HDTV tehnoloģija – kāda tā ir

 

Jebkuram televizoram attēla asums vienmēr ir bijis viens no galvenajiem tehniskajiem rādītājiem. Jūs taču piekrītat, ka nekad nepirksiet veikalā televizoru, kas rāda neasu vai miglainu bildi? Lai uzlabotu attēla asumu, televizoru ražotāji katru dienu izgudro jaunas un jaunas signālu apstrādes tehnoloģijas, rada aizvien jaudīgākus grafiskos procesorus.

 

Attēla skaidrība, izšķiršanas spēja ir un paliek galvenā ražotāju problēma. Kāpēc? Tāpēc, ka televizori pēdējos desmit gados kļūst aizvien lielāki un lielāki, bet tas savukārt noved pie attēla elementu izkliedes. Tas, kas uz maza ekrāna šķiet ļoti skaidrs, uz liela kļūst par atsevišķiem punktiņiem. Līdzīgi notiek, kad skatās uz tipogrāfijas fotogrāfiju caur palielināmo stiklu. Izstieptas rokas attālumā viss ir ļoti skaisti, bet pietiek tikai paskatīties tuvāk un attēls pārvēršas krāsainu punktiņu salikumā.

Laiks gāja, ekrānu izmēri turpināja pieaugt un radās sapratne, ka ir nepieciešams lielāks attēla punktu skaits. Tad tika radīta HDTV (High Definition Television). Uzlabojot paneļu jeb plakanos televizorus, palielinot to izmērus, ražotāji saprata, ka nākošais loģiskais solis attēla asuma palielināšanai var būt tikai jauna standarta ieviešana – HDTV jeb augstas izšķiršanas spējas televīzija, kurā tiek izmantots lielāks skaits attēla elementu.

 

Vēsture

Doma par televīziju ar lielu rindu skaitu uz ekrāna radās jau krietni sen – pagājušā gadsimta 60. gados. Jaunā televīzijas standarta izstrāde notika aukstā kara laikos lielā slepenībā. Šajā tehnoloģiju karā piedalījās daudzas lielvalstis – ASV, PSRS, Japāna, kā arī Eiropas valstis. HD problēmu visur sāka risināt praktiski vienlaikus.

Bijušajā PSRS jau darbojās 625 rindu standarts, kuram pašam par sevi jau bija augsta izšķiršanas spēja, jo ASV tad izmantoja televīziju ar 343 rindām. Padomju Savienībā tika izstrādāti divi augstas izšķiršanas spējas standarti – 1525 un 1250. Valsts vadība nosprieda, ka tad, ja Eiropa kādreiz pieņēma 625i standartu, tad pieņems tehnoloģiski radniecisko 1250i. Tā arī gandrīz jau notika, tomēr tad, kad projekts bija gatavs palaišanai, sabruka PSRS ekonomika un tas palika laboratorijās. Šobrīd Krievijā par to vairs neviens nedomā, un, ja attīstība HDTV virzienā tur būs, tad visticamāk tiks pieņemts amerikāņu standarts 1080i.

Eiropa HDTV virzienā startēja vienkārši fantastiski! Eiropieši, ņemot par pamatu standartu 1250i un jau darbojošos satelīttelevīzijas standartu MAC, izveidoja sistēmu HD-MAC. Projektu nosauca Eureka-95. Tehnoloģiju piedāvāja firmas Philips, Thomson un Bosh. Projektā piedalījās arī Nokia, Grundig un vēl virkne zinātniski pētniecisko institūtu – kopumā 12 grupas. Izmaksas sasniedza 350 miljonus dolāru, tomēr rezultāts bija iespaidīgs. 1988. gadā Eiropā notika pirmās HD-MAC pārraides, izmantojot satelītu TDE-2, bet vēl pēc diviem gadiem Eiropā un PSRS rietumu daļā skatītāji varēja vērot futbola čempionātu tam laikam neiedomājami augstā kvalitātē. Tomēr šis tehnoloģiskais starts nedeva komerciālus panākumus eiropeiskam HDTV.

Līdzīga standarta izstrādi Japānā 1964. gadā sāka kompānija NHK. 80. gadu sākumā tā jau piedāvāja pasaulei gatavu HDTV standartu. Intensīvi strādājot, 12 gadu laikā tika izstrādāta visa nepieciešamā aparatūra: telekameras, videomagnetofoni un krāsu (80 cm) monitors. Formātam bija 1125 rindas, izvērse 60i un attēls 16:9.

Projektā piedalījās firmas Sony, Toshiba un NEC. Tika izstrādāta arī satelītsistēma MUSE ar signālu 11,7-12,5 GHz diapazonā. NHK translācijas no satelīta sāka 1985. gadā un, neņemot vērā augstās HD televizoru izmaksas (gandrīz 10 000 dolāru), 1990. gadā japāņu mājās bija jau 150 000 šādu aparātu. Sistēma pārtrauca darbu tikai 90. gadu beigās, kad MUSE vietā parādījās daudz lētākais HDTV formāts 1080p. Kaut ko tādu varēja atļauties tikai japāņi, lai gan šī projekta komerciālie panākumi bija visai apšaubāmi. 2003. gada decembrī Japānā startēja HDTV, izmantojot ētera ciparu TV standartu ISDB-T. Tāpat presē tiek ziņots par miljoniem pārdotu uztvērēju.

ASV meklējumi un eksperimenti HDTV jomā turpinājās veselus 18 gadus, līdz Sakaru un telekomunikāciju federālā komisija (FCC) noteica ATSC formātu par īsto. Šis standarts ir savietojams ar 18 TV formātiem, tikai četri no tiem - HDTV. Visi formāti, kas ietilpst ATSC, jau no sākuma bija savietojami ar analogajiem TV uztvērējiem, ļaujot nezaudēt skatītāju auditoriju. Pēc analītiķu datiem 2006. gada beigās 10 procenti amerikāņu televizoru būs savietojami ar HDTV.

90. gadu beigu kopīgā iezīme bija daudzu šo HDTV standartu beigas. Spēki tika koncentrēti uz daudz perspektīvāku tehnoloģiju MPEG-2, kas savukārt ļāva izstrādāt otrās paaudzes HDTV tehniku, kādu to pazīstam tagad.

 

Principi

Mūsdienās visi televizori ir vienādi. Vienādi kaut vai tāpēc vien, ka neviens televizors, pat vislielākais, nerāda videosignālu, kas pārsniedz 576 vertikālos un 720 horizontālos attēla elementus. HDTV izšķiršanas spēja ir daudzas reizes lielāka, bet, lai saprastu starpību, ir nepieciešams izprast televīzijas tehnoloģijas principus.

Visiem planētas televizoriem, kas darbojas analogajās un pat ciparu signālu sistēmās PAL un SECAM, pati lielākā vertikālā izšķiršanas spēja ir 576 pikseļi (attēla elementi). Kāpēc atskaite iet pa vertikāli? Tāpēc, ka līdz plazmas un šķidro kristālu televizoru parādīšanās brīdim ar vertikālajiem elementiem saprata elektronu staru televizoru rindu skaitu, ar kurām arī viss sākās.

Patiesība ir tāda, ka, ja, piemēram, jūsu vecā māte skatās seriālu Latgalē ar vecu padomju laika televizoru Horizonts vai solīds kungs Rīgā - ar gigantisku plazmas paneli, principā tas ir viens un tas pats! Vienīgā starpība ir tāda, ka lielajiem un dārgajiem paneļu televizoriem attēla kvalitāti uzlabo ar ciparu apstrādes metodēm, kas tomēr ne vienmēr ļauj iegūt dabisku, baudāmu attēlu. 576 parastās televīzijas rindas - vēl ir labi: sistēmā NTSC, kuru izmanto ASV, Japānā un Dienvidāzijas valstīs, vispār ir tikai 480 rindas (vai pikseļi paneļu TV).

Vairumam 20 collu šķidro kristālu televizoru, kas ir pārdošanā, ir tieši NTSC izšķiršanas spēja, kas ne tikai ir slikti savietojama ar mūsu PAL signālu, bet to pat izārda. Svarīgi ir tas, ka jūs, pērkot šķidro kristālu vai plazmas paneli, varat atrast modeli, kuram priekšpusē ir logotips HD Ready, kas nozīmē, ka aparāts var rādīt īstu augstas izšķiršanas spējas attēlu.

Jebkurš attēls, kuru radījusi cilvēce mehāniskā vai elektroniskā veidā, sākot no fotogrāfijas un beidzot ar televīziju, sastāv no attēla elementiem, kurus biežāk dēvē par punktiem, retāk par pikseļiem (pixels). Attēlu, kuru redzam uz elektronu stara televizora ekrāna, zīmē vakuumā lidojošu elektronu stars. Stars noskrien ceļu no kreisās līdz labajai ekrāna malai, tad atkal atgriežas kreisajā un visu sāk no gala, tikai par milimetra daļu zemāk. Kad tas veic visu ceļu no ekrāna kreisā augšējā stūra līdz labajam apakšējam, iegūstam melnbaltu nekustīgu attēlu, kas uzplaiksnī burtiski uz mirkli: 1/200 sekundes daļu. Lai attēls sāktu kustēties, mums nāksies parādīt 25 tādas bildes sekundes laikā, mainot detaļu izvietojumu uz ekrāna.

Pirmo televizoru izgudrotāji bija lieli fantazētāji un sava amata entuziasti, un, kad viņi ieraudzīja savu televizoru ekrānos neasu attēlu, tad izdomāja vienkāršu un efektīvu metodi šīs problēmas risināšanai. Cilvēka acs visu, kas kustas ātrāk par 1/24 daļu sekundes, neredz, bet cits citam sekojošus attēlus, kas mainās ar frekvenci 24 kadri sekundē, redz kā nepārtrauktu kustību. Pēc šī principa strādā kino, bet TV rāda par vienu kadru vairāk, tātad 25. Tas ir saistīts ar to, ka divas reizes pa 25 kadriem sekundē ir 50, kas atbilst mūsu rozešu elektriskā tīkla frekvencei.

Konstruktori sev atviegloja dzīvi, elektronisko shēmu vienkāršošanai un attēla izvērsei izmantojot elektriskā tīkla svārstības, – rezultāts: gan elektroniku vienkāršoja, gan sāka uz ekrānu padot 50 kadrus sekundē 25 vietā. Jautājums: kur gan rodas vēl 25 kadri, ja raidītājs pārraida tikai 25? Vienkārši – vienu un to pašu attēlu sāka rādīt divas reizes, bet ar tādu mazu rindu nobīdi laikā, ka otrās rindas atradās starp pirmajām, palielinot tādā veidā attēla izšķiršanas spēju. Šo paņēmienu sauc par pārlecošo izvēršanu, jo rindas izvēršot vienai vienmēr pārlec pāri. Parasti, kad runā par plakano paneļu televizoru punktiem, aizmirst par punktiem elektronu staru krāsainajos televizoros. Tikai melnbaltajos TV uztvērējos elektronu stars krīt tieši uz ekrāna luminafora, bet krāsainajos tas veic ceļu caur maskas caurumiem, radot pilnvērtīgu krāsu attēlu no trim pamatkrāsām (sarkanas, zaļas, zilas).

Katrs PAL standarta kadrs no 625 rindām satur 576 aktīvās, ko var redzēt uz ekrāna, pārējās, tehniskās, mūs neinteresē. Pārlecošo izvērsi apzīmē ar burtu i – interlaced, un standarts attiecīgi saucas 625i vai pat pēc redzamo rindu skaita - 576i. Ir arī cits izvērses veids, kad kadri nomaina cits citu kā kinoprojekcijas aparātā, neveicot nekādu atkārtošanos, - to sauc par progresīvo izvērsi un apzīmē ar burtu p – progressive scan. Tomēr elektriskā tīkla frekvence 50 Hz, kā zināms, ir pie mums, Eiropā, bet ASV un Dienvidāzijā tā ir 60 Hz, un visiem TV uztvērējiem tad ir analoģiska izvērses frekvence, bet rindu skaits – tikai 480.

Pašlaik ir seši analogās televīzijas standarti un 18 ciparu, ja vien tos vispār var tā nosaukt. Savukārt no 18 ciparu standartiem tikai pāris var dēvēt par HDTV – 720, 1125, 1080 un 1035, apzīmētus ar i, un 720, 768, 1080 un 1125, - ar p. Pastāv arī vecais Eiropas standarts 1250i un padomju 1525i, kuros pašlaik neviens neraida. Tomēr vienots standarts ir. To apstiprināja Starptautiskā elektrosakaru savienība (ITU) 1999. gadā kā rekomendējošu pasaules standartu HDTV pārraižu izplatīšanai. Tas nosaka 1920 attēla elementus vienā rindā, 1080 aktīvās rindas, formātu 16:9 un izvērses 24p, 25p, 30p, 50i, 60i un 60p sekundē. Pēc būtības tas ir amerikāņu standarts 1080i paplašinātā veidā ar lielākām iespējām.

ITU rekomendācijās tālajā Austrumāzijā īpaši neieklausās, un tur turpina radīt un raidīt programmas nestandarta 1125 un 1035 rindu formātā. Standarta 1080 ētera HDTV raidījumi šobrīd notiek ASV, Japānā, Ķīnā un Austrālijā. Uz šo standartu Austrālijā un Japānā ir pārgājušas gandrīz visas TV kompānijas.

Strīds par to, kurš standarts ir labāks, vairs nepastāv, jo daudzas kompānijas laida pārdošanā aparatūru, kas atbalsta full HDTV (ultra HDTV, true HDTV) tehnoloģiju. Tā izmanto izšķiršanas spēju 1920 x 1080 un progresīvo izvērsi 1080p, kas ļauj iegūt ļoti augstu iespējamo attēla kvalitāti. Sākumā HDTV tehnoloģija uzturēja tikai standartu 720p un1080i, kas arī izraisīja strīdus. Taivāniešu firma Chi Mei Optoelectronic , pārsteidzot visu pasauli, ir gājusi vēl tālāk un radījusi vēl nebijušu 56 collu LSD monitoru: tā izšķiršanas spēja ir 3840x2160 punkti! To sauc par  Quad Full High Definition (QuadHDTV) tehnoloģiju un  galvenā problēma ir tā, ka atrast signāla avotu ar tik izciliem tehniskiem parametriem pašlaik ir gandrīz nereāli.

Šobrīd pie mums, Latvijā, ieraudzīt augstas izšķiršanas spējas signālu nemaz nav tik vienkārši. Tas ir iespējams tikai tiem skatītājiem, kuriem jau ir televizors, kas uztur HD standartu (tātad logotips HD Ready), der arī projektors vai dators, kas spēj parādīt HD attēlu, HD formāta satelītuztvērējs un paraboliskā antena.

 

Kompresija

Signāla kompresija kļūst aktuāla tad, kad runa iet par ētera vai kabeļu HDTV. Der atcerēties, ka ciparu televīzija var arī nebūt HDTV, bet gan standarta izšķiršanas spējas, toties pati HDTV ir pieejama tikai ciparu formātā. Jo kvalitatīvāks ir attēls un jo vairāk tajā ir elementu, jo ciparu izteiksmē signāls ir smagāks. On-line augstas kvalitātes videosignālam radiokanālā vai lokālajā tīklā nepieciešams gigantisks informācijas plūsmas ātrums jeb trafiks.

Starpība starp mūsdienu ātrgaitas interneta tīklu un kabeļu HDTV datu plūsmām ir vienkārši milzīga. Lai pārraidītu HD signālu elektromagnētisko viļņu diapazonā, nāktos ievērojami palielināt joslas platumu, ko nedrīkst darīt. Tāpēc ētera televīzijai signālu sāka saspiest jeb kompresēt. Neiedziļinoties detaļās, kas nav šī raksta mērķis, var teikt, ka galvenie HDTV signāla kompresijas standarti ir un vēl ilgi būs Muving Picture Expert Group 1995. gadā radītais MPEG2 un samērā nesen popularitāti iekarojušais MPEG4. Raidīšana standartā MPEG2/DVB-S no satelītiem gan nav izdevīga, jo datu plūsma ar ātrumu 20-25 Mbit/s prasa plašu joslu, toties MPEG4/ AVC ļauj vairākas reizes samazināt datu pārraides ātrumu, savukārt DVB-S2, izmantojot modulāciju 8PSK, ļauj vienā takts reizē pārraidīt nevis divus bitus, bet trīs. Tādā veidā viena MPEG2/DVB-S kanāla vietā var raidīt trīs MPEG4/DVB-S2 kanālus.

 

Attīstība

Augstas izšķiršanas spējas pārraižu uztveršanas efektivitāte vairakkārt pārsniedz parasto TV. Attēla detalizācija ir tik augsta, ka notiekošā realitātes efektu dod pat ne mazās attēla detaļas, kuras lieliski var redzēt, bet gan virsmu tekstūra. Parastajā TV šos reljefus vispār neredz, apziņa pati tos it kā piezīmē klāt. HD pārraides dod pat tādu kā trīsdimensiju efektu. Punktu skaits augstas izšķiršanas spējas televīzijas signālā atkarībā no HDTV standarta četras vai pat piecas reizes pārsniedz parasto TV. Turklāt ir parādījusies iespēja izmantot progresīvo izvērsi – kadrus neatkārtot, bet rādīt citu aiz cita, kas attēla kvalitāti uzlabo vēl vairāk.

Televizori, kas dod iespēju skatīties HD pārraides, var būt dažādi, piemēram, milzīgais 60 collu plazmas Pioneer PDP-615EX vai nelielais 23 collu šķidro kristālu Philips 23PF5320 ar vienādiem panākumiem nodrošinās augstu izšķiršanas spēju. HD signālu avotu tomēr nav daudz. Galvenā loma šobrīd ir satelīttelevīzijas operatoriem, un Eiropā ir sācies HDTV bums, bet pie mums joprojām nav pat parastās ētera ciparu televīzijas DVB-T (kabeļu un satelīta TV netiek ņemta vērā), nerunājot nemaz par kaut kādu tur HDTV.

Tomēr augstas izšķiršanas spējas pārraides Latvijā ir iespējams skatīties. Pārdošanā ir parādījies satelītuztveŗējs Humax HDCI-2000 (cena aptuveni 280 latu), kas nodrošina šo iespēju – attēla formāti 1920 x 1080i, 1280 x 720p un 720 x 576p. Uztvērējs atbalsta MPEG2 un MPEG4 standartu, strādā ar datu plūsmām DVB-S: 2-45 Ms/s un DVB-S2: 10-30 Ms/s (QPSK), 10-31 Ms/s (8PSK). Humax HDCI-2000 ir divi common interface sloti, kas savukārt dod iespēju skatīties kodētos kanālus. Ir arī HDMI (savietojama ar HDCP - attēla kodēšanas pasaules standartu) izeja ciparu pieslēgumam, iespēja klausīties Dolby digital skaņu. HDMI interfeiss ļauj datus tieši bez kompresijas no signāla avota padot uz ekrānu. Šobrīd tas ir viens no labākajiem risinājumiem, kā saslēgt iekārtas, nezaudējot televīzijas ciparu signālu kvalitāti un savietojamību ar DVI standartu.

HDTV kanālu skaits no satelītiem tuvākajā nākotnē tikai pieaugs, jo Eiropa droši iet šajā virzienā! 2004. gada 1. janvārī par pirmo otrās paaudzes (MPEG2/DVB-S) HDTV kanālu Eiropā kļuva beļģu maksas programma Euro 1080. Interesantas maksas programmas (kodētās Videoguard) DVB-S2/MPEG4 HD standartā izplata angļu kompānija Sky: Sky Sports HD, National Geographic Channel HD UK, Sky Movies, Discovery HD UK, Sky One un citas. Līdzīgi rīkojas Vācijas operators Premiere, piedāvājot skatītājiem (kodētas Nagravision 2) kanālus: Premiere HD Film, Premiere Philips HD Sport un Discovery HD Deutschland.

Nesen EiroSport paziņoja par plānu palaist HD kanālu uz Centrālo un Austrumu Eiropu. Sākumā EiroSport HD raidījumi tiks vērsti uz teritorijām, kur HD programmas jau iet ēterā – Angliju, Vāciju, Franciju. Pārejās valstis tiks pieslēgtas, ņemot vērā to gatavību HDTV standartam. Līdzīgi kā tas jau ir ar parastā formāta pārraidēm, EuroSport skatītājiem piedāvās HD formātā visas svarīgākās programmas. Šobrīd notiek pārrunas ar galvenajām kompānijām - operatoriem, un kanāls tiks palaists, tiklīdz kāda no tām pirmā pieņems lēmumu. Iespējams, ka tas notiks apmēram pēc trim mēnešiem. Tikmēr Vācijā EuroSport jau raida savu versiju kanālā Eurosport 2, izmantojot platformu Unity Media.

Faktors, kas veicinās HDTV attīstību pasaulē, neapšaubāmi ir Blu-Ray un HD DVD informācijas uzglabāšanas tehnoloģiju laišana pārdošanā. Šobrīd daudzi televīzijas tehnikas ražotāji izmanto logotipu HD Ready, arī tie, kas piedāvā vidējas klases aparatūru, lai piesaistītu pircējus. Tāpēc ir nepieciešams zināt HDTV principus, lai netiktu apmānīts šajā milzīgajā jauno tehnoloģiju tirgū. Šobrīd ir tieši tas lūzuma brīdis, kad HDTV sāk uzvaras gājienu un televīzijas industrijā ienes daudzas pārmaiņas. Tomēr HDTV pārejas process aizņems vēl vairākus gadus, jo loģiski var pieņemt, ka kaut kas to vienmēr kavēs. Kopumā ņemot, pāreja uz HDTV kļūs par svarīgāko notikumu televīzijas vēsturē.

 

Nekodētās (free to air) Eiropas HDTV programmas no satelītiem

 

Eutelsat W4 36° A

Frekvence, pol.	Programma	Standarts	SR-FEC
12,111 L	HD 5 promo	DVB-S MPEG2/HD	26500-3/4

Astra 19,2° A

12,168 GHz V	Astra HDTV promo	DVB-S MPEG2/HD	27500-5/6
12,581 GHz V	Canal+ HD promo	DVB-S MPEG2/HD	22000-5/6
12,722 GHz H	Pro7 Deutschland	DVB-S2 8PSK MPEG4/HD	22000-2/3
12,722 GHz H	Sat.1 Deutschland	DVB-S2 8PSK MPEG4/HD	22000-2/3
12,722 GHz H	Astra HDTV promo	DVB-S2 8PSK MPEG4/HD	22000-2/3
12,722 GHz H	Anixe HD	DVB-S2 8PSK MPEG4/HD	22000-2/3

Hot Bird 13° A

11,240 GHz V

Luxe TV

DVB-S MPEG4/HD

27500-3/4

Eutelsat W3A 7° A

10,880 GHz V	HD 1 NL promo	DVB-S2 8PSK MPEG4/HD	17360-3/4
10,899 GHz V	Luxe TV	DVB-S MPEG4/HD	9404-3/4

Sirius 2/3 5° A

12,245 GHz V

HD 5 promo

DVB-S MPEG2/HD

27500-7/8

 

Henriks ZEIĻAKS

henriks@delfi.lv