Sistema de TV de Ultra Alta Definição
Nos dias de hoje já se tornaram corriqueiros os comentários sobre televisão em alta definição, (HDTV), não só nos ambientes técnicos como nos domésticos, apesar de se tratar de uma tecnologia tão nova que apenas cerca da metade dos países do mundo a possuem. Quando dizemos que metade dos países do mundo a possuem, não significa que todas as cidades desses países se beneficiam dessa tecnologia. Nos Estados Unidos, por exemplo, quando ocorreu o switch-off analógico à meia noite de 12 de junho de 2009, cerca de 3 milhões de lares (equivalente a 2,5% do mercado) ficaram sem televisão, pois além de algumas pequenas emissoras ainda não terem efetuado a migração para o digital, e por isso ficaram fora do ar, um grande número de telespectadores ainda não havia adquirido o seu set-top box ou trocado seu receptor analógico por um com conversor digital embutido.
No Brasil, onde o desligamento total da TV analógica está previsto para 2016, por enquanto pouquíssimas localidades desfrutam dessa nova tecnologia, estimando-se o número de usuários que já possuem conversores em cerca de 1%.
O Japão, por sua vez, programou seu switch-off analógico para julho de 2011, mas já está investindo pesados estudos num sistema substituto para a atual tecnologia de televisão digital.
A televisão estatal japonesa NHK (Nippon Hoso Kyokai - Japan Broadcasting Corporation) vem pesquisando desde 1995 nos seus Laboratórios de Pesquisa Científica e Tecnológica (NHK Science and Technical Research Laboratories), um sistema de televisão de Ultra-Alta Definição que será o sucessor do atual HDTV. O UHDTV (Ultra High Definition TeleVision), que tem como base o SHV (Super Hi-Vision), envolve uma tecnologia que revoluciona totalmente os atuais conceitos de câmeras de TV, sistemas de áudio e projetores de imagens e sistemas de transmissão de sinais via satélite na banda de 21 GHz, faixa até então nunca utilizada.
O sistema já havia sido apresentado publicamente pela primeira vez, em março de 2002, por ocasião da inauguração do novo prédio do NHK STRL, mas em novembro de 2005 ocorreu a primeira transmissão oficial ao vivo, em Aichi (Japão), dos sinais de áudio e vídeo não comprimidos em SHV, para uma distância superior a 260 km, através de uma rede de fibra ótica utilizando uma técnica denominada DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), num evento que marcou o 75° aniversário do NHK STRL. Em dezembro desse ano, o feito se repetiu, mas dessa vez a transmissão foi feita para que o público assistisse ao Red & White Year-end Song Festival.
No mês de abril de 2006, o sistema foi apresentado na NAB (Las Vegas). Em setembro de 2006, durante o congresso do IBC (International Broadcasting Convention) em Amsterdã-Holanda, aconteceu a primeira exibição do SHV na Europa, numa demonstração que contou com a participação de várias empresas japonesas sob o comando da NHK. Nesse evento o que se podia ver num grande teatro especialmente preparado com capacidade para 400 pessoas era uma imensa tela de projeção de 600 polegadas diagonais (aproximadamente 9 metros x 6 metros) com relação de aspecto de 16:9 que impressionou pelo elevado número de linhas de varredura (4.000) e pela altíssima qualidade da imagem exibida com resolução de 33 milhões de pixels (7.680 x 4.320) e um ângulo de visão horizontal de 100 graus (figura-1). A qualidade da imagem era tamanha que, mesmo muito próximos da tela as pessoas não podiam perceber as linhas de varredura. E o som, ..... um sistema de 22.2 multicanais!
Tanto que, no fim da feira, dois números ecoavam nos ouvidos dos participantes: 16 vezes a resolução do HDTV e som de 22.2 multicanais.
Figura 1 - Teatro utilizado para as exibições do sistema
(Fonte:DVD NAB2009 Press Kit "The Never Ending Evolution of Television", distribuído pela NHK durante a NAB de 2009- Super Hi-Vision theater at EXPO2005)
Só para termos uma noção do que isso representa, a resolução de um sistema de HDTV atual é de 2 milhões de pixels no padrão de 1.920 x 1.080 e a da TV analógica normal é de 200 mil pixels. A resolução do UHDTV é então, 16 vezes maior que a do HDTV. A relação de quadro de 60 Hz com varredura progressiva produz uma imagem com 4.000 linhas de varredura, impossível de serem notadas visualmente.
A figura-2 ilustra a comparação entre as resoluções dos vários sistemas de exibição atuais, desde o sistema analógico de 720 x 480 (200 mil pixels) até o SHV com 7.680 x 4.320 (32 milhões de pixels), ou seja, uma resolução 160 vezes maior do que o nosso melhor sistema analógico.
Figura 2 - Comparação entre sistemas de exibição em uso atualmente
Na figura-3 podemos visualizar o que representa esse grande incremento do ângulo de visibilidade horizontal de 30 para 100 graus, bem como o aumento que isso proporciona nas distâncias em que os espectadores devem se posicionar para assistir às exibições. Esses fatores, somados à qualidade do sistema de áudio de 22.2 canais, constituído de três camadas de alto falantes de forma a produzir um som espacial tridimensional, provocam um substancial aumento da sensação de realidade e presença causando uma incrível certeza de "imersão", ou seja, em determinados instantes a platéia é capaz de jurar que faz parte da cena, uma vez que tanto a grande tela como o som envolvem completamente o espectador. Ninguém consegue assistir estaticamente a uma exibição, sem acompanhar com movimentos giratórios de cabeça o desenvolvimento das ações que ocorrem dentro da sala.
Figura 3 - Comparação de ângulos de visão horizontal, distância e resolução entre os sistemas de exibição HD e UHD
Em 2007, quatro laboratórios europeus e japoneses especializados em mídia de radiodifusão se agruparam numa associação que recebeu o nome de Broadcast Technology Futures (BTF), com a finalidade principal de pesquisar e desenvolver novas tecnologias para serem aplicadas às mídias futuras. Esse grupo é assistido pelo departamento técnico da EBU (European Broadcast Union) e dele fazem parte as seguintes entidades:
NHK STRL (Nippon Hoso Kyokai Science & Technology Research Laboratories) – Tókio-Japão
BBC R&I (British Broadcasting Corporation Research & Innovation) – Londres-Inglaterra
IRT (Institut für Rundfunktechnik) –Munique-Alemanha
RAI CRIT (Radio Televisione Italiana Centro Ricerche e Innovazione Tecnologica) – Turim-Itália
No princípio do ano de 2008 foram iniciados pelo grupo BTF com o suporte da EBU, os mais importantes testes e experimentos da área do UHDTV, contando também com a participação das empresas Eutelsat, Siemens, Cable & Wireless e SIS. Na tabela a seguir, apresentamos a discriminação dos experimentos realizados. Esses testes foram finalizados em setembro desse mesmo ano com a maior demonstração já feita numa transmissão internacional de uma programação em SHV, durante o IBC em Amsterdã.
Fevereiro/2008 RAI, Eutelsat Medição das características de transmissão utilizando o satélite Eutelsat
Abril/2008 NHK, BBC, C&W, Siemens Teste de qualidade de transmissão IP do sinal SHV usando uma lunha de teste com origem no BBC Television Centre e terminando em Glasgow, cerca de 500km ao norte
Maio/2008 NHK, RAI Conexão dos modens RAI DVB-2 e um codec da NHK atravpes de um divisor/combinador TS e teste de transmissão SHV sobre esse sistema
Junho/2008 NHK, RAI, Eutelsat Teste de qualidade de transmissão de sinal SHV atravpes dos transponders dos satélites Eutelsat Telecom 2D e Atlantic Bird nº3
Agosto/2008 NHK, BBC, C&W, Siemens Teste da estabilidade de transmissão do sinal SHV usando a linha entre o Londres City Hall e o Amsterdã RAI Centre onde seria realizada a exibição durante o IBC em setembro
Tabela 1 - Experimentos que antecederem o IBC-2008
O formato de imagem adotado pelo SHV se tornou padrão SMPTE em outubro de 2007 e o som 22.2 multicanais em agosto de 2008.
Diagrama geral de um sistema de TV em Ultra-Alta Definição
Na figura-4, podemos observar o diagrama básico representativo de um sistema de UHDTV, desde a produção até o lado do usuário. Por se tratar de um sistema em desenvolvimento, esse sistema tem sofrido algumas variações no decorrer dos dias, mas nos dá uma boa noção do nível da tecnologia envolvida.
Figura 4 – Diagrama geral do sistema UHDTV
(Fonte:folder "The Never Ending Evolution of Television", distribuído pela NHK durante a NAB de 2009)
A partir de 2006, a demonstração do SHV vem ocorrendo em todas as edições da NAB (Las Vegas) e do IBC (Amsterdã), sendo que a cada ano uma inovação tecnológica é acrescentada ao sistema que, diga-se de passagem, já é todo especial.
Uma grande variedade de equipamentos para uso exclusivo no sistema foi desenvolvido e vem sendo aperfeiçoado mês a mês, incluindo câmeras de vídeo, displays, projetores, discos rígidos, gravadores, sistema de som, sistemas de transmissão ótica com a tecnologia DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), sistema de codificação baseado em MPEG-2 para distribuição de programas utilizando rede IP, transmissão experimental via satélite utilizando a banda de 21 GHz e conversores de formatos para varredura de 2.160 linhas e HDTV, tudo isso tendo sido projetado (para não dizer re-inventado) especialmente para o SHV.
A NHK aponta como principais aplicações imediatas para o Sistema de TV de Ultra-Alta Definição o uso médico, segurança, monitoração, transmissão ao vivo de locais distantes via fibra ótica, exibições a públicos entre outras.
Para os consumidores domésticos, os cientistas da NHK dizem que não se deve esperar que o sistema esteja disponível para antes de 2025.
O áudio do Super Hi-Vision
Já havia dito anteriormente, que tudo relacionado à TV de ultra-alta definição (UHDTV ou Super Hi-Vision) é especial, mas às vezes acho que especial é pouco! Chega a ser um absurdo, um sistema de som de 22.2 canais, assim como o é uma tela de 600 polegadas, 33 milhões de pixels, 16 vezes a definição do HDTV, e tudo mais.
A qualidade do vídeo exibido impressiona muito, e o áudio segue a mesma linha, afinal, ele tem que complementar o propósito do vídeo de fazer a platéia acreditar que está no local da cena, e não a assistindo.
Numa das exibições que assisti, o vídeo mostrava algumas crianças brincando e, por mais de uma vez eu me senti cercado por elas, ou melhor, pelo som delas. Numa outra apresentação, eu também "estive" na torcida durante aquela partida de futebol. Ouvi o juiz apitar o escanteio, através de uma caixa acústica posicionada atrás de mim, no nível do chão. Ouvi claramente o som do chute que o jogador deu na bola, numa outra caixa abaixo, à minha direita, e escutei o barulho do cabeceio do atacante desviando a bola para dentro do gol, bem ali naquela caixa acústica do centro da sala, a meia altura. Eu sei que toda a torcida também ouviu, afinal "nós", metade dela, vibramos com aquele gol, metade da torcida gritou com aquele gol, em todas as caixas acústicas. Não foram todos que vibraram, porque a outra metade era do time adversário! Aquele trecho de futebol foi o mais bonito que eu já vi e ouvi, sem estar no estádio, mas me sentindo totalmente lá.
Os cientistas da NHK, em seus estudos, definiram primeiramente que o sistema sonoro do SHV precisa satisfazer os seguintes pontos:
localizar sons frontais posicionados acima de toda a área da tela;
reproduzir os eventos sonoros que ocorrem em todas as direções ao redor do espectador, inclusive nas elevações;
reproduzir uma impressão espacial tri-dimensional afim de aumentar a sensação de realidade;
criar uma ampla área audível com qualidade excepcional;
ser compatível com os sistemas sonoros multicanais existentes (3).
Para atender a essas premissas, foi idealizado um sistema com três camadas de caixas acústicas arranjadas horizontalmente, mais um sistema adicional para reprodução de baixas frequências. Dessa forma, não se trata simplesmente de um "sistema de áudio", mas de um arranjo espacial tri-dimensional que envolve completamente o ouvinte e dá a uma perfeita sensação de realidade e presença nunca anteriormente experimentada. Nesse arranjo, as caixas acústicas são instaladas estrategicamente de forma que o ouvinte, dentro da sala, se sinta realmente parte do arranjo. A figura 5, a seguir, ilustra o sistema.
Figura 5 – Distribuição das caixas acústicas na sala de exibição
A camada superior é constituída de 9 canais divididos em três grupos, destinados a reproduzir os sons que vêem do alto, tais como aviões, helicópteros e pássaros. Um desses grupos, situado bem acima da tela, é constituído de 3 caixas acústicas (SF1, SF2 e SF3) e reproduz os sons que se situam exatamente sobre a cena; o segundo grupo possui mais três caixas, sendo uma delas situada no teto da sala e as outras duas, no mesmo nível da primeira porém nas laterais (SC1, SC2 e SC3), e reproduzem os sons bem acima do espectador; o terceiro grupo é constituído de três caixas acústicas instaladas na parte traseira da sala (ST1, ST2 e ST3) e reproduzem sons vindos do alto, atrás do espectador. A camada mediana possui 10 canais, divididas em dois grupos: o primeiro é composto de 5 caixas frontais, sendo três delas (MF2, MF3 e MF4) posicionadas atrás da tela, as quais atuam tal e qual os canais frontais dos Home Theaters, mais duas frontais posicionadas nas laterais da tela (MF1 e MF5), atuando da mesma forma que os canais centrais dos Home Theaters. As outras cinco são distribuídas nas laterais (MC1 e MC2) e na traseira da sala (MT1, MT2 e MT3). Esses canais reproduzem sons que se situam à altura dos ouvidos do espectador. A camada inferior, instalada abaixo da tela, é composta por três canais (IF1, IF2 e IF3), mais dois adicionais (LF1 e lf2) para reprodução de LFE ou Low Frequency Effects intercalados com os outros três e no mesmo nível, com a finalidade de reproduzir os sons que partem do nível do chão, tais como praia, riachos, pessoas, carros, etc.
Nos sistemas de áudio multicanais atualmente utilizados, o 2.0 e o surround de 5.1 canais, chamados sistemas 2D por não atuarem na dimensão vertical, o som está fortemente atrelado à imagem exibida e parece sair da própria tela, ou seja, é um som basicamente frontal. O máximo que se consegue, através de um Home Theater, é uma boa separação daquele som, utilizando, porém, a mesma dimensão, sem conseguir envolver plenamente o ouvinte.
O crédito para a excepcional contribuição do áudio ao sistema de SHV deve-se também em grande parte à forma de captura dos sons. São utilizados arranjos de microfones que capturam não apenas aquele som envolvido diretamente com a cena, mas também os dos arredores dela, como podemos ver nas montagens mostradas nas figuras 6 e 7.
Figura 6 – Arranjos de microfones dos sistemas de captura de áudio
Fonte:DVD NAB2009 Press Kit "The Never Ending Evolution of Television", distribuído pela NHK durante a NAB de 2009- SuperHiVision_Audio3
Figura 7- Detalhe de um dos arranjos de microfones retirado da figura 6
É quase que como se fosse riscado do vocabulário as palavras "silencio, gravando". Aqui, a idéia é gravar todos os sons do ambiente, pertencentes ou não à cena. Aquele avião ou helicóptero que você não está vendo na cena, mas está ouvindo; aquele barulho de riacho ou daquela britadeira; as crianças brincando no parque ao lado... todos esses sons fazem parte do programa, mesmo sem pertencer à cena, e eles são reproduzidos o mais próximo possível da posição em que eles ocorrem, ou seja, o do avião é reproduzido no alto, de preferência se deslocando, as crianças na camada inferior, e assim por diante. Com essa multiplicidade de fontes de sinais sonoros sendo simultaneamente reproduzidos, o espectador não tem como não se sentir participante da ação.
Em testes realizados com o objetivo de comparar as impressões acerca de vários atributos espaciais utilizando conteúdos com imagem UHDTV numa grande sala, os cientistas da NHK demonstraram que o sistema tridimensional de 22.2 multicanais pode produzir sons espaciais com melhor qualidade, realidade e presença numa área mais ampla de audição do que os sistemas surround 5.1 e o estéreo 2.0 canais.
Na demonstração realizada em novembro de 2005, quando ocorreu a primeira transmissão oficial ao vivo, durante a World EXPO 2005 em Aichi (Japão), o sinal de áudio trafegou sem compressão por uma distância superior a 260 km, através de uma rede de fibra ótica, a uma taxa de 28 Mbit/s. Foi durante essa World EXPO que os cientistas realizaram as avaliações subjetivas dos três sistemas de som multicanais (2.0, 5.1 e 22.2 canais) que terminaram com a aprovação do sistema de 22.2 canais.
No ano seguinte, foi a vez de Osaka receber os sinais de UHDTV provenientes de Tókio, via rede óptica IP. O sinal de vídeo foi codificado em Mpeg-2 e comprimido para cerca de 600 Mbit/s. O áudio, em 32 canais digitais e amostrado em 48 kHz com 24 bits foi embutido nos streams do MPEG-2 e transmitido a cerca de 500 Km de distância.
Em setembro de 2008, durante o IBC, ocorreu uma transmissão simultânea via satélite, a partir de Londres, e via rede IP, partindo de Turim, sendo ambos os sinais recebidos em Amsterdã. O sinal de áudio vindo de Londres sem compressão seguiu mixado ao vídeo comprimido em um transport stream MPEG-2. De Turim, o vídeo e o áudio foram codificados em MPEG-4 AVC e AAC respectivamente, produzindo um sinal codificado de cerca de 140 Mbit/s, o qual foi dividido em dois transport streams e transmitido através de dois transponders de satélite, modulados em 8PSK. Em Amsterdã, os sinais foram recebidos simultaneamente numa sala e exibidos aos espectadores.
Para minha felicidade, eu estava presente no local e assisti ao "evento" ao vivo!
Progressos e dificuldades
Os pesquisadores do NHK STRL (Science and Technical Research Laboratory), em seus constantes estudos e experimentos sobre o SHV desenvolveram em 2007 um sistema de reprodução de fone de ouvido de 22.2 canais que foi demonstrado no STRL Open House naquele ano. A figura 8 mostra esse fone e mais alguns detalhes do sistema de reprodução de som em 22.2 canais.
Figura 8 – Sistema de reprodução de áudio de 22.2 multicanais
Fonte:DVD NAB2009 Press Kit "The Never Ending Evolution of Television", distribuído pela NHK durante a NAB de 2009-SuperHiVision_Audio3
Também foi mostrada uma mesa de áudio com função panning tri-dimensional (figura 8) para auxiliar na produção de programas com 22.2 canais. Outro desenvolvimento marcante foi a caixa acústica para uso doméstico com três níveis de alto falantes, um baixo, um médio e um alto, que eles acharam por bem chamar de "menino alto", cuja performance de localização de som foi confirmada num experimento de avaliação reproduzindo um som de alta qualidade ao vivo (4).
Embora em termos de tecnologia o sistema de som de 22.2 canais pareça estar totalmente dominado, os engenheiros e projetistas ainda sofrem com a falta de conhecimento e experiência na área em relação à mixagem dos efeitos sonoros, musicas e vozes. Existem várias questões a serem resolvidas, tais como o uso efetivo das camadas superior e inferior, o movimento tri-dimensional das fontes sonoras e a criação do sentido de elevação.
O sistema de vídeo do SHV é constituído, como em qualquer outro sistema de televisão, de câmeras, gravadores e processadores de sinais em geral. Nesse sistema, porém, devem ser acrescentados os projetores, uma vez que o SHV exibe imagens projetadas numa tela ao invés dos convencionais televisores ou monitores, pelo menos por enquanto.
Para capturar imagens que satisfaçam à enorme resolução de 7.680 x 4.320 pixels (habitualmente resumido como 8K x 4K) do sistema SHV, não pode ser utilizada qualquer câmera. Assim, equipamentos especiais têm sido desenvolvidos para desempenhar satisfatoriamente essa função.
Um dos primeiros modelos foi desenvolvido em 2002. Suas características se situam num nível bastante anormal para os padrões de câmeras de televisão com os quais estamos acostumados, a começar pelas suas dimensões e peso que nos remetem aos modelos convencionais bem antigos (cerca de 30 a 35 anos atrás), quando elas ainda utilizavam orticons e vidicons como tubos captadores de imagem. O modelo utilizava quatro sensores de imagem CCD (Charge Coupled Devices – dispositivos de carga acoplada) de 2,5 polegadas e lentes de foco fixo. As principais características desse modelo de câmera estão mostradas na figura 9 a seguir.
Figura 9 – Primeiro modelo de câmera SHV e suas características
Em 2004, foi demonstrado um protótipo já mais aperfeiçoado, tanto em termos de tecnologia eletrônica como mecânica, o que permitiu, por exemplo, uma drástica redução das suas dimensões. Nesse modelo, os quatro sensores são CMOS de 1,25 polegadas e as lentes de foco fixo foram substituídas por lentes zoom, e seu peso foi reduzido pela metade. Veja na figura 10 as características desse modelo.
Figura 10 – Segundo modelo de câmera SHV e suas características
Uma das características mais importantes que envolvem as câmeras SHV é o método utilizado para capturar as imagens.
O sinal SHV obtido do arranjo de painéis de sensores das câmeras mostrado na figura 11 utiliza um método chamado pixel-offset cuja principal finalidade é aumentar o número efetivo de pixels horizontais e verticais da imagem.
Nesse processo, dois dos quatro sensores CCD são utilizados para a componente de luz verde (G1 e G2), um para a componente azul (B) e outro para a componente vermelha (R). Isso possibilita a configuração de um arranjo espacial de pixels de imagem, onde os dois sensores G estão alinhados por meio pitch de pixel e um deles é alinhado com o R (A na figura 11) e o outro com o B (B na figura 11), ocasionando um grande aumento da resolução. Esse novo método oferece duas grandes vantagens: previne a degradação da resolução da imagem causada pela aberração cromática das lentes e aumenta a resolução cromática dos sinais sobre uma ampla faixa.
Figura 11 – Configuração do arranjo do painel de sensores de cor das câmeras SHV
A TV estatal japonesa NHK, responsável pelo projeto da UHDTV, testou recentemente um novo sensor monocromático fabricado pela empresa Micron Technology que captura imagens com varredura progressiva de 30 quadros por segundo a 125 MHz. A imagem testada foi uma página de jornal, sendo possível a leitura das matérias impressas através de um monitor de vídeo. Atualmente a empresa está testando modelos de sensores a cores de vários fabricantes com a finalidade de se chegar a um equipamento que realize a mesma façanha, porém agora colorida, satisfazendo as especificações do sistema SHV.
O conversor de formato de vídeo transforma o sinal SHV original de 7680 x 4320 pixels, obtido a partir do arranjo de sensores de cores G1, G2, B e R organizados conforme visto na figura 11, para 16 imagens de 1920 x 1080 pixels - 30 Psf (Progressive segmented frame) (formato Y/C 4:2:2, HD-SDI) e vice-versa, ou seja, converte as 16 imagens do padrão 1920 x 1080 para outra de 7680 x 4320. Nesses processos, a imagem SHV é dividida através de técnicas especiais que conheceremos a seguir.
A relação de quadros (frame rate) real do sinal de vídeo no padrão NTSC é 29,97 qps (quadros por segundo), e não 30. O cinema sempre utilizou exatos 24 qps. Quando se precisa fazer uma transferência de material gravado em vídeo (TV) para película (cinema), essa relação é instantaneamente quebrada, provocando no filme um ligeiro fast-motion naquele trecho onde foi feita a transferência. O Psf é uma técnica utilizada em câmeras de gravação altamente profissionais que oferece a opção de se gravar na mesma cadência do cinema, ou seja, 24 qps, afim de evitar problemas desse tipo.
Também é oportuno mencionar que no congresso IBC de 2006 em Amsterdã, foi apresentado pelos autores o paper "Technical development towards implementation of extremely high resolution imagery system with more than 4000 scanning lines", baseado no documento Rec. 709 do ITU-R, formulando o sistema de conversão de cor (1).
Cada um dos componentes G1, G2, B e R do sinal SHV constitui um quarto dele e é arranjado conforme a parte C da figura 3. Além disso, depois da conversão de formato do vídeo, passam a existir dois sinais de luminância. Isso faz com que o número de pixels significativos se torne igual à metade da área total do SHV 7680 x 4320. Por isso, no caso da conversão para 16 sinais HD-SDI, o sinal SHV precisa ser dividido espacialmente em oito partes e temporalmente em duas partes.
Existem duas formas de se fazer a divisão espacial:
a primeira, chamada "divisão H", é constituída de quatro posições horizontais e duas posições verticais (fig 12)
Figura 12 - Divisão "H"
a segunda, chamada "divisão V", é constituída por duas posições horizontais e quatro verticais (figura 13).
Figura 13 - Divisão "V"
A divisão temporal, por sua vez, pode ser feita tanto por dois sinais de 60i (quadros entrelaçados) como por dois sinais de 30 Psf. Veja figura 14.
Figura 14 – Divisão temporal
Alguns experimentos foram realizados para decidir sobre qual modo de divisão utilizar. Sistemas de codec MPEG-2 HDTV foram submetidos a testes de codificação em quatro combinações de divisões espaciais e temporais utilizando imagens de sinais SHV. Os resultados mostraram que a combinação das divisões H e 30 Psf superam a performance das outras combinações. Então, essa foi a escolhida para ser utilizada no sistema de codificação do SHV (figura 15).
Figura 15 – Divisão espacial + divisão temporal
Tanto incremento de resolução na imagem não pouparia o sistema de gravação da necessidade de estudos especiais para aperfeiçoamento, a exemplo do que vem ocorrendo com o sistema de transmissão. Assim, os Laboratórios de Pesquisa Científica e Tecnológica (NHK Science and Technical Research Laboratories) da NHK e suas empresas associadas se empenham num incansável trabalho de pesquisa de novas mídias que possam satisfazer às enormes exigências de gravação do SHV.
DVD 4,7GB 8,5GB 11,1Mbps
HD DVD 15GB 30GB 36,55Mbps
Blu-Ray 25GB 50GB 54Mbps
HDV 300GB 3,9TB 1000Mbps
Tabela 2 - Comparação de capacidade de armazenamento entre mídias
Embora a idéia final seja chegar a um sistema doméstico de televisão, onde os sinais sejam recebidos e exibidos em equipamentos com a mesma filosofia de exibição dos atuais televisores (ou coisa parecida), atualmente as apresentações do sistema são feitas em telas onde as imagens são projetadas. Diga-se de passagem, são senhoras telas de 600 polegadas diagonais ou cerca de 9 metros de largura por 5 de altura.
Nessas exibições, têm sido utilizados projetores duplos especiais para reproduzir o as imagens de 8K x 4K (figura 16). Um desses tipos reproduz o verde, em dois sistemas (G1 e G2) e o outro reproduz o azul (B) e o vermelho (R), com níveis de luminosidade jamais alcançados da ordem de 10.000 lumens. Nessa tarefa, a NHK conta com a parceria da JVC (Japan Victor Corporation Ltd) que vem desenvolvendo os projetores.
Figura 16 - Projetor SHV
Fonte:DVD NAB2009 Press Kit "The Never Ending Evolution of Television", distribuído pela NHK durante a NAB de 2009- Super HiVision_ Projector
Em Maio de 2009, a JVC anunciou o desenvolvimento do primeiro projetor SHV de alta resolução e cobertura total (3). Isso significa que, entre outros avanços tecnológicos alcançados, a partir desse lançamento as imagens SHV podem ser produzidas através de apenas um projetor (fig. 17), ao invés de dois em paralelo como mostra a figura 16.
Figura 17 - Projetor D-ILA
Fonte: JVC Press Release-May 12,2009 - JVC Develops World's First Full-Coverage, High-Resolution Super Hi-Vision Projector
O equipamento utiliza um sistema com três componentes D-ILA (Direct-Drive Image Light Amplifier) de 1,75 polegadas capaz de produzir um brilho de 10.000 lumens com uma relação de contraste de 5.500:1, possibilitando a exibição de um sinal de vídeo com 35 megapixels de resolução, ou seja, 8.192 x 4320 pixels (8K x 4K). Isso equivale a 17 vezes a resolução do full HD atual.
Trata-se de um componente de cristal liquido reflectivo de alta performance para utilização em projetores, tecnicamente conhecido como LCOS (Liquid Crystal On Silicon) que produz alto brilho e alta definição (figura 18).
Figura 18 - Componente D-ILA de 1,75 polegadas com resolução 8K x 4K
Fonte: JVC Press Release-May 2,2008 - JVC Develops 1.75-inch 8K4K D-ILA Device
A tecnologia D-ILA, de propriedade da JVC, vem sendo desenvolvida desde 1997, quando ela lançou seu primeiro projetor, um SXGA de 1,3 megapixel, e desde então vem aprimorando essa técnica.
Os projetores full HD atualmente usados em Home Theaters já alcançam uma relação de contraste nativa de 50.000:1 conseguida através da utilização da tecnologia D-ILA associada a um novo mecanismo ótico.
Recentemente, foi anunciado no boletim NHK STRL R&D número117 de Julho de 2009 (http://www.nhk.or.jp/strl/publica/rd/rd117/rd117.html) o desenvolvimento de um tipo de projetor utilizando uma tecnologia chamada High Dynamic Range (HDR) (2).
O "pulo do gato" contido nesses sistemas de projeção é a reprodução do preto a uma relação de contraste muito alta, chegando a cerca de 1 milhão por 1 (1.100.000 : 1).
O sistema atua com dois blocos de modulação: o primeiro modula a crominância do vídeo e o segundo modula a luminância. A saída ótica do primeiro bloco (sinal RGB de baixa resolução) é projetada para o segundo onde é feita a modulação da luminância do sinal. Isso provoca na luz incidente uma atenuação em duas fases de modo a criar na imagem áreas escuras reproduzindo um preto mais escuro. Veja a figura 19.
Figura 19 – Sistema de projeção SHV
Fonte: Reprodução do site "OpenHouse 2007 - Blazing a trail to the Future" - High Dynamic Range Projector for the SHV System - (http://www.nhk.or.jp/strl/open2007/en/tenji/t06.html)
Com esse sistema, a reprodução de tons, especialmente em áreas escuras é substancialmente melhorada. Considerando que a resolução do sistema visual humano para cores é mais baixa do que para luminância, pode-se aumentar a resolução de exibição de uma imagem simplesmente aumentando a resolução do segundo bloco modulador (luminância) podendo ser mantida baixa a resolução do primeiro bloco modulador (RGB).
Esses dados já são nossos velhos conhecidos através dos artigos anteriores, mas vale relembrar que, o sistema de televisão em ultra-alta definição (UHDTV ou SHV) possui um formato com varredura progressiva de 4.000 linhas, 60 quadros por segundo e definição de 7.680 x 4.320 pixels, ou seja, com uma definição 16 vezes maior do que a do HDTV. O áudio é constituído de um super sistema de som surround com 22.2 multicanais. Com tudo isso, o resultado é uma gigantesca, porém proporcional, relação de bits do sistema de 24 Gbit/s.
Para esse sistema ser utilizado na prática como serviço de radiodifusão, onde o usuário doméstico possa receber os sinais tanto através de satélite como por canais de radiodifusão terrestre, além de poder efetuar sua gravação para as mais diversas utilizações, é preciso que os sinais de áudio e vídeo passem por um sistema de compressão e codificação / decodificação (codec) de alta eficiência. Esse sistema deve ser capaz de possibilitar uma maneira de reduzir essa alta relação de bits de áudio e vídeo para uma faixa aceitável e utilizável que se situe entre 120 e 160 Mbit/s, atualmente empregada nos sistemas HDTV.
A NHK tem desenvolvido em seus laboratórios e também com empresas afiliadas, alguns sistemas de codificação de vídeo baseados nos padrões MPEG-2 e AVC/H.264 (Advanced Video Coding / H.264 ou MPEG-4 Part 10). O SHV, que utiliza equipamentos de captação, gravação e exibição de áudio e vídeo que trabalham com resolução de cerca de 32 milhões de pixels, não pode contar ainda com equipamentos integradores que respondam a esse nível de resolução. A solução mais viável apresentada até o momento parece ser a conversão do sinal original para 16 sinais HDTV, sendo cada um deles processado por um codificador HDTV individual. Para isso, podemos concluir que deve se empregado nesse caso um sistema com equipamentos e tecnologias bem especiais, a exemplo do próprio UHDTV, com características muito específicas.
Os sistemas de codecs são basicamente compostos de um conversor de formato de vídeo, um codificador/decodificador de áudio e um codificador/decodificador de vídeo. A conversão do sinal de vídeo original é necessária para torná-lo mais fácil de ser manipulado durante sua transformação para o formato YUV.
O conversor de formato de vídeo, sobre o qual já conhecemos um pouco quando falamos sobre o vídeo do SHV, transforma o sinal original de 7680 x 4320 pixels, obtido a partir de um arranjo de sensores de cores G1, G2, B e R para 16 imagens de 1920 x 1080 pixels e vice-versa, ou seja, converte as 16 imagens do padrão 1920 x 1080 para outra de 7680 x 4320. Esses processos realizam a divisão da imagem SHV através de técnicas especiais, de acordo ainda com o que já vimos quando escrevemos sobre o vídeo.
Na figura 20 temos um diagrama genérico, de ponta a ponta, dos sistemas de codificação e decodificação de sinais.
Figura 20 - Diagrama geral do sistema de codificação e decodificação
Nessa figura podemos ver o denominado bloco "CONVERSOR DE FORMATO E PARALELIZADOR", cuja função é converter o formato do sinal SHV da entrada e dividir os 24 Gbps em 16 sinais que serão aplicados cada um a um codificador e processá-lo em tempo real. É ele também quem controla o tempo de início da atuação de cada codificador de forma a assegurar o perfeito sincronismo de operação entre eles.
O sinal de áudio pode ser transmitido no padrão PCM linear não-comprimido, com amostragem de 48 kHz e 24 bits/amostragem, ou então através de codecs Dolby-E com razão de compressão de 1:4. Nesse sistema de 22.2 multicanais são transportados 24 canais de áudio. Veja a tabela 3.
Quando é necessário a utilização das redes IP públicas para transmissão dos sinais SHV codificados, dependendo do caminho utilizado para a transmissão devem ser levados em consideração o jitter e o atraso de tempo. Para sincronizar os quatro TS gerados pelos sub-codificadores, o sistema gerencia o tempo de cada quadro de vídeo através de um time code e de uma referência temporal existente na estrutura GOP (Group Of Pictures - uma camada opcional que contém um cabeçalho que transporta as informações de time code e edição) do fluxo de vídeo MPEG-2. A comunicação entre os sub-codificadores é feita via ethernet. Um sub-codificador mestre controla o início da atividade dos outros sub-codificadores. Na decodificação, o sub-decodificador ajusta o tempo de exibição de todos os outros sub-decodificadores e considera um atraso de transmissão se referenciando ao time code e à referência temporal. O decodificador pode lidar perfeitamente com um atraso relativo nos quatro TS internos em 15 quadros de vídeo.
Veja na tabela a seguir as principais especificações do codificador MPEG-2.
Transport Stream I/F
16 vezes 1920x1080 / 30 Psf
MPEG-2 4:2:2 / Main Profile
180 - 600 Mbit/s 24 canais (AES3 x 12)
PCM (48kHz - 24bits)
Dolby-E - 7 Mbps 4 vezes MPEG-2 TS (DVB-ASI)
Max. 640 Mbps
Tabela 3- Especificações do sistema de codificação MPEG-2
Numa atuação conjunta entre a NHK e a Fujitsu Laboratories Ltd. foi produzido um modelo de codec em tempo real com bit-rate muito baixo baseado no padrão AVC/H.264 que é, atualmente, o mais eficiente padrão de codificação de vídeo sendo largamente utilizado em várias aplicações tais como radiodifusão de pequenas imagens para recepção móvel ou serviços de HDTV via satélite. O AVC/H.264 é um esquema de codificação padronizado pela ISO/IEC e pela ITU-T.
Para conseguir um equipamento capaz de processar imagens tão grandes como as do SHV, foram utilizados 16 codificadores iguais aos utilizados em HDTV trabalhando em paralelo e cada um deles contendo 16 unidades de processamento. Cada um desses codificadores abriga três FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays - chips constituídos de inúmeras chaves programáveis cujo objetivo é simular o funcionamento de outros circuitos, como por exemplo, processadores, controladores de vídeo, interface serial e outros) e um DSP (Digital Signal Processor – microprocessador dedicado ao processamento digital de sinais de áudio e vídeo em tempo real ou off-line), possibilitando que o processo de codificação seja alterado com uma simples substituição de software.
Para manter o sincronismo das 16 imagens do sistema, também foi criado um novo mecanismo de sincronização mestre-escravos onde um dos codificadores assume o papel de mestre para comandar os outros 15 escravos. Note que qualquer um dos codificadores pode ser indexado como mestre, o que é definido via software.
No final do processo, o sinal sofre uma compressão em tempo real de cerca de 200:1, baixando aqueles 24 Gbit/s para cerca de 120 Mbit/s. Embora essa banda ainda seja seis vezes maior do que a utilizada para vídeo em HD no Japão, ela já serve para uso num sistema de radiodifusão e transmissão para satélites.
Uma vez recebido no seu destino, o sinal é processado inversamente, ou seja, é decodificado, sendo então restaurado para um sinal SHV.
Já há um certo tempo, a NHK STRL (Nippon Hoso Kyokai Science & Technology Research Laboratories) juntamente com a BBC R&I (British Broadcasting Corporation Research & Innovation) estão com suas pesquisas focadas no desenvolvimento de um sistema de compressão específico para SHV. A base dessas pesquisas é um projeto iniciado pela BBC, denominado Dirac. Esse sistema utiliza uma tecnologia conhecida como wavelet para transformar o erro residual do sinal, ao invés da tradicional DCT (Discret Cosine Transform) que, segundo os pesquisadores da BBC, limitam a flexibilidade dos blocos utilizados no processamento desses sinais. A wavelet é uma função capaz de decompor outras funções no domínio da freqüência, de forma que elas possam ser analisadas em diferentes escalas de freqüência e de tempo. Essa decomposição é conhecida como "transformada de wavelet". Por isso, as funções wavelet são ferramentas poderosas para análise e compressão de sinais e o SHV tem muito a ganhar com essa tecnologia.
A meta é atingir um nível de relação de bits de vídeo da ordem de 65 Mbit/s de forma a poder transmitir o SHV através de um único transponder de satélite (70 Mbit/s). Os cientistas envolvidos nessa tarefa sabem que não vai ser fácil chegar lá, mas estão bastante satisfeitos com os resultados dos experimentos que estão sendo realizados.
Espera-se a cada dia novos avanços, graças aos progressos que vêem sendo alcançados nas tecnologias de codificação e compressão de imagens.
Nas quatro partes anteriores dessa matéria tivemos a oportunidade de conhecer um pouco sobre o sistema de TV em Ultra-Alta Definição (UHDTV) quando falamos sobre o vídeo, o áudio e os métodos de codificação e decodificação dos sinais. Podemos, portanto, avaliar a dimensão do desafio que os cientistas da radiodifusão do NHK STRL (NHK Science and Technical Research Laboratories), juntamente com seus parceiros ingleses (BBC R&I - British Broadcasting Corporation Research & Innovation) e italianos (RAI CRIT - Radio Televisione Italiana Centro Ricerche e Innovazione Tecnologica) têm pela frente para fazer com que toda essa tecnologia chegue aos lares dos telespectadores, o que foi prometido, a princípio, para até 2025 mas que já se fala em antecipação, graças aos relevantes avanços tecnológicos alcançados.
Como já pudemos perceber, o SHV é um sinal que envolve números que, à primeira vista, parecem estar errados, pois nem sequer estão próximos daqueles valores que estamos acostumados a lidar quando tratamos de radiodifusão, mesmo sendo HDTV.
A transmissão do UHDTV não deixa por menos e também envolve grandes valores. Até a presente data, apenas duas faixas de freqüência de satélites apresentaram características que as habilitam a serem experimentadas para uso na radiodifusão do SHV: uma de 12 GHz e outra de 21 GHz.
Para a banda de 12 GHz, a NHK testou os esquemas de modulação multi níveis 16APSK e 32APSK como meio de transmitir sinais de alto bit-rate numa largura de banda limitada. No caso do 32APSK, foi possível a transmissão de sinais SHV comprimidos a 120 Mbps ocupando uma faixa de freqüência de 34,5 MHz.
Os primeiros testes "silenciosos", ou seja, em laboratório, sem a emissão para o ar, foram realizados em 2008 utilizando um protótipo de modulador de banda larga de 300 MHz com capacidade para transmitir a multiprogramação SHV codificada num sinal de 500 Mbps, ocupando uma alocação de freqüência de 600 MHz situada entre 21,4 e 22 GHz (banda Ka), com multiplexação por divisão de tempo em uma única portadora (1). A esse protótipo de modulador foi adicionado uma nova função de correção de erro usando um código de cheque de paridade de baixa densidade (LDPC).
Nesses testes foi utilizado um simulador de transponder de satélite de radiodifusão constituído por um mini Travelling Wave Tube (TWT)* que amplificou o sinal após sua codificação, modulação e up-conversão para 21 GHz. O sinal modulado foi transmitido através de uma antena Horn e recebido por uma antena parabólica doméstica normal, de 45 cm de diâmetro (veja esquema na figura 21).
Figura 21 – Diagrama em blocos do sistema de transmissão utilizado para teste SHV
O segundo consiste de uma antena multi-horn que possa cobrir o Japão com oito feixes, possibilitando o ajuste da potência aplicada a cada feixe através de amplificadores multi portas, de forma que a potência para os feixes que cobrem regiões com chuva possam ser seletiva e convenientemente aumentadas.
O terceiro método utiliza uma antena-espelho, com uma superfície reflectiva modificada de modo a poder ser usada para formar um padrão de emissão que forneça um ganho relativamente maior para as partes sul-oeste do Japão, onde a incidência média de chuvas é maior, conseguindo assim uma relação de serviço uniforme no decorrer do ano para todo o país. (2)
A RAI, parceira italiana da NHK nesse projeto, já estuda uma combinação das técnicas de modulação SVC (Scalable Video Coding) e VCM (Variable Coding and Modulation) para resolver esses efeitos de atenuação. Essa alternativa já havia sido proposta nos anos 90 para a radiodifusão de TV digital em canais terrestres e de satélite, mas foi recusada por alguns motivos dentre os quais o principal foi a sua complexidade.
Durante o IBC (International Broadcasting Convention) de setembro de 2008 em Amsterdã, foi realizada a primeira transmissão internacional de programa em SHV, envolvendo diretamente a NHK, a BBC e a RAI, que contaram com o suporte da EBU e o apoio da Eutelsat que, em parceria com a RAI, forneceu o material em SHV via satélite a partir de Turim, com a Siemens, que juntamente com a Cable & Wireless providenciaram a ultra rede IP de radiodifusão para levar o sinal de Londres até Amsterdã e com a SIS que participou com a captura do vídeo e do áudio em Londres. Assim, de Londres, através da rede IP, foi enviado um sinal ao vivo para Amsterdã. De Turim chegou, via satélite, uma programação pré-gravada.
O sinal codificado de 140 Mbit/s foi dividido em dois Transport Stream de 70 Mbit/s cada e enviados para dois transponders de satélite, utilizando a modulação 8PSK 5/6. A figura 22 ilustra essa configuração.
Figura 22 – Transmissão via satélite de Turim para Amsterdã
De Londres, o sinal de vídeo SHV de 24 Gbit/s foi comprimido para cerca de 600 Mbit/s através do MPEG-2. Então, esse vídeo comprimido e o áudio de 22.2 multicanais não comprimido foram multiplexados em um transport stream MPEG-2 e enviados por meio da ultra rede IP de radiodifusão para Amsterdã. Veja a figura 23.
Figura 23 – Transmissão IP de Londres para Amsterdã
Uma das intenções desse evento foi demonstrar à comunidade científica (e comprovar) que é perfeitamente possível a transmissão internacional ao vivo de imagens SHV e sons de altíssima qualidade utilizando para isso redes públicas de telecomunicações. Nesse caso, o sinal trafegou através de duas redes públicas e uma de radiodifusão, além de duas redes privadas, uma em cada extremidade do link.
Também foi confirmada a possibilidade da radiodifusão de sinais Super-Hi Vision por meio da banda de 21 GHz de satélite.
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