Множественное кодирование выборки суб-Найквиста

Аналоговый стандарт телевидения высокой четкости 1980-х годов

MUSE ( множественное кодирование суб-найквиста ), ^[1] коммерчески известное как Hi-Vision (сокращение от HI gh-definition tele VISION ) ^[1] — японская аналоговая телевизионная система высокой четкости , усилия по проектированию которой начались еще в 1979 году. ^[2 ]

Он использовал чересстрочную развертку и цифровое сжатие видео для доставки в дом сигналов 1125 строк и 60 полей в секунду (1125i60) ^{[2] .} Система была стандартизирована в соответствии с рекомендацией ITU -R BO.786 ^[3] и указана в SMPTE 260M, ^[4] с использованием колориметрической матрицы, указанной в SMPTE 240M. ^[5] Как и в других аналоговых системах, не все линии несут видимую информацию. На MUSE имеется 1035 активных чересстрочных линий, поэтому эту систему иногда упоминают еще как 1035i . ^[6] Он использовал двумерную фильтрацию, чересстрочную развертку, компенсацию вектора движения и линейно-последовательное кодирование цветов со сжатием времени, чтобы «сложить» исходный исходный сигнал с полосой пропускания 20 МГц всего лишь до 8,1 МГц.

Япония начала широкополосное аналоговое вещание HDTV-сигналов в декабре 1988 года ^[7] первоначально с соотношением сторон 2:1. Для создания контента для системы MUSE использовалась видеосистема высокой четкости Sony HDVS . ^[2] К моменту коммерческого запуска в 1991 году цифровое телевидение высокой четкости уже находилось в стадии разработки в США . Hi-Vision в основном транслировался NHK через спутниковый телеканал BShi .

20 мая 1994 года Panasonic выпустила первый проигрыватель MUSE LaserDisc . ^[8] Также было доступно несколько плееров других брендов, таких как Pioneer и Sony.

Hi-Vision продолжала аналоговое вещание до 2007 года.

История

MUSE была разработана исследовательскими лабораториями NHK Science & Technology в 1980-х годах как система сжатия сигналов Hi-Vision HDTV.

• Японские инженеры радиовещания сразу же отказались от традиционного вещания в боковой полосе .
• С самого начала было решено, что MUSE будет форматом спутникового вещания, поскольку Япония экономически поддерживает спутниковое вещание.

Исследование модуляции

• Японские инженеры радиовещания уже некоторое время изучают различные типы вещания HDTV. ^[9] Первоначально предполагалось, что для передачи HDTV необходимо будет использовать SHF , EHF или оптоволокно из-за широкой полосы пропускания сигнала, а для наземного вещания будет использоваться HLO-PAL. ^{[10] [11]} HLO-PAL представляет собой традиционно сконструированный составной сигнал (основанный на яркости и цветности, такой как NTSC и PAL), в котором используется кодирование широкополосных/узкополосных компонентов цветности с чередованием фазы по строкам со смещением несущей на половину строки . Только самая нижняя часть широкополосной составляющей цветности перекрывала высокочастотную цветность. Узкополосная цветность была полностью отделена от яркости. PAF, или фазовое чередование по полю (как и первое испытание системы цветности NTSC), также экспериментировало, и оно дало гораздо лучшие результаты декодирования, но NHK отказалась от всех систем составного кодирования. Из-за использования спутниковой передачи следует использовать частотную модуляцию (FM) с проблемой ограничения мощности. FM вызывает треугольный шум, поэтому, если с FM используется составной сигнал с поднесущими, демодулированный сигнал цветности имеет больше шума, чем яркость. По этой причине они рассмотрели ^[12] другие варианты и решили ^[10] использовать компонентное излучение для спутника. В какой-то момент казалось, что будет выбрана система сжатия I/P преобразования FCFE (Frame Conversion Fineness Enhanced) ^{[13] , но в конечном итоге выбор пал на MUSE. [14]} ${\displaystyle Y}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle Y/C}$
• Была исследована раздельная передача и компоненты. Формат MUSE, который передается сегодня, использует разделенную компонентную сигнализацию. Улучшение качества изображения было настолько значительным, что оригинальные тестовые системы были отозваны. ${\displaystyle Y}$ ${\displaystyle C}$
• Была сделана еще одна настройка энергосбережения: отсутствие визуальной реакции на низкочастотный шум позволяет значительно снизить мощность транспондера, если более высокие видеочастоты подчеркиваются перед модуляцией на передатчике и уменьшаются на приемнике.

Технические характеристики

«1125 строк» ​​MUSE — это аналоговое измерение, которое включает в себя линии сканирования , не связанные с видео , когда электронный луч ЭЛТ возвращается в верхнюю часть экрана, чтобы начать сканирование следующего поля. Только 1035 строк содержат информацию об изображении. Цифровые сигналы учитывают только те строки (ряды пикселей), которые имеют реальную детализацию, поэтому 525 строк NTSC становятся 486i (округляются до 480 для совместимости с MPEG), 625 строк PAL становятся 576i, а MUSE — 1035i. Чтобы преобразовать полосу пропускания Hi-Vision MUSE в «обычное» горизонтальное разрешение (как используется в мире NTSC), умножьте 29,9 строк на МГц полосы пропускания. (NTSC и PAL/SECAM составляют 79,9 строк на МГц) — этот расчет в 29,9 строк работает для всех современных систем HD, включая Blu-ray и HD-DVD. Таким образом, для MUSE во время неподвижного изображения разрешение строк будет следующим: 598 строк разрешения яркости на высоту изображения. Разрешение цветности: 209 строк. Измерение горизонтальной яркости примерно соответствует вертикальному разрешению чересстрочного изображения 1080, если учитывать коэффициент Келла и коэффициент чересстрочной развертки.

Ключевые особенности системы MUSE:

• Строки развертки (всего/активные): 1125/1035 ^[5]
• Пикселей на строку (полная интерполяция): 1122 (неподвижное изображение)/748 (движущееся)
• Эталонные периоды тактов: 1920 на активную линию ^[5]
• Чересстрочное соотношение: 2:1 ^[5]
• Соотношение сторон 16:9 ^[5]
• Частота обновления: 59,94 или 60 кадров в секунду ^[5]
• Частота дискретизации для вещания: 16,2 МГц.
• Векторная компенсация движения: по горизонтали ± 16 отсчетов (тактовая частота 32,4 МГц)/кадр, по вертикали ± 3/поле.
• Аудио: дискретная 2- или 4-канальная цифровая аудиосистема «DANCE»: 48 кГц/16 бит (2-канальное стерео : 2 передних канала)/32 кГц/12 бит (4-канальное объемное звучание : 3 передних канала + 1 задний канал)
• Формат сжатия звука DPCM: квазимгновенное компандирование DPCM.
• Требуемая полоса пропускания: 27 МГц ^[1]

Колориметрия

Сигнал яркости MUSE кодирует , заданный как следующая смесь исходных цветовых каналов RGB: ^[3] ${\displaystyle Y}$ ${\displaystyle YM}$

${\displaystyle {\begin{aligned}YM=0.294\,R+0.588\,G+0.118\,B\end{aligned}}}$

Сигнал цветности кодирует и разностные сигналы. Используя эти три сигнала ( , и ), приемник MUSE может получить исходные компоненты цвета RGB, используя следующую матрицу: ^[3] ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle B-YM}$ ${\displaystyle R-YM}$ ${\displaystyle YM}$ ${\displaystyle B-YM}$ ${\displaystyle R-YM}$

${\displaystyle {\begin{aligned}{\begin{bmatrix}G\\B\\R\end{bmatrix}}\ =\ {\begin{bmatrix}1&-1/5&-1/2\\1&1&0\\1&0&1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}1&0&0\\0&5/4&0\\0&0&1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}YM\\B-YM\\R-YM\end{bmatrix}}\ =\ {\begin{bmatrix}1&-1/4&-1/2\\1&5/4&0\\1&0&1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}YM\\B-YM\\R-YM\end{bmatrix}}\end{aligned}}}$

В системе использовалась колориметрическая матрица, определенная SMPTE 240M ^{[5] [15] [16]} (с коэффициентами, соответствующими основным цветам SMPTE RP 145, также известным как SMPTE-C , которые использовались на момент создания стандарта). ^[17] Цветность основных цветов и точка белого: ^{[16] [5]}

Функция яркости ( ) задается как: ^[5] ${\displaystyle EY}$

${\displaystyle {\begin{aligned}EY=0.212\,ER+0.701\,EG+0.087\,EB\end{aligned}}}$

Разница синего цвета ( ) масштабируется по амплитуде ( ) согласно: ^[5] ${\displaystyle EPB}$ ${\displaystyle EB-EY}$

${\displaystyle {\begin{aligned}EPB=1.826\,(EB-EY)\end{aligned}}}$

Разница красного цвета ( ) масштабируется по амплитуде ( ) согласно: ^[5] ${\displaystyle EPR}$ ${\displaystyle ER-EY}$

${\displaystyle {\begin{aligned}EPR=1.576\,(ER-EY)\end{aligned}}}$

Сигнал и передача

MUSE — это система на 1125 строк (1035 видимых), которая не совместима с импульсной синхронизацией и цифровой системой на 1080 строк, используемой в современном HDTV. Первоначально это была чересстрочная система с 1125 строками, частотой 60 Гц, соотношением сторон 5/3 (1,66:1) и оптимальным расстоянием просмотра примерно 3,3 часа.

Для наземной передачи MUSE была разработана FM-система с ограниченной полосой пропускания. В системе спутниковой передачи используется несжатый FM-сигнал.

Полоса пропускания предварительного сжатия составляет 20 МГц, а полоса пропускания предварительного сжатия цветности — несущая 7,425 МГц. ${\displaystyle Y}$

Японцы изначально исследовали идею частотной модуляции традиционно построенного композитного сигнала. Это создаст сигнал, аналогичный по структуре композитному видеосигналу NTSC — с ( яркостью ) на нижних частотах и ​​( цветностью ) выше. Чтобы получить соотношение сигнал/шум 40 дБ для составного FM-сигнала в диапазоне 22 ГГц, потребуется мощность примерно 3 кВт . Это было несовместимо с методами спутникового вещания и пропускной способностью. ${\displaystyle Y/C}$ ${\displaystyle Y}$ ${\displaystyle C}$

Чтобы преодолеть это ограничение, было решено использовать раздельную передачу и . Это уменьшает эффективный диапазон частот и снижает требуемую мощность. Примерно 570 Вт (360 для и 210 для ) потребуется, чтобы получить соотношение сигнал/шум 40 дБ для отдельного FM-сигнала в спутниковом диапазоне 22 ГГц. Это было осуществимо. ${\displaystyle Y}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle Y}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle Y/C}$

Есть еще одна экономия энергии, связанная с особенностями человеческого глаза. Отсутствие визуальной реакции на низкочастотный шум позволяет значительно снизить мощность транспондера, если более высокие видеочастоты подчеркиваются перед модуляцией в передатчике, а затем уменьшаются в приемнике. Этот метод был принят с частотами разделения для усиления/уменьшения выделения 5,2 МГц для и 1,6 МГц для . При этом требования к мощности снижаются до 260 Вт (190 для и 69 для ). ${\displaystyle Y}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle Y}$ ${\displaystyle C}$

Системы отбора проб и коэффициенты

Субдискретизация в видеосистеме обычно выражается как трехчастное соотношение. Тремя членами соотношения являются: количество выборок яркости (яркости) , за которым следует количество выборок двух компонентов цвета (цветности) и для каждой полной области выборки. Традиционно значение яркости всегда равно 4, а остальные значения масштабируются соответствующим образом. ${\displaystyle Y}$ ${\displaystyle Cb}$ ${\displaystyle Cr}$

Выборка 4:4:4 указывает на то, что все три компонента полностью отобраны. Например, выборка 4:2:0 указывает на то, что два компонента цветности дискретизируются с половиной частоты горизонтальной выборки яркости - разрешение цветности по горизонтали уменьшается вдвое. Это уменьшает полосу пропускания несжатого видеосигнала на одну треть.

MUSE реализует аналогичную систему как средство уменьшения пропускной способности, но вместо статической выборки фактическое соотношение варьируется в зависимости от количества движения на экране. На практике дискретизация MUSE будет варьироваться примерно от 4:2:1 до 4:0,5:0,25, в зависимости от количества движений. Таким образом, красно-зеленый компонент цветности имеет от половины до одной восьмой разрешения выборки компонента яркости , а сине-желтый компонент цветности имеет половину разрешения красно-зеленого. ${\displaystyle Cr}$ ${\displaystyle Y}$ ${\displaystyle Cb}$

Аудио подсистема

У MUSE была дискретная 2- или 4-канальная цифровая аудиосистема под названием « DANCE », что расшифровывалось как « почти мгновенное сжатие и расширение цифрового звука» .

Он использовал дифференциальную передачу звука ( дифференциальную импульсно-кодовую модуляцию ), которая не была основана на психоакустике, как MPEG-1 Layer II . Он использовал фиксированную скорость передачи 1350 кбит/с. Как и стереосистема PAL NICAM , она использовала почти мгновенное компандирование (в отличие от слогового компандирования, которое используется в системе dbx ) и нелинейное 13-битное цифровое кодирование с частотой дискретизации 32 кГц .

Он также мог работать в 16-битном режиме 48 кГц. Система DANCE была хорошо документирована в многочисленных технических документах NHK и в изданной NHK книге, выпущенной в США, под названием Hi-Vision Technology . ^[18]

Аудиокодек DANCE был заменен Dolby AC-3 (он же Dolby Digital ), DTS Coherent Acoustics (он же DTS Zeta 6x20 или ARTEC), MPEG-1 Layer III (он же MP3), MPEG-2 Layer I, MPEG-4 AAC и многие другие аудиокодеры. Методы этого кодека описаны в статье IEEE: ^[19]

Реальные проблемы с производительностью

В MUSE использовался цикл переплетения точек из четырех полей, то есть для завершения одного кадра MUSE требовалось четыре поля. Таким образом, в полном разрешении передавались только неподвижные изображения. Однако, поскольку MUSE снижает горизонтальное и вертикальное разрешение материала, которое сильно варьируется от кадра к кадру, движущиеся изображения были размыты. Поскольку MUSE использовала компенсацию движения, панорамирование всей камеры сохраняло полное разрешение, но отдельные движущиеся элементы можно было уменьшить только до четверти разрешения полного кадра. Поскольку смесь движения и неподвижности кодировалась попиксельно, она была не так заметна, как многие могли бы подумать. Позже NHK разработала обратно совместимые методы кодирования/декодирования MUSE, которые значительно увеличили разрешение в движущихся областях изображения, а также увеличили разрешение цветности во время движения. Эта так называемая система MUSE-III использовалась для трансляций, начиная с 1995 года, и очень немногие из последних лазерных дисков Hi-Vision MUSE использовали ее ( A River Runs Through It - один из Hi-Vision LD, который ее использовал). Во время первых демонстраций системы MUSE часто высказывались жалобы на большой размер декодера, что привело к созданию миниатюрного декодера. ^[1]

Тени и многолучевое распространение по-прежнему мешают этому аналоговому режиму передачи с частотной модуляцией.

С тех пор Япония перешла на цифровую систему HDTV, основанную на ISDB , но оригинальный спутниковый канал BS 9 на базе MUSE (NHK BS Hi-vision) транслировался до 30 сентября 2007 года.

Культурные и геополитические воздействия

Внутренние причины внутри Японии, приведшие к созданию Hi-Vision

• (1940-е годы): Стандарт NTSC (как монохромная система с 525 строками) был введен оккупационными силами США.
• (1950-1960-е годы): В отличие от Канады (которая могла бы перейти на PAL), Япония, независимо от обстоятельств, придерживалась американского стандарта телевизионной передачи.
• (1960-1970-е годы): К концу 1960-х годов многие части современной японской электронной промышленности начали свое существование с устранения проблем передачи и хранения, присущих конструкции NTSC.
• (1970-1980-е годы): К 1980-м годам в Японии были свободные инженерные таланты, которые могли разработать лучшую телевизионную систему.

MUSE, как ее узнала американская общественность, первоначально освещалась в журнале Popular Science в середине 1980-х годов. Телевизионные сети США не освещали MUSE широко до конца 1980-х годов, поскольку за пределами Японии было мало публичных демонстраций системы.

Поскольку в Японии были свои собственные внутренние таблицы распределения частот (которые были более открыты для использования MUSE) , к концу 1980-х годов стало возможным передавать эту телевизионную систему с помощью спутниковой технологии Ku-диапазона .

В конце 1980-х годов Федеральная комиссия по связи США начала издавать директивы, которые позволяли тестировать MUSE в США при условии, что его можно будет использовать в канале System-M с частотой 6 МГц .

Европейцы (в лице Европейского вещательного союза (EBU)) были впечатлены MUSE, но так и не смогли принять ее, потому что это телевизионная система с частотой 60 Гц, а не система с частотой 50 Гц, которая является стандартной в Европе и остальном мире. (за пределами Америки и Японии).

Разработка EBU и внедрение B-MAC , D-MAC и гораздо позже HD-MAC стали возможными благодаря техническому успеху Hi-Vision. Во многих отношениях системы передачи MAC лучше, чем MUSE, из-за полного разделения цвета и яркости во временной области в структуре сигнала MAC.

Как и Hi-Vision, HD-MAC не может передаваться по каналам 8 МГц без существенной модификации – и серьезной потери качества и частоты кадров. Версия Hi-Vision с частотой 6 МГц экспериментировалась в США, ^[7] но у нее также были серьезные проблемы с качеством, поэтому FCC так и не санкционировала ее использование в качестве внутреннего стандарта передачи наземного телевидения.

Рабочая группа ATSC США , которая привела к созданию NTSC в 1950-х годах, была возобновлена ​​в начале 1990-х годов из-за успеха Hi-Vision. Многие аспекты стандарта DVB основаны на работе, проделанной рабочей группой ATSC, однако наибольшее влияние приходится на поддержку 60 Гц (а также 24 Гц для передачи фильмов), единых частот дискретизации и совместимых размеров экрана.

Поддержка устройств Hi-Vision

Лазерные диски Hi-Vision

20 мая 1994 года Panasonic выпустила первый проигрыватель MUSE LaserDisc. ^[8] В Японии было доступно несколько проигрывателей MUSE LaserDisc : Pioneer HLD-XØ, HLD-X9, HLD-1000, HLD-V500, HLD-V700; Sony HIL-1000, HIL-C1 и HIL-C2EX; последние два из которых имеют OEM-версии производства Panasonic: LX-HD10 и LX-HD20. Плееры также поддерживали стандартные лазерные диски NTSC. Лазерные диски Hi-Vision чрезвычайно редки и дороги. ^[7]

Устройство записи видеодисков HDL-5800 записывало как неподвижные изображения высокой четкости, так и непрерывное видео на оптический диск и было частью ранней аналоговой широкополосной видеосистемы высокой четкости Sony HDVS , которая поддерживала систему MUSE. Возможность записи фотографий и видео высокой четкости на оптический диск WHD-3AL0 или WHD-33A0; WHD-3Al0 для режима CLV (до 10 минут видео или 18 000 неподвижных кадров на сторону); WHD-33A0 для режима CAV (до 3 минут видео или 5400 неподвижных кадров на сторону).

HDL-2000 был полнодиапазонным проигрывателем видеодисков высокой четкости. ^[7]

Видеокассеты

W-VHS позволял записывать программы Hi-Vision в домашних условиях.

Смотрите также

• Аналоговая телевизионная система высокой четкости
• HD-MAC , планируемый стандарт аналогового видео высокой четкости в Европе.
• Ясное видение

Аналоговые телевизионные системы, которые эти системы должны были заменить:

• СЕКАМ
• NTSC
• ПАЛ

Сопутствующие стандарты:

• В системе HD-MAC используется кодирование звука, подобное NICAM .
• Подвыборка цветности на телевидении обозначается как 4:2:2, 4:1:1 и т. д.
• ISDB

Рекомендации

1. «DBNSTJ: реализация телевидения высокой четкости с помощью системы MUSE». dbnst.nii.ac.jp .
2. Cianci, Филип Дж. (10 января 2014 г.). Телевидение высокой четкости: создание, развитие и внедрение технологии HDTV. МакФарланд. ISBN 9780786487974– через Google Книги.
3. «Система MUSE для спутникового вещания HDTV» (PDF) . Международный союз электросвязи. 1992. МСЭ-R BO.786.
4. "ST 240:1999 - Стандарт SMPTE - Для телевидения - 1125-строчные системы производства высокой четкости - Параметры сигнала" . Св. 240:1999 : 1–7. 30 ноября 1999 г. doi :10.5594/SMPTE.ST240.1999. ISBN 978-1-61482-389-6– через IEEE Xplore.
5. ANSI/SMPTE 240M-1995 - Параметры сигнала 1125-строчные системы производства высокой четкости (PDF) . СМПТЭ. 1995.
6. Пойнтон, Чарльз (3 января 2003 г.). Цифровое видео и HD: алгоритмы и интерфейсы. Эльзевир. ISBN 9780080504308– через Google Книги.
7. "MUSE LaserDisc". ura.caldc.com . Проверено 19 октября 2022 г.
8. "Проигрыватели лазерных дисков MUSE HI-DEF" . Веб-сайт LaserDisc в Великобритании . Архивировано из оригинала 30 апреля 2016 года . Проверено 10 октября 2021 г.
9. Дзюнъити, Исида; Ниномия, Юичи (19 декабря 1982 г.). «3. Оборудование передачи и передачи сигналов для телевидения высокой четкости». Журнал Института телевизионных инженеров Японии . 36 (10): 882–888. doi : 10.3169/itej1978.36.10_882 — через CiNii.
10. Фудзио, Такаши (19 декабря 1980 г.). «Система телевидения высокой четкости будущего: желаемый стандарт, форма сигнала и система вещания». Технический отчет ITE . 4 (28): 19–24. doi :10.11485/tvtr.4.28_19 – через CiNii.
11. Фудзио, Такаши (19 декабря 1981 г.). «Телевидение высокой четкости». Журнал Института телевизионных инженеров Японии . 35 (12): 1016–1023. doi : 10.3169/itej1978.35.1016 — через CiNii.
12. Комото, Таро; Исида, Дзюнъити; Хата, Масаджи; Ясунага, Кейичи (19 декабря 1979 г.). «Отдельная передача телевизионного сигнала высокой четкости YC от BSE». Технический отчет ITE . 3 (26): 61–66. doi :10.11485/tvtr.3.26_61 – через CiNii.
13. ФУДЗИО, Такаши (19 декабря 1984 г.). «Система телевидения высокой четкости». Технический отчет ITE . 8 (1): 33–39. doi :10.11485/tvtr.8.1_33 – через CiNii.
14. FUJIO, Такаши (19 августа 2006 г.). «Гребля на лодке в Новый Свет HDTV». Журнал Института инженеров электроники, информации и связи . 89 (8): 728–734 – через CiNii.
15. "СМПТЭ-240М Y'PbPr" . www5.in.tum.de. _
16. «Подробное описание цветового пространства». www.linuxtv.org .
17. Чарльз А. Пойнтон, Цифровое видео и HDTV: алгоритмы и интерфейсы , Морган – Кауфманн, 2003. онлайн.
18. НХК (1993). Телевидение высокой четкости – технология Hi Vision. ISBN 0-442-00798-1.
19. Наганава, К.; Хори, Ю.; Янасэ, С.; Ито, Н.; Асано, Ю. (19 августа 1991 г.). «Однокристальный процессор аудиосигнала для приемника HDTV». Транзакции IEEE по бытовой электронике . 37 (3): 677–683. дои : 10.1109/30.85585. S2CID  62603128.

Внешние ссылки

• Пример раннего проигрывателя MUSE LaserDisc.
• Hi-Vision, MUSE и оптический диск