HDTV slikovni sistemi

Formati slike visoke ločljivosti so se v preteklosti razvijali iz različnih slikovnih sistemov slike standardne ločljivosti. S pojmom slikovni sistem označujemo število vseh vrstic v televizijski sliki, tudi tiste, ki niso vidne (vračanje žarka z dna na začetek slike pri televizorjih s katodno cevjo) in število polslik na sekundo. Najbolj znana sta sistema 625/50 in 525/60. Prvi je najbolj razširjen v Evropi, drugi pa na ameriški celini. Za ta dva sistema je tudi značilno, da imata različno število vidnih vrstic. 625/50 jih ima 576, 525/60 pa ima 480 vidnih vrstic v celotni televizijski sliki. Posledica tega so bili različni formati slike visoke ločljivosti. Prehajanje oziroma preračunavanje slike iz enega formata slike v drugega je izguben proces, ki lahko poslabša tehnično kakovost slike. Da bi se izognili preračunavanju, so se oglasile zahteve po skupnem formatu slike za različne slikovne sisteme. Tako je bil uveden format slike 1920 x 1080. Oznaka pomeni, da imamo v sliki 1920 slikovnih elementov v horizontalni smeri (vidnem delu vrstice) in 1080 vidnih vrstic.

Struktura cele televizijske slike, ki vključuje vertikalni in horizontalni zatemnitveni interval

Kako so določili skupni format 1920 x 1080?

Osnovo za določitev tega formata je bil standard ITU-R BT.601, ki je pred dvajsetimi leti postavil osnovo za digitalizacijo televizijske slike standardne ločljivosti. Ta je med drugim tudi določil število slikovnih elementov v vidnem delu digitalizirane televizijske vrstice slike. Teh je 720.

Drugo pomembno dejstvo, ki je vplivalo na razvoj skupnega formata, je bilo razmerje med stranicami televizijske slike. Za televizijo standardne ločljivosti je veljalo razmerje 4 : 3. Zaradi predvajanja filmov po televiziji, ki uporablja večja razmerja, je bilo za HDTV predpisano razmerje 16 : 9. Pri tem ne smemo pozabiti, da se je HDTV razvila zato, ker se je hotela približati ločljivosti filmske slike.

Tretje dejstvo je bila zahteva, da mora biti v HDTV ločljivost dvakrat večja kot pri standardni ločljivosti. Iz navedenih zahtev lahko izračunamo število slikovnih elementov N v vrstici

N = 720*16/9*3/4*2

Formula pove, da je treba povečati število slikovnih elementov 720 zaradi spremenjenega razmerja stranic slike in jih nato še podvojiti zaradi večje ločljivosti. Izračun pokaže, da imamo pri sliki visoke ločljivosti v vrstici 1920 slikovnih elementov.

Četrto dejstvo,ki je vplivalo na določitev števila vrstic v sliki, je bila oblika slikovnega elementa, ki mora biti kvadratna. Poudariti je treba, da v nobenem formatu digitalizirane slike standardne ločljivosti slikovni element nima take oblike. Vsi so različne pravokotne oblike. Če želimo določiti potrebno število vrstic V, je treba število slikovnih elementov v vrstici deliti z razmerjem stranic slike (16 : 9).

V = 1920/16*9

Tako dobimo število 1080 vrstic.

Prikaz napake pri hitro gibajočem objektu v sliki (pokončna črta) pri formiranju celih slik iz polslik

Posledice povečane ločljivosti slike

S povečano ločljivostjo slike lahko pri hitrem gibanju predmetov na posnetkih ali pri realnem oziroma navideznem gibanju kamere (zasuki, zoom) opazimo napako, ki je pri standardni ločljivosti nismo. Robovi in detajli na hitro gibajočih se predmetih postanejo neostri. Če smo bolj natančni, to napako opazimo tudi na posnetku standardne ločljivosti, vendar pri bistveno večjih hitrostih premetov. Vzroki za to napako so v:

vrstičnem prepletu slik,

premajhnemu številu slik na sekundo in

uporabi postopkov stiskanja pri prenosu ali zapisu slike na pomnilniški nosilec.

Vrstični preplet predstavlja stiskanje analogne slike. V današnjem času, ko se je tehnologija zajema in predvajanja televizijske slike v celoti spremenila, lahko ugotovimo, da je uporaba vrstičnega prepleta nepotrebna oziroma nam celo vnaša nezaželene napake v predvajano sliko. Razlogi za ukinitev so:

neostra slika pri hitro gibajočih se predmetih na sliki,

napake pri preračunavanju celih slik iz polslik,

nove tehnologije v kamerah in prikazovalnikih, ki uporabljajo progresivni način odčitavanja slike,

slabši učinek postopkov stiskanja pri obdelavi polslik.

Pri razvoju standardov za HDTV se teži k opuščanju vrstičnega prepleta. Vedno bolj se uveljavlja progresivno odčitavanje in osveževanje slike. Obenem se povečuje tudi število slik na sekundo. Tako imamo 50 ali 60 slik na sekundi, odvisno od privzetega slikovnega sistema. Posledica povečanja slik je seveda tudi dvojno povečanje količine podatkov o sliki.

Format slike 1280 x 720

Format so uvedli po standardizaciji skupnega formata 1920 x 1080. V tem času so že razvili elektronsko vezje, imenovano HD zaporedni vmesnik, ki podatke o sliki in zvoku pretvori v električni signal. Ta signal označujemo s HD SDI. Signal lahko prenaša omejeno količino podatkov. Tako lahko prenašamo podatke za sliko ločljivosti 1920 x 1080 in 25 slik oziroma 50 polslik na sekundo.

Z uvedbo novega formata so želeli povečati tehnično kakovost dinamične slike tako, da so uporabili progresivni način odčitavanja slike in podvojili število slik na sekundo (50 ali 60). Pomembna zahteva je bila tudi ta, da novi slikovni sistem uporabi isti zaporedni vmesnik, kot ga uporablja sistem 1920 x 1080 s 25 slikami oziroma 50 polslikami. Posledica te zahteve je bila potreba po novem formatu slike, saj drugače ni bilo mogoče doseči približno enakega števila podatkov, ki bi jih prenašali v istem HD-SDI signalu. Tako so prišli do novega formata slike, ki ima ločljivost 1280 x 720.

Uporaba istega zaporenega vmesnika je poglavitni razlog, da večina HD video opreme lahko dala v dveh slikovnih sistemih:

1920 x 1080 s 50 polslikami (uporaba vrstičnega prepleta),

1280 x 720 s 50 slikami (progresivno odčitavanje).

Veljavni in bodoči televizijski sistemi visoke ločljivosti

Novi zapisi slikovnih sistemov visoke ločljivosti so spremenili tudi način označevanja slik oziroma polslik. Če smo pri sistemih standardne ločljivosti zapisovali število polslik (na primer sistem 625/50), pri slikovnih sistemih visoke ločljivosti označujemo število celotnih slik. Z velikima črkama I in P označujemo uporabo vrstičnega prepleta (črka I) ali progresivnega načina odčitavanja slike (črka P). Primer takega zapisa slikovnega sistema je 1920x1080/I/25, kjer 1920 x 1080 določa ločljivost slike, črka I določa uporabo vrstičnega prepleta in zadnja številka v zapisu 25 pomeni število slik na sekundo.

EBU, to je evropsko združenje radijskih in televizijskih nacionalnih postaj, je v tehničnem dokumentu Tech 3299-E svojim članicam priporočil uporabo štirih sistemov HDTV, ki osvežujejo sliko 50- ali 25-krat na sekundo. Namen priporočila je bil zagotoviti interoperabilnost med sistemi. Iz priporočila je tudi razvidna težnja po opuščanju vrstičnega prepleta in prehod na progresivno odčitavanje slike.

Priporočeni sistemi so:

1280x720/P/50 z oznako 720/P/50,

1920x1080/I/25 z oznako 1080/I/25,

1920x1080/P/25 z oznako 1080/P/25,

1920x1080/P/50 z oznako 1080/P/50.

Trenutno se najbolj uporabljata sistema 1280x720/P/50 in 1920x1080/I/50. HDTV oprema se razvija v smeri ločljivosti slike 1920x1080 in progresivnega načina odčitavanja ter povišanja frekvence slike s 25 na 50 Hz. Nesporno se bo za televizijske namene v prihodnje uveljavil format 1920x1080/P/50. Razlogi, da se še ni uveljavil, so v tem, da ima dvakrat več podatkov o sliki kakor drugi trije; to povzroča težave pri povezovanju takih naprav in zahteva velike ter hitre pomnilniške nosilce za zapis slike.

Kateri od najbolj uporabljenih sistemov je boljši?

EBU je pred leti inštitutu IRT naročil študijo ocene tehnične kakovosti posnetkov, ki so bili posneti z enako snemalno opremo v sistemu 720/P/50 in v sistemu 1080/I/25. Že osnovno poznavanje razlik v sistemih nam pove, da bo razlika v kakovosti med sistemoma odvisna od vsebine posnetka. Pri statičnih kadrih, kjer je vpliv napake zaradi vrstičnega prepleta in števila slik na sekundo majhen, bo prišla do izraza velika ločljivost slike v sistemu 1080/I/25. Pri dinamičnih kadrih z veliko gibanja bo boljše rezultate dosegel sistem, ki ima več slik na sekundo in ne uporablja vrstičnega prepleta. Ker je običajna televizijska slika v povprečju bolj dinamična kot statična, so seveda boljši rezultati doseženi v sistemu 720/P/50. To je potrdila tudi ocena posnetkov v študiji.

Zakaj se televizijske hiše bolj odločajo za sistem 1080/I/25 kot za 720/P/50?

Študija, ki je priporočila uporabo sistema 720/P/50, je uporabila zelo kratko oziroma enostavno tehnološko verigo, to je snemanje in predvajanje posnetka. V profesionalni produkciji televizijskega programa so tehnološke verige veliko bolj kompleksne. V njih se velikokrat uporabljajo arhivski posnetki, ki so večinoma posneti v standardni ločljivosti. Poleg tega v prehodnem obdobju uvajanja HDTV produkcije veliko televizijske opreme še vedno deluje v standardni ločljivosti. Zamenjava opreme zaradi velikih stroškov opreme poteka postopoma. To pomeni, da je pretvorba posnetkov iz standardne v visoko ločljivost nujnost prehodnega obdobja. Poglejmo, katera pretvorba vnaša manj izgub.

Večina slikovnih sistemov standardne ločljivosti uporablja za prenos slike vrstični preplet in 25 ali 30 slik na sekundo. Realnost velike večine televizijskih hiš je, da imajo tudi v primeru, ko oddajajo program v HDTV, še vedno določene tehnološke sklope in verige, ki ne delajo v HDTV. Poleg tega je večina arhivskega gradiva, ki se uporablja v produkciji programa, v nižji ločljivosti.

Če želimo preiti s SDTV na 1080/I/25, je treba vsako polsliko iz standardne ločljivosti 720 x 576 preračunati v ločljivost 1920 x 1080. Pri pretvorbi v slikovni sistem 720/P/50 je treba iz 50 polslik iz SDTV preračunati v 50 celotnih slik in nato ločljivost slike 720 x 576 preračunati v 1280 x 720. Iz zapisanega sledi, da pretvorba iz SDTV v 1080/I/25 teoretično vnaša manj napake kot pretvorba v 720/P/50.

Popolnoma drugačen rezultat dobimo, če razmišljamo dolgoročno in pri tem računamo, da bomo v prihodnosti uporabljali sistem 1080/P/50. Če sedaj posnetke arhiviramo v sistemu 720/I/P, bo za pretvorbo v bodoči sistem treba le preračunavati ločljivost. Pri pretvorbi iz 1080/I/25 pa že posnete neostre slike v primeru zelo dinamične slike ne moremo več odpraviti.

Televizijske hiše, ki imajo veliko lastne produkcije programa in veliko opreme v standardni ločljivosti, se bolj odločajo za sistem 1080/I/25, televizije, ki pretežno predvajajo živ program (npr. šport), filme ali video spote, pa se rade odločajo za 720/P/50.