Telewizja Wysokiej Rozdzielczości – HDTV

Krótka historia telewizji wysokiej rozdzielczości

Potrzeba wprowadzenia telewizji o wysokiej rozdzielczości była sygnalizowana na każdym etapie rozwoju i oznaczało to istotną poprawę jakości obrazu w porównaniu z aktualnymi możliwościami techniki.

W porównaniu do pierwszej transmisji telewizyjnej Johna Logie Bairda w 1926 roku (obraz o 30 liniach i 5 polach na sekundę) transmisja koronacji królowej Elżbiety II w 1953 roku była reklamowana przez BBC jako „pierwsza w świecie transmisja wysokiej rozdzielczości”, chociaż obraz miał tylko 405 linii i był wielkości pocztówki.

Podobnie było w Stanach Zjednoczonych. W 1935 r. do tego, aby telewizję uznać za spełniającą kryteria wysokiej rozdzielczości, wystarczyły 343 linie, a po II wojnie światowej za HDTV uznano 525 linii przy 60 polach na sekundę i kolorze NTSC.

Można stwierdzić, że HDTV zawsze była i będzie najwyższą jakością odbioru osiągalną przy danym stanie techniki. Sektor Radiokomunikacyjny  Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego (ITU-R) przystępując w 1974 roku do studiów na telewizją wysokiej rozdzielczości określił ją następująco:

System HDTV wymaga rozdzielczości zbliżonej do oferowanej przez film 35 mm, co odpowiada co najmniej dwukrotnie większej rozdzielczości poziomej i pionowej w stosunku do obecnych systemów telewizyjnych.

Rozmiary ekranu

W celu określenia podstawowego parametru HDTV, czyli liczby linii w obrazie, wykonano wiele badań. Oto ich wyniki:

• optymalny kąt obserwacji ekranu panoramicznego w płaszczyźnie poziomej wynosi 30º, co odpowiada odległości obserwatora od ekranu równej ok. 3 wysokości ekranu (3h) o proporcjach 5:3 (15:9), ale nie mniej niż 2 m, szczególnie przy obrazach ruchomych,
• dla tej odległości ekran powinien mieć powierzchnię co najmniej 8 000 cm²,
• kontrast co najmniej 70:1, a luminancja co najmniej 200 cd/m² bez oświetlenia zewnętrznego,
• wierniejsza reprodukcja kolorów.

Format obrazu HDTV

Po wprowadzeniu regularnych emisji telewizyjnych w formacie 4:3, a w szczególności po wprowadzeniu koloru, branża filmowa przeczuwając zagrożenie dla swoich interesów natychmiast rozpoczęła prace nad poprawą jakości obrazu i dźwięku w kinie, aby odróżnić się od telewizji, co skończyło się pokazaną niżej mnogością formatów panoramicznych i wprowadzeniem kilku systemów dźwięku wielokanałowego.

Najpopularniejsze formaty ramek filmowych:

• 1,33:1 – (4:3 lub 12:9) wprowadzony przez Edisona i wykorzystywany w kinie niemym,
• 1,37:1 – (22:16) (Academy aperture) stosowany m.in. przez amerykańskie wytwórnie filmowe głównie w latach trzydziestych, czterdziestych i pięćdziesiątych XX w.,
• 1,66:1 – (15:9) europejski standard panoramiczny XX w.,
• 1,85:1 – (17:9) standard panoramiczny wykorzystywany w Stanach Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii,
• 2:1 – (18:9) standard panoramiczny wykorzystywany przez niektóre wytwórnie amerykańskie w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX w.,
• 2,39:1 – (21:9) (CinemaScope) standard panoramiczny wykorzystywany głównie w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX w.,
• 2,6:1 – (24:9) (Cinerama) standard panoramiczny wprowadzony w latach pięćdziesiątych.

W związku z faktem występowania wielu formatów panoramicznych i pojawianiem się kolejnych, ustalenie formatu obrazu dla HDTV nie było łatwe. Prace nad tym zagadnieniem zostały podjęte przez SMPTE, a decyzja o wyborze formatu 16:9 zapadła w 1984 r. Wykorzystano spostrzeżenie, że obrysy formatów najczęściej stosowanych w kinie: 1.33, 1.67, 1.85, 2.20 i 2.35 do 1 mieszczą się w obrysie wewnętrznym i zewnętrznym o formacie 1,77:1 (16:9). Daje to możliwość wyświetlania obrazu o dowolnym formacie źródłowym bez utraty istotnych informacji, pod warunkiem utrzymania najważniejszego fragmentu fotografowanej sceny w wewnętrznym prostokącie 16:9. Wkrótce format 16:9 został powszechnie zaakceptowany na całym świecie jako standard produkcyjny HDTV.

Liczba linii w obrazie HDTV

Liczba linii w obrazie telewizji wysokiej rozdzielczości powinna spełniać jednocześnie następujące wymagania:

• przy podanych wcześniej warunkach obserwacji obrazu struktura liniowa powinna być niewidoczna, co oznacza wartość ok. 1100 linii,
• jakość obrazu nie powinna być gorsza od filmu 35 mm, co przy wybieraniu międzyliniowym 2:1 odpowiada liczbie linii pomiędzy 800 i 1300.
• liczba linii powinna pozwalać na łatwą konwersję do telewizji o standardowej rozdzielczości.

Jako pierwszy pojawił się analogowy standard japoński HDTV o 1125 liniach i 60 polach/s (MUSE). Europa odpowiedziała własnym standardem o 1250 liniach i 50 polach/s. Wspólnym parametrem dla obu propozycji okazała się liczba próbek luminancji w aktywnej części linii cyfrowej, pochodząca w prostej linii od liczby aktywnych próbek linii obrazu o standardowej rozdzielczości równej 720.

Ponieważ HDTV (obraz 16:9) ma mieć rozdzielczość dwukrotnie większą niż SDTV (obraz 12:9) więc liczba próbek wyniesie 720*2*16/12 = 1440*4/3 = 1920. Podobnie jak dla SDTV piksele nie będą kwadratowe.

Ulegając naciskowi ze strony kinematografii i branży komputerowej ITU-R wprowadził w Zaleceniu BT.701 trzeci standard oparty na tzw. Common Image Format – CIF. Wg tej koncepcji (zaproponowanej przez Australię) obraz w obu systemach składałby się z identycznej liczby, jednakowo rozmieszczonych kwadratowych elementów (pikseli), a całkowita liczba linii i częstotliwość odświeżania pozostałyby różne dla obu systemów. Jak łatwo wyliczyć dla 1920 próbek liczba linii obrazu wyniesie 1920*9/16 = 1080. Jest to standard 1080i, gdzie „i” oznacza interlaced scanning, czyli wybieranie międzyliniowe obrazu.

Ponadto w użyciu istnieje jeszcze inna odmiana standardu HDTV oparta na 60 ramkach/s (wybieranie kolejnoliniowe 1:1), wymagająca podobnej przepływności bitowej co standard 1080i. W porównaniu z SDTV rozdzielczość pozioma wzrasta jedynie o 1/3, a nie dwukrotnie jak dla 1080i, ale dzięki wybieraniu kolejnoliniowemu odwzorowanie ruchu jest lepsze i w badaniach subiektywnych jakość obu odmian jest podobna. Liczbę aktywnych próbek oblicza się następująco: 720*4/3*16/12 = 720*16/9 = 1280. Liczba linii wyniesie dokładnie 720. Jest to standard 720p, gdzie „p” oznacza progressive scanning, czyli wybieranie kolejnoliniowe obrazu.

Raster obrazu 1920 x 1080 liczy 2 073 600 pikseli, które są transmitowane 30 razy na sekundę, czyli w tempie 62 208 000 pikseli na sekundę. Natomiast raster obrazu 1280 x 720 liczy 921 600 pikseli transmitowanych 60 razy na sekundę, czyli w tempie 55 296 000 pikseli na sekundę. Tak więc wymagana przepływność dla wersji 1080i jest tylko o 12,5% wyższa od odmiany 720p.