Исследование и разработка методов формирования и преобразования метаданных в телевизионных системах

В технике телевизионного (ТВ) вещания быстрыми темпами происходит замена аналоговых устройств на цифровые[23, 37, 40, 72, 82, 83]. Этот процесс еще не завершен, но уже ясно, что в ближайшее время в телевидении должны произойти еще более масштабные перемены — переход от аппаратных решений к программным, замена традиционных технологий производства телевизионных программ на информационные технологии (ИТ) [89, 91, 96, 98, 119]. Суть этого перехода заключается в применении стандартных компьютерных платформ и стандартных телекоммуникационных компонентов в сочетании со специализированным программным обеспечением. Только переход к информационным технологиям способен на современном этапе сделать цифровое телевизионное производство высококачественным, оперативным и экономически эффективным.

В результате внедрения информационных технологий ТВ система превращается в информационную систему [12, 34, 39, 41, 79, 80], в которой все производственные операции есть операции с данными, а исполнительными механизмами являются программные и аппаратные компоненты компьютерных платформ. Каждая функция, реализуемая в традиционной схеме отдельным специализированным техническим устройством, становится лишь одной из функций, которые выполняются программным обеспечением и многоцелевыми аппаратными средствами в системах, основанных на информационных технологиях.

Проектирование и создание ИТ систем, основанных на информационных технологиях, является более трудным и сложным, чем проектирование и создание традиционных аналоговых и цифровых систем производства программ. Более того, проектирование ИТ систем требует принципиально нового подхода, который выходит за рамки чисто технических трансформаций [21, 22, 25, 29, 31, 32, 43, 51, 96, 98, 115]. Необходим новый способ технического мышления, ориентированный на сервисы — службы, предназначенные для выполнения заданного блока работ с ТВ программами [44, 59]. Общая цель — интеграция служб для эффективного и экономичного производства телепрограмм.

К настоящему времени в телевидении сформировались понятия трех основных типов телевизионных систем [28, 34, 41, 71, 72, 83]. Это системы производства, системы архивирования и системы вещания. Каждый из типов систем связан со своими этапами создания и распределения ТВ программ. Задача систем производства заключается в создании новых ТВ программ. Задача систем архивирования заключается в хранении созданных ТВ программ. Задача систем вещания заключается в доставке ТВ программ до зрительской аудитории в виде ТВ передач согласно расписанию вещания. Разделение ТВ систем на перечисленные типы отражает специфику используемых аппаратных и программных средств. Организационной, или бизнес-единицей в телевидении является ТВ компания, которая может владеть как всеми типами ТВ систем, так и специализироваться в отдельных видах работ. В любом случае между ТВ системами происходит обмен ТВ программами.

При построении ТВ систем на ИТ-платформах обмен программами между системами относится к классу информационного обмена файлами или цифровыми потоками данных [94, 96, 98, 111, 128]. В этой связи особенно важной становится задача четкого определения содержания информационного обмена.

ТВ программа является законченным аудиовизуальным произведением и основной единицей, из которой составляется расписание ТВ передач. Сама ТВ программа состоит из частей, которые несут определенный эмоциональный и информационный заряд. Воспринимаемый зрителем аудиовизуальный ряд каждой части программы складывается из ряда медиаобъектов: видеоряда, аудиоряда, графических объектов, фотоснимков, текстовых данных титров и субтитров. Программы, их части и медиаобъекты объединяются в рамках понятия «медиаданные».

Огромное множество ТВ программ, которые уже созданы и ежечасно создаются в мире, ставит особо остро проблему целенаправленного выбора программ для информационного обмена между ТВ компаниями и между отдельными ТВ системами. Выбор программ и материалов, основанный на непосредственном их просмотре, практически невозможен. Более того, ТВ программы являются объектом авторского права, на их производство затрачиваются значительные средства, и непосредственный доступ к использованию программ другими ТВ компаниями ограничивается законодательными актами.

Для налаживания информационного обмена между ТВ компаниями необходима дополнительная информация, которая не принадлежит основному аудиовизуальному ряду, а служит для его описания. Такая информация называется метаданными, или «данными о данных» [95, 96, 97, 99, 100, 104, 105, 127]. Совокупность медиаданных и метаданных получила название аудиовизуального контента (АВК) [96].

Метаданные в виде текстовой и визуальной информации составляют важнейшую часть цифровых информационных потоков между различными ТВ системами. Приход в телевидение инструментариев информационных систем привел к необходимости моделирования медиаданных. В рамках моделирования данных используются понятия сущностей, их атрибутов и взаимосвязей между сущностями моделирования. Метаданные — информационная модель аудиовизуальных данных, или медиаданных.

В системах производства программ входящие метаданные позволяют находить и выбирать для использования фрагменты исходных материалов для создания новых программ [98, 100]. Завершенные в производстве программы должны получить соответствующее описание в форме организованной совокупности метаданных. Метаданные на созданные программы включают в себя часть входных метаданных и часть новых метаданных, отражающих суть созданных программ. Таким образом, можно констатировать, что в системах производства ТВ программ присутствуют операции формирования и преобразования метаданных.

В архивных системах через опубликованные метаданные пользователям предоставляется информацию о хранимых программах [97, 112]. Поэтому основной задачей архива является представление хранимых ТВ программ в контексте информационно-поисковых языков — индексирование ТВ программ. Для индексирования используются метаданные, принятые в архив от вещателей и производителей. Метаданные обогащаются дополнительными атрибутами, содержание которых наполняется редакторами, работающими в архивах. Особое значение имеют метаданные, представляющее смысловое (семантическое) описание хранимых ТВ программ [112, 114]. Таким образом, можно констатировать, что в системах архивирования ТВ программ присутствуют операции формирования и преобразования метаданных. Более того, именно процессы формирования и преобразования метаданных существенно превалируют по своему объему над операциями с медиаданными.

В вещательных системах при включении в расписание программ из архивов и от производителей вещатель производит поиск требуемых программ по критериям их семантики. Задача ретрансляции программ решается на основе приема и обработки данных о реальном исполнении расписания другими вещателями. Публикация расписаний в средствах массовой информации заключается в составлении набора метаданных в форме, понятной и привлекательной для зрительской аудитории. Как видно, в вещательных системах работа с метаданными является основной работой. Можно также констатировать, что в системах вещания присутствуют в основном операции формирования и преобразования метаданных.

Метаданные выполняют важнейшую роль в производстве, архивировании и вещании. Эффективное построение систем управления метаданными на ИТ-платформе становится актуальной задачей любой ТВ компании. Но интенсификация работ с метаданными в современном телевидении не является самоцелью. Разработка моделей данных и систем управления метаданными имеет своей целью повышение эффективности работы телекомпании (как в части увеличения доходов, так и в части сокращения эксплуатационных расходов). Поэтому работы, направленные на исследование метаданных в телевизионных системах, надо признать важными и актуальными для современного этапа развития телевидения, основанного на применении информационных технологий.

Выполненный анализ позволяет сформулировать цель диссертационной работы — исследование и разработка методов формирования и преобразования метаданных в телевизионных системах.

Формирование и преобразование метаданных становится важной составной частью производственного процесса и представляет собой действительно новую для телевидения область приложения средств и технологий. Качество метаданных в значительной степени определяет конкурентоспособность ТВ компании на рынке медиакоммуникаций. В современных ТВ системах метаданные создаются, обрабатываются и передаются в форме электронных документов. Прежняя (унаследованная) форма представления метаданных в виде этикеток, сопроводительных бумаг, кассетных ярлыков и т. п. должна быть переведена в стандартную электронную форму.

В области метаданных для телевидения уже существует большое число стандартов. Профессиональное производство и распределение ТВ программ в виде аудиовизуального контента будет основываться на совокупности стандартов, целенаправленно и комплексно разрабатываемых для ТВ систем перечисленных типов: систем производства, архивирования и распределения программ. Уже разработанные и еще разрабатываемые стандарты регламентируют структуру метаданных, правила их передачи, обмена и т. п. Естественно, при создании стандартов имелись в виду некоторые способы получения метаданных и варианты использования этих метаданных на практике. Однако стандарты не регламентируют ни процедуру получения метаданных, ни их применение. Это обусловлено несколькими причинами. Во-первых, стандартизация способов получения метаданных не требуется для достижения интероперабельностиспособности к взаимодействию аппаратных средств и программного обеспечения разных фирм-производителей. Во-вторых, стандартизация этой области зафиксировала бы существующие или известные способы получения и модификации метаданных, закрывая путь к усовершенствованиям, направленным на более полное использование широких возможностей стандартов описания аудиовизуальных материалов. По аналогичным соображениям не вводится стандартизация способов и систем практического использования метаданных (например, таких приложений, как поисковые системы), что открывает к конкурентному соперничеству предприятий и организаций отрасли, направленному на достижение наилучших результатов. Поэтому исследование методов создания и преобразования метаданных, а также систем и вариантов практического применения метаданных в телевидении является важной и актуальной задачей современного этапа развития телевидения.

Надо также принимать во внимание, что в каждой ТВ компании имеется свои собственные сложившиеся формы представления и использования метаданных. Переход к новым системам управления метаданными должен проводиться с учетом особенностей существующих производственных процессов и сочетать стандартные и наследуемые формы представления метаданных. Множественность стандартов метаданных, существующих в настоящее время, не отменяет необходимости создания корпоративной модели метаданных и эффективной системы управления ими для каждой ТВ компании. Создание моделей данных также является актуальной задачей современного этапа развития телевидения, поскольку такие модели служат исходным документом для построения физических моделей баз данных и разработки специализированных приложений создания и преобразования метаданных в ТВ системах.

Приведенные соображения позволяют выбрать наиболее важные направления исследований и разработок в области создания и преобразования метаданных для двух систем современного телевидения, основанного на информационных технологиях: архивных ТВ систем и вещательных ТВ систем.

В рамках первого направления исследуются методы обогащения семантических метаданных на основе взаимодействия архива аудиовизуальных программ с целевыми группами пользователей. Развитая система семантического описания архивных материалов приводит к увеличению количества обращений со стороны других ТВ компаний и со стороны частных пользователей. Увеличение числа пользователей и сопровождающий его рост обращений на передачу прав на использование хранимых материалов — естественный путь к повышению эффективности архивной ТВ системы в условиях рыночной экономики.

Базовая информационная модель архива телерадиокомпании, поддерживающая унаследованные производственные процессы, может использоваться для разработки эффективной системы управления метаданными в телекомпаниях, работающих в российских условиях.

В рамках второго направления исследуется методы и системы формирования, передачи и обработки метаданных в вещательных ТВ системах, организованных по сетевому принципу. Сеть состоит из головной станции и ряда региональных станций, осуществляющих замещения части программ центральной станции региональными вставками. Специально разработанные атрибуты эфирного расписания, передаваемые в реальном времени, позволяют автоматизировать производственные процессы по выполнению региональных замещений.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ принципов формирования и преобразования метаданных в телевизионных системах, основанных на использовании информационных технологий.

2. Разработка модели телевизионной системы, обобщающей принципы управления метаданными в телевизионных системах.

3. Исследование и разработка методов кооперативного обогащения семантических метаданных аудиовизуальных архивов.

4. Исследование и разработка системы синхронизации региональных замещений в сетях телевизионного вещания.

5. Разработка базовой информационной модели телерадиофонда телерадиокомпании.

Основные методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов информатики, теории систем управления данными, математико-лингвистической теории информации, теории оптимального управления. Экспериментальные исследования проведены с использованием принятых в телевидении методов планирования, проведения и статистической обработки результатов зрительских экспертиз и методов моделирования данных с применением универсального языка моделирования UML (Unified Modelling Language).

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Предложен метод оценки семантики аудиовизуальных программ в квазинепрерывном (реальном) масштабе времени.

2. Предложен метод обогащения семантических метаданных на основе взаимодействия архива аудиовизуальных программ с целевыми группами пользователей.

3. Разработаны метод и система автоматизированного регионального замещения фрагментов программ в сетях ТВ вещания, основанные на синхронизации процессов в распределенной информационной системе с помощью передачи в реальном времени метаданных расписания центральной станции. Разработана модель метаданных, оптимизированная для решения задачи синхронизации процессов в сетях вещания.

4. Региональное замещение решена как задача оптимального управления, целью которого является оптимизация набора параметров, описывающих процедуру вставки локальных клипов из очереди в рекламный блок. В качестве целевой функции оптимизации введена обобщенная стоимость рекламного блока.

5. Разработана базовая информационная модель телерадиофонда телерадиокомпании, поддерживающая унаследованные производственные процессы и множественность типов объектов хранения.

Практическая ценность. Значение результатов диссертационной работы для практики заключается в следующем:

1. Семантические метаданные, получаемые в рамках кооперативного обогащения, позволяют создавать в полуавтоматическом режиме различные версии компактных представлений фильмов, например, носящих информационный, развлекательный или рекламный характер для разных целевых групп зрителей.

2. Закономерности, определяемые с помощью предложенного метода кооперативного обогащения метаданных, имеют значительную ценность для социальных и исторических исследований.

3. Метод и система регионального замещения фрагментов программ в сетях ТВ вещания, основанные на передаче в реальном времени метаданных расписания центральной станции, значительно повышают эффективность взаимодействия вещательных систем при ретрансляции программ за счет автоматизации региональных замещений.

4. Разработанная модель метаданных для решения задачи синхронизации региональных замещений в условиях динамических изменений расписания центральной станции использует текстовую XML-форму представления, что делает возможной передачу данных через универсальный стек протоколов в цифровом вещании, аналоговом вещании и через Интернет и повышает надежность работы систем сетевого вещания.

5. Разработанный алгоритм построения оптимального расписания регионального замещения по критерию обобщенной стоимости рекламного блока имеет универсальный характер и может быть легко адаптирован к включению различных ограничений. Практические требования и ограничения могут менять множества допустимых значений параметров, описывающих процедуру вставки локальных клипов из очереди, но не сам алгоритм нахождения оптимального решения.

6. Разработанная базовая информационная модель телерадиофонда телерадиокомпании может использоваться для разработки эффективной системы управления метаданными в телекомпаниях, работающих в российских условиях. Использование базовой модели позволяет телекомпаниям сократить расходы на разработку собственной информационной модели телерадиофонда примерно в 4 раза.

Результаты диссертационной работы, относящиеся к оценке и обогащению семантических метаданных и созданию базовой модели телерадиофонда телекомпании, использованы при выполнении НИР «Требования к автоматизированной системе управления аудио и видео архивами Центрального Телерадиофонда ВГТРК (АСУ ЦТРФ)», выполненной по заказу Всероссийской Государственной телерадиокомпании (Москва). Результаты диссертационной работы, относящиеся к решению задачи синхронизации локальных замещений фрагментов программ, использованы вещательной компанией «Телемедиум» (Санкт-Петербург) при разработке и создании сети распределения эфирных программ в стандарте DVB-T на территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области. Результаты диссертационной работы также внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного университета кино и телевидения. Использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами внедрения, полученными от Всероссийской Государственной телерадиокомпании (Москва), от вещательной компании «Телемедиум» (Санкт-Петербург) и от Санкт-Петербургского государственного университета кино и телевидения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод оценки семантики аудиовизуальных программ в квазинепрерывном (реальном) масштабе времени.

2. Метод обогащения семантических метаданных на основе взаимодействия архива аудиовизуальных программ с целевыми группами пользователей.

3. Метод и система автоматизированного регионального замещения фрагментов программ в сетях ТВ вещания, основанные на передаче в реальном времени метаданных расписания центральной станции.

4. Метод оптимизации наполнения региональных замещений, отслеживающий динамические изменения расписания центральной станции.

5. Базовая информационная модель телерадиофонда, поддерживающая унаследованные производственные процессы и множественность типов объектов хранения.

Материалы диссертационной работы изложены в четырех главах. Глава 1 посвящена критическому анализу принципов формирования, преобразования и использования метаданных в телевизионных системах, основанных на использовании информационных технологий. В ней также разработана модель телевизионной системы, обобщающей принципы управления метаданными в телевизионных системах. Глава 2 содержит исследование и разработку методов кооперативного обогащения семантических метаданных аудиовизуальных архивов. В главе 3 решается задача исследования и разработки системы синхронизации региональных замещений в сетях телевизионного вещания. В главе 4 разрабатывается базовая информационная модель телерадиофонда телерадиокомпании. В заключении сформулированы основные результаты диссертационных исследований.

1. Общий путь развития отрасли телевизионного вещания связывается с широким использованием информащюнных технологий. Важная составная часть аудиовизуального контента — метаданные. Производственные процессы в ТВ системах в значительной своей части представляют работу с метаданными. Эффективное построение систем управления метаданными — ключ к успеху ТВ компании на рынке медиакоммуникаций.2. Для систем^{хивирования} эффективное представление хранимых ТВ программ связывается с обогащением семантических метаданных, ориентированных на различные целевые группы зрительской аудитории. Кооперативное обогащение метаданных ведет к изменению жизненного цикла метаданных, добавляя в него стацию модификации содержания в режиме, близком к режиму реального времени. Метаданные из статической структуры превращаются в эволюционирующий электронный документ, представляюпцш результат структурного и семантического описания архивных аудиовизуальных материалов.3. Семантические метаданные, получаамые в рамках кооперативного обогащения, позволяют создавать в полуавтоматическом р^симе различные версии компактных представлений фильмов, например, носяошх информационный, развлекательный или рекламный характер для разных целевых групп зрителей. Закономфности, определяемые с помощью предложенного метода кооперативного обогащения метаданных, имеют значительную ценность для историко-социальных исследований в будущем.4. Эффективное взаимодействие вещательных систем при ретрансляции программ и вставке региональных замещений должно основываться на автоматизации замещений, выполняемых на основе передачи метацанных, которые отражают реальный ход исполнения расписания вещания центральной станции.5. Региональное замещение решается как задача оптимального управления, целью которого является оптимизация набора п^аметров, описывающих процедуру вставки локальных клипов из очереди в рекламный блок. В качестве целевой функцией оптимизации введена обобщенная стоимость рекламного блока в виде вещественной, неотрицательной, кусочно-постоянной функции, которая показывает, насколько удачно он составлен из отдельных клипов.6. Разработанный алгоритм построения оптимального расписания регионального замещения по критерию обобщенной стоимости рекламного блока имеет унив^х^альный х? ф>актер и может быть легко адаптирован к включению различных ограничений. Гфактичес1сие требования и ограничения могут менять множества допустимых значений параметров, описывающих процедуру вставки локальных клипов из очереди, но не сам алгоритм нахождения оптимального решения.7. Разработана модель метаданных для решения задачи синхронизации региональных замещений в условиях динамических изменений расписания центральной станции. Модель использует текстовую XML-форму представления, она оптимизирована для решения задачи синхронизации региональных замещений в условиях динамических изменений расписания центральной станции.8. Множественность стандшугов метаданных не отменяет необходимость создания корпоративной модели метаданных и эффективной системы управления ими для каждой ТВ компании. Разработана базовая информационная модель телерадиофонда телерадиокомпании, которая может использоваться для разработки эффективной системы управления метаданными в телекомпаниях, работающих в российских условиях.9. Разработанная базовая модель телерадиофонда учитывает структуру типичных внутренних документов ТРФ, а также корпоративные правила, отражающие необходимый набор условий для приема и предоставления фондовых материалов. В модели обеспечено сохранение преемственности по отношению к имеющейся в ТРФ типичной системе учета и описания фондовых материалов.10. Разработанная базовая информационная модель телерадиофонда позволяет каждой телекомпании начать ре-инжиниринг^хивов, взяв разработанную модель как базовую. Использование базовой модели позволяет телекомпаниям сократить расходы на разрабоп^ собственной информационной модели телерадиофонда примерно в 4 раза. Основные результаты исследований опубликованы в работах [10,11,53−60,110,121].