Hoe werkt het?

De techniek

Om auto te rijden hoef je niet te weten hoe een verbrandingsmotor werkt. Zo is het ook bij televisie, om het te gebruiken hoef je niet te weten hoe het werkt. Maar voor diegene die toch iets meer wil weten een kleine inleiding over de techniek.

Het is onmogelijk om op een website alle techniek achter digitale (kabel)televisie uit te leggen. Ten eerste omdat ik het zelf ook niet allemaal snap, en ten tweede omdat daar duizenden pagina's (en jaren studie) voor nodig zouden zijn. Dus dit is een kort overzicht, met wat verwijzingen voor als je meer wilt weten.

Een digitaal TV Beeld

Een televisiebeeld is in Europa bestaat uit 25 beeldjes per seconde.Elk beeldje is opgebouwd uit 625 horizontale lijnen. Daarvan zijn er een aantal niet te zien, die worden gebruikt voor dingen als teletekst.

Nu willen we dit beeld digitaal gaan maken. In verticale richting zouden we dan 625 pixels nodig hebben, maar omdat niet alle beeldlijnen zichtbaar zijn hebben we aan 576 pixels genoeg. Hoeveel in horizontale richting? Als we uitgaan van de gewone 4:3 verhouding zouden we uitkomen op 576*4/3 = 768 pixels. Maar een pixel hoeft niet vierkant te zijn. Er is gekozen om in horizontale richting 720 pixels te gebruiken, zodat elke pixel 1,06 keer zo breed is als hoog.

Hoeveel bits zijn er nodig per pixel om alle kleuren goed weer te kunnen geven? Bij computers worden voor de kleuren rood, groen en blauw elk 8 bits gebruikt, dus totaal 3 bytes. Bij televisie is het in werkelijkheid iets anders, maar dat negeren we maar even.

En dan willen we natuurlijk ook stereogeluid in CD kwaliteit, dus 44,1 kHz sample-rate.

In totaal wordt dat dan 25*576*720*3 = 31.104.000 bytes per seconde voor het beeld. En voor het geluid komen daar nog 176.400 bytes bij. Dat maakt een totaal van 31.280.400 bytes per seconde, oftewel 240 MBits/s. In werkelijkheid is het 270 MBits per seconde, dit rekensommetje is maar een benadering. TV gebruikt bijvoorbeeld een heel andere methode om kleuren weer te geven dan RGB. Maar al met al is dat veel data voor één zender...

De werkelijke manier om een analoog beeld te digitaliseren. Hier komt de 270 MBits per seconde vandaan voor profesionele video, er worden 10 bits per sample gebruikt om kleuren weer te geven. Plaatje www.tektronix.com

Compressie

Om deze enorme hoeveelheid data te verkleinen gebruiken we compressie. Er zijn twee soorten compressie, lossless, en lossy. Lossless is wat in een .zip file gebruikt wordt. Het betekent dat uitgepakt precies het origineel terug komt. Dat is belangrijk voor programma's en teksten. Voor plaatjes en geluid mag best iets informatie verloren gaan, zolang we het verschil niet horen of zien. Dat is lossy compressie.

JPEG

JPEG staat voor de Joint Photographic Experts Group. Een JPEG plaatje is vooral goed te gebruiken voor het opslaan van foto's. Het maakt gebruik van de beperkingen van het menselijk oog om foto's gecomprimeerd op te slaan. Oftewel als je het toch niet kunt zien kan het weggelaten worden. Het oog kan veel scherper verschillen in helderheid zien, dan verschillen in kleur. Dus bij randen in een foto kan de kleur een paar pixels afwijking hebben, als de helderheid maar goed is en toch denk je dan een scherpe foto te zien. Bij JPG kan je ook spelen met de kwaliteit, je kan zelf regelen of je een klein, maar onscherp. of een groot, maar scherpe foto wilt. Hiernaast zie je een plaatje met file size 18,171 Bytes. Dit geeft een hoge kwaliteit, waarbij het verschil met het origineel nauwelijks te zien is. Een ongecomprimeerd plaatje zou 353,512 Bytes kosten.

Voorbeeld van hetzelfde plaatje, met dezelfde resolutie, maar lage kwaliteit. Dit plaatje kost 1,737 Bytes, is dus veel makkelijker te versturen.

MPEG

De naam MPEG (Moving Picture Experts Group) lijkt niet voor niets op de van JPEG, het is een uitbreiding daarvan. Wat kan voor stilstaande beelden kan ook voor bewegende beelden, en voor geluid. Daarvoor hebben ze verschillende standaarden ontwikkeld, en men is begonnen met MPEG1. Dit is een verzameling van standaarden, voor beeld, geluid, en ook hoe je die gelijk kunt laten lopen. Deze standaard is vooral gebruikt on Video CD's (VCD). Op een gewone CD van 650 MB kan daarmee 74 minuten film (met geluid) gezet worden. De kwaliteit is vergelijkbaar met VHS, het beeld bijv. is 352 x 288 pixels, met een data-rate van 1150 kbit/sec. Voor geluid blijft dan 224 kbit/sec over, met een samplerate van 44.1 kHz. Zie http://www.videohelp.com/vcd

MPEG gebruikt een aantal truuks om de hoeveelheid data te verkleinen. Allereerst worden technieken zoals JPEG gebruikt om losse plaatjes kleiner te maken. Dat betekent details die nauwelijks zichtbaar zijn weglaten. Deze beeldjes zijn zelfstandig over te sturen en te decomprimeren, en zijn bekend als I-frames (Intra).

Verder is het verschil tussen opvolgende beelden bij TV vaak niet zo groot. MPEG maakt daarvan gebruik door 'het verschil' met het vorige beeldje te berekenen, dit te comprimeren en dat te versturen.. Om een dergelijk beeldje (P-frame, Predicted)) op te bouwen heb je dus ook het vorige beeldje nodig. En als dat ook een P-Frame is ook het beeldje daarvoor, enzovoort. Om toch een beginpunt te hebben moet er af-en-toe een I-Frame verstuurd worden. Dit is waarom een decoder soms even nodig heeft om beeld te laten zien als naar een andere zender overgeschakeld wordtm er moet gewacht worden op eeh I-Frame.

Nog meer compressie kan bereikt worden door behalve het vorige, ook het volgende beeldje in de berekening mee te nemen. Zo krijgen we de B-Frames (Bidirectional). Om deze te berekenen moeten we het vorige en het volgende beeldje weten. Dat klinkt niet logisch, hoe kan je nou vergelijken met iets in de toekomst. Het betekent dat het signaal iets vertraagd moet worden in buffers om deze berekeneningen te kunnen maken, en ook dat de volgorde waarin beeldjes verzonden wordt aangepast wordt.

Plaatje www.tektronix.com

Audio

Met geluid kan je ook truukjes uithalen, door zachte geluiden weg te laten als op dat moment een ander hard geluid te horen is. MPEG heeft daarvoor 3 levels (lagen) gedefinieerd, 1, 2 en 3. Een decoder die level 2 kan decoderen kan ook level 1 decoderen, en een decoder die level 3 aan kan, kan ook 2 en 1 decoderen. Digitatel televisie maakt alleen gebruik van max. level 2.

MP3

MP3 zou je eigenlijk moeten schrijven als MPEG-1 Audio Layer 3. Het is maar één van de onderdelen van de MPEG standaard. Maar wel een van de allerbekendste, dit is het formaat dat veel gebruikt wordt op internet voor muziek uitwisseling. Er zijn dus ook een layer 1 en 2, die zijn bedoeld voor een hogere bitrate.

MPEG2

MPEG 2 heeft een aantal verbeteringen; het kan nu ook interlaced video aan, en de bitrate kan variabel zijn. Dit is erg handig om ruimte te besparen, bijv. op een DVD. Voor een langzame scene met weingi details kan dan weinig data gebruikt worden (bijv. 1 Mb/s), en voor actiescene's met veel details en beweging kan dit oplopen tot 10 Mb/s. Zo kun je besparen en toch een hoge kwalitiet houden waar nodig.

Ook zijn er meer mogelijkheden voor geluid, het is ook mogelijk om een Dolby Digitaal geluidsspoor mee te nemen.

Helaas is MPEG-2 geen open standaard, je kunt dus niet zomaar de specificaties op internet donwloaden. (Maar als je zoekt bij google met de woorden 13818 en pdf kom je als je echt wilt nog wel ergens een PDF tegen met een draft versie. Er zijn meerdere onderdelen, o.a.; 13818-1 (The MPEG-2 Systems Specification), 13818-2 (The MPEG-2 Video Specification) en 13818-3 (The MPEG-2 Audio Specification). Nogal droge stof.

In MPEG2 zijn levels en profiles gedefinieerd. De levels geven aan welke resolutie, framerate en bitrate gesupport worden. De profiles geven aan welke algorithmes ondersteund worden. Voor digitale TV zie je soms (MP@ML), dat betekent Main Profile at Main Level. Dat betekent een resolutie van 720x576 met max. 30 frames per seconde, en een max. bitrate van 15 Mbps.