ABC for HDTV

Teknologiene bak høyoppløselig fjernsyn, HDTV, blir her forklart i grove trekk for de som har lyst til å se det store bildet.

Publisert

Det finnes to hoved-kvaliteter av høyoppløselig fjernsyn. Begge er i bredformat 16:9, men de skiller seg i størrelsen på bildet.

Oversikt over kvaliteter:

Piksler og digital-fjernsyn

Dagens HDTV-standarder er eksempler på digitalt fjernsyn. Det betyr at bildene blir lagret på samme måte som bilder i en datamaskin.

"Del av kirketårnet forstørret, slik at pikslene synes"
"Del av kirketårnet forstørret, slik at pikslene synes"

Bildet blir delt opp i ørsmå fargefelter, som et mosaikkbilde. Hver bit i mosaikken er et tall i datamaskinen. Tallet sier hvilken farge det er på mosaikk-biten.

På fjernsynsskjermer og dataskjermer blir fargene laget ved å blande primærfargene (hovedfargene) rødt, grønt og blått. Nedenfor finnes en enkel fargeblander som virker på samme måte. Prøv!

Mengden av hver primærfarge kan angis som et tall, der null betyr svart og to hundre og femti fem betyr hvitt. Det er altså 256 forskjellige nivåer på hver hovedfarge. Dette systemet gir veldig mange fargekombinasjoner eller forskjellige farger, nærmere bestemt: 256 x 256 x 256 = 16 777 216, altså over 16 millioner forskjellige farger.

ET HDTV-bilde består altså av flere piksler (“mosaikk-biter”) enn et vanlig fjernsynsbilde. Den beste HDTV-standarden (ca. 2 megapiksler) har fem ganger flere piksler enn standard-fjernsynet i Europa (ca. 0,4 megapiksler). Det betyr at vi kan forstørre bildet fem ganger uten at vi ser de enkelte pikslene i den digitale bildemosaikken.

Slik tegnes bildet på skjermen

Gammeldagse fjernsyn med bilderør lager bildet ved at en elektronstråle tegner bildet linje for linje. Elektronstrålen flytter seg over skjermen, og belegget på skjermen gløder en stund etterpå, slik at vi ser hele bildet og ikke bare en lysflekk som flytter seg.

Opprinnelig ble et helt fjernsynsbilde tegnet av elektronstrålen hvert 1/25 sekund. Det gir 25 bilder i sekundet, nok til at øyet oppfatter bildene som bevegelse, akkurat som på film. Dette kalles progressiv bildetegning, fordi tegningen av bildet “gjør framskritt” linje for linje.

Problemet var at 25 bilder i sekundet er sakte nok til at øyet oppfatter det som flimring. For å hjelpe på det, ble bildet tegnet i to omganger. Annenhver linje i bildet ble tegnet i første omgang, og linjene innimellom i neste omgang. Hver omgang ble kalt et delbilde.

Hvert delbilde tok bare 1/50 sekund å tegne. Det virket altså som om bildefrekvensen var doblet til 50 bilder i sekundet, og øyet så ikke så godt flimringen lenger.

Dette delbilde-systemet kalles på engelsk interlace. Navnet kommer av måten delbildene tegnes på, med linjene vevd innimellom hverandre.

Progressivt fjernsyn er framtida

Moderne flatskjerms-fjernsyn tegner bildet på en helt annen måte. Hvert bildepunkt (piksel) er et punkt som lyser hele tiden. Det er ingen elektronstråle og ingen flimring, og heller ikke nødvendig med delbilder.

Derfor kan man gå tilbake til den opprinnelige måten å tegne bildene på - progressivt i en omgang fra øverst til nederst.

Nytt mot gammelt

Akkurat som i politikken, står progressivt mot det konservative delbilde-systemet.

Fjernsynsindustrien vil fortsatt ha delbilder og interlace, fordi det er dyrt å bytte system. Dataindustrien har alt gjort hoppet til progressiv bildetegning. PC-skjermen du leser dette på blir garantert tegnet progressivt.

USA mot Europa

USA har tradisjonelt hatt en annen fjernsyns-standard enn Europa.

For det første har USA et annet fargefjernsyns-system. Det kalles NTSC, av vittige døpt Never Twice Same Color. I eldre amerikanske farge-fjernsyn kunne nemlig fargene være fordreide, slik at folk hadde grønne eller fiolette fjes og så vekselvis sjøsyke eller døde ut.

Demonstrasjon av vridde farger i NTSC-bilde

Fargene i bildet til høyre er forskjøvet på samme måte som i tidlige NTSC-fjernsynsbilder.

 

Nesten hele Europa har brukt PAL-fargefjernsyn. Fargesignalet i to etterfølgende bilder sendes med motsatt fortegn. Eventuelle feil vil også få motsatt fortegn, og altså “dra i motsatt retning” i de to nabobildene. Grønn mann i ett bilde og fiolett mann i neste bilde motvirker hverandre og gir hudfarget mann.

For det andre har USAs NTSC-system hatt dårligere skarphet enn PAL-systemet. (Se sammenligningen øverst i artikkelen.)

For det tredje viser amerikanske NTSC-fjernsyn tretti bilder (seksti delbilder) i sekundet, mens europeisk PAL-fjernsyn viser tjuefem bilder (femti delbilder) i sekundet. Forskjellen kommer av at i USA er vekselstrømmen i stikkontaktene på 60 svingninger i sekundet mot 50 i Europa. Det er enklest å la bildefrekvensen følge frekvensen på vekselstrømmen.

"Som skapt for HDTV: 82 tommers LCD-flatskjerm fra Samsung. Verdens største."
"Som skapt for HDTV: 82 tommers LCD-flatskjerm fra Samsung. Verdens største."

Fjernsynsindustrien arbeider nå mot en felles digital standard, men gammel vane er vond å vende. Motsetningene følger med over i den digitale HDTV-alderen. Her er de vanligste standardene:

720p25: 1280 x 720, progressiv, 25 bilder i sekundet. Dårligste standard i Europa.

1080i50: 1920 x 1080, interlace, 50 delbilder i sekundet. Beste standard i Europa.

1080i60: 1920 x 1080, interlace, 60 delbilder i sekundet. Mye brukt i USA.

Kunsten å krympe data

Et bilde krever mye mer lagringsplass enn tekst i datamaskinen.

"Blu-ray DVD-skive: Bare plass til en kortfilm med rå ubehandlet HDTV-video."
"Blu-ray DVD-skive: Bare plass til en kortfilm med rå ubehandlet HDTV-video."

Hvis man lagret HDTV-bildene “rått”, ville selv en 50 GB Blu-ray super-DVD-skive ikke hatt plass til mer enn ca. 5 minutter HDTV-video.

Kløktige ingeniører med stil og sjarm har heldigvis funnet måter å “trøkke” datasignalet sammen på - gjøre det mindre. Spilletiden øker fra kortfilm til spillefilm - og vel så det!

JPEG - krymping av stillbilder

Først går ingeniørene løs på ett og ett stillbilde og fjerner data som øyet ikke kan se. De “lurer” altså sansene våre. Metoden brukes blant annet for å gjøre bilder mindre på Internett - i såkalte jpeg-bilder.

Grovt forenklet gjør de dette:

Mos fargene

Bildet blir “splittet” i en svart-hvitt-del og en farge-del.

Øyet er mer følsomt for svart-hvitt enn farger, det er derfor “alle katter er grå i mørket”. Farge-delen kan derfor overføres med dårligere skarphet, altså ferre piksler og mindre data. Fargedelen av bildet blir “most sammen” på mindre plass.

Dropp detaljene

Demonstrasjon av fargeoverganger
Bildet t.v har jevne fargeoverganger. Bildet t.h. har bare 30 fargenyanser. Legg merke til at det bare avsløres på himmelflaten

Øyet er flinkt til å se små variasjoner i jevne flater - for eksempel små fargeoverganger på en kveldshimmel.

Øyet er dårlig til å se små variasjoner i rotete områder av bildet med mange detaljer - for eksempel en bygning med brutte flater og spir.

Det betyr at øyet ikke ser at de fine nyansene i lysstyrke og farger er borte fra de “rotete” delene av bildet. Det er ikke nødvendig å bruke verdier fra 0 - 255 for å få med nyansene. Øyet ser ikke at det bare brukes tidelen så mange nivåer, for eksempel 0-30. Mange data er spart!

Og så litt tallmagi ?

Til slutt bruker ingeniørene avansert matematikk for å fjerne enda flere data - eller tall. Tallrekker gjøres kortere, overflødige tall fjernes.

Et enkelt eksempel:

Vi kan enten overføre tallrekka: 4 - 4 - 3 - 4 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 3 - 2 - 4 Eller vi kan overføre mye kortere: 4 - 4 - 3 - 4 - (2x 9)- 3 - 2 - 4

MPEG - krymping av levende bilder

Vi kunne ha overført video som en serie jpg-bilder, komprimert som beskrevet ovenfor. Men det er mer å hente!

Film og video lurer øyet til å se jevn bevegelse ved å vise mange bilder i rask rekkefølge. Hvis du ser på en filmstripe, ser du at det er ofte er ganske liten forandring fra bilde til bilde. Dette kan utnyttes!

MPEG demonstrasjonsbilde

I vårt eksempel flytter en ball seg med jevn fart fra nederst til øverst i bildet. Vi kunne overført hvert jpeg-enkeltbilde av ballen, som i filmstripen øverst, men det er unødvendig.

Isteden overfører vi først ett komplett jpeg-enkeltbilde. Det neste bildet er bare en pil som beskriver hvor mye ballen har flyttet seg. Til dette trenger vi bare to tall - ett for lengden på pila og ett for retningen.

Vi overfører altså ikke mange bilder av ballen, men bare informasjon om hvor mye den har flyttet seg.

Dette er en grov forenkling av hvordan MPEG virker, men prinsippet er det samme. I praksis består ikke fjernsyn av baller i jevn bevegelse. (Selv ikke fotball-overføringer!) En vanlig fjernsyns-scene kan bestå av mange motiver som flytter seg på kompliserte måter.

MPEG løser dette ved å dele opp bildet i felt, og så forsøke å finne felt som ligner på hverandre fra bilde til bilde. Disse feltene blir så beskrevet med piler som i eksempelet over.

"En utfordring for MPEG-komprimeringen ..."
"En utfordring for MPEG-komprimeringen ..."

Er det en komplisert bevegelse, blir det mange piler. I verste fall må deler av bildet beskrives fullt ut, som i et jpeg-bilde.

Vi kan lett skjønne at MPEG “liker” scener der mye står stille, for eksempel folk som sitter i ro og lar kjeften gå. Derfor vil nyhetsopplesere og andre “talkingheads” gi store innsparinger i datastrømmen.

Scener med mye bevegelse krever mye mer data å overføre. Til gjengjeld er ikke øyet så følsomt for detaljer når bildet beveger seg, og bildene kan gjøres mer uskarpe.

Dette ser du lett på de fleste fotball-overføringer fra utlandet. Når kameraet står i ro, ser du detaljene i gresset på banen. Når kameraet sveiper over banen, blir gresset en grønn grøt.

Flere MPEG-standarder

MPEG-standarden har vært i utvikling helt siden 1988. I dag brukes mest MPEG-2, men den nye standarden MPEG-4 vil ta over fordi den er enda mer effektiv i å kaste vekk overflødige bits fra datasignalet.

MPEG-4 vil derfor være framtidas standard for koding av HDTV. Den ekstra besparelsen som MPEG 4 gir, er viktigst i bakkenettet, altså digitale HDTV-sendinger som kan tas imot med vanlig antenne fra sendere på fjelltopper. I bakkenettet er det nemlig mangel på ledige frekvenser. Men også satellitt-sendinger av HDTV vil etter hvert gå over fra MPEG-2 til MPEG-4.

Her er en kort oversikt over vanlige MPEG-standarder

MPEG-1. Brukt i video-CD-formatet (VCD), som ennå er populært i Asia. Lydformatet MP3 er også en del av MPEG-1-standarden, og altså et gammelt lydformat. (Egentlig navn: MPEG-1 layer 3)

MPEG-2. Brukt i dagens DVD-plater og til overføring av digitalt fjernsyn.

MPEG-4. Lyd-delen brukes av Apple iTunes. Videodelen vil ta over for MPEG-2, først for HDTV. MPEG-4 kan også brukes til å overføre andre former for multimedia-innhold.