Ψηφιακή τηλεόραση. [από το Α έως το Ω] Αναλογικό σήµα Video και ψηφιοποίηση σε SDI

Transcript

1 Ψηφιακή τηλεόραση [από το Α έως το Ω] Αναλογικό σήµα Video και ψηφιοποίηση σε SDI Μέρος B Στο προηγούµενο άρθρο (τεύχος Οκτωβρίου 2013) ξεκινήσαµε µια σύντοµη και συνοπτική περιγραφή των διαφόρων σταδίων επεξεργασίας που υπόκειται ένα αναλογικό σήµα, από τη στιγµή που παράγεται στην κάµερα έως ότου καταλήξει να γίνει ένα ψηφιακό σήµα τηλεόρασης έτοιµο για εκποµπή, είτε µέσω δορυφόρου (DVB-S/S2), είτε επίγεια (DVB-T/T2), είτε καλωδιακά (DVB-C/C2) είτε µέσω IP (DVB-IP). Στο παρόν άρθρο θα αναφερθούµε κυρίως στο αναλογικό σή- µα που αποτελεί την <<πληροφορία>> µας, δηλ. την εικόνα και τον ήχο ή το περιεχόµενο ενός προγράµµατος που θέλουµε να διανείµουµε. Θα αναφερθούµε στις διάφορες µορφές και αναλύσεις που το συναντάµε καθώς και στα στάδια επεξεργασίας που υπόκειται προκειµένου να µετατραπεί σε ψηφιακή µορφή, έτοιµο να υποστεί συµπίεση (Mpeg2/4). Μορφές αναλογικού σήµατος RGB+Ηsync/Vsync ή RGBHV Η πρωταρχική µορφή ενός αναλογικού σήµατος προερχόµενο απευθείας από την πηγή του 1 πχ. από µια κάµερα, είναι το σήµα RGB µε κάθετους και οριζόντιους παλµούς συγχρονισµού. Αυτή η µορφή σήµατος ονοµάζεται RGBHV. Οι παλµοί συγχρονισµού δηµιουργούνται από µια εσωτερική γεννήτρια παλµών συγχρονισµού όπως φαίνεται στο σχήµα Νο.1. Αυτή η µορφή σή- µατος αποτελείται από πέντε γραµµές µεταφοράς και την συναντά- µε κυρίως στην είσοδο VGA των αναλογικών monitor των PC (εικόνα Νο.1). Αξίζει να σηµειώσουµε ότι η µορφή σήµατος RGBHV µας παρέχει την καλύτερη εικόνα από οποιαδήποτε άλλη µορφή αναλογικού video. RGB+ Composite Sync ή RGBS Το σήµα RGB + Composite Sync προκύπτει από την πολυπλεξία των παλµών οριζοντίου και καθέτου συγχρονισµού, δηµιουργώντας ένα σύνθετο σήµα παλµών συγχρονισµού που µεταφέρονται στην ίδια γραµ- µή µεταφοράς, όπως φαίνεται στο σχήµα Νο.1. 2 Μ' αυτό τον τρόπο οι γραµµές µεταφοράς αυτής της µορφής σήµατος γίνονται τέσσερις: R,G,B, και Composite Sync και ονοµάζεται RGBS ή ΣSYNC. Αυτός ο τρόπος µετάδοσης συναντάται κυρίως σε τηλεοράσεις µέσω του connector SCART όπως φαίνεται στην εικόνα Νο.2. Components video Συνεχίζοντας προς τα κάτω στο σχήµα Νο.1 έχουµε το Components video το οποίο χρησιµοποιείται κατά κόρον στις µέρες µας σε εφαρ- µογές όπου θέλουµε µια πολύ καλή ποιότητα video. Το Components video δηµιουργείται όταν το RGB σήµα µετατρέπεται σε luminance (Y) και χρωµοδιαφορές (U και V) µέσω ενός δικτυώµατος µε αντιστάσεις σύµφωνα µε τον παρακάτω τύπο: Y = 0.3*R *G *B U = 0.49*(B-Y) V = 0.88*(R-Y) Y = luminance ή αλλιώς B-Y ή CB ή αλλιώς R-Y ή CR Από τα σήµατα Y,CB,CR µπορούµε ακολουθώντας την ανάστροφη διαδικασία να επανέλθουµε στο αρχικό σήµα RGB.

2 ΨΗΦΙΑΚH ΤΗΛΕOΡΑΣΗ EΝΙΣΧΥΤΙΚΗ Ι ΑΣΚΑΛΙΑ Σχήµα 1

3 Επιπλέον, το σήµα composite Ηsync/Vsync ενσωµατώνεται µέσα στο σήµα Green (ή αλλιώς στο Y) επιτρέποντας έτσι την µετάδοση του 3 components video µε µόνο τρεις γραµµές µεταφοράς. Το components video το συναντάµε σε πολλές συσκευές αναπαραγωγής σήµατος video. Οι σχετικοί connectors φαίνονται στην εικόνα Νο. 3. S video Το σήµα S video δηµιουργείται από την ενσωµάτωση των χρωµοδιαφορών R-Y και B- Y σε ένα σύνθετο σήµα µέσω ενός encoder 4 PAL. Το σήµα που παράγεται στη έξοδο του PAL encoder ονοµάζεται Crominance και έχει κεντρική συχνότητα στους 4.43MHz. Έτσι, το σήµα S video αποτελείται από 2 γραµ- µές µεταφοράς, δηλ. το σήµα Luminace (Y) µε ενσωµατωµένους τους παλµούς συγχρονισµού και το σήµα Crominance µε ενσω- µατωµένες τις δύο χρωµοδιαφορές. O connector που χρησιµοποιείται συνήθως για το σήµα S video είναι αυτό που φαίνεται στην εικόνα No. 4. CVBS ή Composite Video Blanking Sync Από το σήµα S video δηµιουργείται το σύνθετο σήµα video CVBS ενσωµατώνοντας τα Y και 5 chrominance σε µία γραµµή µεταφοράς. Για να γίνει αυτό, πρέπει κατ αρχήν να περιορίσουµε στα 3.5MHz το εύρος συχνοτήτων (bandwidth) που καταλαµβάνει το σήµα Y, αυτό γίνεται µε κατάλληλα φίλτρα. Ο λόγος αυτού του περιορισµού είναι ότι δεν πρέπει το σήµα Y και chrominance να παρεµβάλλουν µεταξύ τους. Εν συνεχεία, τα δύο σήµατα αθροίζονται δη- µιουργώντας τη µορφή σήµατος CVBS. Από τα παραπάνω γίνεται σαφές ότι το σήµα S video υπερτερεί έναντι του CVBS διότι σ' αυτό δεν υπάρχει ο περιορισµός του σήµατος Y στους 3.5MHz αλλά αφήνεται ελεύθερο για µέγιστη ευκρίνεια. Σε γενικές γραµµές, το σήµα CVBS µας δίνει την χειρότερη ποιότητα εικόνας σε σχέση µε όλες τις προηγούµενες µορφές video που περιγράψαµε παραπάνω αλλά πλεονεκτεί στο γεγονός ότι χρησιµοποιεί µόνο µια γραµµή µεταφοράς. Στην εικόνα Νο.5 απεικονίζεται ο κίτρινος connector RCA του σήµατος video καθώς και οι connectors κόκκινο/άσπρο που είναι για τα δύο κανάλια του ήχου Left/Right. Έχοντας λοιπόν, σε κάποια από τις παραπάνω αναλογικές µορφές, την «πληροφορία» που θέλουµε να µεταδώσουµε, θα πρέπει τώρα να τη µετατρέψουµε σε ψηφιακή µορφή. Αυτή η µετατροπή επιτυγχάνεται µε τη χρήση ειδικευµένων A/D (Analog to Digital converters) τόσο για το σήµα video όσο και για το σήµα audio. Τα A/D δεν είναι τίποτα περισσότερο από ολοκληρωµένα κυκλώµατα (IC-chip), τα ο- Σχήµα 2 ποία αναλαµβάνουν να κάνουν αυτή τη δουλειά. Στο σχήµα Νο.2 α- πεικονίζεται µε ποιό τρόπο ένα αναλογικό σήµα µετατρέπεται σε ψηφιακό: Η ακρίβεια και η ταχύτητα µε την οποία ο A/D λαµβάνει δείγµατα α- πό το αναλογικό σήµα και τα µετατρέπει σε ψηφιακές λέξεις καθορίζουν και την ποιότητά του. Όσο πιο κοντά χρονικά είναι τα δείγµατα που λαµβάνονται (sampling rate) και όσο πιο µικρά είναι τα βή- µατα ψηφιοποίησης (resolution) τόσο πιο αξιόπιστο κα ακριβές είναι το ψηφιακό σήµα που προκύπτει. Σηµειώνεται ότι για το σήµα video, πρώτα γίνεται διαχωρισµός σε components video δηλ. Υ, C-B, C-R και µετά γίνεται η µετατροπή από αναλογικό σε ψηφιακό του καθ ενός. Στο τέλος συναθροίζονται τα προκύπτοντα ψηφιακά σήµατα µεταξύ τους. Μ' αυτόν τον τρόπο, επιτυγχάνουµε τελικά να µετατρέπουµε έ- να αναλογικό σήµα video και audio σε ψηφιακό. ιαµόρφωση Η τελευταία βαθµίδα του σχήµατος No.1 είναι ο διαµορφωτής. Ο δια- µορφωτής είτε αναλογικός, είτε ψηφιακός αναλαµβάνει να µετατρέψει κάποια µορφή των παραπάνω αναλογικών µορφών σήµατος video σε RF. Με τον τρόπο αυτό, µπορούµε να βάλουµε πολλά διαφορετικά προγράµµατα (video/audio ή και data) σε ένα οµοαξονικό καλώδιο προκειµένου να τα µοιράσουµε σε ένα καλωδιακό δίκτυο. Αξίζει να σηµειωθεί ότι η ποιότητα της εικόνας έχει µειωθεί θεαµατικά σε αυτήν την βαθµίδα αλλά τα πλεονεκτήµατα που µας προσφέρει αποτελούν µονόδροµο για τις καλωδιακές εγκαταστάσεις. Γενικά, από το σχήµα Νο. 1 παρατηρούµε ότι όσο κατεβαίνουµε από πάνω προς τα κάτω, χάνουµε σε ποιότητα σήµατος εικόνας αλλά κερδίζουµε σε γραµµές µεταφοράς, πράγµα που µας εξυπηρετεί αρκετά στην χρήση του.

4 SDI (Serial Digital Interface) Το SDI περιγράφει µια κατηγορία διαφόρων µορφών ασυµπίεστου ψηφιακού video, οι οποίες τυποποιούνται κάτω από τον οργανισµό SMPTE (The Society of Motion Picture and Television Engineers). Για παράδειγµα, τα πρότυπα ITU-R BT 656 και SMPTE 259M που χρησιµοποιούµε σήµερα κατά κόρον σε Standard Definition (SD) εφαρ- µογές περιγράφουν τις προδιαγραφές που πρέπει να ακολουθεί ένα σήµα video όταν πρόκειται για εκποµπή. Η ταχύτητα ροής δεδοµένων του είναι 270Mbit/s (υπενθυµίζουµε ότι 1Byte = 8bits). Ως µέσω µεταφοράς συνήθως χρησιµοποιείται οµοαξονικό θωρακισµένο καλώδιο στα 75Ω µε connectors BNC ή οπτικές ίνες. Όσο οι ανάγκες για καλύτερη ποιότητα σήµατος video αυξάνονται, ό- πως το High Definition (HD), τόσο αυξάνεται και η ανάγκη για µεγαλύτερες ροές δεδοµένων. Για αυτόν το λόγο έχουν δηµιουργηθεί νέες µορφές σήµατος SDI, µε τα χαρακτηριστικά τους να φαίνονται στον πίνακα Νο1. Πίνακας Νο1 Standard Name Bitrates Video Formats 270 Mbit/s, SMPTE 259M SD-SDI 360 Mbit/s, 480i, 576i 143 Mbit/s,177 Mbit/s SMPTE 344M ED-SDI 540 Mbit/s 480p, 576p SMPTE 292M HD-SDI Gbit/s, 720p, 1080i 1.485/1.001 Gbit/s SMPTE 372M Dual Link Gbit/s, 1080p HD-SDI 2.970/1.001 Gbit/s SMPTE 424M 3G-SDI Gbit/s, 1080p 2.970/1.001 Gbit/s Αναµένεται 6G-SDI Αναµένεται 4Κ Σήµερα πολλές επαγγελµατικές κάµερες περιλαµβάνουν ενσωµατω- µένα τα κυκλώµατα A/D, µε αποτέλεσµα να βγάζουν απευθείας στην έξοδο σήµα video SDI σε κάποια από τις µορφές του πίνακα Νο1, ε- νώ ο ήχος ακολουθεί και αυτός παρόµοια διαδικασία ψηφιοποίησης. Pixel Η ανάλυση µιας οθόνης τηλεόρασης ή ενός υπολογιστή, µιας κάµερας ή ενός scanner περιγράφεται χρησιµοποιώντας σαν µονάδα µέτρησης το pixel. Ένα pixel αποτελεί το µικρότερο στοιχείο εικόνας και µπορούµε να το φανταστούµε σαν ένα κοµµάτι πάζλ, όπου αν συνδυαστούν πολλά µαζί δηµιουργούν µια ολοκληρωµένη εικόνα. Ένα pixel <<κουβαλάει>> µαζί του την ελάχιστη πληροφορία που αποτελείται από το χρώµα (hue) και την φωτεινότητα (saturation). Ενώ στην περίπτωση µιας ακίνητης εικόνας όλα τα pixel έχουν µια σταθερή τιµή, στην περίπτωση της τηλεόρασης όλα τα pixel ανανεώνονται κάθε 25 ή 30 φορές το δευτερόλεπτο ανάλογα µε το σύστηµα που ακολουθούµε. Στις παλαιές τηλεοράσεις CRT ένα pixel αποτελούνταν από τρεις µικρές τελείες φωσφόρου, άλλοτε σε διάταξη Delta (στις πιο παλιές τηλεοράσεις) και άλλοτε σε διάταξη in-line, οι οποίες ακτινοβολούσαν κάθε φορά που τα εστίαζε η δέσµη ηλεκτρονίων του καθοδικού σωλήνα. Οι τηλεοράσεις Plasma χρησιµοποιούν επίσης δέσµη ηλεκτρονίων και φώσφορο όπως οι τηλεοράσεις CRT µε την µόνη διαφορά ότι κάθε pixel έχει την δική του ηλεκτρονική δέσµη ηλεκτρονίων που το οδηγεί. Οι τηλεοράσεις LCD (Liquad Crystal Displays) χρησιµοποιώντας υ- γρούς κρυστάλλους για pixels (µια χηµική ουσία) καταφέρνουν να µπλοκάρουν ή να επιτρέψουν το φως που παράγεται από µία φωτεινή πηγή από πίσω, ανάλογα µε κάποιο ηλεκτρικό σήµα οδήγησης. Ένα pixel εκτός από την τιµή που έχει, περιγράφεται και από την θέση στον οριζόντιο και κατακόρυφο άξονα σε µια εικόνα. Σε ένα σήµα video, η εικόνα (το καρέ της εικόνας) δηµιουργείται α- πό τα αριστερά προς τα δεξιά και από πάνω προς τα κάτω, µια διαδικασία που την ονοµάζουµε scanning. Υπάρχουν δύο ειδών scanning: Progressive scanning Στο progressive scanning ή αλλιώς Non-interlaced scanning όλες οι γραµµές σαρώνονται διαδοχικά και συµβολίζεται µε το γράµµα "p" στην ανάλυση της οθόνης πχ x 1080p ή 60/50p που µας δείχνει και το refresh rate, 60Hz ή 50Hz. Interlaced scanning Στο interlaced scanning το οποίο προέρχεται από την αναλογική τηλεόραση, σαρώνονται πρώτα οι γραµµές µε µονό αριθµό και στην συνέχεια οι γραµµές µε ζυγό αριθµό. Συµβολίζεται µε το γράµµα "i" στην ανάλυση της οθόνης πχ x 1080i ή 60/50i που µας δείχνει και το refresh rate, 60Hz ή 50Hz. Ανάλυση εικόνας Η standard definition ανάλυση εικόνας αποτελεί, ακόµα και σήµερα, την βασική ανάλυση εικόνας στις τηλεοράσεις ανά τον κόσµο. Παρόλα αυτά η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας των υπολογιστών, των τηλεοράσεων LCD και Plasma οδήγησε στην ανάγκη δηµιουργίας εικόνων µε πολύ υψηλότερη ανάλυση. Παρακάτω (πίνακας Νο.2) φαίνονται οι α- ναλύσεις που υπάρχουν σήµερα στα monitor των υπολογιστών: Acronym Aspect ratio Width (px) Height (px) VGA SVGA WSVGA ~17: XGA XGA WXGA 16: WXGA 5:

5 WXGA 16: SXGA (UVGA) SXGA 5: HD ~16: HD ~16: SXGA WXGA+ 16: HD+ 16: UXGA WSXGA+ 16: FHD 16: WUXGA 16: QWXGA 16: WQHD 16: WQXGA 16: Πίνακας Νο.2 H standard definition ανάλυση µιας εικόνας αναλογικής τηλεόρασης που χρησιµοποιείται κυρίως στην Ευρώπη (και στην Ελλάδα), αποτελείται από 625 γραµµές, εµφανίζονται µόνο οι 576 γραµµές µε refresh rate 50Hz. Στην Αµερική η standard definition ανάλυση αποτελείται από 525 γραµµές, εµφανίζονται µόνο οι 480 γραµµές µε 60Hz refresh rate. Αρχικά το aspect ratio της standard definition εικόνας δηλ. ο λόγος της οριζόντιας προς κάθετης ανάλυσης, ήταν ενώ στις µέρες µας όλο πιο πολύ κερδίζει έδαφος το aspect ratio 16:9 που χρησιµοποιείται κατά κόρον στην HDTV. Στους παρακάτω πίνακες (No3 και Νο4) φαίνονται όλες οι αναλύσεις που χρησιµοποιούνται σήµερα τόσο στην αναλογική όσο και στην ψηφιακή τηλεόραση: Αναλύσεις αναλογικής τηλεόρασης Standard Resolution [19] DAR [citation needed] Pixels (lines dots) (H:V) PAL, SECAM 576 ~520 ~299,520 PALplus 576 ~520 16:9 ~300,000 Undecoded PALplus 432 ~520 16:9 ~220,000 NTSC 486 ~440 ~213,840 Laserdisc 480 ~580 (NTSC) ~268, ~570 (PAL/SECAM) ~322,560 Betamax 480 ~320 (NTSC) ~120, ~310 (PAL/SECAM) ~144,000 Betamax 480 ~380 (NTSC) ~136,800 Superbeta 576 ~370 (PAL/SECAM) ~164,160 VHS 480 ~320 (NTSC) ~153, ~310 (PAL/SECAM) ~178,560 S-VHS 480 ~530 (NTSC) ~192, ~520 (PAL/SECAM) ~230,400 Πίνακας Νο.3 Αναλύσεις ψηφιακής τηλεόρασης Standard Resolution DAR Pixels (dots lines) (H:V) PixelVision ,800 Video CD (NTSC) 84, (PAL) 101,376 UMD ~16:9 130,560 China Video (NTSC) or 16:9 168,960 Disc (PAL) 202,725 SVCD SDTV 480i, EDTV 480p, SMPTE 293M SDTV 576i, EDTV 576p DVD 720p (HDTV, Blu-ray) 1080i, 1080p (HDTV, Blu-ray) (NTSC) or 16:9 230, (PAL) 276, , or 16:9 or 3:2 337, , , , , or 16:9 405, , , (NTSC) or 16:9 345, (PAL) 414, :9 921, :9 2,073, p (UHDTV) :9 8,294, p (UHDTV) :9 33,177,600 Πίνακας Νο.4 Επίλογος Σε αυτό το άρθρο κάναµε µια απλή περιγραφή του αναλογικού σή- µατος video, σε ποιες µορφές το συναντάµε και µε ποιό τρόπο µετατρέπεται σε ψηφιακό σήµα SDI. Εν συνεχεία, δώσαµε ένα ορισµό για το pixel και για τις διάφορες αναλύσεις που υπάρχουν και χρησιµοποιούνται σήµερα στην αναλογική και ψηφιακή τηλεόραση. Έχοντας λοιπόν την <<πληροφορία>> µας, δηλ. το σήµα video/audio σε ψηφιακή µορφή (SDI) που θέλουµε να µεταδώσουµε προχωράµε στο επόµενο στάδιο της αλυσίδας που είναι το στάδιο της συµπίεσης για το οποίο θα αναφερθούµε στο επόµενο άρθρο.