9.4 Τηλεόραση 16:9 και τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας
Από τις πρώτες ημέρες του κινηματογράφου έγινε αντιληπτό ότι οι θεατές που κάθονταν στο μεσαίο και εμπρόσθιο τμήμα της αίθουσας απολάμβαναν εντονότερα την κινηματογραφική δράση. Αυτό συνέβαινε, γιατί στο ότι από τις θέσεις αυτές η εικόνα κάλυπτε επιφάνεια μεγαλύτερη από το οπτικό πεδίο του θεατή. Για καλύτερη εκμετάλλευση του φαινομένου οι ταινίες απόκτησαν σύντομα μεγαλύτερο πλάτος και καθιερώθηκαν νέες φόρμες εικόνας, με αποτέλεσμα οι περισσότερες κινηματογραφικές εικόνες να έχουν πλέον πλάτος κατά 85% μεγαλύτερο από το ύψος. (Οι σημερινές ταινίες σινεμασκόπ έχουν πλάτος 235% του ύψους.)
Η τηλεόραση προσπάθησε να ακολουθήσει αυτές τις εξελίξεις, χωρίς μεγάλη αρχικά επιτυχία. Η τεχνολογία των μέσων της δεκαετίας του '50 κατόρθωσε να διαπλατύνει τις οθόνες από λόγο πλευρών 5:4 που είχαν αρχικά σε 4:3, αλλά όχι παραπάνω. Επιπλέον, για να καλυφθεί όλο το οπτικό πεδίο ενός θεατή, αυτός θα έπρεπε να παρακολουθεί την οθόνη από απόσταση όχι μεγαλύτερη από το διπλάσιο του ύψους της. Από τόσο κοντά όμως ξεχωρίζουν οι 625 (ή 525) γραμμές σάρωσης και γίνεται αντιληπτή η περιορισμένη ευκρίνεια της εικόνας.
Για τη βελτίωση της ποιότητας τηλεθέασης έγινε αντιληπτό ότι θα έπρεπε να αυξηθεί το πλήθος των γραμμών σάρωσης και να μεγαλώσει περισσότερο το πλάτος της τηλεοπτικής οθόνης. Αυτό σήμαινε αποδοχή ενός νέου τηλεοπτικού προτύπου, πράγμα που αποτέλεσε το μεγαλύτερο ανασταλτικό παράγοντα στην καθιέρωση της νέας τεχνολογίας.
Οι πρώτες προσπάθειες για τη δημιουργία του νέου πρότυπου που ονομάστηκε "τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας" (HDTV, από το HighDefinitionTeleVision) άρχισαν στην Ιαπωνία στα τέλη της δεκαετίας του '60. Πολύ σύντομα ακολούθησε και η Ευρώπη με ένα βελτιωμένο σύστημα 625 γραμμών, ενώ η Αμερική καθυστέρησε αρκετά. Παρ' όλα αυτά, η καθυστέρηση της πρόσφερε εν τέλει ένα σημαντικό τεχνολογικό πλεονέκτημα, γιατί επέτρεψε να υιοθετηθεί ένα σύστημα αμιγώς ψηφιακό, σε αντίθεση με το ιαπωνικό και το ευρωπαϊκό, τα ποία ήταν αναλογικά. Σε κάθε περίπτωση πάντως η προσκόλληση στα παλιά πρότυπα αποδείχτηκε πολύ ισχυρή. Έτσι, στην Ιαπωνία οι πρώτες εκπομπές τηλεόρασης υψηλής ευκρίνειας άρχισαν μόλις το 1989, ενώ το ευρωπαϊκό σύστημα εγκαταλείφθηκε οριστικά το 1993. Το αμερικανικό σύστημα τέθηκε για πρώτη φορά σε εφαρμογή το καλοκαίρι του 1999.
Το ιαπωνικό σύστημα HDTV, που ονομάζεται NHKHi-Vision, χρησιμοποιεί 1125 γραμμές σάρωσης, λόγο πλευρών εικόνας 16:9, ενδιάμεση σάρωση 60 πεδίων το δευτερόλεπτο (30 άρτια, τριάντα περιττά) και ξεχωριστή εκπομπή σημάτων φωτεινότητας και χρωμικότητας, με εύρος ζώνης 20 MHz για τη φωτεινότητα και 10 MHz για τη χρωμικότητα. Το μεγάλο εύρος ζώνης κάνει σχεδόν αδύνατη τη χρήση του στα επίγεια κανάλια ασύρματης εκπομπής, τα οποία είναι ήδη ασφυκτικά κατειλημμένα και από άλλες υπηρεσίες. Γι' αυτό διαδόθηκε μια παραλλαγή του συστήματος για εκπομπή από δορυφόρους άμεσης εκπομπής (DBS), που ονομάζεται σύστημα MUSE. (MultiplesUb-nyquistSamplingandEncoding, πολλαπλή υποδειγματοληψία Nyquist και κωδικοποίηση). Στο σύστημα αυτό γίνεται ψηφιακή επεξεργασία των σημάτων, με σκοπό τη συμπίεση του εύρους ζώνης του οπτικού σήματος στα 8 περίπου MHz. Η συμπίεση γίνεται με δειγματοληψία του αρχικού σήματος που ακολουθείται από υποδειγματοληψία 3:1. Αυτό σημαίνει ότι από κάθε τρεις κουκίδες μιας εικόνας εκπέμπεται μόνο η μία. Έτσι, απαιτούνται τρεις διαδοχικές σαρώσεις της ίδιας γραμμής, για να εμφανιστούν και οι τρεις κουκίδες κάθε τριάδας στην οθόνη. Με τον τρόπο αυτό τα στατικά τμήματα της εικόνας αναπαράγονται με την πλήρη ευκρίνεια του συστήματος. Στα κινούμενα όμως μέρη εμφανίζεται μετατόπιση των κουκίδων από τις αρχικές τους θέσεις, η οποία προκαλεί ένα είδος "μουτζουρώματος" που ελαττώνει την ευκρίνεια περίπου στο μισό. Αυτό συνήθως περνά απαρατήρητο, εκτός από την περίπτωση που ολόκληρη η σκηνή μετακινείται πλάγια (πχ., όταν μετατοπίζεται η κάμερα), οπότε η εικόνα χειροτερεύει αισθητά.
Το ευρωπαϊκό σύστημα ονομάστηκε MAC (MultiplexedAnalogComponents, πολυπλεγμένες αναλογικές συνιστώσες). Θα χρησιμοποιούσε 625 γραμμές σάρωσης, λόγο πλευρών εικόνας 16:9, ενδιάμεση σάρωση 50 πεδίων το δευτερόλεπτο και δυνατότητα ταυτόχρονης υποστήριξης των συστημάτων PAL και SECAM. Το σύστημα MAC σχεδιάστηκε για εκπομπές από δορυφόρους DBS και για δίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης. Στο σύστημα αυτό "πακέτα" σημάτων ήχου και δεδομένων χρωμικότητας και φωτεινότητας θα εκπέμπονταν διαδοχικά κατά τη διάρκεια κάθε οριζόντιας γραμμής σάρωσης. Οι χρωμοδιαφορές του κόκκινου και του μπλε δε θα εκπέμπονταν μαζί, αλλά διαδοχικά σε κάθε επόμενη γραμμή σάρωσης, όπως στο σύστημα SECAM. Οι πληροφορίες της φωτεινότητας θα διαρκούνσαν διπλάσιο χρόνο από αυτές της χρωμικότητας, γιατί, όπως ξέρουμε, η όρασή μας είναι πολύ λιγότερο ευαίσθητη στο χρώμα απ' ό,τι στη φωτεινότητα των εικόνων. Οι πληροφορίες αυτές θα αποθηκεύονταν σε τρία ξεχωριστά τμήματα μιας ψηφιακής μνήμης στο δέκτη απ' όπου θα ανακτώνταν με τη σωστή σειρά, θα μετατρέπονταν σε αναλογικά σήματα και θα τροφοδοτούσαν τα κατάλληλα κυκλώματα του δέκτη.
Το σύστημα MAC (και οι παραλλαγές του B-MAC και D2-MAC) αποδείχτηκε χαμηλής ποιότητας και γι' αυτό εγκαταλείφθηκε με την προοπτική να χρησιμοποιηθεί το αμερικανικό σύστημα ή κάποιο αντίγραφό του.
Το αμερικανικό σύστημα προέκυψε από τον ανταγωνισμό τουλάχιστο 14 διαφορετικών συστημάτων, που σύντομα κατέληξαν σε τέσσερα. Μεταξύ αυτών δημιουργήθηκε συμμαχία, με σκοπό την ενσωμάτωση των καλύτερων στοιχείων τους σε ένα μόνο σύστημα, το οποίο, όπως είδαμε, είναι εξ ολοκλήρου ψηφιακό. Για τον περιορισμό του εύρους ζώνης συχνοτήτων των σημάτων επιλέχτηκαν τεχνικές συμπίεσης ψηφιακών δεδομένων, γνωστές και δοκιμασμένες από τη βιομηχανία ηλεκτρονικών υπολογιστών. Κάτω από την πίεση των εταιρειών αυτού του χώρου εγκαταλείφθηκε το αρχικό πρότυπο των 1125 γραμμών και 60 πεδίων ανά δευτερόλεπτο και υιοθετήθηκε ένα "ανοιχτό" πρότυπο, με μόνους περιορισμούς να μη χρησιμοποιούνται περισσότερα από ένα εκατομμύριο εικονοστοιχεία για κάθε πλαίσιο και να μην υπερβαίνει, μετά τη συμπίεση, το εύρος ζώνης του ψηφιακού σήματος αυτό μιας συνηθισμένης εκπομπής του συστήματος NTSC.
Με τον τρόπο αυτό κάθε σταθμός εκπομπής και κάθε πιθανός θεατής μπορεί να επιλέξει την ευκρίνεια εικόνας και το είδος των υπηρεσιών που θα χρησιμοποιήσει. Για παράδειγμα, στο κανάλι που εκπέμπεται ένα πρόγραμμα υψηλής ευκρίνειας μπορούν με τις ίδιες τεχνικές συμπίεσης να εκπεμφθούν τέσσερα κανάλια κοινής ευκρίνειας. Γι' αυτό το αμερικανικό σύστημα, αντί να ονομάζεται HDTV, επικράτησε να ονομάζεται DTV (DigitalTV, ψηφιακή τηλεόραση).
Τα πρότυπα απεικονίσεων που υποστηρίζονται μεταξύ άλλων είναι τα εξής:
- 480p -640 x 480 εικονοστοιχεία, προοδευτική σάρωση (4:3)
- 720p -1280 x 720 εικονοστοιχεία, προοδευτική σάρωση (16:9)
- 1080i-1920 x 1080εικονοστοιχεία, ενδιάμεση σάρωση (16:9)
Για συμπίεση του ψηφιακού σήματος χρησιμοποιείται το σύστημα MPEG-2.
Η τωρινή τιμή των συσκευών DTV είναι πολύ υψηλή, αλλά αναμένεται να μειωθεί, όταν αυξηθεί η παραγωγή τους. Σύμφωνα με κυβερνητική οδηγία, θα πρέπει να έχει ολοκληρωθεί η ψηφιοποίηση του τηλεοπτικού συστήματος στην Αμερική μέχρι το τέλος του 2006. Τη χρονιά εκείνη θα ακυρωθούν όλες οι άδειες εκμετάλλευσης για το φάσμα των συχνοτήτων της αναλογικής τηλεόρασης και το φάσμα αυτό θα δημοπρατηθεί για άλλες χρήσεις. Προς το παρόν κυκλοφορεί στην (αμερικανική) αγορά μεγάλη ποικιλία από συσκευές που αποκωδικοποιούν το ψηφιακό σήμα και το μετατρέπουν σε αναλογικό, για να το απεικονίσουν οι κοινές τηλεοράσεις. Αυτή όμως η απεικόνιση δεν έχει την ποιότητα της τηλεόρασης υψηλής ευκρίνειας.
Αναμένοντας την καθιέρωση ενός πρότυπου τηλεόρασης υψηλής ευκρίνειας κατασκευάστηκαν αρκετοί τηλεοπτικοί δέκτες με οθόνη 16:9, ιδίως στην Ευρώπη όπου, μέχρι την εγκατάλειψη του συστήματος MAC, είχαν γίνει πολύ μεγάλες επενδύσεις προς αυτή την κατεύθυνση. Αυτοί οι δέκτες ονομάζονται "τηλεοράσεις ευρείας οθόνης" και προς το παρόν υποστηρίζονται από μια παραλλαγή του συστήματος PAL, που ονομάζεται PALPLUS (PAL+) και εκπέμπει τηλεοπτική εικόνα με λόγο πλευρών 16:9. Στη χώρα μας υπάρχουν ήδη τηλεοπτικοί σταθμοί που εκπέμπουν μέρος του προγράμματός τους σε PAL+. Με το PAL+ απεικονίζονται καλύτερα οι κινηματογραφικές ταινίες (όχι οι σινεμασκόπ), των οποίων τα καρέ έχουν λόγο πλευρών σχεδόν ίσο με 16:9. Όταν δέκτες ευρείας οθόνης λαμβάνουν κοινό σήμα 4:3, εμφανίζουν σκοτεινές λωρίδες στις δύο κατακόρυφες πλευρές της εικόνας. Για να αποφύγουν αυτό το δυσάρεστο φαινόμενο, διαθέτουν σύστημα που, αν ενεργοποιηθεί, τροποποιεί την οριζόντια σάρωση της οθόνης, έτσι ώστε η εικόνα να καλύψει όλη τη διάστασή της. Με τον τρόπο όμως αυτό εμφανίζονται γεωμετρικές παραμορφώσεις στην απεικόνιση (σχήμα 9-3).
Ανάλογο πρόβλημα προκύπτει και όταν σήμα PAL+ απεικονίζεται σε οθόνη 4:3. Τότε εμφανίζονται δύο οριζόντιες μαύρες λωρίδες στο πάνω και κάτω μέρος της εικόνας. Οι κοινοί δέκτες 4:3 δε διαθέτουν σύστημα τροποποίησης της κατακόρυφης σάρωσης και έτσι αυτή η κατάσταση δε μπορεί να διορθωθεί. Τα ίδια φαινόμενα εμφανίζονται και στην τηλεόραση DTV, όταν η οθόνη του δέκτη δεν έχει τον ίδιο λόγο πλευρών με την εκπεμπόμενη τηλεοπτική εικόνα. Εδώ όμως το σύστημα διαθέτει αρκετή "ευφυία" και μπορεί να προσαρμόζει αυτόματα τη μορφή και τη θέση της εικόνας στην οθόνη, ώστε να προκύπτει η καλύτερη δυνατή απεικόνιση.
9.5 Συμπίεση ψηφιακών δεδομένων
Όπως είδαμε στην προηγούμενη παράγραφο, το πρότυπο της ψηφιακής τηλεόρασης υψηλής ευκρίνειας βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στη συμπίεση των ψηφιακών δεδομένων. Αυτή η συμπίεση αποτελεί τεχνολογία που προήλθε από το χώρο των ηλεκτρονικών υπολογιστών, γιατί στηρίζεται σε υπολογιστικές μεθόδους. Η συμπίεση των ψηφιακών δεδομένων αρχικά αναπτύχθηκε για να λύσει το πρόβλημα της αποθήκευσης μεγάλου όγκου δεδομένων, αλλά κατόπιν χρησιμοποιήθηκε κυρίως για να διευκολύνει τη μετάδοση ψηφιακών πληροφοριών μεταξύ υπολογιστών. Χωρίς αυτή τη συμπίεση δεν θα ήταν, για παράδειγμα, δυνατή η σημερινή διάδοση του internet.
Όλα τα ψηφιακά δεδομένα μπορούν να υποστούν συμπίεση, αλλά εκείνα που τη χρειάζονται περισσότερο είναι τα δεδομένα που αντιστοιχούν σε εικόνες και ήχους. Για παράδειγμα, μια ψηφιακή εικόνα μεγέθους 640 x 480 εικονοστοιχείων και 24 bitπληροφορίας χρώματος για κάθε εικονοστοιχείο έχει μέγεθος 7.372.800 bit, δηλαδή 900 kB. Μεγαλύτερες διαστάσεις εικόνας συνεπάγονται και μεγαλύτερα αρχεία. Παρομοίως, ένα δευτερόλεπτο ψηφιακού ήχου ποιότητας CD (2 κανάλια, 44.100 δείγματα το κάθε κανάλι, 16 bit το κάθε δείγμα) έχει μέγεθος 1.411.200 bit, δηλαδή 172 kB. Ένα τρίλεπτο τραγούδι με τέτοιο ψηφιακό ήχο έχει μέγεθος 30 MB.
Είναι φανερό ότι, για να περιορίσουμε το μέγεθος αυτών των αρχείων, πρέπει να τα συμπιέσουμε. Η συμπίεση στηρίζεται σε μια σειρά υπολογιστικών μεθόδων, από τις οποίες προκύπτει μια ομάδα δεδομένων, η οποία με τη σειρά της περιγράφει μια άλλη μεγαλύτερη ομάδα δεδομένων. Για να χρησιμοποιήσουμε τα συμπιεσμένα δεδομένα, πρέπει να ακολουθήσουμε την αντίστροφη διαδικασία, δηλαδή να τα "αποσυμπιέσουμε".
Υπάρχουν δύο κατηγορίες μεθόδων συμπίεσης δεδομένων, οι απωλεστικές και οι μη απωλεστικές. Με την πρώτη κατηγορία τα δεδομένα που παίρνουμε μετά την αποσυμπίεση δεν είναι ίδια με αυτά που είχαμε πριν τη συμπίεση. Αυτές τις μεθόδους τις χρησιμοποιούμε μόνο για συμπίεση αρχείων εικόνας και ήχου. Με τη δεύτερη κατηγορία τα δεδομένα παραμένουν ίδια πριν και μετά και γι' αυτό αυτές οι μέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε οποιοδήποτε τύπο δεδομένων. Μη απωλεστικές συμπιέσεις είναι οι RLE (αρ-ελ-ι), η LZW (ελ-ζετ-ντάμπλιγιου) και η Huffman (χάφμαν). Απωλεστικές συμπιέσεις είναι η JPEG (τζέι-πεγκ) που χρησιμοποιείται για αρχεία ακίνητης εικόνας, η MPEG(εμ-πεγκ) για αρχεία κινούμενης εικόνας (βίντεο) και η MP-3 (εμ-πι-τρία) για αρχεία ήχου.
Οι μη απωλεστικές μέθοδοι στηρίζονται όλες στον εντοπισμό σειρών από επαναλαμβανόμενα ψηφιακά δεδομένα, τα οποία το πρόγραμμα συμπίεσης αντικαθιστά με κάποιο "δείκτη". Η διαδικασία μπορεί να επεκτείνεται σε πολλαπλά επίπεδα και στο τέλος επισυνάπτεται στο συμπιεσμένο αρχείο ένας πίνακας, στον οποίο δηλώνονται οι αντιστοιχίες των δεικτών με τα δεδομένα που αντικαθιστούν. Βάσει αυτών των δεικτών το πρόγραμμα αποσυμπίεσης αναδημιουργεί τα αρχικά δεδομένα. Για παράδειγμα, από τη φράση "Νάτος ο κ. Καπάτος νάτος γεμάτος και φορτσάτος " ένα πρόγραμμα μη απωλεστικής συμπίεσης θα αντικαθιστούσε τους χαρακτήρες "άτος " με κάποιο άλλο σύμβολο (πχ. το #) και θα προέκυπτε το "Ν#ο κ. Καπ#ν#γεμ#και φορτσ#". Η αρχική φράση έχει 47 χαρακτήρες, ενώ η συμπιεσμένη 27. Αυτό αντιστοιχεί σε λόγο συμπίεσης 1,7:1.
Η μέθοδος RLE χρησιμοποιείται μόνο για συμπίεση αρχείων εικόνων, κυρίως μονόχρωμων σχεδίων, όπου έχει και τα καλύτερα αποτελέσματα. Οι μέθοδοι LZWκαι Huffman είναι γενικής χρήσης.
Αν και οι μη απωλεστικές μέθοδοι έχουν το πλεονέκτημα της ακριβούς ανάκτησης των δεδομένων μετά την αποσυμπίεση, συνήθως δεν επιτυγχάνουν λόγους συμπίεσης καλύτερους από 2:1 (50%). Στα αρχεία εικόνας και ήχου επιθυμούμε όμως λόγους συμπίεσης 10:1 ή καλύτερους. Για να πετύχουμε τέτοια αποτελέσματα, πρέπει να απορρίψουμε κάποια από τα αρχικά δεδομένα. Αυτό συνεπάγεται υποβάθμιση της ποιότητας των εικόνων και των ήχων που θα προκύψουν, η οποία όμως, ως ένα σημείο, δεν γίνεται αντιληπτή, εξαιτίας ορισμένων ιδιομορφιών στον τρόπο που λειτουργεί η όραση και η ακοή μας. Η επιτυχία κάθε μεθόδου εξαρτάται από το πόσο καλά εκμεταλλεύεται αυτές τις ιδιομορφίες, για να προσφέρει τον καλύτερο συμβιβασμό ποιότητας και συμπίεσης.
Η μέθοδος JPEG (JointPhotographicExpertsGroup) λειτουργεί μετατρέποντας αρχικά τις RGB πληροφορίες των εικονοστοιχείων της εικόνας σε πληροφορίες φωτεινότητας και χρωμικότητας του κόκκινου και του μπλε (YCrCb). Εκμεταλλευόμενη τη μειωμένη ευαισθησία της όρασης στα χρώματα, η μέθοδος χρησιμοποιεί υποδειγματοληψία και ελαττώνει τις πληροφορίες για τις χρωμικότητες στο μισό ή το ένα τέταρτο του αρχικού (μορφές 4:2:2 ή 4:2:0). Με τον τρόπο αυτό προκύπτει μια πρώτη συμπίεση των δεδομένων. Στη συνέχεια, η εικόνα χωρίζεται σε τμήματα μεγέθους 8 x 8 εικονοστοιχείων. Σε κάθε τέτοιο τμήμα εφαρμόζονται πολύπλοκοι μαθηματικοί μετασχηματισμοί και προκύπτουν 64 νούμερα που περιγράφουν τη φωτεινότητα και τη χρωμικότητα του κάθε εικονοστοιχείου της ομάδας. Οι μικρότεροι απ' αυτούς τους αριθμούς στρογγυλοποιούνται στο μηδέν. Όσο περισσότεροι αριθμοί μηδενιστούν τόσο μεγαλύτερη συμπίεση θα πετύχουμε και τόσο χειρότερη θα είναι η ποιότητα της τελικής εικόνας. Επειδή τα πολλά μηδενικά σχηματίζουν επαναλαμβανόμενες ομάδες, εφαρμόζεται στο τέλος και συμπίεση Huffman, η οποία δίνει το τελικό μικρό μέγεθος στα συμπιεσμένα αρχεία.
Με τη μέθοδο JPEG μπορούμε να πετύχουμε συμπίεση έως και 10:1, χωρίς αισθητή υποβάθμιση της ποιότητας της εικόνας. Με μεγαλύτερους λόγους συμπίεσης αρχίζουν να γίνονται εμφανή τα τμήματα 8 x 8, κυρίως στα σημεία όπου υπάρχουν απαλοί χρωματικοί τόνοι. Στο σχήμα 9-4 φαίνεται το παράδειγμα μιας εικόνας με συμπίεση 6:1 και 16:1, όπου μπορεί να παρατηρηθεί αυτό το φαινόμενο.
Η συμπίεση MPEG(MotionPicturesExpertsGroup) και οι εκδοχές της MPEG-1, MPEG-2 καθώς και η επερχόμενη MPEG-4 στηρίζονται στη μέθοδο JPEG, για να συμπιέσουν κινούμενη εικόνα, δηλαδή ψηφιακό βίντεο. Το MPEG βασίζεται στην παρατήρηση ότι η κινούμενη εικόνα αποτελείται από διαδοχικές ακίνητες εικόνες (πλαίσια) που διαφέρουν ελάχιστα μεταξύ τους. Έτσι, δεν είναι απαραίτητο να αποθηκεύονται ή να αποστέλλονται όλα τα δεδομένα κάθε επόμενου πλαισίου, αλλά μονάχα εκείνα που έχουν μεταβληθεί. Τα δεδομένα αυτά απαρτίζουν τα προβλεπτικά πλαίσια (P-Frames). Βέβαια, ανά τακτικά χρονικά διαστήματα στέλνονται και πλήρεις εικόνες, συμπιεσμένες κατά JPEG, για να καλύψουν τις ριζικές αλλαγές των σκηνών. Αυτές οι πλήρεις εικόνες ονομάζονται πλαίσια αναφοράς (I-Frames). Τέλος, για να καλυφθεί και η περίπτωση όπου τα κινούμενα αντικείμενα στην εικόνα αποκαλύπτουν άλλα αντικείμενα κρυμμένα πίσω τους, υπάρχουν από την έκδοση MPEG-2 και μετά τα προβλεπτικά πλαίσια διπλής κατεύθυνσης (B-Frames). Σ' αυτά περιέχονται οι πληροφορίες των διαφορών όχι μόνο από το προηγούμενο πλαίσιο, αλλά και από το επόμενο.
Τα παραπάνω πλαίσια διαδέχονται το ένα το άλλο σε μια σειρά της μορφής Ι Β Β Ρ Β Β Ρ …κλπ. Τα πλαίσια αναφοράς εμφανίζονται τουλάχιστο μια φορά το δευτερόλεπτο. Αν στην ταινία υπάρχει έντονη δράση, τα πλαίσια αναφοράς εμφανίζονται συχνότερα, για να καλύψουν τις απότομες αλλαγές των πλάνων και γι' αυτό ο ρυθμός ροής των δεδομένων στην κωδικοποίηση MPEG δεν είναι σταθερός. Η μέθοδος πάντως προβλέπει ένα ανώτατο όριο σ' αυτό το ρυθμό, για να εξασφαλίσει ότι η κωδικοποίηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου (πχ. ψηφιακές κάμερες).
Η μέθοδος MPEG είναι πολύ απαιτητική σε υπολογιστική ισχύ, αλλά ταυτόχρονα είναι πολύ αποδοτική στη συμπίεση. Υπολογίζεται, για παράδειγμα, ότι, ενώ ο λόγος συμπίεσης στα πλαίσια Ι είναι 7:1, στα πλαίσια Ρ ανεβαίνει στο 20:1, ενώ στα πλαίσια Β μπορεί να φτάσει και το 50:1. Η προδιαγραφή MPEG-2 περιλαμβάνει, εκτός από τα παραπάνω, και πρόβλεψη για συμπίεση πέντε καναλιών ήχου που συνοδεύουν την εικόνα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για πολυγλωσσικές εφαρμογές, για αναπαραγωγή περιβάλλοντος ήχου κλπ.
Η συμπίεση MP-3 (MPEGAudiolayer 3) για τα ηχητικά δεδομένα βασίζεται στην παρατήρηση ότι η ακοή μας δεν μπορεί να αντιληφθεί έναν ήχο που έχει γειτονική συχνότητα μ' έναν άλλον ισχυρότερο ήχο. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται "ηχητική σκίαση", γιατί ο δεύτερος ήχος "καλύπτει" τον πρώτο. Η ηχητική σκίαση είναι εντονότερη όσο πιο κοντά βρίσκονται οι συχνότητες των δύο ήχων και όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά στην έντασή τους.
Τα προγράμματα συμπίεσης MP-3 λαμβάνουν τα ψηφιακά δεδομένα για το πλάτος του ακουστικού σήματος στις διάφορες χρονικές στιγμές και με περίπλοκους μαθηματικούς μετασχηματισμούς υπολογίζουν το πλάτος του ακουστικού σήματος στις διάφορες συχνότητες (ανάλυση φάσματος). Στη συνέχεια, χωρίζουν το ακουστικό φάσμα σε 576 διαφορετικές περιοχές και εντοπίζουν μέσα σε κάθε περιοχή το πιο ισχυρό σήμα. Τα δεδομένα που αντιστοιχούν σε όλα τα άλλα σήματα απαλείφονται, γιατί, εφόσον σκιάζονται από το πιο ισχυρό, δε γίνονται ακουστά. Σ' αυτά που απομένουν εφαρμόζεται συμπίεση Huffman, για ακόμη μεγαλύτερη ελάττωση του αρχικού όγκου των δεδομένων.
Η συμπίεση MP-3 είναι ιδιαίτερα απαιτητική σε υπολογιστική ισχύ, αλλά η αναπαραγωγή (αποσυμπίεση) των αρχείων ήχου που παράγει είναι εύκολη. Αρχεία συμπιεσμένα κατά MP-3 φτάνουν λόγους συμπίεσης 20:1, χωρίς μεγάλη υποβάθμιση της ποιότητας του ήχου. Με το σύστημα MP-3 λειτουργεί εδώ και αρκετά χρόνια το Mini-Disk της Sony, ενώ ήδη κυκλοφορούν φορητές συσκευές που αναπαράγουν αρχεία M-3 αποθηκευμένα στη μνήμη τους, ακριβώς λόγω του μικρού μεγέθους αυτών των αρχείων.
9.6 Η τηλεόραση ως μέσο αμφίδρομης επικοινωνίας
Η τηλεόραση, με τη μορφή που οι περισσότεροι από εμάς γνωρίζουμε, είναι ένα μονόδρομο μέσο επικοινωνίας. Από τη στιγμή που θα συντονιστεί σε κάποιο τηλεοπτικό σταθμό, αναπαράγει σταθερά τη ροή του προγράμματός του, χωρίς δυνατότητα άλλης επέμβασης του θεατή σ' αυτό, πέρα από την αλλαγή του σταθμού. Το γεγονός αυτό κρίνεται αρνητικά από τους περισσότερους τηλεθεατές και προκαλεί αρκετά σχόλια σε βάρος της τηλεόρασης και των φορέων της.
Έχοντας αυτό υπ' όψη οι εταιρείες και οι οργανισμοί που δραστηριοποιούνται στο χώρο της τηλεόρασης προσπάθησαν σε αρκετές χώρες να προσφέρουν στους τηλεθεατές τη δυνατότητα να επεμβαίνουν στο πρόγραμμα που παρακολουθούν στις οθόνες τους και όχι απλώς να το επιλέγουν. Οι μέθοδοι και οι τεχνικές που προτείνονται για την πραγματοποίηση αυτού του σκοπού αναφέρονται γενικά ως "αμφίδρομη τηλεόραση". Το βασικό μοντέλο της αμφίδρομης τηλεόρασης περιγράφεται στο σχήμα 9-6.1.
Το "περιεχόμενο προγράμματος" και το "κανάλι προώθησης αλληλεπίδρασης" υπάρχουν και στα κλασσικά συστήματα τηλεόρασης. Το πρώτο αναφέρεται στη ροή του κοινού τηλεοπτικού προγράμματος, ενώ το δεύτερο υπάρχει εγκαταστημένο εδώ και αρκετά χρόνια με τη μορφή του τηλεκείμενου (teletext). Για να γίνει όμως η τηλεόραση αμφίδρομη, απαιτείται και το κανάλι επιστροφής της αλληλεπίδρασης. Μέσα απ' αυτό ο τηλεθεατής, αντιδρώντας στο περιεχόμενο του προγράμματος ή σε ερεθίσματα προερχόμενα από το κανάλι προώθησης αλληλεπίδρασης, στέλνει με τη βοήθεια κατάλληλου χειριστηρίου τις εντολές του στον τηλεοπτικό σταθμό και διαμορφώνει το περιεχόμενο του προγράμματος κατά τις επιθυμίες του.
Η εξασφάλιση του καναλιού επιστροφής αντιπροσωπεύει ένα αρκετά μεγάλο πρόβλημα για την αμφίδρομη τηλεόραση. Προτείνονται δύο βασικές υλοποιήσεις :
- Ασύρματη εκπομπή στην περιοχή των UHF, μέσω της υπάρχουσας κεραίας του δέκτη προς τοπικούς δέκτες συγκέντρωσης των εκπομπών επιστροφής ή μέσω ενός κυψελοειδούς συστήματος επικοινωνίας παρόμοιου με αυτό των κινητών τηλεφώνων.
- Καλωδιακή σύνδεση μέσα από συστήματα καλωδιακής τηλεόρασης ή μέσω των κοινών ή ISDN τηλεφωνικών συνδέσεων.
Κάθε λύση έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα και η επιλογή βασίζεται στην προϋπάρχουσα υποδομή. Εδώ φαίνεται ότι οι τηλεφωνικές συνδέσεις κερδίζουν το προβάδισμα, γιατί βρίσκονται εγκαταστημένες ουσιαστικά σε κάθε σπίτι, ακόμη και σε περιοχές που δε διαθέτουν προηγμένες τηλεοπτικές υπηρεσίες.
Η αμφίδρομη τηλεόραση είναι μια υπηρεσία συνδρομητική, που μπορεί να προσφέρει στους πελάτες της πλήθος από δυνατότητες, άγνωστες στην κοινή τηλεόραση. Έτσι, για παράδειγμα, οι συνδρομητές μπορούν να συμμετέχουν σε τηλεπαιχνίδια, να υποβάλλουν ερωτήσεις σε συνεντεύξεις, να συμμετέχουν σε ψηφοφορίες, να κάνουν τηλεαγορές και κυρίως να παραγγέλνουν τις τηλεοπτικές ταινίες που επιθυμούν να παρακολουθήσουν. Αυτή η τελευταία υπηρεσία της αμφίδρομης τηλεόρασης ονομάζεται "VideoOnDemand" (VOD, βίντεο κατά παραγγελία) και διαφημίζεται ως το πλέον ελκυστικό χαρακτηριστικό της.
Με την εμφάνιση της ψηφιακής τηλεόρασης νέες εφαρμογές προβλέπονται για τις αμφίδρομες υπηρεσίες. Έτσι, η τηλεόραση θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέσο περιήγησης στο διαδίκτυο (internet) και ως πύλη για τη μεταφορά ("κατέβασμα") προϊόντων λογισμικού. Η απαιτούμενη για όλα αυτά τεχνολογία βρίσκεται όμως ακόμη υπό εξέλιξη.
ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ
- Σ’ ένα ψηφιακό τηλεπικοινωνιακό σύστημα η πρός μετάδοση πληροφορία είναι πάντοτε διακριτά σύμβολα. Το πλήθος των διακριτών συμβόλων αποτελεί το ‘αλφάβητο’ της ψηφιακής πληροφορίας.
- Τα διακριτά σύμβολα κωδικοποιούνται κατάλληλα πρίν αποσταλούν στο τηλεπικοινωνιακό κανάλι. Η κωδικοποίηση γίνεται με τη χρήση ενός συνόλου δυαδικών συμβόλων (‘0’ ή ‘1’), που ονομάζονται bits. Το πλήθος των δυαδικών συμβόλων που απαιτούνται για την κωδικοποίηση εξαρτάται από τον αριθμό των διακριτών καταστάσεων της ψηφιακής πληροφορίας και ονομάζεται ποσότητα απόφασης επιλογής (decisioncontent).
- Πριν τη μετάδοση αναλογικών σημάτων ήχου και εικόνας με ψηφιακό τηλεπικοινωνιακό σύστημα απαιτείται η διαδικασία της δειγματοληψίας και κωδικοποίησης του σήματος. Πρόκειται για τη διαδικασία που επιτρέπει να αντικαταστήσουμε το αρχικό βασικό αναλογικό σήμα, χωρίς να χάσουμε πληροφορία μ’ ένα νέο ψηφιακό σήμα που προσφέρεται για μετάδοση με ψηφιακό σύστημα.
- Ένα τηλεπικοινωνιακό κανάλι περιορισμένης φασματικής ζώνης θέτει πάντοτε περιορισμούς στο μέγιστο ρυθμό μετάδοσης συμβόλων που επιτρέπει να έχουμε ανά μονάδα χρόνου. Αυτοί οι περιορισμοί καθορίζονται από τα κριτήρια Nyquist και Shannon. Εξαρτώνται από το διαθέσιμο φασματικό εύρος Β και τη σχέση ισχύων ωφέλιμου σήματος προς θόρυβο (S/N).
- Η μετάδοση ψηφιακών συμβόλων στο τηλεπικοινωνιακό κανάλι απαιτεί τη διαμόρφωση κάποιου φέροντος σήματος. Χρησιμοποιούνται πολλά είδη διαμόρφωσης, διαμόρφωση πλάτους, συχνότητας και φάσης (πρόκειται για ψηφιακές διαμορφώσεις ημιτονικού φέροντος).
- Οι ψηφιακές διαμορφώσεις ημιτονικού φέροντος πραγματοποιούνται με απλά δυαδικά σύμβολα ‘0’ ή ‘1’ (δύο στάθμες, ΟΟΚ, FSK, BPSK) ή με κωδικοποιημένη πληροφορία από περισσότερα bits (Κ στάθμες, QPSK, QAMκ.λ.π.).
- Συγκρίνοντας τις διαμορφώσεις OOK, FSKκαι PSK, η τελευταία παρουσιάζει καλύτερες επιδόσεις στο φάσμα και ως προς τη σχέση σήματος προς θόρυβο.
- Το τηλεκείμενο (teletext) είναι ένα σύστημα που εκπέμπει πληροφορίες μαζί με το τηλεοπτικό σήμα. Οι πληροφορίες μπορούν να εμφανιστούν στην οθόνη των τηλεοπτικών δεκτών που διαθέτουν τον κατάλληλο αποκωδικοποιητή.
- Οι πληροφορίες εκπέμπονται κατά τη διάρκεια των κατακόρυφων παλμών αμαύρωσης. Είναι δυαδικοί παλμοί που κωδικοποιούν με τον κώδικα ASCIIσύμβολα, αριθμούς και γράμματα της αλφαβήτου. Όταν αποκωδικοποιηθούν στο δέκτη, απεικονίζουν κείμενα και απλά σχέδια στην οθόνη.
- Η τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας (HDTV) χρησιμοποιεί ευρύτερη οθόνη και περισσότερες γραμμές σάρωσης από την κοινή τηλεόραση. Υπάρχουν σε λειτουργία ένα ιαπωνικό και ένα αμερικανικό σύστημα HDTV. Το πρώτο είναι αναλογικό και το δεύτερο ψηφιακό.
- Για ελάττωση της ποσότητας των μεταδιδόμενων ψηφιακών πληροφοριών χρησιμοποιούμε μεθόδους συμπίεσης ψηφιακών δεδομένων. Υπάρχουν απωλεστικές και μη απωλεστικές μέθοδοι.
- Για συμπίεση ψηφιακών πληροφοριών εικόνας και ήχου χρησιμοποιούμε απωλεστικές μεθόδους συμπίεσης. Επικρατέστερες είναι η JPEG για συμπίεση αρχείων ακίνητων εικόνων, η MPEG για συμπίεση αρχείων κινούμενων εικόνων (βίντεο) και η MP-3 για συμπίεση αρχείων ήχου.
- Η αμφίδρομη τηλεόραση επιτρέπει στους τηλεθεατές να επεμβαίνουν στο πρόγραμμα που παρακολουθούν. Για να μπορεί να γίνει αυτό, πρέπει να υπάρχει τηλεπικοινωνιακή σύνδεση μεταξύ κάθε τηλεθεατή και του τηλεοπτικού σταθμού που αυτός παρακολουθεί. Αυτή η σύνδεση μπορεί να είναι είτε ενσύρματη είτε ασύρματη.
