Od videokonferencí k Ultra HD: Vývoj evropského digitálního televizního vysílání a standardů

Kdo nezná minulost, neporozumí přítomnosti. Posledních asi 30 až 40 let doznaly vysílací technologie takových změn, že určitě nezaškodí udělat si malý přehled o jejich vývoji.

I když po celou dobu vidíme snahy o celosvětové sjednocení používaných technik a standardů, dosud se to nepodařilo. Nejen v legislativě, ale také v technice stále praxe předbíhá normalizaci.

Doba předdigitální

V Evropě 80. let minulého století se televizní vysílání šířilo, jak barevně v PAL, PAL+, SECAM, tak i s černobílými pozůstatky s různým počtem řádků (405, 625, 819). TV standardy byly politickou záležitostí, neboť i tehdy již představovaly podporu vlastnímu průmyslu. Příkladem je naše země, kde rozhodnutím nejvyšších orgánů bylo zavedení soustavy SECAM na výstupu z televizního studia, přičemž celé vnitřní zpracování bylo připraveno i z pohledu jednoduššího režijního zpracování v PAL.

Nejednotnost a snaha o zvýšení kvality se staly podnětem k zavádění standardů MAC (Multiplexed Analogue Componets) – analogově-digitální rodině systémů. Tyto standardy začala Evropská hospodářská komise direktivně zavádět od roku 1986 pro kabelové a začínající satelitní vysílání. To vyvrcholilo v roce 1992 zavedením HD-MAC (1152 řádků/50 snímků) a D2-MAC jako závazné pro satelitní vysílání. I přes masivní propagaci těchto systémů (na OH 1992 v Albertville a Barceloně), nakonec tyto systémy skončily na hřbitově technických dějin v důsledku toho, že se na družice dostal dříve PAL.

Ilustrační obrázek k HEVC a ITU-RBT.601 (koláž: autor).

Stavební kameny digitální televize

První návrhy komplexního digitálního systému však začaly již v roce 1980. Výzvou bylo najít systém, který by byl použitelný všemi, ale nezvýhodňoval by žádný ze stávajících analogových systémů.

Systém „win-win“ byl potřebný. To umožnily dvě průlomové myšlenky – použití „komponentního kódování“ a volba vzorkovací frekvence jasového signálu, která byla společným násobkem řádkových frekvencí všech analogových systémů. Základní krok k rozvoji digitální televize pak byl učiněn již v roce 1982, kdy byl schválen světový standard CCIRRec. 601 (dnes ITU-RBT.601), definující parametry kódování digitální televize pro televizní studia. Standard využívá vzorkovací kmitočet 13,5 MHz pro jasový signál a poloviční vzorkovací kmitočet pro chrominanční signály CB a CR (systém 4:2:2), 720 vzorků na aktivním řádku kódovaných osmi příp. 10 bity. Tyto parametry byly a jsou společné pro systémy 625/50 i 525/60 a zůstávají základem i pro nynější standardy HDTV (zdroj: Ing. Dušan Líška, Sborníky přednášek z konference Radiokomunikace 2007-2014, Sdělovací technika 4 a 8/2013).

Digitální signály obvykle pocházejí z analogového zdroje, který je převede na číslice. Některé jemné detaily přítomné v analogovém signálu jsou sice při této konverzi ztraceny v důsledku nekonečného počtu možností, ale jedná se o signály nekomprimované v plné kvalitě. Analogový signál je převeden na konečnou sadu čísel, kterou lze uložit a přenášet mnoha různými způsoby, ale obecně přijímaným formátem v profesionální televizi je sériové digitální rozhraní (SDI), poprvé standardizované v roce 1989 jako SMPTE 259M. Obdobou je ITU-R BT.656. Tyto standardy jsou základem pro digitální zpracování videa ve studiové výrobě s rychlostí 270 Mb/s pro standardní rozlišení signálů PAL a NTSC.

Popisují jednoduchý protokol založený na 4:2:2 kódování videa – definovaném právě v původní Rec. 601. Dnes tvoří základ ve studiové technice HD-SDI podle SMPTE 292M s nominální bitovou rychlostí 1,5 Gb/s. S rostoucími požadavky na vyšší rozlišení videa (UHDTV), snímkovou frekvenci (HFR), vyšší dynamický rozsah (HDR) a širší barevný rozsah (WCG) zavedl standard SMPTE 424M (ITU-R BT.1120-7) 3G-SDI interfaceo nominální rychlosti 3 Gb/s pro systémy HDTV 1080p. Pro Ultra HD je to však málo. Jen přechod z prokládaného řádkování na progresivní si vyžádal 3G-SDI, čtyř násobné rozlišení pak 12G-SDI, který již byl standardizován v roce 2015 jako SMPTE 2022-7. Pro vnitřní studiovou distribuci je tak nutno budovat infrastrukturu vyžadující čtyř násobnou kabeláž, převodníky a synchronizaci pro přenos v reálném čase. IP infrastruktura, která dnes proniká všude, umožňuje běžně použití deseti gigabitového ethernetu (10 GbE), ale některé UHDTV2 (4320p s HFR) by vyžadovaly ethernet až se 400 Gb/s. Na tomto výhledu do budoucnosti se intenzivně pracuje, jak zaznělo na výroční konferenci SMPTE v říjnu 2015 a dnes již existují řešení firem s využitím malých převodníků SFP+ pro 10 GbE.

Rastrový formát videa podle doporučení BT. 601 byl také následně používán v řadě pozdějších standardů, včetně komprimovaných formátů ISO/IEC MPEG a ITU-T H.26x. První praktická využití kódování komponentních televizních signálů byla pro kontribuční kvalitu na trasách podle ETSI 300 174 z roku 1992, se symetrickým řešením kodér–dekodér. Tento standard byl základem synchronních sítí SDH s přenosovou kapacitou 34 Mb/s. Pro spotřebitelské aplikace – přijímače – bylo toto řešení příliš nákladné a tak se postupně zavedla řešení nesymetrická – drahý kodér/levný dekodér. Profesionální komprimované formáty také používají barevné vzorkování 4:2:2, zatímco pro běžné spotřebitele distribučních/vysílacích sítí je chroma sampling redukovánna 4:2:0.

Přehled vývoje kompresních standardů: skupiny MPEG a VCEG.

Kompresní formáty zdrojového kódování

Současná generace používaných kompresních technologií byla vyvinuta společně ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG) a ITU-T Video CodingExperts Group (VCEG) a je založena na ztrátové kompresi videa a audia.

Výše uvedená tabulka uvádí přehled vývoje a data publikací jednotlivých standardů a je doplněna i těmi, které přímo nesouvisí s distribucí televizních kanálů. V tabulce nejsou uvedeny standardy, které byly standardizovány SMPTE (VC-1 nebo WMV9) nebo další jako VP8 a VP9.

Vývoj kompresních standardů (tzv. McCannovo pravidlo). Levá strana grafu představuje typickou bitovou rychlost potřebnou pro formát 720p, pravá osa rychlost pro Full HD, 1080p (zdroj: Ing. Dušan Líška, Sborníky přednášek z konference Radiokomunikace 2007-2014, Sdělovací technika 4 a 8/2013).

Účinnost, resp. požadavek na stejnou kvalitu při nižší bitové rychlosti, se s každým novým standardem zvyšuje 2x, resp. bitová rychlost se snižuje. Názorně to představuje tzv. McCannovo pravidlo říkající, že „bitová rychlost potřebná k dosažení určité kvality videa se snižuje na polovinu každých deset let.“

Následně bylo revidováno tak, že „bitová rychlost potřebná k dosažení dané kvality videa se snižuje na polovinu po sedmi letech.“

Z této logiky vyplývá, že HEVC/H.265/MPEG-H part. 2 je stále nejefektivnější zdrojové kódování. Efektivita tohoto kodeku spočívá v zavedení větší velikosti makrobloků až o velikosti 64 x 64 pixelů, takže větší plochy mohou být popsány výhodněji než u jeho předchůdce a šetřit tím datový tok.

HEVC je mnohem flexibilnější a umožňuje predikci pro málo členité části obrazu. K tomu přispívá schopnost pracovat celkem ve 35 směrech s různými rozměry bloků využívaných k predikci. Další změna spočívá v doplnění profilů a úrovní. V tabulce připojené níže, „HEVC – vztah mezi některými úrovněmi…“, jsou pro ilustraci uvedeny maximální hodnoty předepsané pro různé úrovně (level) pro profily s 8 bitovým vzorkováním (Maintier) nebo 10 bitovým vzorkováním (Hightier). Jednotlivé vrstvy určují pouze maximální bitovou rychlost pro maximální velikost obrazové paměti v dekodérech. Úrovně odpovídají typickým příkladům rozlišení.

HEVC – vztah mezi některými úrovněmi, video formáty a profily (zdroj: Ing. Dušan Líška, Sborníky přednášek z konference Radiokomunikace 2007-2014, Sdělovací technika 4 a 8/2013).

HEVC je zaměřen na HDTV displeje a další zobrazovací systémy nové generace, které mají progresivní skenované snímkové frekvence a rozlišení zobrazení od QVGA (320 x 240 bodů) do 4320p (7680 x 4320 bodů), a také zlepšenou kvalitu obrazu, pokud jde o úroveň šumu, barevný prostor, dynamiku a rozsah.

Složitá licenční struktura pro použití HEVC způsobila, že nové segmenty na mediálním trhu – OTT streamování videa – se zdráhaly jej implementovat. Vznikla proto AOMedia (Aliance pro otevřená média), což je neziskové konsorcium pro vývoj bezlicenčních technologiíí. Prvním projektem této skupiny je nový otevřený video kodek a formát AV1 bez licenčních poplatků.

Kodek AV1 je podporován některými významnými technologickými společnostmi: Amazon, Apple, ARM, Cisco, Facebook, Google, IBM, Intel, Microsoft, Mozilla, Netflix a Nvidia. I když tento kodek je novější a představuje asi 30 % úsporu pásma (bitové rychlosti), vzhledem ke složitému hardwaru je nevhodný pro nasazení v reálném čase.

Ovšem na dalším vývoji nového standardu skupiny MPEG se usilovně pracuje, přičemž základní bezlicenční profil pod názvem MPEG-5 EVC (Essential Video Coding) by měl být publikován začátkem příštího roku se zlepšeným výkonem komprese i když oproti HEVC jen o 24 %.

Další standard s názvem H.266/MPEG/VVC (Versatil Video Coding), s cílem zlepšení o 50 %, by měl být zveřejněn v říjnu příštího roku. Očekává se proto, že nový standard bude publikován v roce 2020, ať to bude VVC od skupiny MPEG/VCEG nebo od nově založené MC-IF (Media Coding Industry Forum) MPEG-5 EVC. Z praxe je známo, že dnes funkční tři standardy byly vždy po jednom roce začleněny do specifikací DVB a první vysílací služby byly spuštěny po dalším roce.

Jestliže v listopadu 2019 přejdeme na nový způsob vysílání s kódováním H.265/HEVC, musíme ocenit předchozí rozhodnutí používat tento kodek, který zůstává nejefektivnější kompresní technologií dneška a minimálně po dobu nejméně dalších 2-3 let.

V další části o vývoji digitálního vysílání popíšeme, jak se vyvíjely vysílací standardy DVB, dnes nejrozšířenějšího systému na světě.

Vstup do Diskuse

2 komentáře: “Od videokonferencí k Ultra HD: Vývoj evropského digitálního televizního vysílání a standardů”

  1. mirasat napsal:

    Je nějaký důvod, proč v tabulce: Přehled vývoje kompresních standardů: skupiny MPEG a VCEG, je u poslední položky uvedeno MPEG-H až na konci označení. Navíc má buňka malou šířku. Mám pocit, že MPEG-H je sprosté slovo….
    Co se týká pozemního televizního vysílání v ČR, vystačíme si prozatím s tímto.
    https://dvbt2.webnode.cz/_files/200000115-c4c33c5c04/4-4.jpg

    • Bohumil Herwig napsal:

      pro Mirasat od autora: Díky za upozornění na špatné zobrazení šířky buněk v tabulce. Opravili jsme. Důvod pro uvedení MPEG-H na posledním místě je ten, že toto označení se nejméně používá, zřejmě proto, aby nedocházelo k záměně s vysílacím standardem DVB-H pro mobily. Vaše tabulka je sice pěkně názorná, ale není možno přiřazovat vysílací standardy (DVB-x) kompresním standardům pro video. Jsou to dvě nezávislé technologie, které je možno vzájemně kombinovat (viz Velká Británie:DVB-T2 s MPEG-4). Navíc uvedený název kodeku „VC“ je pravděpodobně jen zkratka autora, protože existuje jen nejblíže podobné označení „VC-1“, což je kodek podle standardu SMPTE 421M používaný ve Windows Media Video (wmv) jako uzavřený od firmy Microsoft a ve vysílacích standardech se nepoužívá.

Napsat komentář