Moderní elektronika a komunikační technologie jako dobrodružství a výzva pro mladou generaci Národní program výzkumu MŠMT II ČR 2E06007
Digitální videotechnika současnost a předpokládaný vývoj
Prof. Ing. Václav Říčný, Ing. Tomáš Kratochvíl, PhD. Ústav radioelektroniky, FEKT VUT v Brně
Obsah přednášky 1. Moderní televizní přijímače 1.1 Televizní přijímače se zobrazovači typu LCD 1.2 Televizní přijímače s plasmovými zobrazovači 1.3 Projekční TV přijímače 1.4 Set-top-boxy (STB) – televizní přijímače pro digitální TV standardy DVB-S,T,C 1.5 Výběr nového televizního přijímače
2. Přehrávače a rekordéry obrazových a zvukových signálů 2.1 Přehrávače a rekordéry DVD 2.2 Přehrávače a rekordéry Blu Ray
3. Videokamery (kamkordery) 4. Systémy domácího kina 5. Diskuse 6. Ukázky současné videotechniky
1. Moderní TV přijímače jsou terminální částí TV přenosové soustavy. Mají dominantní vliv na výslednou kvalitu obrazu a zvukového doprovodu. Nebudou již zmiňovány televizory s vakuovou obrazovkou CRT (Cathode Ray Tube).
1.1 TV přijímače se zobrazovači LCD (Liquid Crystal Device)
vyrábějí se ve formátu 16 : 9 a velikosti cca do 42" i více) s rozlišením: HD READY - nativní rozlišení 768 x 1366 bodů, vyhovující nejnižšímu ze tří standardu televize s vysokým rozlišením HDTV (720p), FULL HD - nativní rozlišení 1080 x 1920 bodů, vyhovující všem úrovním evropských standardů HDTV (720p,i a 1080p,i.) Vyznačují se jasově klidným obrazem (celý snímek je zobrazován najednou) a dokonalou geometrií. Současně technické parametry: ■ jas – až 600 cd/m2, ■ statický kontrast – až 1000 : 1 (dynamický kontrast až 10000 : 1), ■ doba odezvy – cca 5 ms (doba úplné změny polarizace tekutých krystalů – doba přechodu ze stavu minimálního do maximálního jasu), ■ pozorovací úhel cca 178r.
Nové technologie pro LCD ■ 100 Hz (200 Hz - fa. Sony) Hz obnovování (refresh) obsahu buněk LCD vytváří jasově klidný obraz i ve velkých plochách a výrazně zlepšuje dynamiku zobrazení. Videoprocesor musí generovat chybějící obrazozovou informaci (vysíláno je pouze 50 půlsnímků /s). ■ Zvětšení kontrastu. Buňku LCD nelze dokonale „uzavřít“ pro světelný tok. Nízký kontrast zhoršuje pozorování při vnějším osvětlení. Lze jej zlepšit modulací jasu zadního osvětlovacího zdroje CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) nebo ještě lépe řízenou maticí diod LED, jejichž osvětlení se mění místně i časově v závislosti na okamžité jasové distribuci obrazu. Výrobci proto uvádí také tzv. dynamický kontrast, který bývá výrazně vyšší než statický kontrast (až o jeden řád). Kromě zmíněných „hardware“ technologií se pro zvýšení kontrastu používá ke zvýšení kontrastu také videoprocesing. V této „software“ metodě se analyzuje jasová distribuce obrazu a obrazové body se seřadí do několika skupin (např. 16) podle úrovně jasu. Následně je generována nelineární korekční funkce, podle níž se přepočítají jasové úrovně původních bodů tak, že světlejší části obrazu se posunou směrem k bílé a naopak tmavší části obrazu směrem k černé. Tím se dosáhne zvýšení kontrastu.
Kvalitu obrazu významně ovlivňuje (nejen u zobrazovačů LCD) zobrazovací videoprocesor, který kromě řady jiných funkcí (např. změny formátu obrazu funkcí ZOOM) uskutečňuje pomocí různých optimalizačních algoritmů přepočet rozlišení původního obrazu na tzv. nativní rozlišení zobrazovače i převod původního prokládaného (angl. interlaced) řádkování obrazu na kvalitnější neprokládané (tzv. progresivní – angl. progressive). Uskutečňuje se v reálném čase pomocí výpočetně velmi náročných matematických operací (interpolací) nových obrazových bodů, které nejsou v původním přenášeném obraze vůbec obsaženy. Tyto algoritmy představují přísně tajené „know how“ výrobců). Videoprocesor a výpočetní procesy, které vykonává mohou významně ovlivnit také plynulost kvalitu a reprodukce pohybu ve video-sekvencích. Odpovídající algoritmy a technologie nazývají firmy různě – k nejznámějším a nejkvalitnějším patří např. MOVIE PLUS fy. Samsung. I ke kvalitě a možnostem programového vybavení videoprocesoru by měl zájemce o nový televizor přihlížet……….
1.2 TV přijímače s plasmovými zobrazovači většina vlastností televizních přijímačů LCD, platí i pro přijímače s plasmovými zobrazovači (včetně možnosti aplikace 100/200 Hz technologie). Rozdíly jsou ovlivněny prakticky pouze vlastnostmi zobrazovače, protože základní struktura obou typů přijímačů je prakticky totožná. Vyrábějí se pro větší rozměry obrazu – obvykle od úhlopříček 37“ do 65“ i více. K jejich výhodám patří, ve srovnání s LCD, především: ■ vyšší dosažitelný jas – až 1500 cd/m2, ■ podstatně vyšší statický kontrast (plasmový zobrazovač je stejně jako CRT, je primární zářič) – až 30000:1 (dynamický kontrast může dosáhnout hodnot až 106 : 1). To umožňuje pozorování obrazu i při velkém vnějším osvětlení, ■ výrazně kratší doba odezvy – cca 0,001 ms, ■ pozorovací úhel se blíží 180r.
Nevýhody ■ nižší nativní rozlišení u menších typů (např. „jen“ 1024 x 768 obrazových) bodů, protože minimální velikost plasmových buněk má technologickou mez. Od úhlopříček 40“ (> 1m) se však již vyrábí plasmové zobrazovače i s rozlišením FULL HD.
Buňka plasmového zobrazovače Rozměry jedné buňky jsou dnes již menší než 200 x 200 μm. Na barevný obrazový bod (pixel) připadají tři buňky.
■ plasmové televizory s těmito zobrazovači mají poněkud větší příkon a vyšší cenu ve srovnání s televizory se zobrazovači LCD stejných rozměrů a vybavení (zatímco LCD zobrazovač má příkon prakticky stálý, u plasmového se příkon zvětšuje s rostoucím jasem obrazu) . ■ Zajímavá, ale diskutabilní, je i některými výrobci udávaná životnost větší jak 100 000 hodin !!!
1.3 Projekční TV přijímače Používají zpětnou projekci světelného toku silného zdroje bílého světla a modulovaného světelným modulátorem DLP (Digital Light Processing) nebo častěji tří - čipovou technologií LCoS (LiquidCrystals on Silicon) v aplikaci D-ILA (Direct-Drive Image Light Amplifier) nebo HD-ILA na vestavěnou velkoplošnou matnici. Kvalita reprodukovaného obrazu je srovnatelná se zobrazovači zmíněnými v předcházejících odstavcích. Vyrábějí se pro rozměry úhlopříček 50“ a více. Současně dosahované typické technické parametry: ■ statický kontrast až 2000:1, ■ jas až 800 cd/m2, ■ doba odezvy kratší než 2,5 ms. Jejich příkon je nižší než u plasmových zobrazovačů. Mají poněkud menší pozorovací úhel a jsou v současné době, vzhledem k relativně menšímu počtu vyráběných kusů, poměrně drahé. Někdy je na závadu i jejich hloubka (25 cm i více), se kterou nemohou soutěžit s plasmovými a LCD zobrazovači.
Poznámka V kategorii plochých zobrazovačů se znovu počítá se staronovou technologií OLED (Organic Light Emitting Diod). Ta umožňuje výrobu super plochých pružných zobrazovačů (tloušťka samotného displeje je pouze několik mm). Technologie OLED přináší i další výhody – vysoký kontrast kontrast (LED jsou primární zářiče) a velký pozorovací úhel (téměř 180r). Zatím se uplatňuje především u menších displejů (mobilní telefony, digitální fotoaparáty, malé video přehrávače, terminály DVB-H aj.), ale někteří výrobci (Sony, Samsung, Panasonic, LG aj.) s ní počítají již v roce 2009 i pro stolní přijímače Jistým problémem zatím zůstává poněkud nejasná nejasná životnost.
1.4 Set-top-boxy (STB) – televizní přijímače digitálních TV standardů DVB - S,T,C jsou přijímače pro různé digitální distribuční platformy (DVB-S/S2, DVB-C a především DVB-T (MHP) nebo i jejich kombinace, které nemají obrazovou (a zobrazovací), ani zvukovou (a reprodukční) část. Tu nahrazuje např. stále dobře fungující „analogový“ televizní přijímač projený s STB obvykle na úrovni kompozitního nebo RGB signálu (např. konektory SCART, CINCH). Vyrábějí se rovněž v provedení karet pro počítače – tzv. PCI card (počítač funguje jako monitor).
1.4.1 STB pro příjem signálů DVB-T ■ STB pro volný příjem FTA (Free to Air) Jsou levné a určené pouze pro příjem nekódovaných (volně přístupných programů. Neobsahují dekryptory a sloty pro přístupové karty.
■ STB pro podmíněný přístup k signálu Jsou určeny pro příjem enkryptovaných (kódovaných) placených programů. Mají zabudovány dekryptory a jeden i více slotů pro přístupové karty příslušných operátorů (příp. pro CI moduly).
■ STB pro příjem DVB-T MHP (Multimedia Home Platform) Umožňují příjem signálů interaktivních služeb MHP (nadstavba DVB-T). Uživatel musí mít k disposici nějakou formu zpětného kanálu. V České republice vysílal jen jeden operátor multiplexní sítě (České Radiokomunikace, a.s.) datové služby týdenní předpovědi a MHP EPG (elektronický programový průvodce). Šlo o jednoduchou formu MHP, která byla jen lokálně interaktivní. Byla vysílána spolu s TV daty a nevyžadovala proto zpětný kanál. Službu je možno volit pouze v rámci nabídky. STB musel být vybaven dekodérem signálu MHP. Budoucnost této, zřejmě placené, služby v ČR je nejasná…
■ STB s vestavěným pevným diskem HDD (Hard Disc Drive) Umožňují digitální záznam přijímaného signálu. Pokud uživatel chce nahrávat současně i jiný program, musí STB obsahovat dva tunery.
Poznámka V ČR se užívá kompresní standard MPEG-2, jehož kompresní účinnost (až 100x) je při TV vysílání se standardním rozlišením SDTV naprosto postačující. Umožňuje do stávajícího kanálu (8 MHz) vložit (dle nastavených parametrů digitální modulace COFDM) signál s bitovou rychlostí i více jak 22 Mbit/s., což v případě digitální modulace představuje až 5 TV programů kvality srovnatelné s původním analogovým vysíláním. Ve světě se již prosazuje účinnější standard MPEG - 4 AVC (Advanced Video Coding) označený dle ITU H.264. Může dosáhnout až dvojnásobnou kompresní účinnost a je určen především pro vysílání a optický záznam HDTV - např. BD - Blu Ray Disc). Je užíván také v digitálním satelitním vysílání HDTV ve standardu DVB-S (S2). V České republice bude nástup HDTV rámci DVB-T zřejmě opožděn, což neplatí pro jiné distribuční platformy (DVB-S (S2), DVB-C, DVB-H, IPTV aj.). Pro rychlý rozvoj DVB-T bude zřejmě vhodnější do ukončení přechodu na digitální vysílání (do r. 2011) ponechat stávající kompresní standard MPEG-2. Ten navíc užívá většina současné digitální záznamové techniky a odpovídající media (např. rekordéry a disky DVD).
1.4.2 STB pro příjem signálů DVB-S (S2) Prodávají se obvykle v sadách obsahujících, kromě STB, také vstupní díl LNB/LNC (Low Noise Block/Convertor) s ozařovačem a směrovou anténou. Příjem signálů z více satelitů lze řešit např.: slučováním signálu z více antén; použitím více LNB (tzv. multifeed) nebo dvojitého LNB na jedné anténě; natáčením antény v tzv. polárním závěsu pomocí lineárního motoru aj. Zařízení jsou nazývána různými výrobci různě - rotátor, posicionér, polarmount aj.) Dělení STB DVB-S (S2) je obdobné jako v případě DVB-T.
■ STB DVB-S pro příjem FTA (Free to Air) jsou určené pouze pro příjem nekódovaných (volně přístupných) programů. Neobsahují dekryptory a sloty pro přístupové karty. Jsou také nejlevnější.
■ STB DVB-S pro podmíněný přístup jsou určeny pro příjem enkryptovaných (kódovaných) placených programů. Mají zabudovány dekryptory (dekodéry) a jeden i více slotů pro přístupové karty příslušných operátorů.
■ STB DVB-S i S2 pro podmíněný přístup obsahují navíc demodulátor signálu zlepšeného standardu DVB-S2 a dekodéry MPEG-2 i MPEG-4 AVC. Tyto STB jsou určeny především pro příjem programů HDTV a jsou zpětně kompatibilní i pro příjem DVB-S.
■ STB DVB-S i S2 s vestavěným pevným diskem HDD (Hard Disc Drive) a kombinace uvedených typů STB
1.4.3 STB pro příjem signálů DVB-C jsou učeny pro příjem signál operátorů kabelové televize – tedy pro příjem vesměs placených a proto i kódovaných programů. Proto musí být vybaveny příslušnými dekodéry a sloty pro přístupové karty. Většinou je provozovatel kabelového vysílání abonentovi zapůjčuje bezplatně nebo na kauci a jejich použití je zahrnuto do pravidelného (obvykle měsíčního) poplatku za tuto službu. Na trhu bývají k dispozici i kombinované STB (tzv. „comba“) pro příjem dvou i dokonce všech tří standardů DVT.
Poznámka Na tomto místě je třeba komentovat rozšířený mýtus. Týká se vysoké, tzv. “digitální kvality“ obrazu, kterou provozovatelé těchto sítí často proklamují. Kabelová síť je velmi kvalitní přenosový kanál, ve kterém se hlavní výhoda digitální formy signálu – vysoká odolnost vůči většině přenosových zkreslení - nemůže uplatnit. Ti, kteří se dříve dívali na obraz odpovídající analogové formě televizního signálu nemohou tedy v této síti získat kvalitnější obraz. Pokud se zdrojový signál nezmění například formátem rozlišení HDTV aj., nemůže převod do digitální formy přinést novou kvalitu. Naopak vnáší do obrazu přídavná systémová zkreslení - kvantizační šum, chyby vlivem blokové struktury komprese aj. Pokud je jednotlivým programům v digitálním multiplexu přidělena nedostatečná rychlost bitového toku s cílem vyššího využití přenosového kanálu, může být výsledný obraz i znatelně horší. To je kritické zejména u programů náročných na detaily a rychlé změny – např. při sportovních přenosech.
1.5 Výběr nového televizního přijímače Jak vybírat nový televizor ? Elektronické vybavení i uživatelský komfort uvedených kategorií jsou podobné a většina technických parametrů je téměř shodná - alespoň u televizorů stejné cenové kategorie. Čím se tedy při koupi řídit ? Proto alespoň některé nejdůležitější zásady. Výběr se omezí zřejmě jen na televizory s LCD nebo plazmovým zobrazovačem. S ohledem na aktuální přechodné období a nástup digitální televize by televizor měl mít, kromě analogového, také digitální tuner DVB-T. Tento požadavek dnes již splňují i přijímače střední třídy. Pomineme pro mnohé základní atribut – tj. cenu a zaměříme se na tři hlavní parametry obrazu a další parametry, které ovlivňuje zejména to, kde a pro jaké účely bude televizor dominantně používán.
a) velikost zobrazovače Moderní zobrazovače s vysokým rozlišením umožňují i výrazně větší obraz pozorovat z podstatně menší vzdálenosti (ve srovnání s televizory CRT), aniž by byla patrná bodová struktura obrazu. Divák pozoruje obraz (navíc se zvětšeným poměrem stran 16 : 9), s větším pozorovacím úhlem a nevnímá rušivě okolí televizoru. Zlepšuje se i stereofonní vjem zvuko-
vého doprovodu. Lze tedy i do menšího pokoje pořídit televizor s větším zobrazovačem. Obraz s rozlišením HD Ready (a tím spíše Full HD) s úhlopříčkou 82 cm lze bez problémů pozorovat již ze vzdálenosti od 2 m.
b) rozlišení Samozřejmostí je požadavek rozlišení alespoň HD Ready, i když ještě několik let bude v ČR většinově vysílán a distribuován TV signál v analogové i nově v digitální formě se standardním rozlišením 575 x 720 obrazových bodů – tzv. pixelů (z angl. Picture Element). Vlastníci kvalitní a moderní videotechniky, která již poskytuje obrazový signál s HD rozlišením (kamkordéry Full HD, přehrávače Blu Ray, satelitní přijímače pro HDTV vysílání DVB-S, S2 aj.), nebo televizor chtějí užívat i pro prohlížení digitálních fotografií, by měli sáhnout hlouběji do kapsy a zakoupit již televizor s Full HD rozlišením.
c) dosažitelný jas a kontrast Tyto parametry hovoří pro plasmový zobrazovač, ale.. Jas nad 500 cd/m2 užívá jen ten, kdo si koleduje o trvalé zhoršení zraku. Vysoký kontrast je velkou výhodou zejména tam, kde je třeba pozorovat obraz při velkém vnějším osvětlení, což také není obvyklé. Navíc moderní LCD zobrazovavače již umí nižší kontrast zvyšovat zmíněným řízeným zadním osvětlením.
d) Vybavení vstupně-výstupními rozhraními (konektory) Důležitým parametrem televizního přijímače je i vybavení dostatečným počtem vstupních a výstupních konektorů pro vzájemné a efektivní propojování s další videotechnikou tak, aby nedocházelo k degradaci obrazového a zvukového signálu – např. přechody mezi analogovou a digitální formou. Současným standardem jsou alespoň dva vstupně - výstupní konektory Scart (analogové propojení kompozitního obrazového signálu, složkových barevných signálů R,G,B a stereofonních signálů zvukového doprovodu),vstupní konektory Cinch pro obrazové i zvukové signály, možnost připojení sluchátek s řízenou úrovní signálů. Pro digitální signály a zejména HDTV jsou vhodná širokopásmová digitální rozhraní s konektory DVI (Digital Visual Interface), nebo novější a rychlejší HDMI (High Definition Multimedia Interface). Tím se přenáší, na rozdíl od DVI, i digitální vícekakanálový doprovod. S tímto rozhraním bývá bývá spojen protokol HDCP (High-Bandwidth Digital Content Protection), vyvinutý firmou Intel, pro zabránění nežádoucí manipulace s daty
Užitečný nadstandard představuje také možnost propojení s počítačem pomocí interface USB a přehrávání obsahu paměťových karet (např. popomocí slotu pro kartu SD).
e) Programové vybavení, menu a nadstandardní funkce důležitá je rovněž kvalita programového vybavení řídícího procesoru(ů přijímače, který generuje přehledné, intuitivně a uživatelsky příjemné menu, z něhož lze ovládat pomocí dálkového ovládat všechny funkce (operační i nastavovací), pokud možno, bez nutnosti otevírat uživatelsky manuál. Výhodné jsou i některé nadstandardní funkce, které umožňují moderní TV přijímače s digitálním zpracováním obrazového signálu. Mezi ně patří např. funkce PiP (Picture in Picture - obraz v obraze ), PaP (Picture and Picture - obraz a obraz), Multi-picture (Mozaika) aj.
V případě digitální multiplexní distribuce TV signálů je možno po dekódování přijímaného programového multiplexu zobrazit jeho programový obsah formou mozaiky statických obrazů. Žádoucí jsou také další funkce jako zastavení (zmrazení) obrazu, nastavitelné potlačení šumu aj. Digitální TV vysílání kterékoliv platformy umožňuje navíc realizovat další funkce, v éře analogového vysílání neznámé - např. zobrazení tzv. elektronického programového průvodce (EPG – Electronic Program Guide), dále tzv. SuperTeletext nebo měření a zobrazení úrovně a kvality přijímaného signálu formou sloupcových diagramů - tzv. bar grafů aj.
Literatura [1] Grimme,K.: Digital television (Standardization and Strategie). Artech House Boston-London, 2000 [2] Brice,R.: Newness Guide to Digital Television. Newness Oxford, 2003 [3] Vít,V.: Televizní technika (projekční a velkoplošné zobrazování). BEN Praha,2000 [4] Vlastnosti přijímačů DVB. Česká technická norma ČSN EN 50256,1999 [5] Základní metody měření digitálních televizních přijímačů. Česká technická norma ČSN EN 62028, 2004 [6] Digitální televizní přijímače pro systém DVB-T. Česká televizní norma ČSN EN 62216-1, 2003
Poděkování Přednáška vznikla v rámci Národní programu výzkumu č. NPV II - 2E06007 Elektronika a komunikační technologie dobrodružství a výzva pro mladou generaci. Řešitel Prof. Ing. Jiří Svačina, CSc. a pracovníci UREL www.urel.feec.vutbr.cz
Děkuji za pozornost
