DİJİTAL TELEVİZYONUN TEKNİK TEMELLERİ

DİJİTAL TELEVİZYONUN TEKNİK TEMELLERİ

TV istasyonlarında dijital(sayısal) görüntü işlemesi 1974-75 yıllarında Zaman Tabanlı Düzeltici ‘TBC,Time Base Corrector’ ve kare senkronlayıcı ‘Frame Synchroniser’ cihazları ile başlamıştır. Bugün ise TV istasyonlarının hemen her kademesinde dijital görüntü işleme, kayıt ve yayın yapılmasında kullanılmaktadır. Dijital görüntü ve ses, sadece yayının son kademesinde,yayının evlere ulaşmasında kullanılmamaktadır. Bunun nedeni ise evlerimizde, iş yerlerimizde bulunan milyonlarca TV alıcısının analog sistemli olmasındandır. TV alıcıları görüntü oluştururken, ekran tüpleri CRT(Cathoda Ray Tube) görüntüyü ancak tarama prensipleriyle oluşturabilmektedir, dijital görüntü için LCD ya da TFT(Thin Film Transistor) türü matris ekranlı alıcılar gerekmektedir. Bugün CRT ekranlarının hala kullanılmasının nedeni,TFT ekranlara göre çok düşük maliyetli olmasındandır. Gerçek dijital TV alıcılarının yerleştirilmesiyle olacaktır.

Bir önceki bölümde yazılanların ışığında ,stüdyo kamerasından uydu yayınına kadar , değişik kademelerdeki görüntülerin dijital olması, yapım aşamalarında bazı farklılıkların ve format değişikliklerinin olması anlamına gelir. Bugün kullanılan analog görüntü sinyali TV formatları
1. Birleşik video(composite) PAL,NTSC
2. Ayrımlı video(component) Y,R-Y,B-Y,(Y,U,V,) ve R,G,B renklerden oluşan türlerde kullanılır.

TV istasyonlarının değişik kademelerinde kullanılan bu görüntü formatları dijitale çevrilirken,farklı teknikler kullanılır. Bazı sistemlerde birleşik video sinyali renklerine ayrıldıktan sonra çevrilmesine karşın ( ki bu yöntemde renk bilgileri ,1 ya da 1.5 mhz ile sınırlandırılmış olduğundan renk detayı az olur) bazı sistemlerde birleşik video değiştirilmeden sayısala çevrilir. Bazı sistemlerde ise ayrımlı görüntü,renkleri birleşik sinyal haline getirilmeden doğrudan sayısala çevrilir. Bu yöntemde en yüksek görüntü kalitesi alınmaktadır.

Analog televizyon görüntü sinyallerinin üç özelliği vardır ve sayısala çevrilirken bu özellikler göz önüne alınır. Bunlar ;
-saniyedeki kare sayısı
-her karedeki satır,her satırdaki çözümleme sayısı
-her satırdaki tonlama değerleri

Bu özelliklerin daha detaylı açıklanması için bir örnek vermek gerekirse,PAL sistemi yayın kalitesi görüntü sinyali için saniyede 25 kare,her karenin 625 satırında 440-450 çözümleme ve her satırdaki tonlama değerleri, yaklaşık 200 olarak alınabilir. Tonlama değerlerini açmak gerekirse, görüntüyü tanıma anında, görüntünün siyah ve beyaz tonları arasında ya da herhangi bir rengin en koyu ile en açık tonları arasında oluşabilecek değer sayısı olarak açılanabilir. Görüntü siyah beyaz ise yukarıdaki özellikler parlaklık değeri üzerinde hesaplanırken, renkli görüntüde bu parametreler üç ana renk için ayrı ayrı ele alınmalıdır.(yani her iç renk için ayrı çerçeve,satır,çözümleme,tonlama, değerleri alınmalıdır).

İşte görüntü sayısala çevrilirken aşağıdaki parametreler referans alınır
Resim ve satır sayısı sistemine göre sabit kalır.Örneğin PAL da 25 kare saniye olan resim kare sayısı değişmez. 625 satırlık bir tam kare ‘frame’ iki yarım kareden ‘field’ oluşur. Her bir yarım karede resim kareleri arasında kullanılmayan satırlar bulunur. Düşey resim kareleri arasında, resim bilgisi olmayan satırlar vardır,tek satırlar çerçevesinde 24 satır, çift

satırlar çerçevesinde 25 satır resim bilgisi içermez. Dolayısıyla 625 satırdan oluşan bir görüntü karesinde resim bilgisi taşıyan ‘aktif satırların’ sayısı 576 dır.

Görüntü bilgilerinin dijitale çevrilmesinden önce, düşey resim kareleri arasındaki boşlukta(verticalinterval)bulunan,(teletext,viewdata,altyazı,closed captioning,timecode,stereo ses) ve dijital olan bu bilgilerin kaybolmaması için bu bilgiler önce görüntü sinyallerinden ayrılır, uygun bir birimde saklanır, görüntü sinyali dijitale çevrildikten sonra uygun bir kademede tekrar dijitale veriler olarak ana görüntü sinyalleriyle birleştirilir.

Elektronik görüntüyü oluşturan satırlardan, bir satır boyunca, oluşan maksimum ışık değişim sayısı, görüntünün çözümlemesidir. Bu çözümleme her satır için her üç renkten alınacak,noktacı sayısı ve her noktacık için olan renk tonlama değerleri, sayısal görüntünün temellerini oluşturmaktadır.

Bu açıklamalar ışında, PAL sistemli görüntü sinyallerinin, dijitale çevrilmesi şöyle izah edilebilir.

Birleşik görüntü sinyalinin dijitale çevrilmesi

Pal birleşik görüntü sinyali için, dijitale çevirme işlemi bileşenlerine ayırmadan veya ayırarak yapılabilir.D2 ve D3 format olarak bilinen yöntemde, birleşik görüntü sinyali, birleşenlerine ayrılmadan doğrudan dijitale çevrilir. Çevirme işlemine başlamadan önce sinyali örnekleyeceğimiz hız seçilir. Bu hız renk taşıyıcının frekansıyla( bizim kullandığımız PAL sisteminde 4,43mhz) orantılı olarak, bu değerimizin 4 katı seçilir.( 4,43×4=17,7mhz) Bu Katsayı için renk taşıyıcıya ‘FSC’ (Frekans Subcarrier) oranlı olarak ‘4FSC’ kısaltması gösterilir. Bu konuyu biraz daha detaylı anlatmak gerekirse 15 625 satır/saniye olan PAL sisteminde, bu örnekleme hızıyla her satırdan 1134 noktacık örnek alınır. Bu görüntü karesinde,948 noktacık aktif satır alanında olup kalan noktacıklar ‘SYNC ve Burst için kullanılır.

Birleşik görüntü sinyalinde örnekler alınan her noktacık, tüm renkleri içeren bir analog değer taşıdığından (görüntü sinyali 0 volt ve 1 volt arasında ise) bu değerler arasında olabilecek en küçük değişimleri tanımlamasına imkan sağlaması için 10 bit dijital görüntü olarak çevrilir. 10 bit dijital değer 2’nin 10. kuvveti demek olup 1024 ayrı değer anlamına gelir. Yani 1 voltluk görüntü sinyalindeki her 1 mili volt değişim dijitale çevrilebilmektedir. Ancak bazı dijital sistemlerde üretici firmalar çevrim anında 10 bit yerine 8 bit dijital sistemi kullanılmaktadır.

8 bit=255
beyaz seviyesi 1volt 10 bit=1024
8 bit=235
10 bit=940

CCVS görüntü sinyalinin
Burst seviyesi Sayısala çevriminde ton sayası bit
8 bit=32,95 Derinliği ile tanımlanır.
10 bit=128,384

Burst Satır sonu
Siyah seviyesi 10 örnekleme
8 bit=64 948.pals
10 bit=256 1.pals
53,3 sn
Aktif satır süresi
948.örnekleme

Senkron taban
Seviyesi
8 bit=1

10 bit =4

64 sn satır süresi 1135 örnekleme

Şekil-1: Birleşik görüntü sinyali dijitale çevrilirken alınan örnekler

Birleşik görüntü sinyalinin siyah ve beyaz seviyesi arasındaki olabilecek en ufak seviye değişimlerinin tanımlanarak sayısallaştırılması gerekir. Bunun için dijital değer 8 bit ya da 10 bit olarak seçilebilmektedir. 8 bit olarak sayısallaştırılan birleşik görüntü sinyalinde SYNC tabanı dijital 1 değerinde, Burst işaretinin alt seviyesi 32, burst işaretinin ortası yani siyah seviyesi 64, burst işaretinin üst sınırı 95 ve en tepe yani beyaz seviyesi 211 olarak alınır.

Birleşik görüntü sinyali 10 bit derinliğinde dijitale çevrilirse siyah seviyesi 256, beyaz seviyesi 844 ve SYNC tabanı ise 4 değerinde alınır. PAL birleşik görüntü sinyalinin 17,7mhz örnek hızıyla, 10 bitlik dijital sinyali çevrilmesi, mevcut kalitesinde herhangi bir kayba neden olmaz. Buradaki sorun bu 10 bitlik dijital görüntü sinyallerinin, bir noktadan diğer bir noktaya nasıl iletilebileceğidir. Bu 17,7 mhz lik hızdaki sinyaller 10 ayrı kablo ile paralel olarak , yüksek frekans nedeniyle maksimum 3 metre uzaklığa taşınabilir. Bu taşıma kayıpsız durumlarda geçerlidir. Bu büyük kısıtlama nedeniyle dijital görüntü sinyalleri ancak seri bilgiler haline dönüştürülerek uzak mesafelere taşınabilir. Bu şartlarda yeni iletim formatları ortaya çıkmaktadır.

Dijital 10 bit paralel bilgileri seri bilgilere çevirmek için kullanılan yöntemde sıralayıcı ya da çevirici kullanılmaktadır. İşte bu sıralama hızı (seri veri hızı) saniyede 17,7 milyon olan 10’lu grupların saniyede=177milyon tekli sıra haline gelmesiyle ortaya çıkar.

Seri bilgiler halinde iletilmek istenen görüntü sinyali 177mbsn gibi çok yüksek hızda gözükse de, iletilen bilgi 0 ile 1 arasında yalnızca iki değer alan lojik sinyaller olduğundan 300 metre uzaklığa kadar uygun kablolar ile iletilmesi mümkündür.

Ayrımlı görüntü sinyalinin dijitale çevrilmesi

Ayrımlı video(component) Y,R-Y,B-Y yada birleşik görüntü sinyallerinin elemanlarına ayrılmasından sonra dijital bilgilere çevrilmesi için uygulanan yöntem daha farklı olmaktadır.

Ayrımlı görüntü sinyallerinde parlaklık bilgisinin ( Y sinyalinde ) resmin detayını çoğunu taşıdığı bilinir. Görüntü üreten cihazlarda renk bilgileri U(B-Y) ve V(R-Y) frekans olarak 2mhz i geçmeyecek şekilde 1,2 veya 1,5 mhz de sınırlamıştır.

İşte ayrımlı görüntü sinyallerinde dijitale çevrilirken bu değerler göz önüne alınır ve Y sinyalinden alınan örnekler noktacığa diğer renklerin U ve V nin toplamına eşit olur.

Y sinyali, birleşik senkron işaretini de içerdiğinden, toplam seviyesi 1 volttur. Diğer sinyallerde U ve V de sadece görüntü bilgisi vardır ve değerleri 0,8 volttur. Y,U ve V sinyallerinin dijitale çevriminde yeri ve özelliği bilinen senkron işareti ve boşluğu kullanmayıp, satırlarda sadece aktif resim bölgelerini dijitale çevrilmektedir. 1 voltluk bu sinyallerin dijitale çevriminde her biri için 10 ar bitlik (ya da 8 bit lik) dijital değer alınması ile dijitale çevrilir.

Beyaz seviye 1 volt 8bit=255
8bit=235 10bit=1024
10bit=940

Y görüntü sinyalinin sayısala
Çevriminde ton sayısı bit derinliği ile tanımlanır

Siyah seviyesi
8bit=16
Sync 10bit=64
300milivolt

53,3 sn
Aktif satır süresi

Senkron seviye
8bit=1 8bit=0
10bit=4 10bit=0
64 sn satır süresi

Sayısal 4:2:2 formatta 13.5 mhz ile örnekleme hızında satır özellikleri

Satır sonu 12 örnekleme

53,3 sn
Aktif satır süresi
720 örnekleme
Senkron
Boşluğu 132 örnekleme

64 sn satır süresi
864 örnekleme

Şekil- 2: Parlaklık bilgisinin dijitale çevriminde kullanılan örnekleme hızı ve değerleri görülmektedir.

1 voltluk görüntü sinyalinin 8 bit derinliğinde 256 seviyesinde dijital formata dönüştürülmesinde, dijital değer 16, siyah temsil etmekte, dijital değer 235 ise beyaz seviyesini tanımlamaktadır. Parlaklık sinyali 10 bit derinliğinde dijitale çevirirken, 10 bit dijital değerde, siyah seviyesi 64, beyaz seviyesi ise 940 olarak tanımlanmaktadır.

Bir analog sinyali dijitale çevirirken, alınacak örnekleme noktacıkları doğrudan o sinyalin frekansıyla alakalı olduğundan,Y sinyali için örnekleme alma hızı 13,5 mhz,U sinyali için 6,75 mhz, V sinyali için 6,75 mhz olarak standartlaşmıştır. Bu hızlar PAL ve NTSC sistemleri için aynıdır.

PAL sisteminde 625 satır içinden, aktif olan 576 satırdan,alınacak örnekleme noktaları,576 satırın resmin başlangıç noktasından itibaren başlatılmıştır. Aktif satır alanı 53,3 sn olup, her satırdan 720 örnekleme noktası alınır. Bunun için satır boyunca bulunan aktif resim alanının başlangıcını ve sonunu bildiren bilgiler, sayısal veriler olarak çıkışa eklenir. Dijitale çevrilmiş olan PAL görüntü sinyalinde 625 satırdan 576 sı alınmış ve her bir satırın 64 sn lik süresinden 53,3 sn de resim olduğundan bu satırların aktif resim bölgelerinden, her satır için 720 örnekleme noktası alınır. Fakat 720 noktanın 72 si görülür alan içindedir.

Bu teknikte yani dijital görüntü üretiminde, geçmeli taramanın getirdiği yarım satırlar bulunmaktadır. Aktif satır olanı,SYNC ve ön ve arka resim satır boşlukları da düşünülürse bir satırdan Y için toplam 864 örnekleme alınır. Bunların 720 si aktif satırda, kalan 144 örnekleme noktacığı ise SYNC boşluklarında kullanılır.

Sonuç olarak 10 ar bitlik farklı hızlarda 3 ayrı sinyal üretilmiştir. Bu sinyallerin paralel 10 ar uçlu kablolarla bir noktadan bir noktaya iletilmeleri çok sınırlı mesafede ( yaklaşık 3 metre) olacağından bu üç sinyalin toplam 30 bit seri bilgiler haline dönüştürülmesi gereği doğmaktadır.

Dijital görüntü sinyallerinin seri veriler halinde iletilmesi (SDI) anında, Key sinyali görüntü sinyali ile birleştirilmeyip ayrı bir hattan, kablodan seri bilgiler şeklinde gönderilir.

DVB Yayınların Teknik Özellikleri

Avrupa ve Amerika da 21. yüzyılın yayıncılığı için her alanda, kablo TV, kablosuz kablo TV, uydu yayını,yer yayını ve diğer ortamlardaki yayıncılıkların formatları, standartları konulmuştur. Sayısal görüntü yayıncılığı DVB standartları, hemen her alanda ileriye dönük yapılan yatırımların, belirgin özellikleri taşıması gerekmektedir. Mevcut olan tüm iletişim kanallarını kullanmayı hedefleyen sistemde üretim için tüm teknik standartları kabul edilmiş ve her gün geliştirilmektedir.

DVB sistemleri MPEG-2 görüntü ve MPEG-2 ses ile diğer gerekli kullanıcı verilerini,MPEG-2 iletişim protokolünde kodlayıp, ek servis, program verileri ve diğer etkileşim bilgilerini de ekleyerek iletilmektedir. DVB yayınlar özel ‘Reed-Solomon’ hata düzeltici verileri eklenerek gönderilmekte, yeni kodlama ve şifreleme sistemlerine açık olup eski şifreleme sistemlerinin her birini de kullanabilmektedir. DVB yayınlarının farklı uygulamaları Avrupa ve Amerika da başlamış olup, özellikle kablo ve uydu yayıncılıklarında olmaktadır. Uydu yayıncılığı için kullanılan yöntemlerde 36 mhz lik bir aktarıcıdan 6-8 TV kanalı yayınlanmaktadır.

DVB yayın sistemlerinde MPEG –2 ses standartları kullanılmakta olup, çoğunlukla MPEG LAYER II ya da diğer bir adıyla MUSICAM sıkıştırma sistemi tercih edilmiştir.Musicam sıkıştırma sisteminde,insan kulağının duyma karakteristiklerine uygun olarak alçak seviyedeki sesler ve görüntüler kodlama anında yok edilmektedir. Düşük hızlarda kodlama yapılan seslerde mono stereo ve surround’ kanallı olup CD kalitesinde ses yakalanabilmektedir.

Uydu ya da yer yayıncılığında dijital veriler için sabit, değişken hızda veri iletimi yöntemi seçilebilir. Değişken hızlı veri iletimi, genelde birden fazla kanalın aynı veri paketi içinde gönderilmesi de tercih edilebilir. Örneğin 4 TV kanalı toplam 8mbsn veri hızında gönderilirken, TV kanalı görüntülerinin veri hızları görüntü detaylarına bağlı olarak artıp azalırken, toplam veri hızı sabit kalmak şartıyla,TV kanallarının bir ya da ikisinin veri hızı 1mbsn iken 3.TV kanalının veri hızı 2mbsn,4.TV kanalı da 4mbsn veri hızında yüksek kaliteli görüntü gönderilebilir. Yüksek hızlı veri iletiminde daha geniş band gerekmesine karşın, daha fazla resim bilgileri daha az kodlama bilgileri gönderilir.

MPEG yayıncılığında frekans band genişliği ve veri hızıyla ilgili küçük bir tablo verelim1.

Gerekli Bant Genişliği Taşınacak Bilgi Hızı Bilginin Kalitesi İletim Hızı

6 mhz – 7,62mbsn 9,45mbsn Stüdyo Kalitesi
9 mhz- 11,5mbsn 14,2mbsn HDTV Kalitesi
36 mhz- 46mbsn 57mbsn Film Kalitesi

Tablo-1 MPEG yayıncılığında frekans band genişliği ve veri hızı

Yorum yazın