Codificación de muestreo múltiple sub-Nyquist - Multiple sub-Nyquist sampling encoding

MUSE ( Codificación de muestreo múltiple sub-Nyquist ) era un sistema de televisión analógico de alta definición , que utilizaba entrelazado de puntos y compresión de video digital para entregar señales de video de alta definición de 1125 líneas (1920x1035) al hogar. Japón tuvo el primer trabajo HDTV sistema, MUSE, que fue nombrado Hi-Vision (una contracción de HI GH definición tele VISION ) con los esfuerzos de diseño que se remontan a 1979. El país empezó a emitir señales de banda ancha HDTV analógicas en 1989 utilizando 1035 líneas activas entrelazadas en la relación estándar 2: 1 ( 1035i ) con 1125 líneas en total. En el momento de su lanzamiento comercial en 1991, la HDTV digital ya se estaba desarrollando en los Estados Unidos. Hi-Vision continuó transmitiendo en analógico hasta 2007.

El sistema se estandarizó según la recomendación BO.786 de ITU-R.

El vídeo MUSE se producía a menudo con equipos HDVS de Sony . El video MUSE fue entrelazado, video de 60 campos por segundo (1125i60).

Historia

MUSE, un sistema de compresión para señales de alta visión, fue desarrollado por NHK Science & Technology Research Laboratories en la década de 1980, empleaba filtrado bidimensional, entrelazado de puntos, compensación de vector de movimiento y codificación de color secuencial de línea con compresión de tiempo para 'plegar 'una señal Hi-Vision de fuente original de 20 MHz en un ancho de banda de 8.1 MHz.

  • Los ingenieros de transmisión japoneses rechazaron inmediatamente la transmisión de banda lateral vestigial convencional .
  • Desde el principio se decidió que MUSE sería un formato de transmisión por satélite, ya que Japón apoya económicamente la transmisión por satélite.
Investigación de modulación
  • Los ingenieros de transmisión japoneses habían estado estudiando los distintos tipos de transmisión de HDTV durante algún tiempo. Inicialmente se pensó que se tendría que usar SHF , EHF o fibra óptica para transmitir HDTV debido al alto ancho de banda de la señal, y HLO-PAL se usaría para la transmisión terrestre. HLO-PAL es una señal compuesta de construcción convencional (Y + C, como NTSC y PAL) y utiliza una fase que alterna por línea con codificación de portadora de desplazamiento de media línea de los componentes cromáticos de banda ancha / banda estrecha. Solo la parte más baja del componente de crominancia de banda ancha se superpone al cromatismo de alta frecuencia. El croma de banda estrecha se separó completamente de la luminancia. También se experimentó con PAF, o fase alternante por campo (como la primera prueba del sistema de color NTSC), y dio resultados de decodificación mucho mejores, pero NHK abandonó todos los sistemas de codificación compuestos. Debido al uso de transmisión por satélite, la modulación de frecuencia (FM) debe usarse con problemas de limitación de potencia. FM genera ruido triangular, por lo que si se utiliza una señal compuesta de subportadora roja con FM, la señal cromática demodulada tiene más ruido que luminancia. Debido a esto, analizaron otras opciones y decidieron utilizar la emisión de componentes Y / C para los satélites. En un momento, parecía que se elegiría FCFE (finura de conversión de fotogramas mejorada), sistema de compresión de conversión I / P, pero finalmente se eligió MUSE.
  • Se exploró la transmisión separada de los componentes Y y C. El formato MUSE que se transmite hoy utiliza señalización de componentes separados. La mejora en la calidad de la imagen fue tan grande que se retiraron los sistemas de prueba originales.
  • Se hizo un ajuste más para ahorrar energía: la falta de respuesta visual al ruido de baja frecuencia permite una reducción significativa en la potencia del transpondedor si las frecuencias de video más altas se enfatizan antes de la modulación en el transmisor y se quitan el énfasis en el receptor.

Hi-Vision fue transmitido principalmente por NHK a través de su canal de televisión por satélite BShi.

Especificaciones técnicas

  • Relación de aspecto: 16: 9
  • Líneas de exploración (comprimidas / activas / totales): 1.032 / 1.035 / 1.125
  • Píxeles por línea (completamente interpolado): 1122 (imagen fija) / 748 (en movimiento)
  • Relación entrelazada: 2: 1
  • Frecuencia de actualización: 60,00 (para mejorar la compatibilidad con sistemas de 50 campos / seg).
  • Frecuencia de muestreo para transmisión: 16,2 MHz
  • Compensación de movimiento vectorial: horizontal ± 16 muestras (reloj de 32,4 MHz) / fotograma, una línea vertical ± 3 / campo
  • Audio: 48 kHz 16 bits (2 canales) 32 kHz 12 bits (4 canales compatibles con sonido envolvente F3-R1)
  • Ancho de banda requerido: 27Mhz.

Formato de compresión de audio DPCM: DPCM casi instantánea -expansión

MUSE es un sistema de 1125 líneas (1035 visibles), y no es compatible con pulsos y sincronización con el sistema digital de 1080 líneas utilizado por los televisores de alta definición modernos. Originalmente, era un sistema de 1125 líneas, entrelazado, 60 Hz, con una relación de aspecto de 5/3 (1.66: 1) y una distancia de visualización óptima de aproximadamente 3.3H.

Para la transmisión terrestre MUSE se diseñó un sistema FM de ancho de banda limitado. Un sistema de transmisión por satélite utiliza FM sin comprimir.

El ancho de banda de precompresión para Y es de 20 MHz y el ancho de banda de precompresión para la crominancia es una portadora de 7.425 MHz.

Los japoneses inicialmente exploraron la idea de la modulación de frecuencia de una señal compuesta construida convencionalmente. Esto crearía una señal similar en estructura a la señal Y / C NTSC - con la Y en las frecuencias más bajas y la C arriba. Se necesitarían aproximadamente 3 kW de potencia para obtener 40 dB de relación señal / ruido para una señal de FM compuesta en la banda de 22 GHz. Esto era incompatible con las técnicas de transmisión por satélite y el ancho de banda.

Para superar esta limitación, se decidió utilizar una transmisión separada de Y y C . Esto reduce el rango de frecuencia efectivo y disminuye la potencia requerida. Se necesitarían aproximadamente 570 W (360 para Y y 210 para C) para obtener una relación señal / ruido de 40 dB para una señal FM Y / C separada en la banda de satélite de 22 GHz. Esto fue factible.

Hay un ahorro de energía más que surge del carácter del ojo humano. La falta de respuesta visual al ruido de baja frecuencia permite una reducción significativa en la potencia del transpondedor si las frecuencias de video más altas se enfatizan antes de la modulación en el transmisor y luego se quitan el énfasis en el receptor. Se adoptó este método, con frecuencias de cruce para el énfasis / de-énfasis en 5.2 MHz para Y y 1.6 MHz para C. Con esto en su lugar, los requisitos de potencia caen a 260 W de potencia (190 para Y y 69 para C).

Sistemas y ratios de muestreo

El submuestreo en un sistema de video generalmente se expresa como una proporción de tres partes. Los tres términos de la relación son: el número de muestras de brillo ("luminancia", "luma" o Y ) , seguido del número de muestras de los dos componentes de color ("croma"): U / Cb y luego V / Cr , para cada área de muestra completa. Para la comparación de la calidad, solo es importante la relación entre esos valores, por lo que 4: 4: 4 podría llamarse fácilmente 1: 1: 1; sin embargo, tradicionalmente el valor de brillo es siempre 4, con el resto de los valores escalados en consecuencia.

Croma submuestreo ratios.png

A veces, se escriben relaciones de cuatro partes, como 4: 2: 2: 4. En estos casos, el cuarto número significa la relación de frecuencia de muestreo de un canal clave . En prácticamente todos los casos, ese número será 4, ya que es muy deseable una alta calidad en las aplicaciones de codificación.

Los principios de muestreo anteriores se aplican tanto a la televisión digital como a la analógica.

MUSE implementa un sistema de muestreo variable de ~ 4: 2: 1 ... ~ 4: 0.5: 0.25 dependiendo de la cantidad de movimiento en la pantalla. Por lo tanto, el componente rojo-verde (V o Cr) tiene entre la mitad y un octavo de la resolución de muestreo del componente de brillo (Y), y el azul-amarillo (U o Cb) tiene la mitad de resolución que el rojo. verde, una relación que es demasiado compleja para representarla fácilmente usando el diagrama de arriba.

Subsistema de audio

MUSE tenía un sistema de audio discreta 2- o 4-canal digital llamado "DANCE", que se mantuvo para D igital A udio N oído instantánea C ompresión y E Xpansion.

Usó transmisión de audio diferencial (modulación diferencial de código de pulso) que no estaba basada en psicoacústica como MPEG-1 Layer II . Utilizaba una velocidad de transmisión fija de 1350 kbp / s. Al igual que el sistema estéreo PAL NICAM , utilizaba la compresión casi instantánea (a diferencia de la compresión silábica como la que utiliza el sistema dbx ) y la codificación digital no lineal de 13 bits a una frecuencia de muestreo de 32 kHz.

También podría funcionar en un modo de 48 kHz y 16 bits. El sistema DANCE estaba bien documentado en numerosos artículos técnicos de NHK y en un libro publicado por NHK en los EE. UU. Llamado Hi-Vision Technology .

El códec de audio DANCE fue reemplazado por Dolby AC-3 (también conocido como Dolby Digital), DTS Coherent Acoustics (también conocido como DTS Zeta 6x20 o ARTEC), MPEG-1 Layer III (también conocido como MP3), MPEG-2 Layer I, MPEG-4 AAC y muchos otros codificadores de audio. Los métodos de este códec se describen en el documento IEEE:

Problemas de rendimiento en el mundo real

MUSE tenía un ciclo de entrelazado de puntos de cuatro campos, lo que significa que se necesitaron cuatro campos para completar un solo cuadro MUSE. Por lo tanto, las imágenes estacionarias se transmitieron a máxima resolución. Sin embargo, a medida que MUSE reduce la resolución horizontal y vertical del material que varía mucho de un cuadro a otro, las imágenes en movimiento se vuelven borrosas. Debido a que MUSE usaba compensación de movimiento, las panorámicas de toda la cámara mantenían la resolución completa, pero los elementos móviles individuales podían reducirse a solo una cuarta parte de la resolución de fotograma completo. Debido a que la mezcla entre movimiento y no movimiento se codificó píxel por píxel, no era tan visible como la mayoría pensaría. Más tarde, NHK ideó métodos de codificación / decodificación MUSE compatibles con versiones anteriores que aumentaban enormemente la resolución en las áreas en movimiento de la imagen y aumentaban la resolución cromática durante el movimiento. Este sistema llamado MUSE-III se usó para transmisiones a partir de 1995 y muy pocos de los últimos LaserDiscs Hi-Vision MUSE lo usaron (" A River Runs Through It " es un LD de Hi-Vision que lo usó). Durante las primeras demostraciones del sistema MUSE, las quejas eran comunes sobre el gran tamaño del decodificador, lo que llevó a la creación de un decodificador miniaturizado.

Las "1125 líneas" de MUSE son una medición analógica, que incluye "líneas de escaneo" sin video durante las cuales el haz de electrones de un CRT regresa a la parte superior de la pantalla para comenzar a escanear el siguiente campo. Solo 1035 líneas tienen información de imagen. Las señales digitales cuentan solo las líneas (filas de píxeles) que tienen detalles reales, por lo que las 525 líneas de NTSC se vuelven 486i (redondeadas a 480 para ser compatibles con MPEG), las 625 líneas de PAL se vuelven 576i y MUSE sería 1035i. Para convertir el ancho de banda de Hi-Vision MUSE en líneas de resolución horizontal 'convencional' (como se usa en el mundo NTSC), multiplique 29,9 líneas por MHz de ancho de banda. (NTSC y PAL / SECAM son 79,9 líneas por MHz): este cálculo de 29,9 líneas funciona para todos los sistemas HD actuales, incluidos Blu-ray y HD-DVD. Entonces, para MUSE, durante una imagen fija, las líneas de resolución serían: 598 líneas de resolución de luminancia por altura de imagen. La resolución de croma es: 209 líneas. La medición de luminancia horizontal coincide aproximadamente con la resolución vertical de una imagen entrelazada de 1080 cuando se tienen en cuenta el factor de Kell y el factor de entrelazado.

Las sombras y las trayectorias múltiples todavía plagan este modo de transmisión de frecuencia analógica modulada.

Desde entonces, Japón ha cambiado a un sistema de HDTV digital basado en ISDB , pero el canal 9 satelital BS original basado en MUSE (NHK BS Hi-vision) se transmitió hasta el 30 de septiembre de 2007.

Impactos culturales y geopolíticos

Razones internas dentro de Japón que llevaron a la creación de Hi-Vision
  • (Década de 1940): Las fuerzas de ocupación estadounidenses impusieron el estándar NTSC (como un sistema monocromático de 525 líneas).
  • (1950-1960): a diferencia de Canadá (que podría haber cambiado a PAL), Japón se quedó atascado con el estándar de transmisión de televisión de EE. UU. Independientemente de las circunstancias.
  • (1960-1970): A finales de la década de 1960, muchas partes de la industria electrónica japonesa moderna se habían iniciado solucionando los problemas de transmisión y almacenamiento inherentes al diseño de NTSC.
  • (1970-1980): En la década de 1980, había talento de ingeniería disponible en Japón que podía diseñar un mejor sistema de televisión.

MUSE, como llegó a conocer el público estadounidense, fue inicialmente cubierto por la revista Popular Science a mediados de los años ochenta. Las cadenas de televisión estadounidenses no proporcionaron mucha cobertura de MUSE hasta finales de la década de 1980, ya que hubo muy pocas demostraciones públicas del sistema fuera de Japón.

Debido a que Japón tenía sus propias tablas de asignación de frecuencias domésticas (que estaban más abiertas al despliegue de MUSE), fue posible que este sistema de televisión fuera transmitido por tecnología satelital de Banda Ku a fines de la década de 1980.

La FCC de EE. UU. A fines de la década de 1980 comenzó a emitir directivas que permitirían probar MUSE en EE. UU., Siempre que pudiera encajar en un canal System-M de 6 MHz .

Los europeos (en la forma de la Unión Europea de Radiodifusión (UER)) quedaron impresionados con MUSE, pero nunca pudieron adoptarlo porque es un sistema de televisión de 60 Hz, no un sistema de 50 Hz que es estándar en Europa y el resto del mundo. (fuera de América y Japón).

El desarrollo y la implementación de EBU de B-MAC , D-MAC y mucho más tarde de HD-MAC fueron posibles gracias al éxito técnico de Hi-Vision. En muchos sentidos, los sistemas de transmisión MAC son mejores que MUSE debido a la separación total del color del brillo en el dominio del tiempo dentro de la estructura de la señal MAC.

Al igual que Hi-Vision, HD-MAC no se podía transmitir en canales de 8 MHz sin una modificación sustancial y una pérdida grave de calidad y velocidad de fotogramas. Se experimentó con una versión Hi-Vision de 6 MHz en los EE. UU., Pero también tenía graves problemas de calidad, por lo que la FCC nunca aprobó completamente su uso como estándar de transmisión de televisión terrestre nacional.

El grupo de trabajo ATSC de EE . UU. Que había llevado a la creación de NTSC en la década de 1950 se reactivó a principios de la década de 1990 debido al éxito de Hi-Vision. Muchos aspectos del estándar DVB se basan en el trabajo realizado por el grupo de trabajo ATSC; sin embargo, la mayor parte del impacto se debe a que admite 60 Hz (así como 24 Hz para la transmisión de películas) y tasas de muestreo uniformes y tamaños de pantalla interoperables.

Soporte de dispositivo para Hi-Vision

Discos láser de alta visión

El 20 de mayo de 1994, Panasonic lanzó el primer reproductor LaserDisc MUSE. Había varios reproductores MUSE LaserDisc disponibles en Japón: Pioneer HLD-XØ, HLD-X9, HLD-1000, HLD-V500, HLD-V700; Sony HIL-1000, HIL-C1 y HIL-C2EX; los dos últimos tienen versiones OEM fabricadas por Panasonic, LX-HD10 y LX-HD20. Los reproductores también admitían LaserDiscs NTSC estándar. Los discos láser de alta visión son extremadamente raros y caros.

La grabadora de disco de video HDL-5800 grabó imágenes fijas de alta definición y video continuo en un disco óptico y fue parte del primer sistema de video de alta definición HDVS de banda ancha analógica de Sony que admitía el sistema MUSE. Capaz de grabar imágenes fijas y video HD en el disco óptico WHD-3AL0 o WHD-33A0; WHD-3Al0 para modo CLV (hasta 10 minutos de video o 18,000 cuadros por lado); WHD-33A0 para el modo CAV (hasta 3 minutos de video o 5400 cuadros por lado).

El HDL-2000 era un reproductor de discos de vídeo de alta definición de banda completa.

Casetes de video

W-VHS permitió la grabación casera de programas Hi-Vision.

Ver también

Los sistemas de televisión analógica que estos sistemas debían reemplazar:

Estándares relacionados:

Referencias

enlaces externos