Η ΨΗΦΙΑΚΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΤΗΣ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗΣ ΚΑΙ ΟΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ

Transcript

1 ΑΤΕΙ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ Η ΨΗΦΙΑΚΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΤΗΣ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗΣ ΚΑΙ ΟΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΚΙΚΑ ΣΤΑΥΡΟΥΛΑ (ΑΜ: Τ-2540) Επιβλέπων: ΧΑΪΚΑΛΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ, Καθηγητής εφαρμογών ΛΑΡΙΣΑ 2015

2

3 Περίληψη Η παρούσα πτυχιακή εργασία πραγματεύεται την μετάβαση της αναλογικής τηλεόρασης σε ψηφιακή όπως αυτή έλαβε χώρα στην Ελλάδα. Στα πρώτα κεφάλαια δίδεται μια βασική θεωρία που περιγράφει τις υποδομές της ψηφιακής τηλεόρασης ξεκινώντας από την στοιχειώδη έννοια του πολυμέσου, περνώντας μέσα από την ιδέα της ψηφιοποίησης (ψηφιοποίηση ήχου εικόνας βίντεο) και φτάνοντας στα πρότυπα της τηλεοπτικής μετάδοσης (DVB). Συνέχεια αναφερόμαστε στην ψηφιακή μετάβαση της Ελλάδος όπου σημαντικό ρόλο έπαιξε η εταιρία Digea. Έτσι από το 2009 η εταιρία ανέλαβε την παροχή τηλεοπτικών υπηρεσιών τόσο στα ιδιωτικά κανάλια όσο και στους ιδιωτικούς περιφερειακούς σταθμούς. Έτσι το Σεπτέμβριο του 2009 πραγματοποιήθηκε το πρώτο switch-off στη χώρα το Φεβρουάριο του 2014 ανακηρύσσεται ο κύριος κάτοχος δικαιωμάτων χρήσης ραδιοσυχνοτήτων εθνικής και περιφερειακής κάλυψης έχοντας τελικό στόχο την ενεργοποίηση 156 κέντρων εκπομπής στην Ελλάδα. Έτσι το 2012 έχει φτάσει να εκπέμπει ψηφιακό σήμα σε 34 περιοχές με βάση το χάρτη που βρίσκεται σε αντίστοιχο κεφάλαιο της παρούσας πτυχιακής. Η ψηφιοποίηση λοιπόν του σήματος έφερε πολλά πλεονεκτήματα κάποια από τα οποία η ποιοτικότερη εικόνα και ήχος αφού πλέον ο ψηφιακός μας δέκτης λειτουργεί σαν μικρός υπολογιστής ο οποίος θωρακίζει την ποιότητα της οθόνης, δεν χρειάζεται αλλαγή στην κεντρική εγκατάσταση της οθόνης, μπορούν να εκπεμφθούν πολύ περισσότερα κανάλια και όλα με άριστη εικόνα και ήχο όπως και πολλά άλλα. Κάποια από τα μειονεκτήματα λοιπόν της λήψης του ψηφιακού σήματος είναι ότι στην διαδικασία της ψηφιοποίησης και κβάντισης του σήματος το οποίο υπόκειται υ- ποβάθμιση καθώς και παραμόρφωση, βασικό πρόβλημα επίσης αντιμετωπίζεται στην συμπίεση των δεδομένων άλλο ένα μειονέκτημα της ψηφιακής λήψης. Οι προοπτικές της ψηφιακής τηλεόρασης παρά τα αρκετά πλεονεκτήματα είναι πολλές λόγω της εξέλιξης της τεχνολογίας και της απλοποίησης των υπολογιστών όπου μπορούν με σωστή κρίση να καθορίσουν το μέλλον της χώρας μας αλλά και του κόσμου. -i-

4

5 Ευχαριστίες Σε αυτή την εργασία θα ήθελα να ευχαριστήσω εκ βάθους καρδίας την οικογένειά μου για την αμέριστη συμπαράσταση τους στην προσπάθειά μου προς την απόκτηση αυτού του πτυχίου της πληροφορικής. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Κωνσταντίνο Χαϊκάλη για την καθοδήγηση του σε αυτήν την πτυχιακή. Γκίκα Σταυρούλα 22/5/2015 -iii-

6

7 Περιεχόμενα ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... III ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... V 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΕΠΙΓΕΙΑ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ (DTTV Η DTT) ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΚΑΙ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΠΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΟ Δειγματοληψία Κβάντιση ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΠΡΟΤΥΠΑ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΜΕΣΩΝ Ψηφιακές εικόνες Λόγος Διαστάσεων ΨΗΦΙΑΚΟ ΒΙΝΤΕΟ Αναπαράσταση Ψηφιακού Βίντεο Τύποι Σημάτων Βίντεο Σχήματα Υποδειγματοληψίας YUV Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΟΥ ΤΗΛΕΟΠΤΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΘΕΩΡΙΑ ΧΡΩΜΑΤΟΣ ΤΟ ΧΡΩΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΟΥ ΧΡΩΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ Η ΦΥΣΗ ΤΟΝ ΦΩΤΟΣ Η Ανθρώπινη αίσθηση των Χρωμάτων ΤΡΙΧΡΩΜΑΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΟ RGB ΓΙΑ ΤΟΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΟΘΟΝΩΝ v-

8 5 ΣΥΓΧΡΟΝΙΣΜΟΣ ΤΗΛΕΟΠΤΙΚΑ ΣΗΜΑΤΑ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΤΗΛΕΟΠΤΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΨΗΦΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΓΙΑΤΙ ΝΑ ΨΗΦΙΟΠΟΙΗΘΟΥΝ ΤΑ ΟΠΤΙΚΑ ΣΗΜΑΤΑ ΜΟΡΦΕΣ ΨΗΦΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΜΟΡΦΗ 4:2: ΤΑ ΠΡΟΤΥΠΑ DVB DVB-S ΚΑΙ DVB-S DVB-C DVB-T DVB-T DVB-H ΝΕΕΣ ΥΒΡΙΔΙΚΕΣ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ H ΜΕΤΑΒΑΣΗ ΑΠΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ (ΠΩΣ ΕΓΙΝΕ ΑΥΤΟ) ΛΙΓΑ ΛΟΓΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΤΑΙΡΙΑ DIGEA Σκοπός και στόχος της εταιρίας ΈΝΑ ΜΙΚΡΟ ΧΡΟΝΙΚΟ ΤΗΣ ΕΤΑΙΡΙΑΣ DIGEA Ιούνιος Σεπτέμβριος Φεβρουάριος ΤΕΛΙΚΟΣ ΣΤΟΧΟΣ ΤΗΣ ΕΤΑΙΡΙΑΣ ΕΠΙΤΕΥΓΜΑΤΑ ΤΗΣ ΕΤΑΙΡΙΑΣ ΧΡΟΝΟΛΟΓΙΟ ΔΕΛΤΙΟΥ ΤΥΠΟΥ ΕΤΑΙΡΙΑΣ ΧΑΡΤΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΤΑ SWITCH-OFF ΤΩΝ ΠΕΡΙΟΧΩΝ Περιοχή Πελοπόννησος Περιοχές Αττική & Βορειοανατολική Ελλάδα Περιοχές Κεντρική Μακεδονία, Θεσσαλία, Στερεά Ελλάδα & Βόρεια Ηπειρωτική, Κεντρική και Δυτική Ελλάδα vi-

9 9.7.4 Νοτιοανατολική Ελλάδα ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΕΠΙΓΕΙΑΣ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗΣ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΗΝ ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΕΠΙΓΕΙΑ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΚΑΙ ΟΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΕΞΕΛΙΞΗΣ ΓΙΑ ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΒΙΒΛΙΑ ΙΣΤΟΤΟΠΟΙ vii-

10

11 Πρόλογος Η παρούσα εργασία είναι το αποτέλεσμα της πτυχιακής μου μελέτης πάνω στην ψηφιακή τηλεόραση και πως αυτή εφαρμόστηκε-εγκαταστάθηκε στην Ελλάδα. Αυτό το αντικείμενο μελέτης είναι πολυσήμαντο και πολυποίκιλο. Για το λόγο αυτό θα κάνουμε μία εισαγωγή από το γενικό θέμα της τηλεόρασης ως έννοιας και ως αντικείμενο προς το ειδικό θέμα της τηλεόρασης ως ψηφιακή. Ξεκινώντας, λοιπόν, θα παρουσιαστούν δομικά στοιχεία της τηλεόρασης με προοπτική την παράθεση των απαραίτητων εννοιών που στόχο έχουν τη δημιουργία μίας στέρεας βάσης προτού οδηγηθούμε σε πολυπλοκότερες έννοιες. Στη συνέχεια θα παρουσιάσουμε το φαινόμενο της ψηφιακής τηλεόρασης ερμηνεύοντας και πιο ειδικά θέματα. Συγκεκριμένα η παρούσα μελέτη θα αντιμετωπίσει τέσσερεις πτυχές της ψηφιακής τηλεόρασης. Αυτές είναι οι εξής: Οι προδιαγραφές της ψηφιακής μετάδοσης Η μετάβαση από την αναλογική στην ψηφιακή τηλεόραση στην Ελλάδα (πώς έγινε αυτό) Τα Πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της ψηφιακής τηλεόρασης σε σχέση με την αναλογική Η ψηφιακή τηλεόραση και οι προοπτικές για τον μέλλον Όλα αυτά συνθέτουν και την δομή αυτής της εργασία. Δηλαδή, πρώτα θα παρουσιαστεί η εισαγωγή και στη συνέχεια θα καταρτιστούν τα ειδικά κεφάλαια. Κάθε κεφάλαιο θα είναι είτε μία γενική γνώση, είτε μία απάντηση στα προαναφερθέντα ερωτήματα. Συγκεκριμένα στην αρχή θα παρουσιαστούν οι τα γενικά κεφάλαια και στη συνέχεια οι ειδικές γνώσεις. -ix-

12

13 1 Εισαγωγή Ξεκινώντας την μελέτη αυτής της εργασίας θα δοθούν μερικοί ορισμοί πάνω στο αντικείμενο. Και επειδή, «Αρχή σοφίας η των ονομάτων επίσκεψης» (Αντισθένης) θα ξεκινήσουμε με την ετυμολογική ερμηνεία της λέξης τηλεόραση. [Η λέξη «τηλεόραση» ετυμολογικά πρόκειται για μεταφραστικό δάνειο από τα Γαλλικά, télévision (νόθο σύνθετο) < télé- (< τηλε-) + vision (όραση). Η πρόθεση τηλε- είναι αρχαιοελληνική, αλλά η ρίζα της όρασης (vision) είναι γαλλική.] 9 Η εννοιολογικά η λέξη τηλεόραση μπορεί να έχει έξη διαφορετικές ερμηνείες: 1. Η μετάδοση με τη βοήθεια ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων κινούμενων ή ακίνητων εικόνων και ήχου, που μπορούν είτε να αναπαράγονται στην οθόνη ταυτόχρονα με τη λήψη τους είτε να εγγραφούν σε κατάλληλο μέσο για μεταγενέστερη αναπαραγωγή (βίντεο). Έτσι μπορούμε να έχουμε: a. Καλωδιακή τηλεόραση b. Δορυφορική τηλεόραση κ.ο.κ. 2. (συνεκδοχικός ορισμός) Η συσκευή μέσο της οποίας προβάλλονται οι μεταδιδόμενες εικόνες. 3. (συνεκδοχικός ορισμός) Το τηλεοπτικό πρόγραμμα 4. (συνεκδοχικός ορισμός) (a) κάθε τηλεοπτικός σταθμός, (b) Το σύνολο των τηλεοπτικών σταθμών που λειτουργούν σε συγκεκριμένη περιοχή. 5. Το περιεχόμενο των προγραμμάτων που προβάλλουν τα τηλεοπτικά μέσα. 6. Οι τηλεοπτικοί σταθμοί, τα προγράμματά τους, οι παραγωγοί και συντελεστές των προγραμμάτων και η αντίληψη που έχουν για το τι αξίζει να μεταδίδεται και με ποιον τρόπο, δηλαδή, τα παραπάνω ως μέσο επικοινωνίας και ενημέρωσης. Μία αρχαία αναφορά Μία από τις αρχαιότερες αναφορές στην τηλεόραση είναι αυτή του Λουκιανού (Αληθούς Ιστορίας Α, παράγραφος 26). Ο συγγραφέας έ- κανε λόγο για "ένα κάτοπτρο στο οποίο μπορούσε να δει κανείς όλες τις πόλεις και τα έθνη όπως είναι". Βέβαια για τη παρούσα εργασία είναι πιο χρήσιμος ένας τεχνικός ορισμός του συγκεκριμένου αντικειμένου. Βέβαια αυτό δεν σημαίνει πως ο ορισμός αυτός αντιβαίνει -11-

14 με τους προηγούμενους αλλά είναι πιο χρήσιμος για τεχνική-επιστημονική ανάλυση σε σχέση πάντα με το γλωσσωλογικό. Τεχνικός ορισμός στο λήμμα τηλεόραση: [Η τηλεόραση είναι ένα σύστημα τηλεπικοινωνίας που χρησιμεύει στη μετάδοση και λήψη κινούμενων εικόνων και ήχου εξ αποστάσεως] 8. Αποτελεί το κυριότερο και δημοφιλέστερο Μέσο Μαζικής Επικοινωνίας και η χρήση της είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη σε όλο τον κόσμο. Ο όρος καλύπτει ολόκληρο το φάσμα των τεχνικών χαρακτηριστικών και των δραστηριοτήτων που αφορούν τα τηλεοπτικά προγράμματα, καθώς και τη μετάδοσή τους. Συνήθως, λέγοντας "τηλεόραση" εννοούμε τη συσκευή, δηλαδή τον δέκτη, ο οποίος λαμβάνει το (τηλεοπτικό) σήμα που εκπέμπουν οι τηλεοπτικοί σταθμοί σε συγκεκριμένες συχνότητες (ή αλλιώς κανάλια) με την οθόνη που απεικονίζει το αποτέλεσμα της εκπομπής (μετατροπή του σήματος σε εικόνα και ήχο). Ο τηλεοπτικός δέκτης λαμβάνει το τηλεοπτικό σήμα είτε ασύρματα είτε ενσύρματα. Η ασύρματη λήψη γίνεται με δύο τρόπους: Ο ένας τρόπος είναι η λήψη με κεραία στραμμένη σε κάποιο επίγειο σταθμό εκπομπής (που βρίσκεται στην κορυφή κάποιου βουνού). Ο δεύτερος τρόπος είναι η λήψη από δορυφόρο μέσω δορυφορικής κεραίας (πιάτο) και ειδικού δέκτη. Στην ενσύρματη λήψη έχουμε την καλωδιακή τηλεόραση και τη λήψη μέσω δικτύου (IPTV). Τα τελευταία χρόνια, η ανάπτυξη της ευρυζωνικής δικτύωσης (καθώς και οι νέες τεχνικές συμπίεσης τηλεοπτικού σήματος) κατέστησε ικανή τη μετάδοση τηλεοπτικού προγράμματος μέσω Διαδικτύου. Πρόσφατα έχει ξεκινήσει και η μετάδοση τηλεοπτικού σήματος μέσω δικτύου κινητής τηλεφωνίας (Mobile TV). 1.1 Τι είναι αναλογική τηλεόραση Η αναλογική τηλεόραση είναι η τηλεόραση που είχαμε μέχρι πρόσφατα και η οποία μετατρέπει τον ήχο και τις εικόνες από τα ερτζιανά κύματα που διαβιβάζονται µέσω του αέρα και λαμβάνονται από την κλασική κεραία που βρίσκεται στη στέγη ή στο ε- σωτερικό του σπιτιού µας. Το σύστημα αυτό είναι ουσιαστικά το παλαιό σύστημα που είχαμε δεδομένου ότι η τηλεόραση ξεκίνησε στη δεκαετία του '40 και του '50 ως αναλογική. -12-

15 1.2 Τι είναι ψηφιακή τηλεόραση Η ψηφιακή τηλεόραση είναι μια νέα μορφή αναμετάδοσης του τηλεοπτικού σήματος που μετατρέπει κατά έναν τρόπο την τηλεόρασή µας σε μια μορφή υπολογιστή, δηλαδή μετατρέπει την εικόνα και τον ήχο σε γλώσσα υπολογιστών (bits και bites). Κατ αυτόν τον τρόπο η τηλεόρασή µας μπορεί να συνδεθεί µε το Διαδίκτυο, να λάβει τα διαλογικά προγράμματα που προσφέρονται και να φέρει στο δέκτη µας πολλά περισσότερα κανάλια. Οι ψηφιακές μεταδόσεις μπορούν να παραληφθούν µε τρεις τρόπους: µέσω της κλασσικής κεραίας της τηλεόρασης (RF), µέσω ενός δορυφορικού πιάτου (δορυφορική) & µέσω του καλωδίου (καλωδιακή). Για να λάβει κανείς ψηφιακή τηλεόραση θα χρειαστεί ένα μετασχηματιστή ώστε να α- ποκωδικοποιήσει τα ψηφιακά σήματα σε αναλογικά προκειμένου να τα δει στη συμβατική αναλογική συσκευή τηλεόρασης που έχει στο σπίτι του ή αλλιώς μια νέα ψηφιακή τηλεόραση. 1.3 Επίγεια τηλεόραση 4 (DTTV ή DTT) Ο πιο διαδεδομένος τρόπος μετάδοσης είναι μέσω επίγειου δικτύου εκπομπής. Στην κορυφή κάποιου βουνού εγκαθίσταται ένα κέντρο εκπομπής, το οποίο λαμβάνει το τηλεοπτικό σήμα από το σταθμό και το οδηγεί σε ένα πομπό. Ο πομπός το εκπέμπει σε μία από τις παρακάτω ζώνες συχνοτήτων: VHF (Very High Frequency, πολύ υψηλές συχνότητες): Στη ζώνη αυτή η συχνότητα κυμαίνεται από 30 MΗz έως 300 MΗz UHF (Ultra High Frequency, υπερύψηλες συχνότητες): Στη ζώνη αυτή η συχνότητα κυμαίνεται από 300 MHz (ελάχιστο) έως 3000 MHz (μέγιστο) Αυτές οι ζώνες συχνοτήτων δεν χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για τηλεοπτικές μεταδόσεις. Σε αυτές τις ζώνες συχνοτήτων έχουν εκχωρηθεί κανάλια και για άλλες εφαρμογές, όπως η ραδιοφωνία FM, οι ραδιοερασιτεχνικές εκπομπές, τα ειδικά ραδιοδίκτυα -13-

16 κ.τ.λ.. Η κατανομή των καναλιών είναι διαφορετική για κάθε περιοχή του κόσμου. Συνοπτικά, στην Ελλάδα έχουμε τα παρακάτω κανάλια, ανάλογα με τη ζώνη εκπομπής: Ζώνη I (VHF): Κανάλια 2, 3, 4. Ζώνη II (VHF): Δεν υπάρχουν τηλεοπτικά κανάλια, χρησιμοποιείται για ραδιοφωνία FM. Ζώνη III (VHF): Κανάλια Ζώνη IV (UHF): Κανάλια Ζώνη V (UHF): Κανάλια Επίσης, υπάρχει η ζώνη με τα κανάλια S2-S20 (VHF). Σε αυτή τη ζώνη δε γίνονται εκπομπές από επίγειο σταθμό. Αυτή η ζώνη χρησιμοποιείται μόνο για τις καλωδιακές ε- γκαταστάσεις. 2 Γενικές Αρχές Ψηφιακών Δεδομένων Προτού οδηγηθούμε στο κομμάτι της ψηφιακής τηλεόρασης θα ήταν καλό να αναφέρουμε τα βασικά συστατικά αυτού του χώρου και μάλιστα δοσμένα υπό το ψηφιακό πρίσμα. Αυτά τα βασικά συστατικά δεν είναι τίποτα περισσότερο από τα. Έτσι θα επιτύχουμε μία ομαλή μετάβαση: «από τον αναλογικό μας κόσμο στον ψηφιακό τους» Τα πολυμεσικά συστήματα περιλαμβάνουν τρείς κύριες συνιστώσες: Δημιουργίας Συμπίεσης/αποθήκευσης & Διανομής πολυμεσικού περιεχομένου. Η πολυμεσική πληροφορία είναι: Ψηφιακή διαδραστική & ογκόδης -14-

17 Μία από τις πρωταρχικές εργασίες με στόχο τη δημιουργία πολυμεσικού περιεχομένου που περιέχει: κείμενο, ήχο, βίντεο και εικόνες, είναι η καταγραφή αυτών των ανεξάρτητων πηγών σε ψηφιακή μορφή, προκειμένου να διευκολυνθεί ο συνδυασμός και η ολοκλήρωση αυτών των ετερογενών οντοτήτων. Το παρόν κεφάλαιο περιγράφει, όσο το δυνατόν πιο ευσύνοπτα, τη θεμελιώδη θεωρία που διέπει τη μετατροπή της πληροφορίας και τη καταγραφή της σε ένα νέο ψηφιακό μέσο. Αναδεικνύει ζητήματα που σχετίζονται με την ψηφιοποίηση μονοδιάστατων (π.χ. ήχου), δισδιάστατων (π.χ. εικόνων) και τρισδιάστατων (π.χ. βίντεο) σημάτων. Ουσιαστικά πραγματεύεται τη θεμελιώδη διαδικασία της ψηφιοποίησης των πολυμέσων.[συμβουλεύτηκα το βιβλίο Συστήματα πολυμέσων αλγόριθμοι πρότυπα και ε- φαρμογές.] 1 Σκοπός αυτού του κεφαλαίου είναι να δώσει μία γενική, ουσιαστική και διαισθητική εισαγωγή στα δομικά στοιχεία που χρησιμοποιεί η ψηφιακή τηλεόραση χωρίς να υιοθετήσει μία αυστηρά μαθηματική παρουσίαση. Ο κόσμος γύρο μας υπάρχει σε συνεχή μορφή. Αντιλαμβανόμαστε το περιβάλλον αισθανόμενοι το φως, την ηχητική ενέργεια, την πίεση, τη θερμοκρασία, την κίνηση κ.ο.κ. Όλες αυτές οι ιδιότητες μεταβάλλονται κατά συνεχή τρόπο. Τα όργανα καταγραφής, όπως οι φωτογραφικές μηχανές, οι κάμερες, τα μικρόφωνα, οι πάσης φύσεως μετρητές κ.λπ., επιχειρούν να μετρήσουν πληροφορίες σε μορφή ηλεκτρική και ψηφιακή. 2.1 Αναλογικά και ψηφιακά σήματα Τα αναλογικά σήματα συλλέγονται από διατάξεις που επιχειρούν να καταγράψουν τον περιβάλλοντα κόσμο. Ένα σήμα είναι αναλογικό, αν μπορεί να αναπαρασταθεί από μία συνεχή συνάρτηση. Τα ψηφιακά σήματα από την άλλη, αναπαρίστανται μέσω ενός διακριτού συνόλου τιμών, που ορίζονται σε διακριτές θέσεις του πεδίου εισόδου (οι θέσεις αυτές παρουσιάζουν συνήθως κάποια κανονικότητα). Το πεδίο εισόδου μπορεί να είναι ο χρόνος, ο χώρος ή και τα δύο ταυτόχρονα. -15-

18 Εικόνα 1 Αναλογικό και ψηφιακό σήμα Ορισμένα από τα πλεονεκτήματα του ψηφιακού σήματος είναι τα εξής: Τα ψηφιακά μέσα επιτρέπουν τη δημιουργία πολύπλοκου, διαδραστικού περιεχομένου. Στο ψηφιακό μέσο, μπορούμε να έχουμε πρόσβαση σε κάθε μονάδα πληροφορίας δεδομένου τύπου. Τα αποθηκευμένα ψηφιακά σήματα δεν χάνουν την ποιότητά τους με την πάροδο του χρόνου ή εξαιτίας της απόστασης, όπως συμβαίνει με τα αναλογικά. Τα ψηφιακά δεδομένα μπορούν να συμπιεστούν αποδοτικά και να μεταδοθούν μέσω ψηφιακών δικτύων. Καθίσταται ιδιαίτερα δύσκολη η αποθήκευση ψηφιακών δεδομένων σε μαγνητικά μέσα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η αναπαράσταση ψηφιακών δεδομένων, ανεξάρτητα αν πρόκειται για ήχο, εικόνα ή βίντεο, είναι ένα σύνολο από δυαδικές τιμές. Κατά συνέπεια, ψηφιακά δεδομένα από οποιαδήποτε πηγή μπορούν να αποθηκεύουν σε ένα κοινό μέσο. Αυτό έρχεται σε αντιδιαστολή με την πληθώρα μέσων για τα αναλογικά σήματα, στα οποία συγκαταλέγονται οι δίσκοι βινυλίου και οι μαγνητικές ταινίες ποικίλου πλάτους. Για όλους αυτούς τους λόγους, τα ψηφιακά δεδομένα προτιμώνται έναντι των αναλογικών. 2.2 Μετατροπή από αναλογικό σε ψηφιακό Η μετατροπή αναλογικών σημάτων σε ψηφιακά, προκύπτει μέσω δύο κύριων διεργασιών: της δειγματοληψίας (sampling) και της κβάντισης (quantization). Η αντίστροφη διεργασία της μετατροπής ψηφιακών σημάτων σε αναλογικά, είναι γνωστή ως παρεμβολή (interpolation). Μία από τις περισσότερο επιθυμητές ιδιότητες κατά τη μετατροπή από αναλογικό σε ψηφιακό, είναι η αποφυγή δημιουργίας παραμορφώσεων -16-

19 στα ψηφιακά δεδομένα. Κατ' αυτόν τον τρόπο, όταν το σήμα μετατρέπεται εκ νέον στο αναλογικό πεδίο, θα μοιάζει ίδιο με το αρχικό αναλογικό σήμα. Το παρακάτω σχήμα απεικονίζει ένα παράδειγμα σήματος που προέρχεται από μετατροπή, από το αναλογικό πεδίο στο ψηφιακό και ξανά πίσω στο αναλογικό. Το πολυμεσικό περιεχόμενο είναι ψηφιακό και διανέμεται σε ψηφιακή μορφή. Η τερματική συσκευή στην οποία αναπαράγεται δεν είναι κατ' ανάγκη ψηφιακή, όπως για παράδειγμα μία οθόνη CRT. Είναι αναγκαίο να εξασφαλιστεί ότι το αναπαραγόμενο αναλογικό σήμα μοιάζει όσο το δυνατόν περισσότερο με το αρχικό αναλογικό σήμα. Εικόνα 2:Αναπαράσταση ψηφιακού και αναλογικού σήματος Δειγματοληψία Ας υποθέσουμε ότι ξεκινάμε με ένα μονοδιάστατο αναλογικό σήμα στο πεδίο τον χρόνο t, με πλάτος x(t). Το δειγματοληπτημένο σήμα δίνεται από τη σχέση: Συνεπώς Εάν ελαττωθεί η περίοδος T (ισοδύναμα αυξηθεί η ), ο αριθμός των δειγμάτων αυξάνεται και αντιστοίχως αυξάνονται οι απαιτήσεις αποθήκευσης. Αντιστρόφως, αν η Τ αυξηθεί (η ελαττωθεί), ο αριθμός των δειγμάτων του σήματος ελαττώνεται και επομένως ελαττώνονται οι απαιτήσεις αποθήκευσης. Η περίοδος Τ συνιστά ξεκάθαρα μία κρίσιμη παράμετρο. Αν η Τ είναι πολύ μεγάλη, το σήμα ενδέχεται να υποδειγματοληπτείται, κάτι που οδηγεί στη δημιουργία παραμορφώσεων, και αν η Τ είναι πολύ μικρή, το σήμα απαιτεί μεγάλο χώρο για αποθήκευση, κάτι που μπορεί να είναι περιττό. Για τα συνηθισμένα σήματα -17-

20 στην πράξη, η δειγματοληψία πραγματοποιείται σε μία διάσταση (χρόνος, για τα σήματα ήχου), δύο διαστάσεις (χωρικές συντεταγμένες για εικόνες) ή τρεις διαστάσεις (, χρόνος για το βίντεο ή για τη δειγματοληψία τρισδιάστατων πεδίων τιμών). Είναι σημαντικό να παρατηρήσουμε ότι το είδος της δειγματοληψίας που περιγράφεται εδώ, είναι Θεωρητικό. Στην πράξη, η δειγματοληψία περιλαμβάνει εύρεση μέσων τιμών, είτε στο χρόνο είτε στο χώρο. Κατά συνέπεια, η δειγματοληψία σχετίζεται πάντοτε με το και οι δύο αυτές λειτουργίες τρέπει να λαμβάνονται υπόψη από κοινού Κβάντιση Η κβάντιση αφορά στην κωδικοποίηση κάθε δειγματοληπτημένης τιμής του σήματος σύμφωνα με προκαθορισμένη ακρίβεια, η οποία ορίζεται ως ένας αριθμός επιπέδων. Με άλλα λόγια, αν διαθέτουμε ένα δειγματοληπτημένο, συνεχές σήμα, σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές, πόσα bit απαιτούνται για την αναπαράσταση της τιμής του σήματος σε κάθε χρονική στιγμή; 'Όλο το πεδίο τιμών, τον σήματος, αναπαρίσταται με ένα πεπερασμένο αριθμό bit. Τυπικά γράφουμε, Το Q αναπαριστά τη συνάρτηση στρογγύλευσης που απεικονίζει τη συνεχή τιμή, στην πλησιέστερη ψηφιακή τιμή, χρησιμοποιώντας b δυαδικά ψηφία. Η χρήση b bit αντιστοιχεί σε Ν=2b επίπεδα, δημιουργώντας επομένως ένα βήμα κβάντισης R/2 b. Ρυθμός δεδομένων Η κατανόηση των δύο προηγούμενων υποενοτήτων της ψηφιοποίησης φέρνει στο προσκήνιο ένα πολύ σημαντικό κομμάτι γνωστό ως ρυθμό δεδομένων (bitrate). Ουσιαστικά περιγράφει το πλήθος των bit που παράγονται ανά δευτερόλεπτο. Ο ρυθμός δεδομένων είναι κρίσιμος παράγοντας όταν αναφερόμαστε στην αποθήκευση ενός ψηφιακού σήματος ή στη μετάδοσή του μέσω δικτύων τα οποία μπορεί να έχουν χαμηλό, υψηλό ή ακόμα και κυμαινόμενο εύρος ζώνης. Ο ρυθμός δεδομένων, ο οποίος μετριέται σε bit/sec εκφράζεται ως εξής: -18-

21 Ιδανικά, ο ρυθμός δεδομένων θα πρέπει να είναι κατάλληλα επιλεγμένος, έτσι ώστε να μεταφέρει την απαιτούμενη πληροφορία με την ελάχιστη αντιληπτή παραμόρφωση.[συμβουλεύτηκα το βιβλίο Συστήματα πολυμέσων αλγόριθμοι πρότυπα και εφαρμογές.] Αναπαραστάσεις και πρότυπα διαμόρφωσης μέσων Ψηφιακές εικόνες Οι ψηφιακές εικόνες αναπαρίσταται ψηφιακά με εικονοστοιχεία (pixels). Μία εικόνα ορίζεται από το πλάτος της, το ύψος της και τα βάθος των εικονοστοιχείων της. Προφανώς το πλάτος και το μήκος πρόκειται για αριθμό εικονοστοιχείων ενώ το βάθος για πλήθος δυαδικών στοιχείων που απαιτούνται για την ψηφιακή αναπαράσταση του χρώματος. Χωρίς να αναλύσουμε περαιτέρω τα πράγματα λέω πως αναλόγως το είδος της εικόνας (ασπρόμαυρη, αποχρώσεων του γκρι, έγχρωμη) και του χρωματικού μοντέλου που χρησιμοποιεί (CMYK, RGB) εξαρτάται και η απαίτηση για πλήθος δυαδικών στοιχείων που απαιτούνται για την κωδικοποίηση του κάθε εικονοστοιχείου Λόγος Διαστάσεων Ο λόγος διαστάσεων (aspectratio) μίας εικόνας αναφέρεται στον λόγο πλάτους/ύψους της εικόνας και παίζει σημαντικό ρόλο στα διάφορα πρότυπα διαμόρφωσης. Διαφορετικές εφαρμογές απαιτούν διαφορετικό λόγο διαστάσεων. -19-

22 2.4 Ψηφιακό Βίντεο Αναπαράσταση Ψηφιακού Βίντεο Το βίντεο, αναλογικό ή ψηφιακό, αναπαρίσταται ως ακολουθία διακριτών εικόνων γρήγορης διαδοχής. Κάθε εικόνα καλείται πλαίσιο (frame)και αναπαρίσταται ως μητρώο εικονοστοιχείων. Το μητρώο αυτό, όπως κάθε ψηφιακή εικόνα, έχει πλάτος, ύψος και βάθος, το οποίο αναπαρίσταται με τη βοήθεια τυποποιημένου χρωματικού χώρου, όπως είναι ο χώρος RGB. Αυτές οι καθοριστικές ιδιότητες των εικόνων παραμένουν ίδιες για όλες τις εικόνες κατά τη διάρκεια του βίντεο. Κατά συνέπεια, το βίντεο έχει τις ιδιότητες των εικόνων, όπως πλάτος, ύψος και λόγο διαστάσεων. Επιπλέον, διαθέτει δύο σημαντικές ιδιότητες των εικόνων, που κυριαρχούν κατά την αναπαράστασή του: τον ρυθμό πλαισίων (framerate)και τη διαμόρφωση σάρωσης (scanning format). Ο ρυθμός πλαισίων είναι ο ρυθμός με τον οποίο προβάλλονται οι εικόνες. Τα διάφορα πρότυπα τυποποίησης βίντεο και οι εφαρμογές δεν χρησιμοποιούν κατ ανάγκη τον ίδιο αριθμό πλαισίων. Το κινηματογραφικό φιλμ προβάλλεται με 24 πλαίσια το δευτερόλεπτο. Τα πρότυπα τηλεοπτικής μετάδοσης χρησιμοποιούν 30 πλαίσια το δευτερόλεπτο (NTSC) ή 25 πλαίσια ανά δευτερόλεπτο (PAL). Αν ο ρυθμός πλαισίων είναι πολύ χαμηλός, το μάτι αντιλαμβάνεται ανομοιομορφία κατά την αναπαραγωγή της κίνησης (flicker). Τα πρότυπα διαμόρφωσηςntsc και PAL εξηγούνται με λεπτομέρεια στις παραγράφους που ακολουθούν. Ο ρυθμός πλαισίων είναι αρκετά υψηλός και στα. δυο πρότυπα, με αποτέλεσμα η κίνηση να είναι ομαλή, ως προς τις δυνατότητες της ανθρώπινης όρασης. Ταυτόχρονα ο εκάστοτε ρυθμός εξασφαλίζει το συγχρονισμό κατά την μετάδοση. Μολονότι το ψηφιακό βίντεο μπορεί να θεωρηθεί τρισδιάστατο σήμα, δηλαδή δισδιάστατη εικόνα που μεταβάλλεται με το χρόνο, το αναλογικό βίντεο μετατρέπεται σε μονοδιάστατο (1D) σήμα με βάση της γραμμές σάρωσης (scan lines).η μετατροπή αυτή, που βασίζεται σε γραμμές σάρωσης, προτάθηκε προκειμένου να γίνει εφικτή η τεχνολογία εκπομπής αναλογικής τηλεόρασης και είναι καθοριστικής σημασίας για τον τρόπο που οι τηλεοράσεις (και όλες οι άλλες συσκευές καθοδικού σωλήνα) προβάλλουν τις εικόνες. Οι δέσμες (δέσμη) ηλεκτρονίων μίας τηλεόρασης προβάλλουν (προ- -20-

23 βάλλει) ηλεκτρόνια σε οθόνη φωσφόρου, σαρώνοντάς την ανάγραμμή, από αριστερά προς τα δεξιά και από κάτω προς τα πάνω, διαδοχικά για κάθε πλαίσιο. Η οθόνη φωσφόρου ακτινοβολεί σε κάθε θέση της γραμμής σάρωσης δημιουργώντας χρώμα. Η λάμψη τον χρώματος φθίνει γρήγορα, αλλά η ρυθμός πλαισίωσης εξασφαλίζει ότι οι δέσμες ηλεκτρονίων θα χρωματίσουν ξανά τη γραμμή σάρωσης προτού σβήσει η λάμψη. Η σάρωση είναι προϊόν αναλογικής τεχνολογίας και τυποποιείται σε διεπλεγμένη (interlaced) και προοδευτική (progressive). Τα αντίστοιχα πρότυπα διαμόρφωσης σάρωσης παρουσιάζονται στις ενότητες που ακολουθούν. Οι τεχνολογίες ψηφιακής προβολής χρησιμοποιούνται για την προβολή ψηφιακών μέσων. Η προβολή ψηφιακού βίντεο σε τέτοιες συσκευές, όπως συσκευές LCD ή πλάσματος, δεν απαιτεί τον μηχανισμό σάρωσης που περιεγράφηκε προηγουμένως. Όμως, όταν ξεκίνησε η τεχνολογία προβολής ψηφιακού βίντεο, οι συσκευές τηλεόρασης διαχειρίζονταν ακόμη μόνο αναλογικά σήματα. Ως αποτέλεσμα, τα πρότυπα ψηφιακού βίντεο χρησιμοποιούν αναπαραστάσεις και διαμορφώσεις που έχουν στενή σχέση μετά πρότυπα αναλογικής τηλεόρασης, δηλαδή με το NTSC (της National Television SystemsCommittee), το PAL (Phase Altering Line ) και το SECAM (Systeme Electronique Couleur Avec Memoire). Η εκπομπή τον πρώτον εμπορικού τηλεοπτικού προγράμματος ήταν μονόχρωμη και έγινε στις Ηνωμένες Πολιτείες το 1941, σύμφωνα με το πρότυπο ΝΤSC. Τα NTSC πρότυπα για την έγχρωμη τηλεόραση εκδόθηκαν το Από τότε εξελίχθηκαν, προκειμένου να καλύψουν τις συσκευές να και έχουν επηρεάσει την ψηφιακή καλωδιακή τηλεόραση, την HDTV και το ψηφιακό βίντεο. Είναι επομένως λογικό να εξετάσουμε πιο προσεκτικά την εξέλιξη της αναλογικής τηλεόρασης Τύποι Σημάτων Βίντεο Παραδοσιακά, τα σήματα βίντεο μεταδίδονταν ως αναλογικά σήματα κατά την τηλεοπτική μετάδοση. Αυτό γινόταν εφικτό, συνδυάζοντας όλη την πληροφορία χρώματος και φωτεινότητας σε ένα σήμα, γνωστό ως σύνθετο βίντεο. Πολλά από τα χαρακτηριστικά αυτού τον τύπον διαμόρφωσης σχετίζονται με τη διαθεσιμότητα τον εύρους ζώνης μετάδοσης. 'Όμως, στα ψηφιακά δίκτυα, είναι διαθέσιμο μεγαλύτερο εύρος ζώνη και προκειμένου να πετύχουμε καλύτερα ποιότητα προβολής, οι πληροφορίες χρώματος -21-

24 και φωτεινότητας μπορούν να εκπεμφθούν ξεχωριστά, όπως συμβαίνει με τα πρότυπα διαμόρφωσης S-Video και βίντεο συνιστωσών (component video). Αυτοί οι δύο τελευταίοι τύποι διαμόρφωσης χρησιμοποιούνται συχνά στην έξοδο βίντεο των συστημάτων αναπαραγωγής 1ΊΕ και των συστημάτων ψηφιακής εγγραφής βίντεο και περιγράφονται στις ενότητες πού ακολουθούν. Οι περισσότερες διαφορές μεταξύ προτύπων διαμόρφωσης, σχετίζονται με τον τρόπο που μεταδίδονται προς τούς τελικούς αποδέκτες (όπως τις τηλεοράσεις), οι αρχικές R, G, Β συνιστώσες τον σήματος βίντεο. Σε όλες τις περιπτώσεις, το σήμα μετατρέπεται σε YUV (ή ισοδύναμη διαμόρφωση) και οι επιμέρους συνιστώσες μεταδίδονται από κοινού ή ξεχωριστά. Σύνθετο βίντεο (Composite Video) Το σύνθετο βίντεο καλείται επίσης και βίντεο ζώνης βάσης (baseband) ή βίντεο RCA. Πρόκειται για την αναλογική κυματομορφή πού φέρει τα δεδομένα εικόνας στο συμβατικό NTSC τηλεοπτικό σήμα. Το σύνθετο βίντεο περιέχει πληροφορία χρώματος (chrominance) και φωτεινότητας (luminance), μαζί με παλμούς συγχρονισμoού και παύσης, όλα μαζί σε ένα σήμα. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, αυτό έγινε για να μειωθεί το απαιτούμενο εύρος και για να επιτευχθεί μετάδοση σε πραγματικό χρόνο. 'Όμως, στο σύνθετο βίντεο, αναπόφευκτα, οι πληροφορίες χρώματος και φωτεινότητας παρεμβάλλονται, μεταξύ τους και το φαινόμενο χειροτερεύει όταν το σήμα είναι ασθενές. Σε αυτό οφείλεται η χρωματική διακύμανση, τα ψεύτικα χρώματα και η διακύμανση έντασης. που παρατηρούνται όταν ένας μακρινός NTSC τηλεοπτικός σταθμός, στέλνει. σήματα που είναι ασθενή και λαμβάνονται στο σπίτι μας με δυσκολία, όταν χρησιμοποιούνται, παλαιού τύπου κεραίες, διαφόρων τεχνολογιών. Μερικά συστήματα αναπαραγωγής DVD καθώς και συστήματα εγγραφής βίντεο σε κασέτες (συστήματα VCR) διαθέτουν είσοδο και έξοδο συμβατές με σύνθετο βίντεο, προκειμένου να συνδέονται, σε αυτά τα συστήματα τηλεοράσεις ΝΤSC, οι, οποίες δέχονται μόνο σύνθετο βίντεο. S-Video Η μετάδοση S-Video(Super-Video, γνωστή και ως Υ/C Video), είναι μετάδοση σήματος βίντεο κατά την οποία η φωτεινότητα και η χρωματική πληροφορία μεταδίδονται ξεχωριστά, προκειμένου να επιτευχθεί υψηλή καθαρότητα εικόνας. Το σήμα που φέρει -22-

25 την πληροφορία φωτεινότητας είναι το σήμα Υ, ενώ αυτό που φέρει την χρωματική πληροφορίας είναι το σήμα C. Το σήμα χρώματος σχηματίζεται συνδυάζοντας τις δυο χρωματικές συνιστώσες U και V σε ένα σήμα, μαζί με κατάλληλα δεδομένα συγχρονισμού, έτσι ώστε κατά την προβολή, το σήμα C να μπορεί να διαχωριστεί στα σήματα U και V Επομένως, δεν πρόκειται για το κλασικό σύνθετο βίντεο, όπου και τα τρία κανάλια συνδυάζονται σε ένα μοναδικό σήμα. Διαχωρίζοντας τα κανάλια Υ και C και μεταδίδοντάς τα ξεχωριστά, ελαττώνονται τα προβλήματα που οφείλονται στην παρεμβολή μεταξύ των σημάτων φωτεινότητας και χρώματος, καταλήγοντας έτσι σε προβολή υψηλότερης ποιότητας. Μολονότι δεν είναι ακόμα διαθέσιμο το εύρος ζώνης τον απαιτεί η αναλογική εκπομπή S-Video, εντούτοις, σήματα S-Video παράγονται συνήθως από συστήματα αναπαραγωγής DVD καθώς και από οθόνες υπολογιστών. Βίντεο Συνιστωσών Στόχος τον βίντεο συνιστωσών (Composite Video) είναι να προχωρήσει ένα βήμα πέρα από το S- Video, διατηρώντας ξεχωριστά τις τρεις συνιστώσες, Υ, U, V (ή ισοδύναμες αυτών). Κατά συνέπεια, το εύρος ζώνης που απαιτεί η εκπομπή βίντεο συνιστωσών είναι μεγαλύτερο από αυτό που απαιτεί το σύνθετο βίντεο ή το S-Video, και κατ' επέκταση καλύτερη είναι και η ποιότητα κατά την προβολή. Ο διαχωρισμός αυτών των συνιστωσών αποτρέπει τις παρενέργειες που οφείλονται στην παρεμβολή μεταξύ σημάτων Σχήματα Υποδειγματοληψίας YUV Τα σήματα βίντεο που λαμβάνουν οι ψηφιακές κάμερες αναπαρίστανται στον χρωματικό χώρο RGB, ο οποίος χρησιμοποιείται επίσης για την προβολή πλαισίων βίντεο στις συσκευές. 'Όμως, κατά τη μετάδοση και την ενδιάμεση επεξεργασία, χρησιμοποιείται συνήθως ο χώρος YUV. Ο χώρος YUV διαχωρίζει την πληροφορία χρώματος από την πληροφορία φωτεινότητας. Στη συνέχεια, η χρωματική πληροφορία (YUV) υποδειγματοληπτείται, για να μειωθεί το απαιτούμενο εύρος ζώνης. Πειράματα σχετικά με την ανθρώπινη όραση, έδειξαν ότι παρά τη μείωση τον εύρους ζώνης, το βίντεο διατηρεί ικανοποιητική ποιότητα στα πλαίσια της μετάδοσης, διότι το ανθρώπινο μάτι δεν είναι -23-

26 τόσα ευαίσθητο στις μικρές διαφορές χρώματος, όσο στις διαφορές φωτεινότητας. Στο αναλογικό βίντεο, η υποδειγματοληψία επιτυγχάνεται αναθέτοντας στη χρωματική πληροφορία, το μισό τον εύρους ζώνης που ανατίθεται στην πληροφορία φωτεινότητας. Στο ψηφιακό βίντεο, η υποδειγματοληψία επιτυγχάνεται ελαττώνοντας το μέσο πλήθος bit που χρησιμοποιείται για τα κανάλια χρώματος. Ανάλογα με τον τρόπο που γίνεται η υποδειγματοληψία, μπορούν να επιτευχθούν διαφορετικοί λόγοι υποδειγματοληψίας. Δυνητικά, θα μπορούσαμε να αποθηκεύσουμε 1 byte για κάθε μία από τις συνιστώσες Υ, U και V, καταλήγοντας σε 24 bit ανά εικονοστοιχείο. Πίνακας 1 Πρότυπα διαμόρφωσης ψηφιακού βίντεο και σχετικές λεπτομέρειες Όνομα Γραμ Εικονο- Πλαίσια Υποστή- Σχήμα υπο- Λόγος προτύπου μές στοιχεία ανά δευ- ριξης δειγματολη- διαστά- διαμόρφω- ανά ανά γραμ- τερόλε- διεμπλεγ- ψίας σεως σης πλαί- μή πτο μένης εικόνας σιο διαμόρφωσης CIF Όχι 4:2:0 4:3 QCIF Όχι 4:2:0 4:3 SQSIF Όχι 4:2:0 4:3 4CIF Όχι 4:2:0 4:3 SIF Όχι 4:2:0 4:3 SIF Όχι 4:2:0 4:3 CCIR ,97 Ναι 4:2:0 4:3 NTSC (DV, DVB, DVT) CCIR 601 Pal/SECA M Ναι 4:2:0 4:3 EDTV (576p) 480/ ,97 Όχι 4:2:0 4:3/16:9-24-

27 HDTV (720p) HDTV(108 0i) HDTV(108 0p) ψηφιακός κινηματογράφος (2Κ) ψηφιακός κινηματογράφος (4Κ) ,94 Όχι 4:2:0 16: ,97 Ναι 4:2:0 16: ,97 Όχι 4:2:0 16: Όχι 4:4:4 47: Όχι 4:2:4 47:20 [Συμβουλεύτηκα το βιβλίο Αναλογική και ψηφιακή τηλεόραση.] 2 Τηλεόραση Υψηλής Ευκρίνειας Η τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας (High Definition TV - HDTV) έχει προσελκύσει την προσοχή μας εδώ και αρκετά χρόνια. Στην ενότητα αυτή κάνουμε μία προσπάθεια να εξηγήσουμε τί είναι η HDTV και σε τί διαφέρει από τα υπόλοιπα πρότυπα τηλεόρασης. Στις ΗΠΑ, το συνηθισμένο αναλογικό τηλεοπτικό σήμα NTSC διαθέτει 525 γραμμές σάρωσης, εκ των οποίων, στην πραγματικότητα, είναι ορατές οι 480. Επίσης, μια συνηθισμένη τηλεόραση έχει ουσιαστικά ανάλυση εικονοστοιχείων. Τέτοια ανάλυση ήταν εκπληκτική 50 χρόνια πριν, αλλά σήμερα, οι καταναλωτές είναι συνηθισμένοι σε καλύτερη ανάλυση, όπως 1024x768 ή και. υψηλότερη, που στις μέρες μας υποστηρίζεται από τα περισσότερα συστήματα γραφικών στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Η τεχνολογία τηλεόρασης τυπικής ευκρίνειας δείχνει επομένως φτωχή σε σύγκριση με τις περιπτώσεις υψηλής ευκρίνειας. Η ψηφιακή τηλεόραση (Digital TV -DTV) χρησιμοποιεί τα πρότυπα CCIR του προηγούμενου πίνακα κατά την εκπομπή από αέρας ή μέσω καλωδιακών/δορυφορικών συστημάτων. Συνήθως, οι απαιτήσεις για τη χρήση τυπικής ανάλυσης, προέρχονται από την ανάγκη διαχείρισης του εύρους ζώνης. Η κατηγορία -25-

28 ψηφιακής τηλεόρασης που καλείται HDTV, υποστηρίζει διαμόρφωση προβολής υψηλότερης ευκρίνειας μαζί με ήχοsurround. Τα πρότυπα διαμόρφωσης προβολής που χρησιμοποιεί η HDTV είναι: Πίνακας 2:Πρότυπα διαμόρφωσης HDTV 720p 1080p 1080p 1280x720 εικονοστοιχεία, προοδευτικής σάρωσης 1920x1080 εικονοστοιχεία, διεμπλεγμένης σάρωσης 1920x1080 εικονοστοιχεία, προοδευτικής σάρωσης Η HDTV χρησιμοποιεί για τη συμπίεση βίντεο το πρότυπο MPEG-2, σε εύρος ζώνης 17Mbps. Η τεχνολογία MPEG-2 είναι πλέον καθιερωμένη και έχει εισχωρήσει. Και στο πρότυπο διαμόρφωσης DVD. Αν και τα σήματα HDTV μπορούν να υιοθετηθούν και να μεταδοθούν αποτελεσματικά χρησιμοποιώντας τεχνολογία MPEG-2, εξακολουθεί να απαιτείται σημαντικό εύρος ζώνης για την μετάδοση των διαφόρων καναλιών. Οι εταιρείες παραγωγής περιεχομένου βρίσκονται επομένως σε στάδιο αναβάθμισης υλικού και λογισμικού, προκειμένου να ανταποκριθούν στις καταναλωτικές απαιτήσεις. Ο λόγος διαστάσεων εικόνας στην HDTV είναι 16:9 (1.78:1) και είναι πλησιέστερος στους λογούς διαστάσεων που χρησιμοποιούνται στις ταινίες, δηλαδή στους 1.85:1 ή 2:35:1. Στις μέρες μας, κατά την εκπομπή περιεχομένου, οι εταιρείες πρέπει είτε να α- ποκόψουν μέρος της εικόνας (καταλήγοντας σε λόγο διαστάσεων 4:3, εξαφανίζοντας έτσι τμήμα κάθε σκηνής ή να παρουσιάσουν την πλήρη εικόνα στο μέσον της οθόνης, με μαύρο κενό πάνω και κάτω από την εικόνα. Κατά τη διάρκεια τον εικοστού πρώτον αιώνα, το εύρος και οι δυνατότητες χρήσης των ταινιών και της τηλεόρασης θα καθοριστούν με δημιουργικούς τρόπους, σύμφωνα με τούς οποίους θα επιλέγουμε να βλέπουμε και να αλληλεπιδρούμε. Θα είναι εφικτό; Θα εφευρεθούν νέοι τρόποι αλληλεπίδρασης με το οπτικό και ακουστικό περιεχόμενο; Επίσης, Θα αναπτύξουμε νέα είδη κριτικής εγρήγορσης καθώς θα επιλέγουμε προσωπικά μεταξύ κανονικής αναπαραγωγής, παύσης, γρήγορης/αργής αναπαραγωγής και εστίαση σε τμήματα των εικόνων..[συμβουλεύτηκα το βιβλίο Συστήματα πολυμέσων αλγόριθμοι πρότυπα και εφαρμογές.] 1-26-

29 3 Η έννοια του τηλεοπτικού σήματος 3.1 Θεωρία Χρώματος Η παρούσα ενότητα εξηγεί τον ρόλο και τη σημασία του χρώματος, τη φυσική βάση της χρωματικής όρασης και την ψυχοφυσική της αντίληψη του χρώματος. Έπειτα, δείχνουμε πώς χρησιμοποιούνται αυτά τα αποτελέσματα στη βαθμονόμηση των συσκευών καταγραφής και προβολής που χρησιμοποιούνται συχνά στην πολυμεσική αλυσίδα διεργασιών. Πολλά όργανα λαμβάνουν οπτικά σήματα, όπως εικόνες και βίντεο. Αυτά τα ψηφιακά οπτικά σήματα γίνονται μέρος του πολυμεσικού περιεχομένου, το οποίο αποδίδεται αττικά σε διάφορες συσκευές προβολής. Επομένως, το χρώμα είναι μια βασική πτυχή της οπτικής πληροφορίας, η οποία πρέπει να καταγραφεί και να αναπαρασταθεί με ακρίβεια. 3.2 Το χρωματικό πρόβλημα Οι συσκευές καταγραφής οπτικής πληροφορίας, όπως οι φωτογραφικές μηχανές, οι βιντεοκάμερες και οι βιντεοκάμερες χειρός, λαμβάνουν οπτικά σήματα και τα αποθηκεύουν σε ψηφιακή μορφή. Οι εικόνες μπορούν επίσης να σαρωθούν σε μία ψηφιακή αναπαράσταση, χρησιμοποιώντας σαρωτές. Τα αποθηκευμένα αυτά σήματα διέρχονται από μερικά ή από όλα τα μέρη τον πολυμεσικού συστήματος δημιουργία, συμπίεση, δικτυακή διανομή, αποκωδικοποίηση, κ.λπ. και τελικά το περιεχόμενο προβάλλεται από τον τελικό χρήστη. Στον τελικό χρήστη, το περιεχόμενο αναπαράγεται σε συσκευές οπτικής απεικόνισης, όπως τηλεοράσεις, υπολογιστές και προβολείς -27-

30 (projectors) ή εκτυπώνεται χρησιμοποιώντας έγχρωμο εκτυπωτή. Προς το παρόν, ας αγνοήσουμε τις συνέπειες που προκαλούνται από τη συμπίεση με απώλειες, την κβάντιση και τα σφάλματα κατά τη δικτυακή διανομή. Επομένως, η προσδοκία είναι ότι η έγχρωμη εικόνα που αναπαράγεται στο τελικό στάδιο θα "μοιάζει ίδια" με την έγχρωμη εικόνα τον αρχικού αντικειμένου, ανεξάρτητα από τη συσκευή που κατέγραψε την εικόνα, ή τη συσκευή που την αναπαρήγαγε. Η προσδοκία αυτή φαίνεται να είναι μη εφικτή, επειδή το σήμα που φθάνει στον αισθητήρα καταγραφής είναι το αποτέλεσμα μίας περίπλοκης αλληλεπίδρασης μεταξύ τον υλικού που παρατηρείται και των (άγνωστων) συνθηκών φωτισμού. Ομοίως, το σήμα που φτάνει στο μάτι είναι το αποτέλεσμα μίας σύνθετης αλληλεπίδρασης μεταξύ της εικόνας που παρατηρείται και των συνθηκών φωτισμού. Ωστόσο, στην πράξη, οι άνθρωποι δεν έχουν πρόβλημα να δηλώσουν ότι εικόνες που προβάλλονται σε διαφορετικές συσκευές "μοιάζουν ίδιες". Η επίλυση της δυσκολίας αυτής απαιτεί μια σαφή κατανόηση της φυσικής τον σχηματισμού έγχρωμων εικόνων, η οποία εμπλέκει την ανάλυση μήκους κύματος, την κατανόησης της ψυχοφυσικής που διέπει την αντίληψη της εικόνας από το ανθρώπινο οπτικό σύστημα, καθώς και γνώση τον τρόπον με τον οποίο λειτουργούν οι συσκευές καταγραφής και απεικόνισης. 3.3 Ιστορία του Χρώματος και του Φωτός Για να καταλάβει κανείς το πρόβλημα του χρώματος, δηλαδή γιατί και πώς ένα παρατηρητής αντιλαμβάνεται τα ίδια χρώματα όταν κοιτάζει ένα αντικείμενο και την αναπαραγωγή της εικόνα του, πρέπει πρώτα να γίνει κατανοητό τι ακριβώς είναι το χρώμα. Ο ορισμός του χρώματος δεν είναι εύκολο ζήτημα, επειδή το χρώμα είναι φυσικό στοιχείο, αλλά και προϊόν αντίληψης, διότι ερμηνεύεται από τους εγκεφάλους μας όταν το φως εισέρχεται στο μάτι. Ιστορικά, η αναζήτηση της κατανόησης τον χρώματος ξεκίνησε με τις εμπειρικές παρατηρήσεις των Ελλήνων μελετητών, όπως τον Πλάτωνα, τον Αριστοτέλη και τον Πυθαγόρα. Αυτοί πίστευαν ότι το χρώμα αναπαριστά διάφορα σημαντικά στοιχεία, όπως το νερό, τη γη, τη φωτιά και τον αέρα. Ωστόσο, η επιστημονική ανάπτυξη της Θεωρίας τον χρώματος ξεκίνησε με την εργασία τον Ισαάκ Νεύτωνας, ο οποίος έδειξε ότι το ηλιακό φως μπορούσε να διαχωριστεί στα χρώματα τον ουράνιου τόξου, διερχόμενο από ένα πρίσμα και μετά να επανασυνδυαστεί περνώντας μέσα από, ένα δεύτερο πρίσμα. Η Θεωρία τον περί των χρωμάτων, οδήγησε τελικά στην -28-

31 δημιουργία τον χρωματικού τροχού το 1666 και αργότερα στην κατανόηση των συχνοτήτων που συνθέτουν το φως. 3.4 Η Φύση τον Φωτός Το ορατό φάσμα τον λευκού φωτός περιέχει όλα τα μήκη κύματος, από 400 ως 700 νανόμετρα. Τα μήκη κύματος κάτω από 400 (γνωστά ως υπεριώδη), καθώς και αυτά πάνω από 700 (γνωστά ως υπέρυθρα) δεν μπορούν να γίνουν αντιληπτά από το ανθρώπινο οπτικό σύστημα, και, επομένως, δεν συνεισφέρουν στην αντίληψη τον χρώματος. Επιπλέον, η κατανομή της ενέργειας στα ορατά μήκη κύματος ή συχνότητες διαφέρει ανάλογα με την φωτεινότητα. Για παράδειγμα, το φως της ημέρας παράγει μία φασματική κατανομή που είναι διαφορετική από την κατανομή που προκύπτει από το κίτρινο φως της πυράκτωσης βολφραμίου, πού είναι το υλικό πού χρησιμοποιείται στους συνήθεις λαμπτήρες. Αυτή η κατανομή της φασματικής ενέργειας θεωρείται χαρακτηριστική της φωτεινής πηγής. Κάθε φωτεινή πηγή έχει μία μοναδική φασματική κατανομή. Εικόνα 3 Μήκος κύματος σε μέτρα Ένα μονοχρωματικό laser, όπως, για παράδειγμα, ένα κόκκινο laserπου χρησιμοποιείται συχνά ως δείκτης σε παρουσιάσεις ή για τη σάρωση οπτικών δίσκων, εκτείνεται σε ένα πολύ μικρό εύρος μήκους κύματος. -29-

32 Επομένως, κάθε στοιχείο του αισθητήρα,, είτε στο μάτι μας, είτε σε μία φωτογραφική μηχανή, είτε σε ένα σαρωτή, παράγει μία τιμή η οποία μετρά την απορροφημένη ενέργεια ως προς το μήκος κύματος στο οποίο είναι ρυθμισμένο Η Ανθρώπινη αίσθηση των Χρωμάτων Τα δύο είδη φωτοϋποδοχέων του αμφιβληστροειδή χιτώνα, τα ραβδία και τα κωνία, είναι αυτά τα οποία διαμορφώνουν την αίσθηση της όρασης. Τα ραβδία κατανέμονται πιο ομοιόμορφα από τα κωνία. Τα κωνία είναι περισσότερο συγκεντρωμένα στο βοθρίο. Από την άλλη μεριά, τα ραβδία και τα κωνία έχουν διαφορετική κατανομή όπως επίσης και διαφορετική διάταξη και λειτουργικότητα. Η ευαισθησία των ραβδίων είναι 1000 φορές μεγαλύτερη από αυτή των κωνίων. Αυτό γίνεται αισθητό και από τη λειτουργικότητά τους. Τα ραβδία είναι υπεύθυνα, κατά κύριο λόγο, για τη φωτεινότητα. Ενώ τα κωνία για το χρώμα. Άρα τα κωνία θέλουν περισσότερη ποσότητα ενέργειας για να αποκριθούν σε σχέση με τα ραβδία όπου αρκούνται και σε, κατά πολύ, λιγότερη ε- νέργεια. Για να γίνει αντιληπτό αυτό αρκεί να σκεφτούμε ένα πολύ σκοτεινό δωμάτιο που μόλις μπορούμε να δούμε της άκρες των αντικειμένων. Σε αυτή την περίπτωση δεν ξεχωρίζουμε το χρώμα των αντικειμένων αλλά μόνο τις άκρες. Άρα, εδώ είναι μία χαρακτηριστική περίπτωση απόκρισης μόνο των ραβδίων. -30-

33 Εικόνα 4 Ραβδία & Κωνία -31-

34 Εικόνα 5 Το ανθρώπινο μάτι 3.5 Τριχρωματική Θεωρία 6 Ξεκινώντας με τη τριχρωματική θεωρία θα παρουσιάσουμε μία γνωστή εικόνα: -32-

35 Εικόνα 6 Το μήκος κύματος των χρωμάτων Όλα κάπως ξεκίνησαν με την παρατήρηση του Νεύτωνα πάνω στο πρίσμα. Την ανάλυση δηλαδή του «λευκού» φωτός του ήλιου στα χρώματα της «ίριδας». Εικόνα 7 Πρίσμα Αυτό συμβαίνει επειδή κάθε κύμα χρώματος έχει διαφορετικό μήκος κύματος. Μέσα από τα πειράματά του ο Νεύτωνας όρισε τα 7 χρώματα του φάσματος της εικόνας 6 ως βασικά εφόσον η ανάμειξή τους παρήγαγε λευκό φως. Επίσης, συμπέρανε ότι στο φάσμα του λευκού φωτός δεν υπάρχουν όλα τα χρώματα που βλέπουμε, όπως για παράδειγμα το καφέ χρώμα. -33-

36 Μετά τον Νεύτωνα ήρθε ο Thomas Young διατυπώνοντας τη Τριχρωματική Θεωρία σύμφωνα με την οποία η χρωματική όραση βασίζεται στα τρία χρώματα το κόκκινο, το πράσινο και το μπλε. Στα μέσα του 19ου αιώνα και ο φυσικός Maxwell (1857) δέχθηκε ότι υπάρχει διαφορά ανάμεσα σε μια θεωρία του χρώματος ως χρωστικής ύλης στη ζωγραφική και σε μια θεωρία φωτός όπως αυτή του Young. Επίσης επεσήμανε ότι η επιλογή των τριών βασικών χρωμάτων Red Green Blue, Κόκκινο, Πράσινο, Mπλε) θα μπορούσε να είναι οποιαδήποτε άλλη, αρκεί ο συνδυασμός των χρωμάτων, σε σωστές αναλογίες, να παράγει το λευκό. Το 1965, μετά από πειράματα επιβεβαιώθηκε ότι στον αμφιβληστροειδή χιτώνα του ανθρώπινου ματιού υπάρχουν ειδικά κύτταρα (ονομάζονται φωτοϋποδοχείς ή φωτοαισθητήρες) που είναι υπεύθυνα τόσο για την αντίληψη του αμυδρού φωτός (ραβδία) όσο για την αντίληψη των χρωμάτων (κωνία): S-κωνία: είναι ευαίσθητα σε φωτόνια μικρού μήκους κύματος (μπλε φως) και παρουσιάζουν μέγιστη ευαισθησία σε μήκος κύματος περίπου 420 nm. Μ-κωνία: είναι ευαίσθητα σε φωτόνια μεσαίου μήκους κύματος (πράσινο φως) και παρουσιάζουν μέγιστη ευαισθησία σε μήκος κύματος περίπου 530 nm. L-κωνία: είναι ευαίσθητα σε φωτόνια μεγάλου μήκους κύματος (κόκκινο φως) και παρουσιάζουν μέγιστη ευαισθησία σε μήκος κύματος περίπου 560 nm.1] 3.6 Το RGB για τον υπολογιστή 6 Με βάση τη προηγούμενη θεωρία καταλαβαίνουμε ότι κάθε χρώμα μπορεί να δημιουργηθεί από τη συμμετοχή των τριών χρωμάτων. Το ποσοστό συμμετοχής καθορίζει και το τελικό χρώμα. Οι τρεις βασικές συνιστώσες αποτελούν για τον υπολογιστή ένα διάνυσμα τριών θέσεων, όπου κάθε θέση είναι και μία τιμή για μία από τις τρεις συνιστώσες των βασικών χρωμάτων. Έτσι (συνήθως με βάση τα περισσότερα μοντέλα) το κόκκινο, το πράσινο και το μπλε παίρνουν για κάθε εικονοστοιχείο μία τιμή από το 0 έως το 255. Όπου -34-

37 0 η απώλεια του χρώματος ενώ 255 η απόλυτη συμμέτοχή του χρώματος για τη δημιουργία του τελικού χρώματος. Εικόνα 8 Τα τρία βασικά χρώματα Άρα αν θέλουμε να φτιάξουμε το κίτρινο χρώμα αρκεί να συνδυάσουμε το κόκκινο με το πράσινο και αυτομάτως θα έχουμε το κίτρινο χρώμα. Τέτοια πειράματα μπορούμε να κάνουμε σχετικά εύκολα στον Η/Υ. Για του λόγου το αληθές δείτε στη συνέχεια: -35-

38 Εικόνα 9:Πειράματα χρωμάτων Ένα χρώμα στο πρότυπο χρώματος RGB μπορεί να εκφραστεί με τον προσδιορισμό του πόσο κάθε ένα από τα: κόκκινο, πράσινο και μπλε χρώματα περιλαμβάνονται. Κάθε ένα μπορεί να ποικίλει μεταξύ της ελάχιστης τιμής(0) και της μέγιστης (255). Εάν θεωρήσουμε ένα διάνυσμα χρώματος (0,0,0) τότε το χρώμα που προκύπτει είναι το μαύρο. Εάν είναι στο μέγιστο (255,255,255) το τελικό χρώμα είναι το λευκό. Στο αποτέλεσμα όμως του τελικού χρώματος δεν παίζει ρόλο μόνο η μίξη των τριών κύριων χρωμάτων αλλά και κάποιες άλλες μεταβλητές η απόχρωση, ο κορεσμός και η φωτεινότητα. Στο σχήμα που ακολουθεί απεικονίζεται ο χρωμικός κύκλος και πως προκύπτει το κάθε χρώμα με βάση την ανάμιξη όπως προαναφέραμε των τριών βασικών χρωμάτων αλλά και των υπόλοιπων τριών μεταβλητών που αλλάζει ανάλογα με την ακτίνα και την γωνία δηλαδή τον κορεσμό και την απόχρωση αντίστοιχα. -36-

39 Μαθηματικά, το χρώμα λοιπόν καθώς και οι μεταβλητές που το δημιουργούν απεικονίζεται ως εξής: Χρώμα = Φωτεινότητα + Απόχρωση + Κορεσμός Χρωμικότητα = Απόχρωση + Κορεσμός Χρώμα = Φωτεινότητα + Χρωμικότητα Φωτεινότητα = Χρώμα Χρωμικότητα -37-

40 4 Αρχές λειτουργίας οθονών Οι οθόνες αποτελούνται από επιστρώσεις ενώσεων φωσφόρου οι οποίες ακτινοβολούν όταν βομβαρδιστούν με δέσμες ηλεκτρονίων. Η ένταση του φωτός που παράγουν οι επιστρώσεις φωσφόρου είναι ανάλογη με την ένταση της δέσμης με την οποία βομβαρδίζονται. Συνήθως οι έγχρωμες οθόνες μας αποτελούνται από επιστρώσεις τριών ειδών φωσφόρου που ακτινοβολούν όταν πέσει πάνω τους το κόκκινο, το πράσινο ή το βαθύ μπλε αντίστοιχα. Χρησιμοποιούν τρείς δέσμες ηλεκτρονίων τις οποίες και κατευθύνουν στο σημείο της οθόνης το οποίο θέλουν να ενεργοποιήσουν με τη χρήση κατάλληλων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Κάθε μία από τις ακτίνες αυτές, διατρέχει την επιφάνεια της οθόνης μια γραμμή τη φορά. Μια τέτοια γραμμή, ονομάζεται γραμμή σάρωσης (scan line). Κάθε φορά που η ακτίνα φτάνει στο τέλος μιας γραμμής, τότε μετακινείται στην αρχή της επόμενης. -38-

41 5 Συγχρονισμός Για να αναπαράγεται μια τηλεοπτική εικόνα σωστά τοποθετημένη αλλά και σταθερή στον δέκτη μας θα πρέπει οι κινήσεις σάρωσης να ξεκινούν την ίδια ακριβώς στιγμή καθώς επίσης να εξελίσσονται ομαλά και με την ίδια ακριβώς ταχύτητα στην κάμερα και στον τηλεοπτικό δέκτη. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται συγχρονισμός και για να μπορέσει να πραγματοποιηθεί εκπέμπουμε μια σειρά από παλμούς οι οποίοι ο- νομάζονται παλμοί συγχρονισμού. Έτσι με αυτόν τον τρόπο οι παλμοί συγχρονισμού επιδρούν στις γεννήτριες σάρωσης τόσο της κάμερας όσο και του τηλεοπτικού δέκτη και συγχρονίζουν την πριονωτή κυματομορφή τους. Οι πριονωτές κυματομορφές εκπέμπονται κατά την διάρκεια των επιστροφών της δέσμης σάρωσης όταν το σήμα εικόνας αποκόπτεται από τους παλμούς αμαύρωσης όπως προαναφέραμε. Υπάρχουν παλμοί συγχρονισμού γραμμών οι οποίοι επιδρούν στις γεννήτριες οριζόντιες σάρωσης και υπάρχουν και παλμοί συγχρονισμού πεδίων οι οποίοι επιδρούν στις γραμμές κατακόρυφης σάρωσης. Οι παλμοί αυτοί συμπίπτουν με το καθοδικό τμήμα των πριονωτών κυματομορφών. Έτσι με αυτόν τον τρόπο η άφιξη των συγχρονιστικών γραμμών αναγκάζει τις γεννήτριες σάρωσης να μειώσουν απότομα το πλάτος τους με αποτέλεσμα να ξεκινήσουν μια νέα σάρωση από την αρχή. Οι παλμοί πεδίων από τους παλμούς γραμμών έχουν κάποιες ορισμένες διαφορές έτσι ώστε να μπορούν να διαφοροποιούνται μεταξύ τους κατά την αποστολή τους στον τηλεοπτικό δέκτη, διότι δεν μεταδίδονται ανεξάρτητα αλλά συγχρόνως. Οι μεταξύ τους διαφορές έχουν ως εξής : Οι παλμοί πεδίων διαρκούν 15 φορές περισσότερο από τους παλμούς γραμμών. Αυτό είναι ένα σημαντικό κριτήριο διαχώρισης τους διότι κατά την αποστολή τους στον τηλεοπτικό δέκτη οι παλμοί γραμμών μεταδίδονται πάνω στους παλμούς πεδίων. Έτσι για να μην καλύπτονται οι παλμοί γραμμών από τους μεγάλης διάρκειας παλμούς πεδίων και χάνεται ο οριζόντιος συγχρονισμός κατά την κατακόρυφη επιστροφή δέσμης, οι παλμοί γραμμών αποτυπώνονται πάνω στους παλμούς πεδίων με την μορφή εσοχής έτσι όπως φαίνεται στο σχήμα παρακάτω. Με αυτόν τον -39-

42 τρόπο δεν εμποδίζεται η δράση παλμών συγχρονισμού πεδίων πάνω στην γεννήτρια κατακόρυφης σάρωσης του δέκτη. Εικόνα 10 Παλμοί σάρωσης και συγχρονισμού γραμμών και παλμών Στο παραπάνω σχήμα βλέπουμε μια σειρά από σύνθετους παλμούς όπου θα πρέπει να αναφέρουμε ότι δεν εξασφαλίζει την σωστή λειτουργία ενδιάμεσης σάρωσης στον δέκτη. Και αυτό γιατί αν προσέξουμε στο σχήμα 1.7 θα δούμε ότι η σάρωση των περιττών γραμμών ξεκινά από μια ολόκληρη γραμμή και τελειώνει με μισή, ενώ η σάρωση άρτιων πεδίων ξεκινά με μισή γραμμή και τελειώνει με ολόκληρη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η σύνθετη σειρά από παλμούς συγχρονισμού να έχει διαφορά στην σάρωση ανάλογα με το αν ο παλμός συγχρονισμού πεδίων σχετίζεται με κατακόρυφη επιστροφή από σάρωση άρτιου ή περιττού πεδίου. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η διαφορά πιο αναλυτικά: -40-

43 Εικόνα 11 Συγχρονιστικά για περιττά (α) και άρτια (β) πεδία. Η διαφορά στην χρονική απόσταση μεταξύ του παλμού συγχρονισμού πεδίων και του τελευταίου πριν από αυτόν, παλμού συγχρονισμού γραμμών στις αυτές περιπτώσεις δημιουργεί κάποιο πρόβλημα στην σάρωση του δέκτη. Πιο συγκεκριμένα δεν μπορεί να προσδιοριστεί με ακρίβεια η στιγμή της έναρξης της κατακόρυφης επιστροφής. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μην σαρώνονται οι ζυγές γραμμές ακριβώς όπως θα έπρεπε ανάμεσα στις μονές, αλλά δημιουργούνται σφάλματα κατά την διάρκεια της κατακόρυφης επιστροφής με συνέπεια να πέφτουν επάνω τους. Έτσι για να αποφευχθεί αυτό το φαινόμενο το οποίο υποβιβάζει την ποιότητα της εικόνας τοποθετούμε πέντε παλμούς πριν και πέντε παλμούς μετά τον συγχρονισμού πεδίων. Αυτοί οι παλμοί έ- χουν μισή διάρκεια και διπλάσια συχνότητα από τους κανονικούς παλμούς συγχρονισμού γραμμών. Οι παλμοί που τοποθετούνται πριν από τον παλμό συγχρονισμού πεδίων ονομάζονται προεξισωτικοί παλμοί, και εκείνοι που τοποθετούνται μετά τον παλμό συγχρονισμού πεδίων ονομάζονται μεταεξισωτικοί παλμοί. Η τοποθέτηση των παλμών σε αυτό το σημείο με αυτή την διάρκεια και αυτή την συχνότητα έχει ως αποτέλεσμα να μεταφέρεται η χρονική ανισότητα μακριά από τον παλμό συγχρονισμού πεδίων και να μην έτσι ώστε αυτός να μην επηρεάζεται. Χάρη στην ειδική μορφή των κυκλωμάτων συγχρονισμού στον τηλεοπτικό δέκτη, η ύπαρξη των εξισωτικών παλμών δεν επηρεάζει τον οριζόντιο συγχρονισμό. -41-

44 Εικόνα 12 Συγχρονιστικά σήματα με εξισωτικούς παλμούς -42-

45 6 Τηλεοπτικά Σήματα 6.1 Δομή του σύνθετου τηλεοπτικού σήματος Το τηλεοπτικό σήμα αποτελείται από συνδυασμό ξεχωριστά σήματα. Αυτά τα σήματα τα συναντήσαμε και σε προηγούμενες παραγράφους και είναι τα εξής: 1. Είναι το σήμα του εικονολήπτη το οποίο περιέχει πληροφορίες φωτεινότητας και χρωμικότητας των διαφόρων σημείων της εικόνας. Η μορφή αυτού του σήματος σε για μεταβαλλόμενη εικόνα είναι περίπου τυχαία, αλλά το πλάτος του κυμαίνεται πάντοτε μεταξύ του 10% και του 75% του τελικού πλάτους του σύνθετου τηλεοπτικού σήματος. Το 10% αντιστοιχεί στα απολύτως λευκά και το 75% αντιστοιχεί στα εντελώς μαύρα σημεία της εικόνας. 2. Οι παλμοί αμαύρωσης, που κάνουν αόρατες τις γραμμές επιστροφής σαρώσεων. Οι παλμοί αυτοί έχουν καθορισμένοι θέση και μορφή μέσα στο σύνθετο τηλεοπτικό σήμα. 3. Οι παλμοί συγχρονισμού, οι οποίοι συγχρονίζουν την σάρωση στον δέκτη και στην κάμερα. Οι παλμοί συγχρονισμού έχουν συγκεκριμένη θέση μέσα στο τηλεοπτικό σήμα διότι τοποθετούνται πάντα πάνω στις κορυφές των παλμών αμαύρωσης. Υψώνονται μέχρι το 100% του πλάτους του τελικού σήματος και γι' αυτό αντιπροσωπεύουν το σήμα "πιο μαύρο και από το μαύρο". Το γεγονός αυτό βοηθάει τα κυκλώματα του δέκτη να τους ξεχωρίζουν εύκολα από το υπόλοιπο τηλεοπτικό σήμα. Εικόνα 13Τα τρία συστατικά του τηλεοπτικού σήματος -43-

46 Στο παραπάνω σύστημα φαίνονται τα συστατικά του τηλεοπτικού σήματος. Το σήμα αυτό είναι σχεδιασμένο με θετική πολικότητα, γιατί έτσι γίνεται πιο κατανοητή η σύνθεση του. Στην τηλεοπτική όμως τεχνική χρησιμοποιείται αρνητική πολικότητα. Βάσει αυτής οι συγχρονιστικοί παλμοί έχουν πλάτος κάτω του 25% του σύνθετου τηλεοπτικού σήματος, ενώ το σήμα εικόνα κυμαίνεται μεταξύ του 25% και του 90% περίπου. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται το σύνθετο σήμα τριών διαδοχικών γραμμών σάρωσης, με αρνητική πολικότητα και σημειώνονται τα χαρακτηριστικά του. Εικόνα 14 Σύνθετο τηλεοπτικό σήμα με αρνητική πολικότητα Στο σήμα εικόνας στο αριστερό άκρο του σχήματος αντιστοιχεί στη σάρωση μια λευκής έως αχνής γκρίζας γραμμής της εικόνας. Η σάρωση καταλήγει στον πρώτο παλμό αμαύρωσης, που αποκόπτει τη δέσμη σάρωσης και οδηγεί το σήμα εικόνας στο μαύρο. Κατά την διάρκεια του παλμού αμαύρωσης δεν εκπέμπονται πληροφορίες εικόνας. Ο παλμός αμαύρωσης προετοιμάζει την επιστροφή της δέσμης, η οποία αρχίζει ταυτόχρονα με την εμφάνιση της αριστερής ακμής του παλμού συγχρονισμού. Η αμαύρωση εξακολουθεί και μετά το τέλος του παλμού συγχρονισμού, έτσι ώστε να καλύπτεται ένα μικρό κομμάτι από την αρχή της σάρωσης της επόμενης γραμμής. Το χρονικό διάστημα μεταξύ δυο διαδοχικών παλμών αμαύρωσης γραμμών ή δυο διαδοχικών παλμών συγχρονισμού γραμμών είναι 64 μsec. Αυτό, όπως είδαμε, σημαίνει ότι η συχνότητα των παραπάνω παλμών είναι Hz. Η διάρκεια των παλμών αμαύρωσης γραμμών είναι ίση με το 16% ς 18% της διάρκειας της οριζόντιας σάρωσης. Μετά την σάρωση όλων των γραμμών ενός πεδίου, ακολουθεί ένας παλμός α- μαύρωσης πεδίων, που απεικονίζεται με θετική πολικότητα στο επόμενο σχήμα. -44-

47 Εικόνα 15 Παλμοί οριζόντιας και κατακόρυφης αμαύρωσης Κάθε παλμός αμαύρωσης πεδίων αποκόπτει την δέσμη σάρωσης κατά την κατακόρυφη επιστροφή της. Οι παλμοί αμαύρωσης πεδίων έχουν μεγάλη διάρκεια και καλύπτουν περίπου 20 γραμμές οριζόντιας σάρωσης ο καθένας. Στην οροφή τους τοποθετούνται οι παλμοί συγχρονισμού πεδίων. Όπως και στους παλμούς αμαύρωσης γραμμών, έτσι και εδώ η αμαύρωση αρχίζει πριν από την έναρξη της επιστροφής της δέσμης, που συμπίπτει με την έναρξη της επιστροφής της δέσμης, που συμπίπτει με την έναρξη του παλμού κατακόρυφου συγχρονισμού και τελειώνει πολύ μετά έτσι ώστε να καλύπτονται πολλές από τις πρώτες και λίγες από τις τελευταίες οριζόντιες γραμμές κάθε πεδίου. Ο λόγος που οι παλμοί αμαύρωσης διαρκούν περισσότερο από τους παλμούς συγχρονισμού έχει σχέση με τη μορφή των ρευμάτων σάρωσης που διοχετεύονται στα πηνία απόκλισης των ηλεκτρονικών πυροβόλων. Τα πηνία είναι εξαρτήματα που δεν επιτρέπουν απότομες μεταβολές συμβαίνουν στις κορυφές του πριονωτού ρεύματος σάρωσης και διαρρέει. Τέτοιες μεταβολές συμβαίνουν στις κορυφές του πριονωτού ρεύματος και σε αυτά τα σημεία τα πηνία αντιδρούν παράγοντας ταλαντώσεις. Αυτές οι ταλαντώσεις καταστρέφουν την ομαλή σάρωση και προκαλούν παραμορφώσεις στα άκρα της εικόνας. Επεκτείνοντας τους παλμούς αμαύρωσης πριν και μετά τους παλμούς συγχρονισμού, καλύπτουμε τις παραμορφώσεις με μαύρες λωρίδες. Οι μαύρες λωρίδες δεν φαίνονται στον τηλεοπτικό δέκτη, γιατί ρυθμίζοντας τις διαστάσεις τις εικόνας, τις σπρώχνουμε προς τα έξω από τα όρια της οθόνης. Οι ταλαντώσεις είναι πιο έντονες στο κάτω μέρος της πριονωτής κυματομορφής. Για το λόγο αυτό ο παλμός συγχρονισμού δεν είναι τοποθετημένος στο μέσο του -45-

48 παλμού αμαύρωσης, αλλά βρίσκεται πιο κοντά προς την αρχή του. Έτσι η δεξιά περιθωριακή λωρίδα που προκαλείται λίγο πριν την έναρξη των οριζόντιων επιστροφών της δέσμης είναι πιο στενή από την αριστερή. Η διάρκεια του παλμού συγχρονισμού γραμμών λαμβάνεται περίπου ίση με το μισό της διάρκειας του παλμού αμαύρωσης, αλλά αυτό δεν αποτελεί αυστηρή προδιαγραφή. Η εκκεντρική τοποθέτηση του παλμού συγχρονισμού γραμμών σε σχέση με τον παλμό αμαύρωσης δημιουργεί δυο άνισα "πλατώματα" δεξιά και αριστερά του παλμού συγχρονισμού, που ονομάζονται οπίσθιος μαύρος αναβαθμός και εμπρόσθιος μαύρος αναβαθμός, αντιστοίχως. Εικόνα 16 Συσχέτιση παλμών αμαύρωσης και ρεύματος οριζόντιας σάρωσης Ανάλογη πρόβλεψη υπάρχει και για τους παλμούς αμαύρωσης και συγχρονισμού πεδίων. Και εδώ οι παλμοί συγχρονισμού τοποθετούνται πάνω στους παλμούς αμαύρωσης. Η θέση των παλμών συγχρονισμού πρέπει να είναι τέτοια, ώστε στο τέλος του περιττού πεδίου η σάρωση να διακόπτεται στο μέσο της τελευταίας γραμμής. Οι παλμοί συγχρονισμού πεδίων τοποθετούνται 2,5 οριζόντιες γραμμές μετά την έναρξη του παλμού αμαύρωσης πεδίων. Η διάρκεια τους είναι επίσης 2,5 γραμμές. Καθ 'όλη τη διάρκεια του παλμού οριζόντιας αμαύρωσης, αλλά και κατά τη διάρκεια του παλμού συγχρονισμού γραμμών. Αυτό είναι απαραίτητο, γιατί δεν πρέπει να χάνεται ο οριζόντιος συγχρονισμός, όσο η δέσμη επιστρέφει κατακόρυφα. Γι' αυτό επάνω στους παλμούς αμαύρωσης εκτός από τους παλμούς συγχρονισμού πεδίων τοποθετούνται και -46-

49 παλμοί συγχρονισμού γραμμών. Οι τελευταίοι μάλιστα εμφανίζονται σαν εσοχές κατά την διάρκεια των παλμών συγχρονισμού πεδίων. Αφού με όλα τα παραπάνω έχουμε γνωρίσει τα χαρακτηριστικά των επιμέρους σημάτων του σύνθετου τηλεοπτικού σήματος, μπορούμε πλέον να αναπαραστήσουμε την μορφή του. Παρατηρήστε πως οι παλμοί συγχρονισμού πεδίων και γραμμών συνυπάρχουν πάνω στους παλμούς αμαύρωσης πεδίων. Το σήμα εικόνας απεικονίζεται με γκρίζα σκίαση μεταξύ των παλμών συγχρονισμού γραμμών. Πρέπει να σημειωθεί ότι για ευκολία, οι παλμοί αμαύρωσης πεδίων δεν απεικονίζονται με τη σωστή τους διάρκεια. Μια πιο προσεκτική ματιά δείχνει ότι οι παλμοί αμαύρωσης φαίνεται να έχουν διάρκεια δώδεκα οριζοντίων γραμμών, ενώ, όπως είπαμε, στην πραγματικότητα διαρκούν περίπου είκοσι γραμμές. Σήματα, σαν και αυτά του σχήματος 1.15, παράγει οποιαδήποτε τηλεοπτική κάμερα. Το πλάτος τους είναι τυποποιημένο και ίσο με 1 Volt από κορυφή σε κορυφή. Αν τα σήματα αυτά εφαρμοστούν στα κατάλληλα σημεία των κυκλωμάτων ενός τηλεοπτικού δέκτη, θα εμφανιστεί στη οθόνη η εικόνα που καταγράφει η κάμερα που τα παρήγαγε. Προκειμένου όμως αυτά τα σήματα να σταλούν με ασύρματη εκπομπή σε απομακρυσμένους δέκτες, θα πρέπει να ενισχυθούν και να περάσουν από την διαδικασία της διαμόρφωσης, μέσα από ένα πομπό τηλεόρασης. -47-

50 Εικόνα 17 : Το σύνθετο τηλεοπτικό σήμα. (α) για άρτια πεδία (β) για περιττά πεδία. [Συμβουλεύτηκα το βιβλίο Αναλογική και ψηφιακή τηλεόραση] 2-48-

51 7 Ψηφιοποίηση των Οπτικών Σημάτων Στα επόμενα κεφάλαια θα δοθεί μία πιο ειδική και επιτηδευμένη μορφή πράγματα που αναφέρθηκαν προηγουμένως σε μία πιο γενική και καταληπτή οπτική γωνία. 7.1 Γιατί να ψηφιοποιηθούν τα οπτικά σήματα Για αρκετά χρόνια οι επαγγελματίες των βίντεο χρησιμοποιούσαν στα τηλεοπτικά στούντιο διαφόρων ειδών ψηφιακές μορφές όπως D1 (συνιστωσών) και D2 (σύνθετο), για την εγγραφή και την σύνθεση των οπτικών σημάτων. Για να διευκολυνθεί η διαλειτουργικότητα των εξαρτημάτων κι η ανταλλαγή των διεθνών προγραμμάτων, η πρώην CCIR (Comite Consultatif International des Radiocommunications) έχει τυποποιήσει τις συνθήκες ψηφιοποίησης (εισήγηση CCIR-601) και διασύνδεσης (εισήγηση CCIR- 656) των ψηφιακών οπτικών σημάτων συνιστωσών (Y, CR, Cb, σε μορφή 4:2:2 ). Τα κύρια πλεονεκτήματα αυτών των ψηφιακών μορφών είναι ότι : επιτρέπουν να γίνονται πολλά αντίτυπα χωρίς να υποβαθμίζεται η ποιότητα. επιτρέπουν την δημιουργία ειδικών εφέ κάτι το οποίο δεν επιτρέπεται στην αναλογική μορφή απλοποιούν την κάθε είδους πολλαπλή σύνταξη επιτρέπουν την διεθνή ανταλλαγή ανεξάρτητα από το στάνταρ της εκπομπής που χρησιμοποιείται για την μετάδοση (NTSC, PAL, SECAM, D2-MAC, MPEG). -49-

52 Όμως το μειονέκτημα είναι ο πολύ σημαντικός ρυθμός μετάδοσης, ο οποίος κάνει αυτές τι μορφές ακατάλληλες για την εκπομπή στον τελικό χρήστη χωρίς προγενέστερη συμπίεση του σήματος. 7.2 Μορφές Ψηφιοποίησης Για οπτικά σήματα τα οποία έχουν συνιστώσες από πηγή στούντιο, τα οποία μπορούν να έχουν εύρος ζώνης μέχρι 6 MHz, η CCIR προτείνει μια συχνότητα δειγματοληψίας Fs= 13.5MHz κλειδωμένη στην συχνότητα γραμμής. Αυτή η συχνότητα είναι ανεξάρτητη από την συχνότητα της σάρωσης. Ο αριθμός των ενεργών δειγμάτων ανά γραμμή είναι 720. Σε ένα τέτοιο γραμμικά κλειδωμένο σύστημα δειγματοληψίας, τα δείγματα βρίσκονται στην ίδια σταθερή θέση σε όλες τις γραμμές του πλαισίου, καθώς επίσης και από πλαίσιο σε πλαίσιο, και έτσι είναι τοποθετημένα σε ένα τετραγωνικό πλέγμα. Για αυτό τον λόγο, αυτή η μέθοδος δειγματοληψίας ονομάζεται ορθογώνια δειγματοληψία σε αντίθεση με άλλα σχήματα δειγματοληψίας που χρησιμοποιούνται για σύνθετη οπτική δειγματοληψία (για παράδειγμα, δειγματοληψία 4 χ Fsc κλειδωμένου υπο - φέροντος). Οι πιο οικονομικές μέθοδοι ως προς τον ρυθμό μετάδοσης για την ψηφιοποίηση του οπτικού σήματος φαίνεται, εκ των προτέρων, είναι η χρήση του σύνθετου σήματος ως πηγή. Όμως λόγω της σύνθετης φύσης της η ποιότητα θα περιοριστεί. Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι 8 bit (που αντιστοιχούν σε 256 βήματα κβαντισμού) είναι η ελάχιστη απαίτηση για ένα καλό λόγο σήματος προς το θόρυβο κβαντισμού, ο απαιτούμενος ρυθμός από αυτή την ψηφιοποίηση του σύνθετου σήματος είναι 13,5 χ 8 = 108 Mb/s, που είναι ήδη πάρα πολύ. -50-

53 Εικόνα 18 Δομή ορθογωνικής δειγματοληψίας εικόνας 7.3 Μορφή 4:2:2 Η εισήγηση CCIR-601, η οποία έχει καθιερωθεί από το 1982, έχει ορίσει κάποιες παραμέτρους ψηφιοποίησης για τα οπτικά σήματα στη μορφή συνιστωσών βασισμένη σε ένα σήμα Y Cr Cb στη μορφή 4:2:2 (τέσσερα δείγματα Υ για δυο δείγματα Cb και δυο δείγματα Cr) με 8 bit ανά δείγμα (με μια πρόβλεψη για επέκταση σε 10 bit ανά δείγμα). Η συχνότητα δειγματοληψίας είναι 13.5 MHz για την φωτεινότητα και 6.75 MHz για την χρωμικότητα, άσχετα από το στάνταρ του σήματος της εισόδου. κατά συνέπεια αυτές οι συχνότητες δίνουν 720 ενεργά οπτικά σήματα ανά γραμμή για την φωτεινότητα και 360 ενεργά οπτικά σήματα ανά γραμμή για την χρωμικότητα. Η θέση των δειγμάτων χρωμικότητας αντιστοιχεί στα περιττά δείγματα της φωτεινότητας. Τα σήματα της χρωμικότητας Cr και Cb που είναι ταυτόχρονα διαθέσιμα σε κάθε γραμμή, επιτρέπουν την κατακόρυφη ανάλυση της χρωμικότητας να είναι όμοια με αυτή της φωτεινότητας (480 γραμμές για συστήματα 525 γραμμών, 576 γραμμές για συστήματα 625 γραμμών). Έτσι ο συνολικός ρυθμός που προκύπτει από αυτή την δια- -51-

54 δικασία είναι 13.5 χ χ 6.75 χ 8 = 216 Mb/s. Με ένα κβαντισμό 10 bit, ο ρυθμός γίνεται 270 Mb/s. Όμως αν ληφθεί υπόψιν και ο πλεονασμός που εμπεριέχεται στην ψηφιοποίηση του ανενεργού τμήματος του οπτικού σήματος (οριζόντιες και κατακόρυφες περίοδοι αμαύρωσης), ο χρήσιμος ρυθμός πέφτει στα 166 Mb/s με 8 bit ανά δείγμα. Αυτές οι οριζόντιες και κατακόρυφες περίοδοι αμαύρωσης μπορούν να συμπληρωθούν από άλλα χρήσιμα δεδομένα, όπως ψηφιακός ήχος, συγχρονισμός και άλλες πληροφορίες. Εικόνα 19 Θέση των δειγμάτων στην μορφή 4:2:2 Η εισήγηση CCIR-656 ορίζει την τυποποίηση συνθηκών ηλεκτρικής διασύνδεσης για σήματα 4:2:2 ψηφιοποιημένα σύμφωνα ε την εισήγηση CCIR-601. Αυτή είναι η μορφή που χρησιμοποιείται για την διασύνδεση D1 ψηφιακών οπτικών καταγραφέων, και επομένως μερικές φορές αναφέρεται ως η μορφή D1. Η παράλληλη εκδοχή αυτής της εισήγησης παρέχει το σήμα σε μια πολυπλεγμένη μορφή σε μια παράλληλη διασύνδεση 8-δυφίων, μαζί ε ένα χρονιστή 27 MHz (μια περίοδος χρονιστή ανά δείγμα). Ο συγχρονισμός και άλλα δεδομένα συμπεριλαμβάνονται στη ροή δεδομένων. Ο κανονικοποιημένος συνδετήρας είναι μια πρίζα (plug) DB25. Υπάρχει επίσης μια σειριακή μορφή της διασύνδεσης CCIR-656 για εκπομπή σε ένα ομοαξονικό καλώδιο 75 Ω ε συνδετήρες BNC, απαιτώντας έναν ελαφρά υψηλότερο ρυθμό (243 Mb/s) λόγω της χρήσης των 9 bit ανά δείγμα στη μέθοδο αυτή. -52-

55 8 Τα πρότυπα DVB Το DVB (digital video broadcasting) είναι μια συλλογή διεθνώς αποδεχόμενων ανοικτών προτύπων για ψηφιακή τηλεόραση και περιλαμβάνει τα εξής συστήματα μετάδοσης: 1. Τα δορυφορικά συστήματα DVB-Sκαι DVB-S2. 2. Το καλωδιακό σύστημα DVB-C. 3. Το σύστημα επίγειας ψηφιακής μετάδοσης DVB-T. 4. Το σύστημα επίγειας ψηφιακής μετάδοσης για υπολογιστές χειρός DVB-H. Γενικά Όπως καταλαβαίνουμε η αναλογική εποχή δίνει τη θέση της ψηφιακή ακόμα και στο κομμάτι των τηλεοπτικών εκπομπών. Αυτό αποτελεί το επισφράγισμα της ψηφιακής εποχής για το λόγο ότι το μέγεθος των δεδομένων ήταν και συνεχίζει να είναι αρκετά μεγάλο στον τομέα αυτό. Όμως, η εμφάνιση των προτύπων του MPEGήταν η λύση για τη μείωση του όγκου των δεδομένων καθιστώντας εφικτή την ψηφιακή αναμετάδοσή τους. 8.1 DVB-S και DVB-S2 Το σύστημα DVB-S ξεκίσησε το 1995 και ήταν το προταρχικό σύστημα ψηφιακής μετάδοσης βίνετο μέσο δορυφόρων. Τα μεταδιδόμενα βίντεο είναι κωδικοποιημένα κατά MPEG-2 και έχουν ποιότητα ανάλυσης standarddefinitiontv. Το Μάρτιο του 2005 το DVB-Sαντικαταστάθηκε από το βελτιωμένο DVB- S2(DigitalVideoBroadcasting Satellite secondgeneration). Το DVB-S2 έχει ποιότητα ανάλυσης HDTV ενώ τα βίντεό του είναι κωδικοποιημένα με τον αλγόριθμο H.264(MPEG-4). Οστόσο μπορεί να εκπέμψει βίντεο με κωδικοποίηση MPEG-2 και διαμορφωμένο κατά QPSKή MAPSK. Το DVB-S2 έχει 30% καλύτερη απόδοση από το αρχικό DVB-S2 χάρη στις νέες τεχνικές που ενσωματώνει, όπως είναι η αλλαγή παραμέτρων κωδικοποίησης και διαμόρ- -53-

56 φωσης σε πραγματικό χρόνο VCM και η συμπίεση του βίντεο κατά MPEG-4. Χάρη στην συμπίεση των δεδομένων κατά MPEG-4έχει επιτευχθεί η εκπομπή βίντεο ποιότητας HDTV στο ίδιο εύρος καναλιού που απαιτούνται για εκπομπή βίντεο MPEG-2 από το σύστημα DVB-Sμε ποιότητα SDTV. Τα δεδομένα πριν εκπεμφθούν κατανέμονται σε πακέτα MPEG-2 TS(DVB-S)ή MPEG- 4 GS (DVB-S2). Σε αυτά εφαρμόζεται η κωδικοποίηση CRC-8 που βοηθά στη διόρθωση λαθών. Υπάρχουν 4 τρόποι διαμόρφωσης: QPSK (χρησιμοποιείται και στο DVB-S), 8 PSK, 16 APSK& 32 APSK 8.2 DVB-C Το σύστημα καλωδιακής μετάδοσης ψηφιακού βίντεο DVB-C μεταδίδει βίντεο με ήχο συμπιεσμένα με τον αλγόριθμο MPEG-2 και διαμορφωμένα κατά QAM. Εικόνα 20 πηγή δεδομένων & αποκωδικοποιητής δεδομένων Στον πομπό το βίντεο, ο ήχος και τα δεδομένα πολυπλέκονται σε μία ροή προγράμματος MPEG-2 VS (program stream). Μία ή περισσότερες ροές προγράμματος πολυπλέ- -54-

57 κονται σε μία ροή μεταφοράς MPEG-2 TS (transport stream), η οποία τελικά μεταδίδεται και καταλήγει στον αποκωδικοποιητή μας. Οι ρυθμοί μετάδοσης του μεταδιδόμενου MPEG-2 TSμπορούν να φθάσουν τα 64Mbit/secκαι εξαρτιόνται από τις παραμέτρους διαμόρφωσης. Στον αποκωδικοποιητή μας οι λαμβανόμενες MPEG-2 TSροές αναγνωρίζονται ως πακέτα δεδομένων μήκους 188bytes. Σε αυτά εφαρμόζεται ο κώδικας Reed Solomom RS (204,188), ο οποίος δίνει την δυνατότητα διόρθωσης έως 8 λάθος bytes σε κάθε πακέτο των 188 bytes. Οι επιτρεπόμενες διορθώσεις είναι οι 16 QAM, 32 QAM, 64 QAM, 128 QAM, 256 QAM. Το διαμορφωμένο σήμα φιλτράρεται για την απομάκρυνση των παρεμβολών. Έπειτα μετατρέπεται σε αναλογικό σήμα για να διαμορφωθεί στο τελικό σήμα RF. Στον πίνακα που ακολουθεί φαίνονται οι ροές δεδομένων ανάλογα με την διαμόρφωση και το εύρος ζώνης. Διαμόρφωση Εύρος ζώνης (MHz) QAM 6.41 Mbit/s ,64 32,05 Mbit/s Mbit/s Mbit/s Mbit/s 32QAM 8.01 Mbit/s ,05 40,07 Mbit/s Mbit/s Mbit/s Mbit/s 64QAM 9.62 Mbit/s Mbit/s 28,85Mbit/s 38,47 Mbit/s 48,08 Mbit/s 128QAM ,66Mbit/s 44,88 56,10 Mbit/s Mbit/s Mbit/s Mbit/s 256QAM ,47Mbit/s 51,29 64,11 Mbit/s Mbit/s Mbit/s Mbit/s 8.3 DVB-T Τo DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial)είναι το Ευρωπαϊκό σύστημα επίγειας εκπομπής και λήψης ψηφιακού σήματος. Σύμφωνα με αυτό εκπέμπεται μια συμπιεσμένη ψηφιακή ροή εικόνας -ήχου συμπιεσμένη κατά Mpeg-2 ή H.264 και διαμορφωμένη κατά OFDM. H λήψη πραγματοποιείται με την απλή κεραία μας τύπου Yagi. -55-

58 εικόνα 2: πηγή δεδομένων και αποκωδικοποιητής δεδομένων. Όπως φαίνεται και στο προηγούμενο σχήμα, στο πομπό πραγματοποιείται αρχικά η κωδικοποίηση του ήχου, της εικόνας και των δεδομένων και έπειτα αυτά πολυπλέκονται σε μια ροή προγράμματος Mpeg - 2 PS. Αν στο ίδιο κανάλι πρόκειται να μεταδοθούν και άλλα προγράμματα, τότε πολυπλέκονται όλα μαζί σε μια ροή προγράμματος Mpeg - 2 T. Αυτή μεταδίδεται για να ληφθεί και να κωδικοποιηθεί από τον δέκτη (Set Top Box).Οι ρυθμοί μετάδοσης κυμαίνονται από 5 έως 32 Mbits/s ανάλογα με την χρησιμοποιούμενη διαμόρφωση. Μπορούμε να εκπέμπουμε ταυτόχρονα δύο διαφορετικές ροές μεταφοράς Mpeg - 2 TS με την χρήση της τεχνικής ιεραρχικής μετάδοσης (Hierarchical Transmission) και ενός διαχωριστή (Splitter) στην έξοδο του πομπού. Για παράδειγμα μπορούμε να εκπέμπουμε ταυτόχρονα το ίδιο τηλεοπτικό πρόγραμμα σε ποιότητα standard ανάλυσης (SDTV) και υψηλής ανάλυσης (HDTV). Οι δέκτες θα λαμβάνουν και τα δύο προγράμματα και ανάλογα με την ποιότητα του λαμβανόμενου σήματος θα επιλέγουν αν θα δείχνουν στην οθόνη την HDTV ή την SDTV εκπομπή. Ο αποκωδικοποιητής του δέκτη αναγνωρίζει και διαχωρίζει τις εισερχόμενες ροές Mpeg - 2 TS σε πακέτα μήκους 188 bytes έκαστος. Σε αυτά εφαρμόζεται ο κώδικας Reed Solomon- RS ( ),ο οποίος δίνει την δυνατότητα διόρθωσης σε 8 λάθος bytes σε 188 bytes. Τα πακέτα κωδικοποιούνται, αναδιατάσσονται και διαμορφώνονται με QPSK, 16QAM ή 64QAM σε σύνθετα σύμβολα. Αυτά ομαδοποιούνται σε μπλόκ σταθερού μήκους των 1512, 3024 ή 6048 συμβόλων ανά μπλόκ. Ένα πλαίσιο (frame) αποτελείται από 68 μπλόκ, ενώ 4 πλαίσια συγκροτούν ένα υπερπλαίσιο (super frame). Ακολουθεί διαμόρφωση των μπλόκ με την τεχνική της OFDM διαμόρφωσης και έπειτα -56-

59 στην αρχή του κάθε μπλόκ εισάγονται κενά ασφαλείας (Guard intervals) με μήκος 1/32, 1/16, 1/8 ή 1/4 του μήκους του μπλοκ. Τέλος μετατρέπεται σε αναλογικό σήμα για να διαμορφωθεί στη τελική ραδιοσυχνότητα της μπάντας VHF ή UHF. Το εύρος κάθε καναλιού καθορίζεται σε 6,7 ή 6,8 MHz. 8.4 DVB-T2 Μετά το πρότυπο DVB -T και χωρίς ακόμη να έχει εδραιωθεί στην Ευρώπη έρχεται η εξέλιξη του η οποία ονομάζεται DVB- T2. Παρακάτω αναφέρουμε κάποιες από τις διαφορές των δύο προτύπων οι οποίες έχουν ς εξής: Το πρότυπο DVB-T2 αποτελεί τη δεύτερη έκδοση του προτύπου επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης του DVB Project, με βελτιώσεις που στοχεύουν στην καλύτερη χρήση κατά 30-50% του εύρους σε σχέση με το DVB-T. Το πάντα πολύτιμο εύρος ζώνης των UHF και VHF συχνοτήτων, μετά το ASO και την έλευση της DVB-T, θα «ανασάνει» και το DVB-T2 θα είναι παρόν, ώστε οι διάφοροι φορείς και πάροχοι να εκμεταλλευτούν ακόμη καλύτερα το διαθέσιμο εύρος. Όπως ο προκάτοχός του, έτσι και το DVB-T2, χρησιμοποιεί τη διαμόρφωση OFDM. Επίσης κοινό με το DVB-T, είναι το εύρος διαφορετικών καταστάσεων που υποστηρίζει και το καθιστούν πολύ ευέλικτο πρότυπο. Στον τομέα της διόρθωσης σφαλμάτων, το DVB-T2 χρησιμοποιεί την ίδια κωδικοποίηση με το δορυφορικό πρότυπο DVB-S2. Η κωδικοποίηση LDPC (Low Density Parity Check) σε συνδυασμό με την BCH (Bose- Chaudhuri-Hocquengham) παρέχουν εξαιρετική απόδοση στην παρουσία υψηλού επίπεδου θορύβου και παρεμβολών. Επιπρόσθετα, όπως βλέπουμε στον παρακάτω πίνακα, σε σχέση με το DVB-T, το πρότυπο DVB-T2 μπορεί να χρησιμοποιεί ανώτερη διαμόρφωση QAM, πρόσθετες λόγους Guard Interval, επιπλέον διαστήματα μεταξύ των υποφερουσών, όπως και περισσότερες υποφέρουσες πιλότους στη μετάδοσή της. Αυτά τα χαρακτηριστικά, πέραν της καλύτερης διαχείρισης του εύρους ζώνης, παρέχουν στο DVB-T2 περισσότερη ανθεκτικότητα σημάτων και συντάσσουν ένα πρότυπο ακόμα πιο ευέλικτο από την πρώτη του έκδοση. -57-

60 8.5 DVB-H το DVB-H (Digital Video Broadcasting- Hand held)δημιουργήθηκε τον Νοέμβριο του 2004 με σκοπό την μετάδοση του ψηφιακού βίντεο σε συσκευές χειρός. Είναι η νεότερη τεχνική ψηφιακή μετάδοση του προτύπου DVB. Η τεχνολογία του DVB-H ουσιαστικά βασίζεται στην τεχνολογία του συστήματος DVB-T, ειδικά όμως τροποποιημένη για χρήση σε φορητούς δέκτες μπαταρίας. Το DVB-H λειτουργεί στις μπάντες VHF - III ( MHZ), UHF- IV/UHF-V ( MHz) και L( GHz) και προσφέρει ένα μονόδρομο κανάλι (μόνο εμείς «κατεβάζουμε» δεδομένα) υψηλής ταχύτητας. Για οικονομία ισχύος στους φορητούς δέκτες χρησιμοποιείται η τεχνική "time slicing" σύμφωνα με αυτή οι ροές προγραμμάτων κατανέμονται σε ομάδες δεδομένων έως 2 Mbits (μαζί με τα bit ισοτιμίας) και οι εκπομπές αυτών των ροών γίνονται διαδοχικά (βλ. σχήμα). Έτσι σε κάθε κανάλι εκπομπής δεν εκπέμπεται συνέχεια μόνο ένα πρόγραμμα, αλλά πολλά προγράμματα με μια καθορισμένη σειρά. Ο δέκτης αντίστοιχα ε- νεργοποιείται μόνο για τα χρονικά διαστήματα που πρέπει να παραμείνει συντονισμένος στο πρόγραμμα που ζητήθηκε από τον χρήστη. Έτσι εξοικονομείται ενέργεια με την απενεργοποίηση του κατά την διάρκεια των υπολοίπων προγραμμάτων που δεν μας ενδιαφέρουν. Ωστόσο οι ροές προγράμματος που έλαβε ο δέκτης αποθηκεύονται σε κάποιο προσωπικό Buffer ώστε να προβληθούν στην οθόνη του χωρίς διακοπές. 8.6 Νέες υβριδικές υπηρεσίες Τέλος εμφανίστηκε η νέα υβριδική υπηρεσία DVB-SSP (Satellite Services to Portable Devices)που συνδυάζει τις δορυφορικές και επίγειες υπηρεσίες εκπομπής και λήψης ψηφιακού σήματος μέσω της μπάντας συχνοτήτων S (2GHz-4GHz). Χρησιμοποιεί -58-