Τι εστί 4:2:2..?

Γύρω από τον όρο 4:2:2 υπάρχει μια σύγχυση. Ο περισσότερος κόσμος, εσφαλμένα, θεωρεί ότι 4:2:2 σημαίνει αυτόματα πολλά διαφορετικά πράγματα, όπως MPEG ή οτιδήποτε άλλο. Στην πραγματικότητα, 4:2:2 είναι απλά μια δειγματοληψία, που χρησιμοποιείται από πολλά διαφορετικά συστήματα ψηφιοποίησης. Αναφέρουμε απλά, ότι το 80% του επαγγελματικού βίντεο σήμερα (εξαιρουμένου του Professional DV), χρησιμοποιεί δειγματοληψία 4:2:2 και το 80% αυτής της βιομηχανίας, δεν είναι MPEG. Ας μην μπερδεύουμε τη δειγματοληψία, λοιπόν, με τη συμπίεση, αφού πρόκειται για τελείως διαφορετικά πράγματα. Το MPEG (οποιοδήποτε MPEG) είναι τρόπος συμπίεσης και οποιαδήποτε δειγματοληψία μπορεί να συμπιεστεί με κάποιον MPEG αλγόριθμο.

Ας βάλουμε λοιπόν, τα πράγματα στη θέση τους.

 

Η ψηφιοποίηση οποιουδήποτε σήματος – επομένως και του σήματος εικόνας – στηρίζεται στη βασική αρχή της λήψης δειγμάτων (δειγματοληψία), συγκεκριμένων δηλαδή τιμών τάσης, που μετατρέπονται στο δυαδικό σύστημα αρίθμησης. Η ψηφιοποίηση, επίσης, στηρίζεται στο γεγονός ότι ένα σήμα μπορεί να έχει μόνο συγκεκριμένες τιμές, που ονομάζονται στάθμες και που ο αριθμός τους καθορίζεται από τα bit ψηφιοποίησης (κβαντοποίηση). Αν το σύστημα είναι n-bit, τότε ο αριθμός σταθμών είναι 2ⁿ. Το βίντεο όμως, χρειάζεται πάρα πολλά δείγματα για να μπορέσει να ψηφιοποιηθεί. Ο αριθμός των δειγμάτων φωτεινότητας, εκτοξεύεται στο υπερβολικό νούμερο των 13.000.000 δειγμάτων το δευτερόλεπτο και χρειαζόμαστε αντίστοιχη δειγματοληψία για την πληροφορία κόκκινου χρώματος και άλλη τόση για το μπλε (YCbCr). Μια τέτοια πλήρης δειγματοληψία, συμβολίζεται με 4:4:4 και σημαίνει ότι έχουμε ίσο αριθμό δειγμάτων (περίπου 13.000.000), για όλα τα σήματα που απαρτίζουν την εικόνα. Ο όγκος της πληροφορίας είναι τόσο μεγάλος, που πολύ δύσκολα μπορεί να διαχειρισθεί από μηχανήματα με λογικό κόστος. Έτσι, εφευρίσκουμε τρόπους μείωσης της πληροφορίας. Η ανθρώπινη όραση είναι ατελής, ιδιαίτερα στη χρωματική πληροφορία και έτσι μπορούμε να ψηφιοποιήσουμε τα χρώματα, με λιγότερα δείγματα. Έτσι, προέκυψαν δειγματοληψίες 4:2:2, με το μισό αριθμό δειγμάτων για κάθε χρώμα ή ακόμα και 4:1:1 και 4:2:0, με το 1/4 των δειγμάτων για κάθε χρώμα. Το 4:2:0, είναι απλά συμβολισμός και δεν σημαίνει ότι απορρίπτουμε εντελώς το ένα χρώμα, απλά, διαφοροποιείται από το 4:1:1, στον τρόπο λήψης των δειγμάτων. Ο συνολικός αριθμός, όμως, των δειγμάτων, παραμένει ίδιος.

Συστήματα που χρησιμοποιούν 4:2:2 δειγματοληψία, είναι τα επαγγελματικά D-1, D-5, DigiBeta, BetaSX, Digital-S και DVCPRO50, τα οποία είναι όλα SD και φυσικά προστίθενται τώρα και όλα τα HD που βασίζονται σε High Profile MPEG-2 (το HD SR της SONY, χρησιμοποιεί 4:4:4). Με δειγματοληψία 4:1:1 υπάρχουν τα NTSC DV, DVCAM και DVCPRO, ενώ με 4:2:0 δειγματίζονται τα PAL DV, DVD και το main-profile MPEG-2. Σαφώς το 4:2:2 υπερέχει σε δειγματοληψία, από τη στιγμή που χρησιμοποιεί διπλάσια δείγματα χρώματος.

 

Αναφέραμε προηγουμένως δύο όρους (main και high profile), τους οποίους οφείλουμε να εξηγήσουμε. Ο αλγόριθμος MPEG-2 επιτρέπει τέσσερα διαφορετικά επίπεδα αναλύσεων (levels) και έξι διαφορετικά προφίλ (profiles), που αφορούν τη δειγματοληψία και τη δομή των frames (I, B, και P) σε κάθε Group of Pictures (GOP). Τέσσερα Levels, λοιπόν, συνδυασμένα με έξι Profiles, δίνουν 24 συνδυασμούς. Από εκεί και πέρα, οποιοσδήποτε κατασκευαστής μπορεί να διαλέξει ό,τι συνδυασμό θέλει  για το σύστημά του (από ποιότητα VCR, μέχρι full HDTV) είτε αυτό λέγεται broadcast είτε λήψη είτε εγγραφή είτε οτιδήποτε έχει σχέση με βίντεο.

Δεν θα αναφερθούμε, φυσικά και στους 24 συνδυασμούς, θα αναλύσουμε όμως δύο levels και τρία Profiles. Τα δύο levels που ενδιαφέρουν, είναι το Main Level (ML), με αναλύσεις μέχρι 720 x 576 και το High Level (HL), με μέγιστη ανάλυση μέχρι 1920 x 1152 (φυσικά, το 1080i περιλαμβάνεται σε αυτό). Αντίστοιχα, υπάρχουν τρία Profiles που ενδιαφέρουν και είναι τo Main Profile (MP), που υποστηρίζει δειγματοληψία 4:2:0, το 422 Profile (422P), που υποστηρίζει δειγματοληψία 4:2:2 και το High Profile (HP), που υποστηρίζει και τις δύο δειγματοληψίες. Αν θέλουμε να περιγράψουμε ένα σύστημα, χρησιμοποιούμε και τους δύο όρους, τους οποίους συνδέουμε με το σύμβολο @ (όχι, δεν στέλνουμε mail). Για παράδειγμα, MP@ML σημαίνει Main Profile και Main Level, στο οποίο υπάγεται το γνωστό SD σήμα 720 x 576. Όμως και η βασική ψηφιοποίηση του HDTV, σήμερα, είναι MP@HL Main Profile, με High Level, πράγμα που σημαίνει ότι ναι μεν η ανάλυση ανεβαίνει, αλλά η δειγματοληψία στο broadcast παραμένει 4:2:0.

 

Ίσως αναρωτηθείτε γιατί ορισμένα feeds εκπέμπουν σε 4:2:2. Τα feeds εξυπηρετούν ενδο-καναλικές ανάγκες και μεταφέρονται με τη μέγιστη δυνατή ποιότητα (SD ή HD), για εσωτερική χρήση, επομένως, στην ουσία δεν αφορούν το μέσο καταναλωτή. Για τη λήψη χρειάζεται ειδικός δέκτης, ο οποίος δεν αρκεί να είναι απλά HD (MP@HL), αλλά χρειάζεται επιπρόσθετα και 4:2:2 decoder.

Αν κοιτάξει για παράδειγμα κάποιος, με προσοχή, τα τεχνικά χαρακτηριστικά κάποιων Quali (δεν ισχύει για όλους), στο τμήμα αποκωδικοποίησης θα δει την ακόλουθη φράση:

Video Decoder: MPEG 2 MP@HL , MP@ML, 4:2:2 (νάτος λοιπόν κι ο 4:2:2 decoder, για να πιάσει τα feeds που θέλουμε).

Τα feeds, όμως, είναι εφήμερα και για την εύρεσή τους χρειάζεται ο δέκτης να πραγματοποιήσει blind search. Στο χώρο της δορυφορικής είναι αρκετοί χρήστες που κυνηγάνε με μανία τα feeds και χαρακτηρίζονται ως feed hunters. Σε αυτό όμως το άρθρο θα σταθούμε στη θεωρία πίσω από αυτό το …σπόρ και όχι στην πρακτική του εφαρμογή…