая трансляции спортивных соревнований, игр, новостей и мероприятий, которые транслируются только по технологии OTT, таких как киберспортивные матчи и интерактивные шоу. Зрители хотят видеть события без задержки. В эпоху развлечений в режиме реального времени задержки видео не только портят зрителям удовольствие; но и подрывают доверие к поставщикам OTT‑контента.

Причины задержки видео на пути от съемки до отображения

Величина задержки видео определяется рядом факторов, действующих на пути изображения от объектива камеры до экрана зрительского монитора.

• Длительность кодирования видео
• Операции по загрузке и упаковке данных
• Распространение по сети и транспортные протоколы
• Сеть доставки контента (CDN)
• Длина сегмента
• Настройки проигрывателя

‑ Буферизация
‑ Положение указателя воспроизведения
‑ Отказоустойчивость

При традиционном потоковом вещании с адаптивным битрейтом задержка видео в основном зависит от длины сегментов. Например, если продолжительность сегмента составляет 6 секунд, то при запросе первого сегмента проигрыватель уже на 6 секунд отстает от фактического времени.

Кроме того, длительность каждого последующего сегмента, который проигрыватель сохраняет в буфере перед фактическим началом воспроизведения, добавляется ко времени задержки до первого декодированного видеокадра.

Хотя на общее время задержки влияет ряд факторов – длительность кодирования видео, загрузки и упаковки, время распространения в сети и буферизации в CDN (если таковая имеется) – значительная доля задержки приходится на сам проигрыватель.

Измерение задержки видео

Существуют различные методы, но самый простой способ измерения полной задержки видео заключается в следующем.

1. Запустите приложение нумератора с хлопушкой на планшете.
2. Снимите его на камеру, подключенную к кодировщику видео.
3. Опубликуйте видеопоток на сервере источника.
4. Доставьте на проигрыватель через CDN.
5. Поместите проигрыватель рядом с планшетом, на котором запущена хлопушка.
6. Сфотографируйте оба экрана.
7. Разность показаний времени даст величину задержки.

Сокращение задержки при прямой потоковой трансляции видео

Отставание видео, передаваемого по технологии OTT, от эфирного телевидения и социальных сетей – не единственная проблема для поставщиков контента. Вот несколько других факторов, которые необходимо учитывать при снижения задержки.

Платформа Flash и протокол RTMP: приложения на базе Flash, использующие потоковое вещание по протоколу RTMP, раньше с успехом обеспечивали низкие задержки, но теперь, когда технология Flash считается устаревшей, а разработчики браузеров сокращают поддержку или полностью блокируют компоненты Flash, сети доставки контента (CDN) стали сокращать поддержку протокола RTMP (который и раньше мало использовался для доставки). Поставщики контента вынуждены искать другие пути.

Масштабируемость, надежность и низкая задержка: одним из вариантов решения проблем масштабирования является переход на технологии потокового вещания, совместимые с HTML5. К ним относятся HTTP Live Streaming (HLS), Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH или MPEG‑DASH) и Common Media Application Format (CMAF).

Эти технологии потоковой передачи данных используют протокол HTTP, а следовательно, при доставке возможно кэширование. Таким образом, сети CDN могут более эффективно доставлять большие объемы данных.

Однако несмотря на решение проблем масштабируемости и надежности, к общей длительности доставки прибавляются десятки секунд, что мешает достижению низкой задержки.

Интерактивные возможности: некоторые поставщики контента предпочитают развивать сервисы индивидуального вещания с интерактивными возможностями. Задержка видеосигнала в таких случаях, как правило, недопустима.

Если кадр видео отображается на экране на 30 секунд позже момента его съемки камерой, интерактивные действия, требующие обратной связи в режиме реального времени, становятся невозможными.

При разработке синхронизированных приложений для второго экрана, совместного просмотра, обычных или азартных игр необходимо точно контролировать задержку потокового видео.

Обработка сигналов. Телевизионные стандарты и форматы

Изначально стандарты ТВ разрабатывались в расчете на телевизионный приемник с масочным кинескопом и триадами из фосфорного люминофора, поэтому в них нашли отражение технологические ограничения, свойственные данному типу
дисплея

Цветное телевидение базируется на известных свойствах человеческого зрения, в первую очередь его инерционности, а также физических возможностях средств отображения. Отсюда следуют базовые стандарты телевидения: минимальная частота смены кадров, при котором глаз не замечает мерцания и дробности движений, и аддитивный принцип сложения трех цветов – красного, зеленого и синего. Изначально стандарты ТВ разрабатывались в расчете на телевизионный приемник с масочным кинескопом и триадами из фосфорного люминофора, поэтому в них нашли отражение технологические ограничения, свойственные данному типу дисплея.

Основные условия получения качественного изображения:

• обновление не реже 50 раз в секунду,
• белый цвет получается при соотношении интенсивностей свечения красного E_R, зеленого Е_G и синего Е_B люминофоров E_Y = 0,3E_R + b,59E_G + 0,11E_B.

Общим правилом является то, что электронный луч прочерчивает строки слева направо и сверху вниз. Наконец, при разработке стандартов цветного телевидения ставилось условие обратной совместимости с черно-белым ТВ. Поэтому вместо трех цветовых компонент – R, G и B – в телевидении, в отличие от компьютерной графики, использовались яркость (интенсивность свечения) и цветоразностные составляющие, получаемые вычитанием каждой цветовой компоненты из сигнала яркости. Полный телевизионный сигнал нужно было вписать в стандартный диапазон канала ЧБ (6 МГц), поэтому количество компонент сократили до трех за счет цветоразностного зеленого, доля которого довольно велика в яркостной компоненте. Оставшиеся Y (яркость), Pr (цветоразностный красный) и Pb (цветоразностный синий), передаваемые по отдельным линиям, представляют собой аналоговый компонентный сигнал. Но для передачи по эфиру такой сигнал не подходит, поэтому основным типом сигнала является композитный, в котором яркость и цветность кодируются различными способами. На приемной части демодулированные сигналы подаются на матрицу, в которой восстанавливаются исходные компоненты трех основных цветов (цветной телевизор) либо все, кроме сигнала яркости, просто отбрасывается (телевизор ЧБ).

Несмотря на общие принципы передачи изображения с помощью электрических сигналов, в мире существует множество ТВ стандартов (систем). Стандарт – это набор спецификаций, определяющих число строк и кадров, структуру сигнала и временные соотношения его составляющих, уровни белого, черного и чернее черного (синхронизация), порядок смены полей (полукадров) в кадре, способы кодирования цвета. Приведем основные спецификации из перечисленных выше.

Уровни. 30% размаха сигнала снизу (чернее черного) приходится на синхро-часть, остальные 70% – на сигнал яркости, на котором «сидят» промодулированные сигналами цветности поднесущие. Уровень белого составляет 100%. Уровень гашения – те же 30%, уровень черного находится чуть выше.

Временные параметры. Кадр с целью уменьшения полосы частот, занимаемой полным телевизионным сигналом, делится на два полукадра, или поля: в одном передаются нечетные стройки, в другом четные. Полученный метод черестрочной развертки позволяет выполнить изначальное условие частоты обновления экрана при меньшей полосе частот, занимаемой сигналом. В течение 1 секунды передается 50 полукадров (полей) в ситемах PAL и SECAM и 60 – в NTSC. Соответственно, частоты кадровой развертки составляют 25 и 30 Гц. Каждый кадр содержит по 625 (PAL, SECAM) или 525 (NTSC) строк, из которых активными (видимыми) являются 576 и 480. В соответствии с этими параметрами жестко определены длительности строк, а также строчных синхроимпульсов, полевых гасящих, уравнивающих и синхронизирующих импульсов, которые задают структуру полного видеосигнала.

Отдельные стандарты складываются в системы, которых, если говорить о традиционном аналоговом телевидении, в мире всего три: NTSC, PAL и SECAM (каждая из них имеет по несколько разновидностей). Телевизионный формат – более широкое понятие, включающее, помимо стандарта, еще и интерфейс: физическую среду распространения сигнала с ее нормированными параметрами (скажем, волновое сопротивление кабеля) и регламентированными напряжениями и мощностями. Кроме этого, формат ТВ определяет конкретные типы кабелей и разъемов, подходящих для конкретного сигнала и обеспечивающие согласование линии передачи. Например, эфирный ТВ-формат, представляющий собой излучаемую в эфир несущую одного из ТВ-каналов, модулированную композитным сигналом. Или тот же композит в «чистом» виде, передаваемый по коаксиальному 75-омному кабелю. Далее: S-Video, отличающийся от композитного раздельными линиями передачи сигналов яркости и цветности, компонентный (не две, а три отдельных линии: яркость и два цветоразностных сигнала). Или цифровой компонентный – SDI, и т.д.

В области ТВ форматов и стандартов существует определенная терминологическая путаница: один и тот же сигнал можно передавать по разным интерфейсам, сам термин «формат» часто используется для обозначения экранных пропорций, да и большое количество стандартов, принятых в разных странах, затрудняет четкую систематизацию.

В области ТВ форматов и стандартов существует определенная терминологическая путаница: один и тот же сигнал можно передавать по разным интерфейсам, сам термин «формат» часто используется для обозначения экранных пропорций, да и большое количество стандартов, принятых в разных странах, затрудняет четкую систематизацию

Разнообразие стандартов и форматов ТВ объясняется множеством факторов, включая экономические и политические. Становление цветного телевидения пришлось на время холодной войны, и эфирная разобщенность стран разных лагерей вполне отвечала специфике эпохи. Тем более что в силу сравнительно высоких частот эфирное распространение ТВ-передач имело ограниченный радиус действия. Собственно, авторами цветного телевидения являются три страны: США, Германия и Франция. Остальные страны просто приняли ту или иную модификацию одного из трех мировых стандартов.

Серьезную лепту в мировую разобщенность по цветному телевидению внесло изначальное различие в стандартах энергосистем, по сути разделив мир на два ТВ-лагеря. В Америке частота переменного тока сети электропитания, как известно, 60 Гц, а в странах Европы – 50 Гц. Частота кадровой развертки была жестко привязана к этим значениям, поскольку в ранних системах «механического» телевидения, использовавших диск Нипкова с расположенными по спирали отверстиями, последний раскручивался с помощью синхронного двигателя. Впоследствии, когда механика полностью уступила место электронике, достаточно высокая стабильность частоты сети электропитания явилась готовым решением, которое лежало на поверхности. Это противоречие дожило до наших дней и продолжает создавать трудно и дорого решаемые проблемы.

ТРАДИЦИОННЫЕ СТАНДАРТЫ ТВ

NTSC (National Television System Committee)

Преимуществом NTSC является полноценная кодировка цвета в каждой строке. Недостаток же – высокая чувствительность к перекрестным фазовым искажениям, возникающем в канале передачи и приводящим к заметным искажениям цветопередачи

Принят в 1953 г в Америке, получил также распространение в Японии, Канаде, Мексике. Каждая строка содержит, помимо яркостной составляющей Y, информацию двух цветоразностных сигналов E_R-Y и E_B-Y, которыми модулирована поднесущая 3,58 МГц. Квадратурная модуляция обеспечивает синхронное кодирование двух независимых сигналов. Для этого поднесущая разделяется на две компоненты с фазовым сдвигом 90°, одна из которых модулируется по амплитуде сигналом E_R-Y, а другая – E_B-Y. Затем эти компоненты складываются. В результате получается сигнал, модулированный и по амплитуде, и по фазе, который можно представить в виде вектора. Модуль вектора однозначно определяет насыщенность цвета, а фазовый угол‑цветовой оттенок.

Преимуществом NTSC является полноценная кодировка цвета в каждой строке. Недостаток же – высокая чувствительность к перекрестным фазовым искажениям, возникающем в канале передачи и приводящим к заметным искажениям цветопередачи. Именно поэтому в телевизорах NTSC предусмотрена регулировка оттенка (Tint), предназначенная для компенсации искажений цветопередачи уже на уровне восстановленного компонентного сигнала. Кроме этого, ввиду относительно малого числа строк система NTSC лимитирована по вертикальному разрешению.

PAL (Phase Alternation Line, или строки с изменяемой фазой)

Стандарт PAL имеет целый ряд важных преимуществ: поскольку сама поднесущая подавляется и передается только боковая полоса спектра, отсутствуют характерные помехи на неокрашенных участках изображения. Вдвое выше отношение сигнал/шум. Отсутствуют фазовые искажения

Разработан в ФРГ компанией Telefunken в 1963 г. в целях исправить свойственные NTSC недостатки. Здесь также применяется квадратурная модуляция, но при этом поднесущая 4,43 МГц, которая модулируется сигналом E_R-Y, меняет свою фазу на 180°от строки к строке. В состав гасящего строчного импульса вводится сигнал цветовой синхронизации в виде «вспышки» в несколько периодов поднесущей с соответствующей фазой. На приемной стороне происходит декодирование путем сложения и вычитания соответствующих цветоразностных сигналов каждой пары строк (для чего необходима линия задержки на длительность одной строки). Балансная демодуляция позволяет полностью избавиться от перекрестных искажений – основного недостатка NTSC. Существенно уменьшается зависимость качества изображения от искажений и помех в линии передачи, снижаются требования к стабильности и точности электронных узлов и компонентов. Исключение составляет только прецизионная линия задержки. Именно из-за трудоемкости ее производства СССР в свое время отказалась от принятия стандарта PAL, который получил широкое распространение во многих странах Западной Европы, Азии и Африки.

Стандарт PAL имеет целый ряд важных преимуществ: поскольку сама поднесущая подавляется и передается только боковая полоса спектра, отсутствуют характерные помехи на неокрашенных участках изображения. Вдвое выше отношение сигнал/шум благодаря удваиванию сигналов цветности при декодировании. Отсутствуют фазовые искажения, нарушающие цветопередачу, а также перекрестные искажения между цветоразностными сигналами. Недостаток лишь в том, что вертикальное разрешение по цвету ниже, чем у NTSC: цветовая информация усредняется для каждой пары строк. Это не так заметно, поскольку чувствительность зрения к яркости мелких деталей существенно выше, чем к их цветовым градациям. К тому же, PAL превосходит NTSC по числу строк NTSC (хотя уступает по частоте обновления кадров, хоть и незначительно).

SECAM (Sequentiel Couleur Avec Memoire, или последовательная передача цветов с запоминанием)

Cтандарт SECAM не допускает никакого вмешательства в сигнал, поэтому производство телепрограмм ведется в системе PAL, а в SECAM сигнал транскодируется непосредственно перед излучением в эфир

Стандарт разработан инженером Анри Де Франсом в 1954 г., принят Францией и Россией одновременно в 1967. Принципиальное отличие этого стандарта от двух других (довольно схожих друг с другом) в том, что здесь две поднесущие: 4,25 МГц (для E_R-Y) и 4,406 МГц (для E_B-Y), а модуляция не амплитудная, а частотная, которая обеспечивает гораздо более высокую помехозащищенность. Сигналы цветности передаются поочередно, через строку, и каждая строка имеет вспышки цветовой синхронизации соответствующей частоты в составе гасящих строчных импульсов. С помощью линии задержки (на длительность одной строки) сигналы цветности задерживаются на длительность одной строки. Таким образом, как и в стандарте PAL, вертикальное разрешение по цвету вдвое меньше разрешению по яркости, но число строк больше, чем в NTSC. Низкая чувствительность к помехам и погрешностям тракта делают сигналы SECAM идеальными для передачи. Однако стандарт SECAM не допускает никакого вмешательства в сигнал, поэтому производство телепрограмм ведется в системе PAL, а в SECAM сигнал транскодируется непосредственно перед излучением в эфир.

Во всех стандартах видео используется уплотнение спектра сигнала. Области, в которых энергия сигнала яркости, спектр которого обладает ярко выраженной неравномерностью, практически отсутствует, выделяются для поднесущих цветности с их боковыми полосами. Это дает возможность уложить полный цветной сигнал в стандартный диапазон 6 мГц, принятый еще для черно-белого телевидения. Звук передается с помощью частотной модуляции отдельной поднесущей, смещенной вверх по оси частот настолько, чтобы исключить взаимное влияние с видеоинформацией. Сигнал, включающий все компоненты яркости и цветности со своими поднесущими, плюс звуковую часть, называется полным телевизионным сигналом, а без звуковой поднесущей – полным цветным сигналом. Базовым типом полного цветного сигнала является композитный сигнал, передаваемый по одному кабелю или эфирному каналу.

Композитный сигнал (CV)

Разъем типа BNC

Разъем типа RCA

Рис. 1. Диаграмма композитного сигнала (одна строка), разъемы

Недостатки композитного сигнала – способность передавать только видео стандартного разрешения. Помехи из-за биений сигналов яркости и цветности, ограничивающие качество изображения

Полоса до 6 МГц. Наиболее универсальный сигнал, который обычно передается по коаксиальному кабелю 75 Ом на расстояние до 50-100 м либо на большее при наличии активных повторителей с коррекцией высокочастотных потерь. Композитный интерфейс использует разъемы RCA (в бытовой аппаратуре) или BNC (в профессиональной). Второй тип предпочтительнее, поскольку позволяет сохранить нормированное волновое сопротивление 75 Ом. Ввиду относительно узкой полосы частот композитный сигнал довольно неприхотлив. Его можно передавать и по другим интерфейсам, например по витым парам, оптоволоконной линии и пр. при наличии соответствующих преобразователей. При этом расстояние передачи значительно увеличивается.

Недостатки композитного сигнала – способность передавать только видео стандартного разрешения, неприменимость в области ТВЧ, только чересстрочная развертка, а также помехи из-за биений сигналов яркости и цветности, ограничивающие качество изображения.

Сигнал S-Video (Super, Separate Video)

Рис. 2. Диаграмма сигнала S-Video, 4-контактный разъем DIN для него

Позволяет достичь гораздо более высокого качества изображения за счет отсутствия биений сигналов яркости и цветности и возникающего из-за них муара

Отличается от композитного тем, что сигналы яркости и синхронизации передаются по одной линии, а сигналы цветности – по другой. Это различие позволяет достичь гораздо более высокого качества изображения за счет отсутствия биений сигналов яркости и цветности и возникающего из-за них муара. Следствие – почти втрое более высокая четкость. Интерфейс S-Video имеет место только для стандартов NTSC и PAL, но не для SECAM. Для передачи используются коаксиальные кабели 75 Ом (но уже не эфир). Разъемы – четырехконтактные, стандарта DIN.

Ни композитный сигнал, ни S-Video неприемлемы для форматов высокого разрешения (HDTV, или ТВЧ). Последние реализуются в компонентных сигналах, аналоговых и цифровых.

Компонентный сигнал (YPbPr, YCbCr, YUV)

Рис. 4. Диаграмма компонентного сигнала

Композитное видео

Компонентное видео

Рис. 5. Качество компонентного сигнала в сравнении с композитным

Компонентный сигнал – наиболее совершенный из всех аналоговых видео сигналов, позволяющий реализовать форматы ТВЧ

Здесь уже не два, а три независимых канала передачи, реализованных обычно с помощью 75-омных коаксиальных кабелей с разъемами RCA или (что лучше) BNC. Таким образом, сигналы яркости с синхросмесью и оба цветоразностных сигнала полностью разделены. Надобность в поднесущих и модуляции отпадает, полностью исчезают перекрестные и фазовые искажения, биения и пр. артефакты. Компонентный сигнал – наиболее совершенный из всех аналоговых видео сигналов, позволяющий реализовать форматы ТВЧ. Известен также цифровой компонентный сигнал – SDI, отличающийся от аналогового тем, что информация тех же самых каналов имеет цифровое представление. Причем при переходе к цифровому интерфейсу SDI отпадает надобность в трех кабельных каналах, достаточно одного, как в случае с композитным видео. Поэтому для внедрения трактов SDI можно пользоваться имеющейся инфраструктурой композитного тракта. Информация (4:2:2, глубина 8/10 бит на компоненту) может передаваться при скорости потока 270/360 Мбит/с и накапливаться в буферах на приемной стороне. Помимо видео появляется возможность предать до 16 каналов цифрового аудио и тайм-код. Вариант SDTI (Serial Digital Transport Interface), в отличие от собственно SDI, допускает передачу как несжатых, так и сжатых потоков без промежуточной декомпрессии. Дальность передачи по коаксиальному кабелю может доходить до 300 м (с повторителями и более), по оптоволокну – до 50 км.

СТАНДАРТЫ ТВЧ

Преимущество стандартов ТВЧ в значительно более высоком качестве изображения

С широким внедрением пиксельных дисплеев (плазменные и ЖК-панели, CLD- и DLP-проекторы), а также средств цифровой обработки видеосигналов и развитием цифрового телевидения появилось большое количество новых стандартов ТВ, которые стало принято обозначать количеством пикселей по вертикали и указывать тип развертки. Форматы HDTV (ТВЧ) начинаются с 480p (прогрессивная, или построчная, развертка), или 720 x 480p при частоте обновления кадров 60 Гц. Далее следуют 576p, 1080i, 1080p. Стандарты с меньшими значениями разрешения, нежели 720p (например, 480i) относятся к категории SDTV (ТВ стандартного разрешения). В разное время возникали и другие стандарты ТВЧ японского и европейского происхождения, но они не получили широкого распространения и были забыты.

Рис. 6. Разъем HD-SDI типа BNC

Преимущество стандартов ТВЧ в значительно более высоком качестве изображения. Причем благодаря мощным цифровым процессорам, как встраиваемым, так и внешним, даже сигналы с источников стандартного разрешения (например, диска DVD) в значительной степени приблизить по качеству к собственно ТВЧ-программам. Прирост качества картинки стал особенно актуален в последнее время, когда значительно выросли размеры дисплеев: если на телевизорах с диагональю экрана 21-25’’ артефакты изображения практически незаметны даже при воспроизведении обычной эфирной программы, на экранах больших размеров, особенно если речь идет о проекционных системах, видно все: строки разъезжаются, оставляя темные промежутки, наклонные линии становятся зубчатыми, а движения прерывистыми. Поэтому возрастает роль качественных преобразований форматов ТВ с применением продвинутых алгоритмов интерполяции (синтез новых строк и полей), компенсации последствий преобразования развертки в построчную и сглаживания дискретности движений на экране.

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СТАНДАРТОВ

Крайне сложно преобразование NTSC в PAL или SECAM из-за разных значений частот кадровой
развертки

Подобную задачу приходится решать очень часто: в студиях – чтобы показать по ТВ зарубежную программу, а бытовой технике – чтобы привести исходный сигнал к собственному разрешению дисплея. В разных случаях эта задача может решаться легко или быть практически не решаема, если речь идет о сохранении исходного качества. Например, крайне сложно преобразование NTSC в PAL или SECAM из-за разных значений частот кадровой развертки. После появления цифровых технологий обработки сигнала задача значительно упростилась, но стоимость оборудования весьма высока: сигнал приходится полностью реконструировать с оцифровкой и обратным преобразованием, буферизацией, интерполяционным синтезом промежуточных строй и полей, переносом на новую строчно-кадровую основу. Значительно проще обстоит дело с преобразованиями PAL/SECAM, поскольку и кадровая частота, и количество строк в этих стандартах идентичны. Речь идет лишь о перекодировке сигналов цветности. Поэтому существует масса недорогих интегральных микросхем-транскодеров.

Рис. 7. Общая схема преобразователя композитного видеосигнала в RGB

В процессе преобразования из исходного композитного сигнала восстанавливаются яркостная и цветоразностные компоненты, а также синхросмесь. В S-Video производится разделение синхроимпульсов и яркостного сигнала, а также цветоразностных компонентов Cb и Cr. Компонентный сигнал предоставляет все это в готовом виде, остается лишь отделить синхросмесь. Затем осуществляется преобразование в RGB, стандарт, в котором весовые коэффициенты основных цветовых составляющих равны 1.

Сигнал YPrPb

Сигнал RGB

Рис. 8. Уровни основных цветов YPrPb и RGB

После этого сигнал оцифровывается и помещается в буфер, откуда считывается в соответствии с новой сеткой частот синхронизации.

Преобразование стандартов должно сопровождаться как можно меньшими сдвигами цветовых оттенков. Если при этом попутно преобразуется развертка, не должно быть заметно характерных артефактов данного преобразования («эффект расчески» и пр.). Также не должно возникать дискретности движений из-за некорректного перехода на новую кадровую частоту, если таковой имеет место быть. Наконец, существенный фактор – стоимость аппаратуры, которая может сильно меняться в зависимости от специфики задачи преобразования.

С появлением стандартов ТВЧ преобразования стали более актуальными – без них не обходится ни один дисплей со средним и большим экраном

С появлением стандартов ТВЧ преобразования стали более актуальными – без них не обходится ни один дисплей со средним и большим экраном. В первую очередь чересстрочная развертка преобразуется в прогрессивную, при этом приходится идти на различные ухищрения, чтобы свести к минимуму такие характерные искажения, как «эффект расчески» (из-за временного сдвига между полями одного кадра), зубчатость наклонных линий, мерцание соседних строк. Попутно производится интерполяция, сглаживание движений, при необходимости изменяются экранные пропорции.

Преобразование без сглаживания и со сглаживанием

Эффект «расчески» при движении объекта на экране

Цифровые артефакты сжатия (на правой стороне примера)

Смазывание движения

Рис. 9. Артефакты преобразования

ИЗМЕНЕНИЕ ФОРМАТА

Часто возникает необходимость перехода на другой формат или интерфейс, не выходя за пределы стандарта ТВ. Такая задача обычно не вызывает проблем и решается с помощью недорогих приборов, часто аналоговых. Существует большое количество различных преобразователей, которые дают возможность получать один и тот же сигнал сразу в нескольких форматах, например композитном, S-Video и компонентном, и даже не только форматах, но и стандартах.

Рис. 10. Универсальный преобразователь форматов и стандартов

ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ

Основной из них – это взаимные преобразования компьютерных и телевизионных форматов. С целью получить из компьютерного сигнала в видео применяются преобразователи развертки, или скан-конверторы. Для обратного же преобразования – масштабаторы. Это универсальные приборы, многие из которых строятся по принципу «любой сигнал на входе – любой на выходе», причем имеются в виду все атрибуты этого сигнала: разрешение, виды разверток, аналоговое или цифровое представление.

С появлением цифровых форматов ТВ и эффективных алгоритмов сжатия (MPEG2, MPEG4 и т.д.) резко возросли потребности в преобразованиях, связанных с изменением степени компрессии или ее способа. Кроме этого, успешно развивается сетевое телевидение, доставляющее программы поверх IP-протокола. Существует и множество удачных решений с применением беспроводного интерфейса Wi-Fi. Обычно последний комбинируется с инфраструктурой местных сетей Ethernet, выполненной на витых парах, и более протяженными внешними оптоволоконными магистралями. Все это требует множества преобразований на входе и выходе каждого интерфейса. Однако на сегодня преобразования практически полностью вышли из аналоговой области и концентрируются в цифровой, поэтому их количество не уже оказывает отрицательного влияния на сигнал. Более того, в процессе многих преобразований происходит реконструкция сигнала с исключением джиттера.

• Главная
• Статьи
• Обработка сигналов. Телевизионные стандарты и форматы

• Распределение сигналов
• Советы экспертов
• Студии
• Технологии

Играем через телевизор. Что такое INPUT LAG и как от него избавиться

Успех виртуальных баталий напрямую зависит от скорости реакции игрока. Но не менее важно, чтобы и информация выводилась с минимальной задержкой. Плохое интернет-соединение и долгая обработка сигнала на мониторе, телевизоре — все это мешает классной игре. Последнее явление получило название INPUT LAG.

Высокая задержка ввода — неприятная проблема. После замены телевизора или в гостях у друзей в глаза бросается запаздывание, с которым персонаж на экране реагирует на команды с геймпада. К небольшим тормозам можно привыкнуть, но слишком большая задержка значительно портит впечатления от игрового процесса.

Что такое input lag

Любому устройству вывода, будь то монитор или телевизор, требуется время на обработатку поступающегоий видеосигнала. Разница в том, что электроника современных игровых мониторов адаптирована для трансляции с минимальной задержкой на входе. Это достигается путем транслирования исходного сигнала, получаемого с видеокарты.

Архитектура телевизоров выполнена намного сложнее. Перед тем, как попасть на матрицу, сигнал подвергается значительной коррекции центральным процессором ТВ. В некоторых сценариях обработка занимает до 150 мс. Такая разница отчетливо заметна пользователю любого уровня. Не обязательно быть профессиональным геймером, чтобы уловить лаг в 1/7 секунды.

Таким образом, INPUT LAG — это время с момента получения сигнала устройством вывода до его отображения на экране.

Наиболее важное влияние время задержки оказывает на динамичные игры. Фанатам шутеров и файтингов критически важен низкий инпут лаг. От него напрямую зависит успех виртуальных баталий. В on-line дуэли выигрывает тот, кто первый увидит врага. И разница даже 50 мс окажется решающей.

Для любителей размеренных жанров — стратегий, RPG — низкое время задержки менее критично, но лишним тоже не будет.

Какую панель можно считать медленной? Однозначного ответа на этот вопрос не существует. Там, где профессиональный геймер заметит долгую задержку, обычный пользователь будет играть с комфортом. Условной границей принято считать отметку 50 мс. Модели с большим значением лучше избегать.

При выборе монитора этот параметр часто путают со временем отклика матрицы, которое показывает, сколько времени требуется пикселю, чтобы изменить своей цвет. Для современных ЖК-панелей значение чаще всего не превышает 12 мс.

Инпут лаг редко прописывают в официальных спецификациях по ряду причин. Во-первых, точно измерить параметр достаточно сложно. В интернете много независимых ресурсов, занимающихся этим вопросом. Значения, полученные в разных источниках для одной модели, часто различаются. Во-вторых, инпут лаг зависит от режима и настроек телевизора. Указание только основных вариантов займет значительную часть в спецификациях модели.

Подробная база с телевизорами и мониторами представлена на https://displaylag.com/display-database/. Ресурс позволяет быстро найти интересующую модель с помощью фильтров и сравнить ее параметры с другими вариантами. Единственный недостаток — приведено наименьшее значение задержки без указания используемых настроек. Ресурс https://www.rtings.com/tv/tools/table/ позволит сравнить инпут лаг в разных режимах.

Как измерить input lag

Техника измерения сводится к сравнению тестируемого устройства с эталонным, время обработки сигнала на котором условно равно нулю. Наиболее подходящим вариантом для этой задачи является монитор на ЭЛТ, подключенный без использования переходников к разъему DVI.

В случае отсутствия, подойдет любой монитор или экран ноутбука. Но в таком случае результат окажется ниже реального. Фактически, вы не получите достоверное значение инпут лага, а сравните устройства по этому параметру.

Порядок измерений:

1. Подключить второе устройство (телевизор, монитор, проектор) к свободному разъему в режиме отображения «Повторяющийся» (Win + P).
2. Вывести на экраны любой секундомер с точностью до тысячных долей секунды, например https://sekundomer.net/ и запустить его.
3. Сфотографировать работающий секундомер так, чтобы на фото попадали оба экрана. Использовать цифровую камеру или телефон с возможностью ручных настроек. Выбрать время выдержки от 1/200 и меньше. Яркость кадра отрегулировать настройками ISO.
4. Сделать серию фотографий.
5. Разница в показаниях секундомера — искомое значение.

В случае сравнения с монитором на ЭЛТ, результатом тестирования станет точное значение инпут лага. Иначе: Инпут лаг = Разница в показаниях секундомера + Инпут лаг устройства с меньшим показанием секундомера.

Как снизить input lag

Если в системе замечена высокая задержка, и управление ощущается «желейным», не надо сразу начинать поиски нового телевизора или монитора. Первым делом стоит попытаться снизить инпут лаг «подручными» способами. Их можно разделить на две категории, применять которые необходимо комплексно.

• Снижение инпут лага настройками ПК и игр.
• Снижение инпут лага настройками телевизора / монитора.

В первом случае комплекс мер выглядит следующим образом:

1. Отключить масштабирование изображения в системе (Win -> Параметры -> Система -> Дисплей -> Масштаб и разметка -> 100% (рекомендуется).
2. Изменить схему управления питанием (Win -> Параметры -> Система -> Питание и спящий режим -> Дополнительные параметры питания -> Показать дополнительные съемы -> Максимальная производительность).
3. В настройках игр отключить сглаживание и вертикальную синхронизацию.

В телевизоре основная задача — отключить все программные средства улучшения видеосигнала. Такие как искусственное повышение плавности в динамичных сценах, улучшение цвета и т. д. Набор параметров у каждого производителя свой. Стоит помнить, что из коробки такие «улучшалки» чаще всего включены. Универсальное средство — использование игрового режима, который есть в любой современной модели ТВ.

Используйте разрешение, соответствующее ЖК-панели. Растягивание Full-HD сигнала до 4К или сжатие 4К в Full-HD заметно повышают инпут лаг.

При подключении консоли через ресивер на последнем используйте вход HDMI, помеченный надписью Game.

Предпринятые меры если не устранят Input Lag полностью, то многократно снизят его до приемлемых значений, которые позволят играть в самые динамичные проекты.

Возникновение отражений

Передача сигнала между различными приборами кабельной системы с помощью коаксиального кабеля может быть эффективной только в том случае, если, кроме прочих условий, выполняется условие согласования импеданса всех элементов системы. Импедансом (impedance) называется полное сопротивление элемента системы по входу или выходу. К элементам кабельной системы относятся различные пассивные приборы (ответвители, делители) и усилители; а также сам коаксиальный кабель. Следовательно, условие согласования импеданса означает, что собственные входные в выходные сопротивления всех активных и пассивных приборов должны быть равны сопротивлению кабеля. Поскольку для кабельных систем передачи стандартное значение сопротивления кабеля принято равным 75 Ом, то и все приборы в системе должны иметь входные и выходные сопротивления, равные номинальному значению 75 Ом.

Точка кабельной системы, в которой происходит более или менее резкое изменение сопротивления, т.е. нарушается условие согласования импеданса, называется нерегулярностью. Нарушение условия согласования импеданса в кабельной системе вызывает появление отражений. Рассмотрим реальную ситуацию, когда сигнал передается по кабельной системе, включающей несколько отрезков коаксиального кабеля и несколько приборов (ответвителей, делителей, усилителей). Допустим, что в этой системе есть точки нерегулярностей, в которых полное сопротивление отклоняется от номинального значения. Местоположение этих точек пока не уточняется, поскольку важен сам факт их присутствия в системе. Физические свойства электромагнитного сигнала таковы, что, приходя в точку нерегулярности, сигнал отражается от этой точки. При этом возникает сразу две проблемы. Во-первых, часть энергии сигнала, передаваемая в нужном, прямом направлении теряется и, следовательно, эффективность передачи уменьшается. Во-вторых, отразившаяся часть сигнала, распространяясь по кабельной системе в обратном направлении, будет создавать помехи полезному первичному сигналу.

Нерегулярности могут образовываться в точках подключения кабеля к входу или выходу приборов, а также во внутренней структуре коаксиального кабеля. Нерегулярности во внутренней структуре кабеля возникают в том случае, когда кабель имеет внутренние дефекты, которые могут образоваться при производстве и прокладке кабеля. О наличии дефектов кабеля свидетельствуют резкие всплески в его амплитудно-частотной характеристике затухания. Если таких дефектов в кабеле нет, то сопротивление коаксиального кабеля можно считать примерно постоянным вдоль всего отрезка кабеля. Внутренние нерегулярности нормального кабеля незначительны и ими всегда можно пренебречь. Основные проблемы с отражениями появляются при включении в кабель каких-либо приборов, входной или выходной импеданс которых не равен полному сопротивлению кабеля. В этом случае избежать отражений не удается по двум причинам. Первая причина состоит в том, что добиться абсолютно точного равенства двух сопротивлений невозможно в принципе. Как бы близки по значению они не были, некоторое различие все-таки будет создавать слабую нерегулярность в точке их соединения. Реально здесь можно говорить только о допустимой несогласованности импеданса. Вторая причина носит чисто технологический характер. Даже при точном равенстве (предположим, что это возможно) сопротивления кабеля сопротивлению прибора появление отражения неизбежно, поскольку любое соединения кабеля с входом или выходом прибора выполняется при помощи резьбового кабельного разъема и каким бы качественным не был этот разъем, в точке соединения возникает нерегулярность. Это очевидно, поскольку в точке соединения задействованы сразу три устройства — кабель, вход прибора и разъем. Использование некачественных разъемов может испортить соединение и привести к сильному росту отражений.

Кроме этих отражений, очевидные отражения возникают на грубых нерегу-лярностях, таких как нетерминированное окончание кабеля или разрыв проводника кабеля. Для устранения отражений на нетерминированном окончании применяют специальные заглушки (терминаторы), имеющие сопротивление 75 Ом и устанавливаемые в свободное окончание кабеля. Роль заглушки та же — обеспечить равенство импедансов.

Поскольку отражения в кабельных системах неизбежны, влияние нежелательного отраженного сигнала на полезный сигнал и, в итоге на качество изображения, существует всегда. Задача разработчика состоит только в минимизации отраженной энергии или поддержании ее в допустимых пределах. Отражение вызывает в изображении тот же видимый эффект ореола или двойного контура, который возникает при многократном приеме одного и того же эфирного вещательного сигнала, отраженного от каких-либо препятствий. Отличие только в том, что влияние отражений в кабельных системах обычно не так заметно. Разберемся, каким образом отраженный сигнал влияет на работу кабельной системы.

В результате отражения от нерегулярности часть сигнала начинает распространяться по кабелю в противоположном направлении. Дойдя до входной точки начала данного участка системы, отраженный сигнал также может снова отразиться и снова изменит свое направление, на этот раз распространяясь уже в первоначальном прямом направлении, как и исходный сигнал. Следовательно, в конечную точку данного участка сети придут два абсолютно одинаковых сигнала, но, поскольку испытавший два отражения сигнал проходит более длинный путь (в три раза), чем исходный сигнал, отраженный придет туда с задержкой. Одинаковыми эти сигналы будут только по своей информационной нагрузке, но по амплитуде отраженный сигнал будет слабее. В результате поступления на вход телевизионного приемника абонента этих двух сигналов они оба будут детектированы и отображены на экране с некоторой разностью во времени. Это создаст эффект вторичного контура, смещенного горизонтально от оригинального изображения на величину, зависящую от времени задержки. На экране телевизора сперва «рисуется» первое оригинальное изображение, а затем второе задержанное изображение, которое слегка сдвинуто вправо по экрану. Насколько неприятным оказывается этот эффект для зрителя, зависит как от разности во времени между двумя изображениями, так и от амплитуды отражения. Когда задержка очень мала, то взаимное горизонтальное смещение двух изображений будет очень слабым и не заметным для зрителя, даже если отраженный сигнал имеют большую амплитуду, т.е. оба сигнала будут детектироваться и отображаться на экране, но они не будут смещены друг от друга настолько, чтобы восприниматься как два отдельных изображения.

Для оценки величины смещения примем горизонтальную линию телевизионного изображения (строку) за единицу времени, требующуюся для перемещения электронного луча по экрану слева направо. Используемый в России телевизионный стандарт SECAM устанавливает такую структуру кадра, при котором одна строка, исключая импульсы гашения и синхронизации, занимает 52,5 мкс. Если необходимо определить влияние задержки отраженного сигнала, то можно выразить ее в процентах от этого времени и сопоставить полученную величину с шириной экрана телевизора, чтобы получить значение смещения отраженного сигнала на экране в сантиметрах. Допустим, задержка составляет 0,4 % от 52,5 мкс (0,21 мкс), тогда при ширине экрана 25 дюймов (63,5 см) она выразится в смещении отраженного изображения относительно оригинального примерно на 0,2 мм.

Если отраженная энергия заключается только в какой-либо части спектра ТВ сигнала, то такое отражение называется эхом и оно будет влиять только на какой-либо компонент ТВ изображения. Если отраженная энергия присутствует во всем спектре ТВ сигнала, то явление называется собственно отражением и влияет оно на все составляющие воспроизводимого ТВ сигнала. Если отраженный сигнал распределен равномерно или почти равномерно по всему спектру телевизионного канала то на экране будет полностью воспроизводиться повторное изображение. Если нерегулярность такова, что создает отражение на частотах, занимающих только часть телевизионного спектра, то на экране появится эффект окантовки или двойного контура. Отражение или эхо всегда слабее (ниже по амплитуде), чем первичный сигнал. Когда несколько отражений одновременно присутствует в системе, обычно визуально преобладает какое-либо одно, а другие практически незаметны.

Степень повреждения телевизионного изображения зависит от совокупности двух факторов — амплитуды и задержки. Если задержка значительна, то отражение будет ясно различимо только при высокой амплитуде отраженного сигнала. Но если задержка очень мала, то даже отражение с большой амплитудой не будет создавать помех. Вообще восприятие задержки видеоинформации зрителем довольно сильно зависит от характера самой видеоинформации. Например, для алфавитно-цифровой информации отражение будет заметно гораздо сильнее, чем для быстро движущихся изображений и анимации.

Характер видеоинформации, амплитуду и временную задержку отражения трудно связать математически, поэтому на практике их связь как правило оценивается эмпирически, на основе опыта и наблюдений, т.е. с помощью субъективной оценки тестовых программ зрителями. На той же основе устанавливались стандарты для оценки влияния шума на телевизионное изображение. Эти тесты показывают, что отраженный сигнал с задержкой 500 не и уровнем на 30 дБ ниже амплитуды первичного сигнала ощущается средним зрителем, а сигнал с задержкой 500 не и уровнем на 20 дБ ниже первичного сигнала может восприниматься только некоторыми зрителями.

Величину отражений в системе передачи можно оценивать с помощью нескольких показателей, имеющих сходный физический смысл. Для оценки той доли энергии, которая была отражена от точки несовпадения импедансов (нерегулярности), было введено понятие возвратных потерь (return loss, RL). Коэффициент возвратных потерь, который также называется затуханием несогласованности — это отношение значений напряжения (или мощности) падающей и отраженной волн, которое рассчитывается по следующей формуле:

Измеряется коэффициент возвратных потерь в децибелах. Из определения ясно, что коэффициент возвратных потерь должен быть максимален, поскольку, чем меньше отраженная энергия, тем большим числом будут выражаться возвратные потери. Чем больше возвратные потери прибора, тем более качественным является данный прибор. Допустим, что коэффициент возвратных потерь составляет 20 дБ. Это означает, любой поданный на вход этого прибора сигнал будет порождать отраженный сигнал, уровень которого на 20 дБ ниже уровня первоначального входного сигнала. Если бы возвратные потери были равны 0 дБ (наихудший случай), то это означало бы, что 100% подаваемой в кабель энергии отражается от входа прибора. Показатели возвратных потерь задаются производителем для любого прибора и кабеля в его технической спецификации.

Величина возвратных потерь для кабеля характеризуется параметром, называемым структурными возвратными потерями SRL, определение которого аналогично определению RL.

Другим показателем, с которым связана величина возвратных потерь, является коэффициент стоячей волны КСВ. В зарубежной литературе он называется SWR (standing wave ratio). Если возвратные потери были бы равны 0 дБ (наихудший случай), то SWR имеет бесконечную величину. Коэффициент возвратных потерь вычисляется через значение SWR по формуле:

Например, коэффициент возвратных потерь 21 дБ, приблизительно соответствует значению коэффициента стоячей волны 1,2. Общепринято, что КСВ пассивных коаксиальных приборов должен быть меньше 1,3.

Кроме величин RL и SWR для кабельной системы рассчитывают еще коэффициент отражения или отношение сигнал-отражение (отношение S/R), которое показывает, на какую величину в децибелах уровень первоначального сигнала превосходит уровень отраженного сигнала в той же точке. Отношение S/R рассчитывается, как правило, не для отдельного прибора, а для участка кабельной сети. Таким образом, отношение вычисляется как разность этих двух уровней следующим образом:

S/R = Sпад — Sотр

Коэффициент отражения измеряется тем же способом, но в процентах от уровня падающего сигнала. Далее рассмотрим отдельно возникновение отражений в коаксиальном кабеле и в точках подключения отрезков кабеля к приборам.