Analýza kvality digitálního vysílání

Než se ale pustíme do analýzy kvality obrazu a zvuku, tak si shrňme rozdíly mezi analogovým a digitálním vysíláním a podívejme se na z toho plynoucí rozdíl v kvalitě.

Pro pochopení způsobu analogového vysílání Vás nejprve odkážu na náš starší článek Komerční formáty videa a TV. Vysílání jednotlivých stanic bylo omezeno na kanály, každý má svou pevně danou frekvenci a rozestup mezi nimi je také pevně daný. Tento rozestup je v podstatě šířka pásma (s jistou rezervou) televizního kanálu. Obraz je vysílán po řádkách, těch je celkem 625, z toho pouze 576 nese obrazovou informaci, ostatní slouží k synchronizaci a jiným účelům. Vertikální rozlišení je dané, ovšem horizontální ne. U analogového přenosu nejde mluvit o nějakém specifikovaném rozlišení, ale vychází ze šířky pásma. Laicky řečeno, čím větší šířka pásma, tím větší jemnost a více detailů. Z toho lze odvodit i nejvyšší počet zobrazitelných čar, které pak lze považovat za nejvyšší rozlišení. V praxi to znamená nějakých 500-520 čar, často se pak mluví jako o řádkách, i když to jsou vlastně sloupce. Ještě je nutné připomenout, že analogové vysílání je bez komprese, což je pro naše další povídání důležité.

U digitálního vysílání je snaha zachovat kvalitu analogového vysílání, tedy zavést takové rozlišení, aby byl výsledek podobný. Tuto změnu už vyřešil příchod DVD přehrávačů, u kterých byla snaha dosáhnout téhož. Počet řádků je pevně daný, tedy 576. U počtu sloupců je to složitější, k zobrazení 520 čar v podstatě postačuje 520 bodů, problém je v tom, že pokud natočíme 520 čar o půl bodu posunutých, dostaneme jednolitou plochu. Kdo zná Shanonovu poučku ví, že abychom tomuto zabránili, potřebujeme více než dvojnásobek bodů, tedy 1040. Nakonec byl zvolen kompromis 720 bodů, který zaručí, že 520 čar se nepromění v jednolitou plochu, může se ale proměnit v méně čar (subsampling). To jen tak laicky řečeno, protože elektrikářům teď vstávají vlasy hrůzou na hlavě, ale jak jinak to jednoduše vysvětlit? Důležitý je výsledek - dopracovali jsme se k rozlišení 720x576 bodů.

Pokud bychom přenášeli nekomprimovaně 720x576 při 25sn/s, tak se dostaneme na bitrate téměř 250Mbit/s, což není ve vyhrazeném kmitočtovém pásmu (TV kanálu) možné přenést. Opět jde o podobný problém jako u DVD, proto se zavádí také komprese, opět stejná jako u DVD, tedy MPEG-2. DVD používá maximální bitrate (datový tok) 9800kbit/s, přičemž normálně se používá průměrně kolem 6000kbit/s, bitrate TV vysílání opět vychází ze šířky pásma TV kanálu a také způsobu přenosu - modulaci, kódování a ochraně proti chybám při přenosu. O tomto si řekneme jindy, omezme se na konstatování, že máme k dispozici přibližně 23Mbit/s, což je více než 2x více než u DVD.

Nebojte, s teorií už budeme končit, k našemu dalšímu povídání budeme potřebovat už jen pár vět o způsobu kódování. Při kompresi se používají dva způsoby - za prvé se hledají rozdíly mezi jednotlivými snímky a stejné části obrazu není třeba přenášet (tzv. pohybové vektory), čímž dochází k redukci dat, za druhé data, která už přenést musíme, se převádí v blocích pomocí diskrétní kosinové transformace (DCT) do frekvenční oblasti. DCT dokáže snížit počet dat tím více, čím méně je v obraze vysokofrekvenčních složek, v ideálním případě, kdy je obraz jednolitá plocha, lze zakódovat pouze jedním bytem. Pokud chceme snížit počet dat na určitý datový tok, ale po provedené DCT jich máme stále více, můžeme poslední data prostě nepřenášet.
Tomuto způsobu se říká kvantizace, čím vyšší kvantizace, tím více zanedbaných bitů a tím horší obraz - více viditelných kostiček v obraze. Při zanedbání pár dat ve vhodně zvolených oblastech obrazu nemusíme okem rozdíl vůči originálu vůbec poznat. Je jasné, že výsledek je vždy určitým kompromisem mezi výslednou vizuální kvalitou a stupni komprese. Prostě musíme najít takový největší stupeň komprese, aby se na video divák mohl ještě dívat bez odporu. Určitě má tuto hranici každý jinde, zatímco osmdesátiletá stařenka se silnými brýlemi se bude ještě rozplývat nad perfektním obrazem, patnáctiletý týpek s perfektním zrakem už může remcat nad koskatým paskvilem. Prostě jde o určitý komromis, naše fórum je důkazem, že ne každý je ochoten tento kompromis akceptovat (mnohdy právem). Koskatění se snaží enkodéry zabránit ještě jedním fíglem - před samotnou kompresí se provádí redukce šumu. Ta jednak snižuje počet dat po DCT, ale také zlepšuje vyhledávání pohybových vektorů.

Provádí se jednoduše průměrováním bodů v obraze vedle sebe nebo ve snímcích po sobě, pokud jejich hodnoty jsou podobné. Toto průměrování má za následek nebo řekněme vedlejší účinek to, že dochází k rozmazání textur a různých částí obrazu a tím pádem i ztrátě detailů. Čím více bodů se filtrace účastní a čím větší limit jejich podobnosti, tím více dostáváme jakoby omalovánky - tváře lidí bez jediné vrásky, trávník bez trávy, z kocoura se stane tamagoči apod. Opět je zde jistý kompromis - filtrace dokáže zázraky, ale méně může být mnohdy více.

Ještě se zmiňme o rozdílu v příjmu analogového a digitálního vysílání. U analogového vysílání se uvádí minimální odstup signálu od šumu 40dB, aby byl obraz pěkný. Čím bude odstup signálu od šumu menší, tím více šumu bude v obraz, ale obraz bude stále ostrý., no znáte to určitě všichni. Je nutné také počítat s dobrými příjmovými podmínkami, protože odrazy signálu např. od hor nebo špatně sladěná pásma antén mohou způsobit duchy v obraze. U digitálního vysílání je to jiné. Díky tomu, že se přenásí jen nuly a jedničky a díky datové ochraně proti chybám (samoopravné kódy), postačuje rpo příjem daleko menší odstup signálu od šumu. Proto také digitální vysílače vysílají i s desetinovými výkony než analogové. Pokud se ale dostaneme za určitou hranici, nebude narůstat šum v obraze, ale v obraze se začnou objevovat chyby, obraz se bude sekat a při špatných podmínkách se úplně zastaví. Jinak se také projevují odrazy - i při silném signálu může odraz zanést tolik chyb, že bude příjem nemožný.

Také je zde nutné uvést na správnou míru rozdíl v anténách a zesilovačích pro analog a digitál - není žádný. Jde zde stále o analogový signál a není důvod, proč by nešly použít stávající antény a rozvody. Jediný problém může být v použitých kabelech, které mohou být nekvalitní a mít příliš velký útlum na vyšších kmitočtech, kde většina digitálních vysílačů vysílá. Při běžných délkách to ale ve většině případů nebude vadit.

Malé shrnutí - máme k dispozici datový tok 23Mbit/s pro celý multiplex, kam se musí vejít jak video, tak i zvuk a další doplňkové datové služby jako teletext, EPG apod. To ale plně postačuje pro dvě až tři stanice v DVD kvalitě. Nebo pro více stanic, ale za cenu snížení datového toku každé stanice a tím pádem i kvality. Nepletete se - byla vybrána druhá možnost, protože více stanic znamená více peněz pro provozovatele i pro stát. Přidána ale nebyla jen jedna. Čtyři stanice by dostaly každá přibližně 5750kbit/s, což je ještě akceptovatelné, bylo ale zvoleno stanic pět, z nichž každá se může těšit na přibližně 4600kbit/s, odečteme-li zvuk ve formátu MP2 384kbit/s a datové služby, zbývá asi 4000kbit/s pro video. Ve skutečnosti je to ještě daleko méně, protože se vysílají i rádiové stanice a ne celý multiplex je využit. Podívejme se na skutečnost, jak v současné době vysílají České radiokomunikace multiplex A:
Na první pohled je vidět, že jednotlivé programy používají různý bitrate. Je to logické, protože každý typ programu je jinak náročný na kompresi. Např. ČT24 vysílá zprávy, kde je po většinu času statický obraz s reportérem a takové video se snadno komprimuje, snadno se hledají pohybové vektory a rozdíly mezi snímky jsou malé. Na druhém konci je ČT4 Sport, kde je v obraze hodně změn a náročnost na bitrate je vyšší. Všimněte si také jiného datového toku u zvuku jednotlivých stanic - šetří se doslova každý bit.

Tento graf ale ještě není 100% vypovídající, protože ukazuje aktuální stav. Nás bude ještě zajímat, jak vypadá rozložení datového toku v čase (i když stále půjde o momentální situaci). Proto jsem nahrál celý multiplex, vytáhl z něj všechny stanice a analyzoval video v čase nejen na datový tok, ale i kvantizaci. Zde můžete vidět výsledek, žlutě je datový tok, dílky na ose x jsou vteřiny, na ose y je dílek 1000kbit/s, zeleně je kvantizace, dílek na ose y je 1. Zde se také omlouvám za možná příliš velké obrázky, ale raději jsem zvolil tento způsob pro snadnější porovnávání než otevírání každého zvlášť.
Při kódování na DVD se běžně používá variabilní datový tok (VBR), u DVB-T mají jednotlivé programy také VBR, ale dohromady jde o konstantní datový tok (CBR). Schválně si je zkuste sečíst nebo si jen od oka porovnejte některé části, kde u jedné stanice bitrate stoupá a u jiné klesá podle momentálních požadavků, tedy konkrétní scény a její náročnosti na kódování. Tímto způsobem lze také docílit zvýšení průměrné kvality.

Další věc, které si všimněme, je kvantizace. Pohybuje se průměrně někde mezi 6-12, přimž jsou vidět i rozdíly mezi jednotlivými programy. Například ČT4 Sport přes nejvyšší bitrate má také nejvyšší kvantizaci a dá se říci i nejhorší kvalitu. Zbylé programy jsou na tom pak přibližně stejně. Pro porovnání ještě také ukázka z jednoho českého DVD, které ale nepatří k těm nejlépe udělaným diskům.
Je vidět, že používá dvojnásobný bitrate oproti DVB-T a je to znát i na kvantizaci, ktetá se pohybuje mezi 3-4, dá se tedy říci, že je dvakrát kvalitnější než DVB-T.

Ještě si ukažme, jak vypadají konkrétní průměrné hodnoty v porovnání mezi sebou. Modře jsou průměrné hodnoty, červeně maximální.
Všimněte si opět rozdílu mezi ČT4 Sport a ostatními programy a také markantního rozdílu oproti DVD. Pokud se podíváme do historie, tak je to prvně, co kvalita domácího videa překonává kvalitu veřejného vysílání. Do této doby bylo televizní vysílání kvalitnější než nahrávka na video pásek.

Nechme čísel a pojďme na konkrétní obrázky, vše je komprimováno v JPG s vysokou kvalitou a ověřil jsem si rozdíl vůči originálu, aby mne někdo nenařkl, že obrázky nejsou kvůli kompresi vypovídající.
Začneme se statickou scénou, na které je stojící reportérka na stojícím pozadí. Proti tomuto obrázku nelze mít námitky, žádné artefakty nejsou znatelné, obraz obsahuje všechny detaily, i když už i zde je při bližším zkoumání znát filtrace proti šumu. Přesto nelze mít žádné námitky.
Další ukázka je ze staré kamerové nahrávky, která již značně utrpěla svým věkem a je značně zašuměná. Ano poznáváte dobře, jde o seriál Profesionálové. Zde je vidět značná redukce šumu, zůstalo z něj již pouze malý zbytek, ale celý obraz je rozplizlý a rozmazaný. Nejvíce je to vidět např. na značce auta, která byla u normálního vysílání ještě čitelná (škoda, že jsem to neměl možnost nijak nahrát) a také na Doyleově svetru, na kterém není vidět žádný vzorek.
Na řadě je další situace - z fotbalového utkání, kde je zdroj videa pro enkodér dobrý, obraz je ostrý a detailní, ale je zde hodně pohybu. První obrázek je z dálky, všímejte si hlavně trávníku. Ten značně utrpěl filtrací, ani se nedá poznat, že jde o trávník, pokud by šlo o zeleně natřenou palubovku, nebyl by v tom rozdíl. Obráz je zbaven prokládání, aby na něm bylo vůbec něco vidět.
Druhá ukázka je z bližšího záběru, kde jsou již vidět nerovnosti na trávníku. Jenže drny nejsou drny, ale jakésy tmavé fleky na vyhlazeném pozadí, navíc se zde začínají objevovat kostky, protože ani silná filtrace nedokáže zničit tolik informace, aby byl obraz dobře komprimovatelný.
Na řadě je nejhorší případ. Opět jde o sportovní klání, ale tentokrát zde není větší množství ploch (jako trávník), které lze snadno odfiltrovat, ale spousta detailů a pohybu zároveň, obecně se tento jev vyskytuje nejen u sportu, ale i videoklipů nebo obyčejných stmívaček, to jsou vůbec nejhorší scény. V obraze jsou jasně zřetelné bloky, ve kterých se provádí DCT, v průběhu kvantizace jsou to ta největší čísla. Obrázek řekne více než tisíc slov, u běžícího videa je to až do očí bijící.
Pro názornost a porovnání si ještě dejme ukázku z našeho porovnávacího DVD. Obraz je sice bez kostkování, ale je také dosti rozmazán. Všimněte si barevných fleků na kabátu Jaroslava Duška. Toto DVD jsem vybral záměrně proto, že patří k těm diskům s horší kvalitou, především Hollywoodské trháky jsou na tom dvakrát lépe, naše DVB-T vysílání je ale ještě dvakrát horší.
Je zřejmé, že kvalita obrazu značně závisí na vysílaném pořadu a scéně. U statických scén je situace vesměs uspokojivá, ale u scén s rychlými změnami je to daleko horší. Nejhorší nejsou ani tak ostré hrany objektů, ale především ztráta "textur" objektů. I pohled na kvantizaci a porovnání s DVD je jednoznačný. Možná by zde stálo za to uvést obrázky z testovacího vysílání tak před 2-3 roky, protože situace byla ještě daleko horší. Nepoužívala se tak silná filtrace a v obraze bylo mnoho a mnoho kostkování kvůli nedostatečnému bitrate. Od té doby se situace vylepšila, ale ani takto to není ideální stav. Na malých televizorech to nebude až takový problém, ale na dnešních velkoplošných obrazovkách a hlavně LCD panelech s daleko lepší věrností to problém bude. Zkuste si zajít do nějakého sportovního baru, kde mají projektor a uvidíte sami. Kdo již na digitální vysílání přešel, to již ale dávno ví.

Nabízí se ještě další otázka. Je toto budoucnost televize? V době rozmachu HDTV nám bude předkládána kvalita, která je zřetelně horší než u předchozího analogového vysílání. Česká televize dokonce uvažuje o tom, že v průběhu mimořádných událostí (např. olympiáda apod.) přidá ještě jednu stanici, takže by jich bylo v multiplexu šest. Spekuluje se v budoucnu i o přechodu na lepší kódování MPEG-4 (AVC?), které by mělo kvalitu podstatně zvednout (uvažuje o tom hlavně provozovatel multiplexu C Český telecom). Jenže pouze za předpokladu, že zůstane počet stanic v multiplexu zachován. To se ale pravděpodobně nestane, počet stanic se zvýší, zmenší se jejich bitrate a kvalita pravděpodobně zůstane stejná. Nehledě na to, že většina lidí si dnes pořídí set-top-box bez MPEG-4 dekodéru, takže by ho musela za pár let opět vyměnit. Opravdu toto má být budoucnost televize?