Ψηφιακή εικόνα… Πόσο "τέλεια" είναι;

Ως γνωστό, από την εποχή ακόμα της αναλογικής τηλεόρασης, το τηλεοπτικό σήμα βασίζεται σε σήμα φωτεινότητας, που συνδέεται με τα τρία χρώματα R (κόκκινο), G (πράσινο) και B (Μπλε),  με την εξής  εξίσωση:

E_Y = (0,299xE_R ) + (0.587xE_G) + (0,114xE_B), όπου με E συμβολίζεται η τάση του κάθε χρώματος και της φωτεινότητας.

Για την τηλεοπτική μετάδοση, ορίστηκαν τρία νέα σήματα (συνδυασμός των υπαρχόντων), που ονομάστηκαν σήματα χρωμοδιαφοράς (Color Difference). Αυτά ήταν:

Χρωμοδιαφορά κόκκινου = E_R – E_Y

Χρωμοδιαφορά πράσινου = E_G – E_Y

Χρωμοδιαφορά  μπλε       = E_Β – E_Y

Είναι προφανές βέβαια, ότι αφού τα τέσσερα σήματα συνδέονται πλέον με τη βασική σχέση, εύκολα μπορεί να απορριφθεί κάποιο, γιατί προκύπτει από τα άλλα τρία. Απορρίφθηκε η χρωμοδιαφορά πράσινου, επειδή ποσοστιαία έχει τη μικρότερη τιμή και συνεπώς είναι πιο ευάλωτη σε τυχόν θορύβους ή παραμορφώσεις. Έτσι λοιπόν, ένα έγχρωμο σήμα αποτελείται από το σήμα φωτεινότητας E_Y (για συμβατότητα με μονόχρωμους δέκτες), από την κόκκινη χρωμοδιαφορά E_R – E_Y και από την μπλε χρωμοδιαφορά E_Β – E_Y.

Το σύστημα αυτό όμως, παρουσίασε προβλήματα ισορροπίας στη φωτεινότητα, αφού χρώματα υψηλής συχνότητας, όπως το κίτρινο, έδειχναν πολύ φωτεινά, σε αντίθεση με χρώματα χαμηλής συχνότητας, όπως το μπλε, που έδειχναν πολύ σκοτεινά. Έτσι, προτάθηκε το ισορροπημένο πρότυπο YUV, το οποίο δεν χρησιμοποιεί όλη τη χρωμοδιαφορά, αλλά κάποιο ποσοστό της, για να ισορροπήσει τα χρώματα στο ανθρώπινο μάτι, τα οποία σήματα χρωμοδιαφοράς περιγράφονται από τις ακόλουθες εξισώσεις:

Eu = 0.493 (E_R – E_Y)

Ev = 0,877 (E_Β – E_Y)

Έτσι, ορίσθηκε το πρότυπο YUV.  Το YUV αποτελεί πρότυπο του Ευρωπαϊκού συστήματος αναλογικής τηλεόρασης PAL.

Ας υποθέσουμε ότι θέλουμε να μετατρέψουμε όλη αυτή την πληροφορία σε ψηφιακή μορφή. Ένα ασυμπίεστο ψηφιακό βίντεο YUV, που στα ψηφιακά συμβολίζεται με ΥC_BC_R, σε πλήρη οθόνη έχει ανάλυση 720Χ576 pixels και συνολική χρωματική πληροφορία 24-bit (8 bit ανά χρωμοδιαφορά και φωτεινότητα). Ας κάνουμε μερικές πράξεις:

720×576 = 414.720 pixels

x24 (bits ανά pixel) = 9.953.280 bits

x25 (καρέ ανά δευτερόλεπτο) = 248.832.000 bits/sec

Διαιρώντας με 1.048.576  (οι μετατροπές των bytes και των bits γίνονται πάντα με βάση το 1024 και

όχι το 1000) μετατρέπουμε αυτό το νούμερο σε Mb και παίρνουμε το αποτέλεσμα 237Μb/sec.

Σημειωτέον, ότι δεν έχουμε συνυπολογίσει τον ήχο, που ουσιαστικά δεν προσθέτει και πολύ στο νούμερο που βρήκαμε παραπάνω. Αυτό είναι και το bit rate του ασυμπίεστου βίντεο ΥC_BC_R. Φυσικά, το νούμερο δεν είναι απλά τεράστιο για να μπορέσει να μεταδοθεί από οποιοδήποτε σύστημα τηλεοπτικής μετάδοσης, αλλά είναι ακόμα εξαιρετικά μεγάλο και για εφαρμογές ψηφιοποίησης βίντεο σε κάμερες, DVD κλπ. Επομένως, πρέπει να απορριφθεί σημαντικό μέρος της πληροφορίας.

Η πρώτη απόρριψη πληροφορίας γίνεται στο χρώμα. Όταν ψηφιοποιείται ένα σήμα βίντεο YUV, ο αριθμός των δειγμάτων που παίρνουμε ανά δευτερόλεπτο είναι 13.500.000 για τη φωτεινότητα (συμβολίζεται με 4) και ισάριθμα δείγματα για κάθε μία από τις χρωμοδιαφορές. Έτσι, ένα ασυμπίεστο ψηφιακό βίντεο έχει δειγματοληψία 4:4:4. Το ανθρώπινο μάτι όμως, είναι πολύ πιο ευαίσθητο στη φωτεινότητα και πολύ λιγότερο στο χρώμα. Έτσι, ένας πολύ μικρότερος αριθμός δειγμάτων στο χρώμα είναι ικανός να το ξεγελάσει. Παίρνοντας ακριβώς το ¼ των δειγμάτων και για τις δύο χρωμοδιαφορές, καταλήγουμε στα συστήματα 4:1:1 (που αφορά το NTSC) και 4:2:0 (για το PAL). Το 4:2:0 δεν σημαίνει ότι στο PAL απορρίπτουμε εντελώς μια χρωμοδιαφορά, απλά διαφέρει ο τρόπος δειγματοληψίας και ο συμβολισμός, αφού η λογική είναι στη βάση της ίδια. Με αυτό τον τρόπο καταφέραμε να μειώσουμε την πληροφορία ακριβώς στο μισό. Με πρόσθετη συμπίεση, που βασίζεται σε ένα συνημιτονοειδή μετασχηματισμό (DCT) και αφορά συμπίεση καρέ-καρέ (περίπου όπως στις φωτογραφίες JPG), συμπιέζουμε το σήμα πέντε ακόμα φορές και καταλήγουμε σε ένα ψηφιακό σήμα με bitrate 25Mb/sec (10 φορές συμπίεση από το αρχικό). Το συγκεκριμένο σήμα είναι το γνωστό DV, το οποίο, ενώ χρησιμοποιείται ευρύτατα σε επαγγελματικές και ερασιτεχνικές κάμερες λήψης, εξακολουθεί να έχει τεράστια πληροφορία για να μεταδοθεί τηλεοπτικά

Η περαιτέρω συμπίεση του ψηφιακού βίντεο για τηλεοπτική μετάδοση από ψηφιακή δορυφορική (ή επίγεια) τηλεόραση, βασίζεται στο σύστημα συμπίεσης MPEG-2, όπως και το DVD. Το MPEG-2 βασίζεται στη λογική ότι σε συνεχόμενα καρέ μιας ταινίας υπάρχει πολύ μικρή αλλαγή, έτσι ψηφιοποιεί κάποια βασικά καρέ και από εκεί και πέρα μόνο τις διαφορές που παρατηρούνται από το ένα καρέ στο άλλο. Το τι θα θεωρήσει σαν διαφορά το MPEG-2, εξαρτάται από το μέγεθος της συμπίεσης που θα του δώσουμε. Αν αυτή είναι μεγάλη, τότε δεν θα μπορέσει να ψηφιοποιήσει όλες τις πραγματικές διαφορές, με αποτέλεσμα την εμφάνιση σπασίματος και ενοχλητικών pixel στην εικόνα. Είναι λογικό, ότι όσο μεγαλύτερη δράση υπάρχει σε ένα βίντεο, τόσο λιγότερη συμπίεση «ανέχεται» για να μπορέσει να αποδώσει όλη την κίνηση, ενώ ένα «στατικό» βίντεο μπορεί να συμπιεστεί πολύ. Είπαμε ότι το MPEG-2 είναι και το πρότυπο του DVD, όμως ακόμα και η καλύτερη δορυφορική εικόνα, πολύ δύσκολα θα μπορούσε να συγκριθεί με ένα DVD. Οι διαφορές εντοπίζονται σε δύο βασικά σημεία. Αφενός, η συμπίεση στη δορυφορική μετάδοση πρέπει να γίνει σε πραγματικό χρόνο, ενώ στο DVD είναι προϊόν πολύωρης διαδικασίας, με μεγαλύτερη ή μικρότερη συμπίεση (VBR) όπου χρειάζεται- και αφετέρου, τα δορυφορικά σήματα αρκετές φορές αυξάνουν υπερβολικά τη συμπίεση ή χαμηλώνουν ακόμα και την ανάλυση, πράγμα που δεν γίνεται στο DVD. Γιατί όμως γίνεται αυτό στις δορυφορικές μεταδόσεις;

Οι Transponders μετάδοσης των δορυφορικών σημάτων σχεδιάστηκαν από την εποχή της αναλογικής δορυφορικής τηλεόρασης και είχαν εύρος συχνοτήτων ικανό να μεταφέρει ένα τηλεοπτικό κανάλι. Με την τεχνολογία της πολύπλεξης και της συμπίεσης, όμως, κατέστη εφικτό να μεταδίδονται περισσότερα του ενός ψηφιακά δορυφορικά κανάλια ανά Transponder. To πόση ακριβώς είναι η χωρητικότητά τους σε αριθμό καναλιών, είναι πολύ δύσκολο να πει κανείς, αφού εξαρτάται από τη συμπίεση, τη συχνότητα, την πόλωση, τη μετάδοση πρόσθετων πληροφοριών κλπ. Ιδανική μετάδοση σε πολύ καλή ποιότητα εικόνας (εφάμιλλη του DVD), θα γινόταν αν κάθε Transponder μετέδιδε το πολύ 3-4 κανάλια. Μια ματιά όμως στις τελευταίες σελίδες του περιοδικού μας, θα σας δείξει transponders που «συνωστίζονται» 13-15 κανάλια. Ο λόγος που γίνεται αυτό, είναι απλός. Οι περισσότεροι παροχείς προσπαθούν να πλουτίσουν το πρόγραμμά τους για να γίνουν ελκυστικοί στο κοινό, από την άλλη όμως, το κόστος ενοικίασης ενός έξτρα Transponder σε έναν εμπορικό δορυφόρο, είναι ιδιαίτερα υψηλό, με αποτέλεσμα να «στριμώχνουν» κανάλια στους ήδη υπάρχοντες. Η διαδικασία αυτή δημιουργεί κακή ποιότητα εικόνας, αφού η ανάλυση χαμηλώνει πολλές φορές μέχρι και 352×576, ενώ το bitrate πέφτει κάτω από τα 2Μb/sec. Η πάγια τακτική των μεγάλων providers είναι να αυξομειώνουν το bitrate ανάλογα με την εκπομπή. Έτσι, ρίχνουν το bitrate σε ένα κανάλι που μεταδίδει π.χ. μια ομιλία σε studio και αυξάνουν το bitrate σε αυτό που μεταδίδει την ίδια ώρα, μια ταινία δράσης ή ποδόσφαιρο. Από την άλλη, τα μικρά FTA κανάλια «νοικιάζουν» ένα πολύ μικρό bandwidth ενός transponder, για να στείλουν την «απελπιστική» αρκετές φορές εικόνα τους σε ποιότητα και περιεχόμενο. Δυστυχώς, το φαινόμενο αυτό δεν μπορεί να διορθωθεί, αφού εξαρτάται αποκλειστικά και μόνο από την εκπομπή και οφείλεται στην ιδιομορφία της σχέσης συμπίεσης-bitrate. Υπάρχουν όμως και αρκετές ψηφιακές παραμορφώσεις, που οφείλονται αποκλειστικά στη λήψη.

Όλοι οι transponders ενός δορυφόρου δεν μεταδίδουν το σήμα με την ίδια ισχύ, ούτε και στην ίδια κατεύθυνση (διαφορετικές δέσμες). Αυτό, έχει σαν αποτέλεσμα, τα σήματα να μην έχουν τη ίδια τελική απολαβή στην κεραία μας. Ο δέκτης, σε αρκετές περιπτώσεις, εκτός των ισχυρών σημάτων, «κατεβάζει» και μερικά «οριακά» σήματα από τον εκάστοτε δορυφόρο, ειδικά σε περιπτώσεις με ιδανικές καιρικές συνθήκες. Όπως είναι φυσικό, τα σήματα αυτά είναι ευάλωτα στις καιρικές μεταβολές (όταν βρέχει εξαφανίζονται εντελώς) και αρκετές φορές αυξομειώνουν φαινομενικά την ισχύ τους, μέσα σε ελάχιστα δευτερόλεπτα, πέφτοντας ακόμα και κάτω από το κατώφλι ευαισθησίας του δέκτη. Το αποτέλεσμα, τις περισσότερες φορές είναι να μην υπάρχει σταθερή λήψη από το δορυφόρο και η εικόνα να εμφανίζει διακοπές, κολλήματα ή φαινόμενα μωσαϊκού. Είναι δυνατόν ακόμα και ισχυρά σήματα να επηρεάζονται από τις καιρικές συνθήκες. Ιδιαίτερα η βροχή, επηρεάζει την ανακλαστικότητα του πιάτου, ενώ ο ισχυρός αέρας το μετακινεί, ιδιαίτερα αν είναι πολύ μεγάλο ή έχει κακή στήριξη. Αυτά βέβαια τα προβλήματα διορθώνονται είτε με καλύτερη στήριξη, είτε με μεγαλύτερη κεραία, είτε με πιο ευαίσθητο LNB, είτε ακόμα και με άλλον δέκτη με καλύτερο tuner.

Όλα έχουν τα πλεονεκτήματά τους και μειονεκτήματά τους. Η ψηφιακή τηλεόραση δεν αποτελεί εξαίρεση. Σε έναν “ψηφιακό” κόσμο, η πορεία είναι ξεκάθαρη και πράγματι η ψηφιακή τεχνολογία έχει καταπληκτικά πράγματα να προσφέρει και δεν μπορεί κανείς να αρνηθεί τον ενθουσιασμό του την πρώτη φορά που είδε εικόνα HD και φυσικά 3D. Εάν ωστόσο έναν πάροχος επιλέγει εκπομπή με χαμηλή ανάλυση και χαμηλό bitrate για λόγους οικονομίας, ο ένοχος δεν είναι η ψηφιακή τεχνολογία. Και φυσικά, το ότι η μετάδοση είναι ψηφιακή δε σημαίνει ότι δεν είναι “γήινη” και δεν απαιτεί επαρκές σήμα, με κατάλληλη κεραία.