DTV skola II

 

DTV skolas sākumrakstā (SP 2002/4, 26. lpp.) tika dots daudz informācijas, ko tiem, kas ieinteresējušies par šo jauno tehnoloģiju varbūt tomēr nebija tik vienkārši izprast. Lai nostiprinātu iepriekš aplūkoto materiālu, ļoti derīgi būtu novērtēt šādus apgalvojumus.

·         Gamma efekts (spilgtuma – sprieguma nelinearitāte) tiek izmantots tikai videosignālu kompresijai. Tiesa vai aplamība?

·         Digitālo signālu krāsu formātu apzīmējumi 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0 u. c. ir patvaļīgi pieņemti un tiem nav nekāda sakara ar TV pārraides sistēmu. Tiesa vai aplamība?

·         Platjoslas spilgtuma signāla Y un divu šaurjoslas krāsu starpības signālu R-Y un B-Y vietā daudz izdevīgāk būtu pārraidīt visus trīs krāsu starpības šaurjoslas signālus, t. i., R-Y, B-Y un G-Y. Tiesa vai aplamība?

Pēc minūtes apdomāšanās, cik reižu novērtējāt iepriekš minētos spriedumus kā patiesus? Cik reižu - kā aplamības? Faktiski visi trīs apgalvojumi ir nepatiesi. Nebūtu jāsatraucas, ja kādu no tiem novērtējāt nepareizi. Tālākajos komentāros tiek dots dziļāks skaidrojums par šiem tematiem.

 

1. komentārs

Pirmo apgalvojumu par nepatiesu padara mazais vārdiņš – tikai. Gamma efekta nozīme ir daudz plašāka, pie kam kā analogā, tā digitālajā televīzijā (ATV un DTV).

Lai pareizi reproducētu attēlu televīzijas uztvērēja ekrānā, jānodrošina pārraidāmā objekta attēla un uztvertā attēla katra pikseļa (mazākā attēla elementa) spilgtuma atbilstoša proporcionalitāte. Katodstaru lampai jeb kineskopam spilgtuma – sprieguma raksturlīkne ir būtiski nelineāra: spilgtums

S = A x U^γ ,

kur A – proporcionalitātes koeficients, U – spriegums uz kineskopa stūrējošā elektroda, bet pakāpes rādītājs γ (gamma) var būt skaitlis robežās no 2,2 līdz 2,6. Parasti tas mēdz būt 2,5 (tātad γ > 1). No šejienes TV sistēmas spilgtuma – sprieguma nelinearitāte guvusi gamma efekta nosaukumu. Otrs, kaut arī mazāks nelinearitātes avots ir TV kamerā iebūvētā attēla pārraides lampa. Parasti tām nelinearitāte izpaužas uz otru pusi, t. i., γ < 1, lai gan dažiem pārraides lampu tipiem, piemēram, t. s. plumbikonam un satikonam γ ~ 1. Šī iemesla dēļ TV kamerā aiz pārraides lampas nepieciešams izmantot īpašu t. s. gamma korekcijas bloku, kas, ņemot vērā pašas attēla pārraides lampas un kineskopa nelinearitāti, veido inverso (apgriezto) pārvades raksturlīkni (1. zīm.), ko nosaka ITU-R BT.709 rekomendācijas.

Šādas korekcijas panāk ar to, ka spilgtuma izmaiņām attēla tumšākajās vietās nepieciešamas lielākas videosignāla izmaiņas nekā atbilstošām līdzīgām izmaiņām attēla gaišākajās vietās.

Taču ar gamma korekciju vienlaikus tiek nošauti vairāki zaķi. Pirmkārt, korekcijas papildu ieguvums ir tas, ka uz videosignāla uzklātie trokšņi tumšajās vietās tiek samazināti, salīdzinot ar trokšņiem attēla gaišākajās vietās. Tas ir ārkārtīgi svarīgi, jo cilvēka acs ir jutīgāka pret trokšņiem attēla tumšākajās vietās. Bez gamma korekcijas nozīmīgai attiecībai signāls/troksnis vajadzētu būt aptuveni par 30 dB lielākai. Tas nozīmē, ka būtu jāizmanto lielākas jaudas raidītāji, lai nosegtu to pašu drošo uztveramības zonu.

Otrkārt, digitālās TV pārraides veidā gamma korekcija nodrošina to, ka 8 biti uz analogā videosignāla nolasi ir pietiekami. Bez tās nodrošinātā lineārā spilgtuma digitālai sistēmai būtu nepieciešami 14 biti uz nolasi.

Treškārt, laimīgas sagadīšanās dēļ kineskopa nelineārā spilgtuma - sprieguma pārvades raksturlīkne pieļauj gamma koriģēto signālu tiešu kodēšanu.

Ja televīzijas uztvērējā attēla reproducēšanai neizmanto kineskopu, bet gan moderno LCD – šķidro kristālu vai plazmas ekrānu ( sk. Arī SP 1998/3, 96. lpp.), lineāra gamma koriģēto signālu R’, G’, B’ pārveidošana gamma koriģētos signālos Y’, R’-Y’, B’-Y’ vairs nav spēkā. Šīs atšķirības tad jāparedz īpaši modificētā dekodera darbībā. 1. zīm. parādīta gamma inversā standartizētā koriģējošā pārvades raksturlīkne ar pakāpes rādītāju 0,45 (sarkanā līkne), kā arī kineskopa pārvades raksturlīkne ar pakāpes rādītāju 2,5 (zilā līkne). Summāri līknei (melnā - raustītā) pakāpes rādītājs ir 1,2. Kāpēc summārā līkne netiek koriģēta pilnīgi? Kāpēc pakāpes rādītāju saglabā 1,2 un nevis 1,0 (tieša proporcionalitāte)? Izrādās, ka sarežģītais cilvēka redzes uztveres aparāts darbojas līdzīgi attēla pārraides lampai ar pārvades raksturlīkni, kurai γ < 1, un, ja summārā raksturlīkne ir ar parametru 1,2, tiek iegūti gandrīz ideāli TV ekrāna skatīšanās nosacījumi, protams, no cilvēka acs redzes viedokļa. To DTV sauc par konceptuālo kodēšanu.

 

2. komentārs

Apzīmējums 4:2:2 televīzijā vēsturiski cēlies no tā, ka pasaulē pieņemtā analogo videosignālu diskretizācijas frekvence 13,5 MHz spilgtuma signālam bija diezgan tuva 4 f _SN, bet diskretizācijas frekvence 6,75 MHz krāsu starpības signāliem savukārt tuva 2 f _SN, kur f _SN = 3,579545 MHz krāsu signālu subnesēja frekvences vērtība amerikāņu NTCS krāsu ATV standartā (2. zīm.). ATV NTSC krāsu televīzijas sistēmu ar attēla klājumu 525 rindās un puskadru frekvenci 60 Hz (precīzāk - 59,94 Hz pēc ciešas puskadru frekvences un subnesēja frekvences sasaistīšanas) ne pārāk labās attēla kvalitātes dēļ bija nolemts turpmāk nomainīt ar digitālo TV sistēmu. Amerikāņi pagājušā gadu simteņa astoņdesmito gadu beigās pirmie veica eksperimentus, izvēloties arī atbilstošas analogo signālu diskretizācijas frekvences. Bet vai frekvences izvēlē tika ievēroti arī PAL un SECAM ATV krāsu televīzijas standarti?

Piemēram, PAL standartā (arī PAL I, B, G, H, D un N paveidam) f _SN = 4,4336187 MHz. Tātad 4 f _SN ~ 17,73 MHz! Apzīmējums 4:2:2 ir palicis, bet pasaulē akceptētā diskretizācijas frekvence saskaņota arī ar PAL un SECAM standartu.

No sākuma var šķist, ka diskretizācijas frekvenci izvēlēties ir ļoti vienkārši. Nepieciešams tikai aprēķināt nominālo pikseļu skaitu, kas jāpārraida sekundē. Tā arī būs diskretizācijas frekvences vērtība hercos. TV attēla augstuma/platuma attiecībai 3:4, ar 25 pilnu kadru maiņu sekundē un attēla izklājumu 625 rindās diskretizācijas frekvencei var iegūt vērtību 14,6 MHz. Taču reālās TV sistēmās videosignāla spektra augšējās frekvences ierobežošanas dēļ frekvenci var samazināt. Pēc Latvijas standarta videosignālu frekvenču josla sniedzas līdz pat 6,25 MHz. Tas nozīmē, ka, lietojot Naikvista (Koteļņikova) kritēriju, diskretizācijas frekvencei jābūt vienādai vai augstākai par

f _DISKR ≥ 2 x 6,25 MHz ≥ 12,5 MHz.

Amerikāņu NTSC standartā tā ir vēl zemāka, jo visaugstākā videosignālu frekvence šai standartā ir tikai 4,5 MHz. Svarīgi bija izvēlēties vienādu diskretizācijas frekvenci, lai, izmantojot 525/60 NTSC un 625/50 PAL-SECAM ATV krāsu televīzijas standartu, attēla rastra struktūra būtu vienāda. Un šī frekvence atbilst rindu izvēršanas frekvences 864 harmoniskai un 858 harmoniskai frekvencei atbilstoši NTSC un PAL-SECAM standartā:

f _DISKR = 864 f _R625 ~ 858 f _R525 ~ 13,5 MHz,

kur f _R625 = 15625 Hz un f _R525 = 15750 Hz – rindu izvēršanas frekvences atbilstošos standartos.

 

3. komentārs

Tiešām, no visu trīs krāsu starpības signāliem, tos summējot un R, G, B signālu koeficientus mainot, var iegūt spilgtuma signālu Y. Taču no pirmā acu uzmetiena izdevīgā sistēma darbosies slikti, jo šādējādi iegūtais Y signāls arī būs ar sašaurinātu frekvenču joslas platumu, tāpat kā krāsu starpības signāliem, no kuriem tas iegūts. Bet tas nozīmē sliktāku izšķiršanu sīkām attēla detaļām, tātad nepietiekamu attēla skaidrumu.

Priekšlikums par Y un R-Y, B-Y signālu pārraidi (3. zīm.) radās krāsu televīzijas attīstības sākumposmā, kad iedzīvotāju vairuma rīcībā bija melnbaltie (monohromatiskie) televīzijas uztvērēji. Šādu signālu izvēle nodrošina tiešo un inverso atvietojamību, jo melnbalto un krāsu TV pārraidi var atvietot vienu ar otru: televizori bija spējīgi uztvert Y signālu – tātad melnbaltā variantā uztvert krāsu pārraidi, bet jaunie krāsu televizori savukārt spēja uztvert arī parastās – melnbaltās pārraides. Pēdējo iespēju skatītāji varēja izmantot vēl samērā nesen, skatoties LNT kanālā klasisko melnbalto kinofilmu Romas brīvdienas.

Ar krāsu televizoriem uztverot krāsu pārraides, sarkano R un zilo B signālu iegūst, krāsu starpības signāliem R-Y un B-Y pieskaitot spilgtuma signālu Y, bet zaļo G signālu sintezē uztvērējā, izmantojot to, ka spilgtuma signāls Y satur informāciju par visām trim pamatkrāsām, t. i., Y = 0,59B + 0,30R + 0,11B.

Bet kāpēc priekšroka tiek dota tieši R-Y un B-Y signāliem? Kāpēc netiek pārraidīta šo starpības signālu kombinācija, izmantojot G-Y signālu?

Aplūkojot sekošus vienādojumus

R-Y = -0,59G + 0,70R – 0,11B

B-Y = -0,59G – 0,30R + 0,89B

G-Y =  0,41G – 0,30R – 0,11B,

var konstatēt, ka absolūto visu trīs pamatkrāsu koeficientu lielumi ir lielāki divos pirmajos vienādojumos. Tas nozīmē, ka tie ir bagātīgāk piesātināti ar informāciju par krāsām. Arī pārraidāmā amplitūda G-Y signālam būtu mazāka, bet tas nozīmē, ka, salīdzinot ar pārējām, tas būtu trokšņu un traucējumu visnenoturīgākais komponents. Tāpēc visās krāsu TV sistēmās izmanto R-Y un B-Y krāsu starpības signālu pārraidi. Der atzīmēt, ka Y, R, G un B signāli ir unipolāri jeb tikai pozitīvi, bet krāsu starpības signāli ir bipolāri, t. i., būtisku informāciju par tiem var dot arī negatīvs spriegums.

Turklāt, ja par krāsu TV uztvērēja ekrānu izmanto kineskopu, daļēji par matricas  signālu lineāras pārveidošanas) bloku tiek izmantots pats kineskops. Nepieciešams tikai kineskopa katodiem pievadīt inversu Y signālu, bet stūrējošiem elektrodiem – atbilstoši R-Y, B-Y, kā arī īpaši sintezēto

G-Y = -0,509(R-Y) – 0,186(B-Y)

signālu un R, B, G signāli tiek radīti pašā kineskopā!

Taču krāsu starpības signālu izcilā loma ar to vien nebeidzas. Tā turpinās, iesniedzoties cilvēka acs redzes fizioloģijā.

Uz acs tīklenes gaismas jutīgās šūnas - vālītes un nūjiņas - izvietotas nevienmērīgi (4. zīm.).Vālītes, kas uztver krāsas, koncentrējas tīklenes jutīgajā centrālajā apgabalā (fovea centralis), bet apgaismojums tām nepieciešams lielāks par 0,01 luksu. Nūjiņas, kuras ļoti jutīgas pret apgaismojumu (sākot ar luksa miljondaļām!), krāsas neizšķir – visu uztver melnbaltu. Uzskata, ka ir trejādas vālīšu grupas – atbilstoši visām trim pamatkrāsām (R, B, G). Lai iegūtu labāku izšķiršanu, acs lieto signālus no visu grupu vālītēm, ignorējot krāsu. Lai noteiktu krāsu, nervu impulsi no trīs vālīšu grupām savstarpēji jāsalīdzina. Ir norādes, ka šai procesā ar aci savienotā nervu sistēma izmanto kaut ko līdzīgu krāsu starpības signālu apstrādei. Tā rezultātā pilnu izšķirtspēju (redzes asumu) acs iegūst tikai monohromatiskam attēlam. Krāsu atšķirību izšķirtspēja ir sliktāka. Tāpat jāņem vērā, ka acs lēca redzamā spektra malējos starojumus – sarkano un sevišķi zilo krāsu - nespēj precīzi fokusēt (hromatiskā aberācija).

No šejienes morāle. Ja acs nespēj visās detaļās izšķirt krāsu, nav jēgas izmantot platu frekvenču joslu, pārraidot informāciju par krāsām. Spilgtuma signāls Y jāpārraida atsevišķi, ņemot vērā videosignāla maksimāli iespējamās frekvences.

Tātad kopējā bitu plūsma Y, R-Y un B-Y signāliem, izmantojot 8 bitus uz nolasi, ir 13,5 MHz x 8 biti + 6,75 MHz x 8 biti + 6,75 MHz x 8 biti = 108 Mbiti/s + 54 Mbiti/s +54 Mbiti/s = 216 Mbiti/s un krāsu starpības signāliem katram atsevišķi tiek izmantota tikai ceturtā daļa no kopējās bitu plūsmas.

Īpaši izdevīgi ir izmantot šādu signālu kombināciju TV programmu producēšanas un pārraides iekārtās. Šis paņēmiens ir sekmīgi izmantojams arī avota signālu kompresijai un kodēšanai MPEG standartā, sevišķi tāpēc, ka jau TV kamerā no R, B, G attēlu sensoriem signāli tiek pārveidoti universālajā Y, R-Y, B-Y trijotnē.

 

 

Arnolds VĪTOLS

Ekskluzīvi Sakaru Pasaulei