Accesa competizione con il D-Cinema

Marzo 2010. La catena di produzione e di diffusione dell'HDTV richiede alcuni importanti miglioramenti per ottenere la “totale” qualità che i sempre più grandi display Full HD con definizione nativa 1920x1080 pixel sono in grado di offrire.
Per arrivare alla piena qualità HD occorre intervenire sugli standard di produzione dei contenuti e di diffusione dei segnali all'utente.

Partendo innanzitutto dai contenuti per l'HDTV, la cui qualità è spesso non adeguata poiché ripresi con camere 720p/50 o addirittura ricavati per up-conversione da segnali SDTV. Inoltre, lo standard interlacciato 1080i/50 utilizzato per trasmettere l'HDTV presenta, sui display a scansione progressiva, difetti dell'immagine, prodotti dal processo d'interlacciamento dei semiquadri, osservabili, anche da un occhio non particolarmente esperto, soprattutto durante le scene in movimento.

Alcuni “processamenti” particolari del segnale introdotti in questi ultimi anni nei display per HDTV hanno ridotto in parte tali difetti, ma per eliminarli in modo definitivo occorre trasmettere i segnali con una scansione progressiva.
Oggi l'unica sorgente in grado di fornire al display Full HD un formato progressivo con la completa qualità HD è il disco Blu-ray che utilizza lo standard 1080p/24-25 per l'Home Cinema (figura 1).

Figura 1. Mentre l'HDTV utilizza segnali a scansione interlacciata, che producono artefatti sul display a scansione progressiva, il Blu-ray è in grado di fornire al display Full HD un formato progressivo con la completa qualità HD.

La EBU, l'organizzazione europea per il broadcasting, si è fatta promotrice di una serie di iniziative per utilizzare in tutta la filiera di produzione e distribuzione del segnale HDTV lo standard a scansione progressiva 1080p/50 in luogo del 1080i/50 finora utilizzato.
Con lo standard progressivo 1080p/50, con cui sono trasmessi per ogni secondo 50 quadri completi di 1920x1080 pixel, pari a 2.1 Mega pixel, l'HDTV eguaglierebbe la qualità dello standard 2K DCI/ISO, 2048x1080 pixel, pari a 2.2 Mega pixel, utilizzato nel Cinema digitale.

Standard interlacciati e progressivi
Sono riassunti in tabella 1 gli standard utilizzati per la Tv a definizione normale e HD come pure per il Cinema digitale. Gli standard a scansione interlacciata sono stati finora impiegati nel broadcasting Tv, sia analogico sia digitale, perché occupano metà banda passante rispetto ai corrispondenti standard a scansione progressiva, con un minimo peggioramento della qualità dell'immagine.

Tabella 1. Standard europei per la Tv e per il D-Cinema (il numero dopo la sbarra trasversale indica i quadri completi trasmessi per sec. Per le scansioni interlacciate si possono usare anche le sigle 576i/50 e 1080i/50 che riportano invece il numero di semiquadri).

Nei dischi video, nelle riprese professionali e nel D-Cinema vengono, invece, utilizzati solo standard a scansione progressiva, per assicurare le migliori prestazioni sui display a scansione progressiva.

I difetti della scansione interlacciata
La scansione interlacciata, dopo avere accompagnato lo sviluppo della televisione fin dalla sua nascita, con l'arrivo dell'HD e dei display a scansione progressiva sta mostrando i suoi limiti.
Gli standard 1080i e 1080p per l'HDTV consentono di ottenere la stessa risoluzione 1920x1080 pixel, ma con una differenza nel modo in cui inviano i segnali dalla sorgente al display HDTV.

Con la scansione interlacciata 1080i per formare un quadro completo ogni cinquantesimo di secondo vengono inviati al display separatamente e in successione il semiquadro delle 540 righe pari e il semiquadro delle 540 righe dispari, ottenendo un quadro completo ogni venticinquesimo di secondo, pari a una frequenza di quadro di 25 Hz.

Con la scansione progressiva 1080p non esistono i semiquadri ma ogni cinquantesimo di secondo si inviano al display tutte le 1080 righe del quadro, ottenendo un quadro completo ogni cinquantesimo di secondo, pari ad una frequenza di quadro di 50 Hz (figura 2).

Figura 2. Mentre con la scansione progressiva tutte le righe del quadro sono esplorate contemporaneamente, con la scansione interlacciata la scansione viene effettuata in due semiquadri successivi ciascuno con metà definizione verticale.

Con la scansione interlacciata la presentazione in tempi diversi sul display dei due semiquadri appartanenti alla stessa immagine produce due inconvenienti: una perdita di definizione, poiché in pratica vediamo semiquadri con metà definizione e un frastagliamento nei contorni dell'immagine, causato dallo sfasamento fra i due semiquadri.

Il risultato è particolarmente evidente con immagini in movimento e con display di grandi dimensioni: certi piccoli particolari dell'immagine, se ripresi a distanza, appaiono confusi e quasi spariscono per la minore risoluzione del semiquadro, nello scorrimento dei titoli di coda i contorni dei caratteri appaiono frastagliati.

Nell'esempio di figura 3 è riportato il dettaglio di un'immagine con scansione interlacciata a confronto con la stessa immagine presentata con scansione progressiva.
Per minimizzare gli artefatti da interlacciamento nei display viene implementato un processo di de-interlacciamento che tuttavia toglie solo in parte i difetti menzionati.

Figura 3. Particolare di un'immagine in movimento riprodotta con scansione interlacciata (a sinistra) e con scansione progressiva (a destra).

Inoltre, l'interlacciamento può produrre un altro inconveniente se il soggetto ripreso contiene dettagli in verticale con risoluzione prossima a quella orizzontale, come ad es. una cravatta o un vestito con una sequenza di sottili righe chiare e scure. In tal caso si produce un violento sfarfallio dei particolari.
Tale problema, noto come “interline twitter”, è meno probabile con l'HDTV per il maggiore numero di punti orizzontali rispetto alla Tv con definizione standard.

Da notare, infine, che le tecniche a 100 e 200 Hz introdotte nei televisori di ultima generazione consentono di migliorare la definizione delle immagini in movimento non solo con scansione interlacciata ma anche con scansione progressiva. Infatti, con scene veloci la frequenza di 50 Hz con cui si succedono i semiquadri o i quadri può non bastare per ottenere una buona risoluzione.
Sono allora generati quadri intermedi interpolati (con 100 Hz: 1 quadro intermedio, con 200 Hz: 3 quadri intermedi) ottenuti con la tecnica MEMC (Motion Estimation and Motion Compensation) in funzione della direzione e della velocità del movimento.

I fotogrammi aggiunti in modalità 100 Hz e 200 Hz aumentano virtualmente la risoluzione dell'immagine in movimento e le scene sembrano più nitide, complete e senza alcun dubbio più fluide (figura 4).

Figura 4. I fotogrammi aggiunti in modalità 100 Hz  e 200 Hz aumentano virtualmente la risoluzione dell'immagine in movimento.

La proposta di EBU
La EBU (European Broadcast Uninion) nelle scorse edizioni dell'IBC si era fatta promotrice di uno standard progressivo come il 720p/50 per eliminare gli artefatti da interlacciamento del 1080i/25, come compromesso fra la qualità dell'immagine e lo stato dell'arte della tecnologia disponibile allora, ma ottenendo tuttavia una definizione pari solo a metà del Full HD.

Essendo oggi divenuti disponibili codec con migliore compressione e camere di ripresa con formati 1080p, la EBU nell'edizione dell'IBC 2009 ha promosso il passaggio dello standard di trasmissione dell'HDTV dal 1080i/25 al 1080p/50 con una serie di dimostrazioni e di raccomandazioni che riguardano tutta la filiera del segnale HDTV fino alla diffusione all'utente (figura 5).

Figura 5. La EBU (European Broadcast Union) ha promosso
il passaggio dallo standard 1080i al 1080p in tutta la filiera di produzione e distribuzione del segnale HDTV.

Nella produzione il segnale 1080p/50 richiede un bit-rate di banda base di 3 Gbs, valore doppio rispetto agli standard 1080i/25 e 720p/50, per la quale è consigliato l'impiego in studio di due cavi coassiali da 1.5 Gbs ciascuno o ancora meglio di connessioni ottiche per non incorrere in limitazioni di lunghezza.
Con lo standard 1080p/50 sono disponibili camere professionali da alcuni anni, ma non ancora tutte le attrezzature necessarie per un completo studio digitale ancora in corso di sviluppo.

Nella registrazione dei contenuti e nel loro trasporto di contributo con lo standard 1080p/50 sono richiesti sistemi di compressione più efficienti rispetto a quelli utilizzati per 1080i/25.
A tale scopo l'industria in collaborazione con l'EBU sta investigando lo standard di codifica Mpeg-4 SVC (Scalable Video Coding), con il quale per il 1080p/50 sarebbero sufficienti per il contributo bit-rate solo di poco superiore (10-20%) rispetto all'attuale 1080i/25.

Nella trasmissione all'utente, con le efficienze di compressione raggiunte negli attuali prodotti commerciali, se fosse utilizzato lo standard 1080p/50 sarebbe necessaria una larghezza di banda doppia rispetto alla 1080i/25 di oggi. Dalle dimostrazioni su schermi affiancati, presentate dall'EBU all'IBC (figura 6), è risultato che per la trasmissione con la codifica Mpeg-4 AVC particolarmente ottimizzata, il formato 1080p/50 necessita della stessa larghezza di banda oggi utilizzata per 1080i/25.

Figura 6. All'ultimo IBC di Amsterdam la EBU ha dimostrato su display Full HD affiancati la qualità delle immagini presentate con standard 720p, 1080i e 1080p.

Sono in corso verifiche per migliorare ulteriormente la compressione utilizzando la codifica Mpeg-4 SVC. In tal modo i segnali HDTV con il nuovo standard progressivo 1080p/50 potranno essere trasmessi nella stessa infrastruttura già oggi disponibile presso i broadcaster che trasmettono l'HDTV con il 1080i/25. 

Codec per il formato 1080p
È ormai disponibile tutta la tecnologia necessaria per fare migrare la catena produttiva e di diffusione diffusiva del segnale HDTV verso lo standard 1080p/50. I produttori di contenuti stanno già attrezzando i sistemi di ripresa e di processamento dei segnali con il formato 1080p, con il quale stanno già versando i contenuti nei loro archivi.

Dal lato utente le tecnologie di visualizzazione, l'interfaccia HDMI e il display Full HD, supportano già il formato 1080p. Sono stati presentati all'IBC i codec che rispondono all'appello lanciato da EBU per trasmettere segnali HDTV con formato 1080p/50 con lo stesso bit-rate utilizzato per il formato 1080i/25.

La canadese SENSIO ha presentato il suo codificatore nell'ambito di una famiglia di prodotti coperti da brevetto che prevedono sia la codifica di segnali 2D sia quella di segnali 3D.
«In tal modo - ha dichiarato Nicholas Routhier, presidente e CEO di SENSIO - i broadcaster possono trasmettere segnali HDTV con formati di migliore qualità, sia per il cinema digitale che per l'home entertainement, utilizzando la stessa infrastruttura con cui oggi trasmettono i segnali in formato 1080i/25» (figura 7).

Figura 7. La canadese SENSIO ha presentato la sua nuova famiglia di codificatori HDTV sia per segnali 2D sia per quelli 3D.

Anche la californina Magnum Semiconductor ha presentato un'analoga famiglia di codec con i quali nello stand dell'EBU è stato possibile vedere a confronto le immagini trasmesse con i formati 1080i/25, 1080p/50 e 720p/50 e quindi apprezzare la migliore qualità ottenibile inviando al display Full HD un segnale con formato 1080p/50.

Motorola ha presentato una piattaforma SE-6000 di codifica multiformato per contenuti 1080p a prova di futuro, particolarmente adatta per la transizione all'HDTV. La Motorola SE-6000 è, infatti, adatta ai vari formati 720p, 1080i e 1080p con compressione Mpeg-2 per definizione standard e compressione Mpeg-4 per Alta Definizione.
Ora si tratta di vedere quando i costruttori saranno disposti a sviluppare nuovi set-top-box per il consumer con decodifica Mpeg-4 AVC o SVC necessaria per il nuovo standard.
Solo a quel punto i broadcaster potranno programmarne l'utilizzo del nuovo standard 1080p/50 nei loro sistemi di diffusione verso l'utente.

Sviluppi affiancati
Le major di Hollywood hanno recepito i vantaggi della digitalizzazione del cinema, ma, attraverso il loro gruppo DCI, (Digital Cinema Initiative), hanno voluto mantenere distinti i formati del D-Cinema  rispetto a quelli del mondo Tv, denominati anche LSDI (Large Screen Digital Imagery) o anche E-Cinema. Tuttavia i formati dei due mondi sono fra loro scalabili per assicurare la possibilità di vendere un prodotto in diversi mercati (figura 8).

Figura 8. Le definizioni dei formati per la Tv e per il Cinema Digitale.

La pellicola negativa 35 mm con i suoi 18 milioni di pixel e 65 mila livelli (pari a 16 bit di quantizzazione) è ancora oggi insuperabile per la qualità dell'immagine, per tale ragione oggi più del 50% dei film sono ancora girati su pellicola, ma sta crescendo l'impiego dei formati digitali per le riprese, per l'archiviazione e per la proiezione nelle sale.

Nelle riprese digitali oggi una tipica camera HD ha sensori 2K con 2.2 Mega pixel e riprende a 25-30 fps, ma sono ormai disponibili camere di ripresa digitali con sensori 4K. La camera di ripresa RED ONE dell'americana Red Digital Cinema (figura 9) ha un nuovo sensore, denominato Mysterium, con 4096x2304 pixels in grado di effettuare riprese 4K fino a 30 fps e 2K fino a 120 fps registrandole direttamente su capienti memorie flash o hard-disk.  JVC ha presentato KY-F4000 real-time 4K, seguiranno Sony e Panasonic.

Figura 9. La nuova camera di ripresa Red One utilizza il sensore, denominato Mysterium, con definizione 4096x2304 pixel per riprese fino a 4K.

Nella post-produzione il passaggio da pellicola al formato digitale mediante scansione diventa importante per il montaggio con processi digitali e per l'archiviazione onde evitare i problemi di conservazione nel tempo della pellicola. Nei processi di post-produzione ha iniziato ad essere utilizzato il nuovo standard 4K, che rappresenta quattro volte la risoluzione 2K.

Nella distribuzione dei film alle sale cinematografiche l'utilizzo del digitale riduce  i costi delle copie, considerando che creare una copia su pellicola costa 800-1500 euro contro il costo nettamente inferiore di duplicazione su supporto magnetico o su Blu-Ray. Inoltre la creazione di una copia positiva della pellicola riduce la definizione fra meno di 2 e massimo di 4 milioni di pixel.

Nella proiezione lo standard 2K è il più utilizzato nelle sale stesse, ma oggi l'arrivo di proiettori 4K offre l'opportunità alle sale stesse di differenziarsi dall'home entertainment che con il Blu-ray ha già raggiunto il 2K. Sony ha presentato il proiettore 4K SRX-R220 ad alta luminosità per sale cinema (figura 10).

Figura 10. Il nuovo proiettore digitale per sale cinematografiche SRX-R220 con definizione 4K presentato da Sony.

Verso definizioni superiori
Il progresso del D-Cinema offre la possibilità all'HDTV di evolvere verso definizioni ancora maggiori del 1080p proposto da EBU. Infatti, per lo standard 4K oltre alle camere digitali sono già disponibili i monitor con qualità adeguata per controllare i processi di produzione del nuovo standard del D-Cinema. Diversi costruttori hanno presentato monitor LCD con definizione 4K per impiego professionale. Di Eyevis è lo schermo LCD Eye-LCD 6400 da 64” con 4096x2160 pixel, ASTRO ha presentato il monitor LCD DM-3400 da 56” con 3840x2160 pixel (figura 11).

Figura 11. I monitor per impieghi professionali con definizione 4K di Eyevis (a sinistra) e di Astro (a destra).

La futura generazione del D-Cinema e dell' HDTV è rappresentata dal formato 8K pari a 7680x4320 pixel (16 volte la definizione dell'HDTV!) noto anche come UltraHDTV che già nel 2008 ha visto le prime dimostrazioni di Eutelsat in collaborazione con il broadcaster giapponese NHK (figura 12).

Figura 12. Proiezione dimostrativa del formato 8K con 7680 x 4320 pixel realizzata da NHK in collaborazione con Eutelsat.

Per ora si tratta di fattibilità ottenibili solo combinando fra di loro più camere di ripresa, più canali trasmissivi e più di un proiettore. Per le applicazioni commerciali ne riparleremo fra qualche anno.

Compressioni più efficienti
Per consentire lo sviluppo di formati HDTV di sempre migliore qualità, che comportano bit-rate molto elevati, è sentita l'esigenza di disporre di uno standard di compressione più efficiente dell'Mpeg-4, di cui la edizione più recente SVC (Scalable Video Coding), nata nel 2007, rappresenta una prestazione addizionale piuttosto che una tecnologia più efficiente di compressione.

Per sviluppare un nuovo standard di compressione il comitato Mpeg ha istituito il gruppo di lavoro HVC-AHG (High-Performance Video Coding Ad-Hoc Group), per studiare una prossima generazione di codifica che risponda ai seguenti requisiti: un'efficienza di compressione migliore del 50% rispetto allo stato dell'arte attuale rappresentato dall'H.264/AVC, un compromesso adeguato fra prestazioni e complessità, e infine applicabile ai formati ad Alta Definizione, Tv mobile, home cinema e Ultra High Definition Tv.

I formati di Alta Definizione presi in considerazione sono solo quelli a scansione progressiva che, come abbiamo visto, sono immuni da problemi d'interlacciamento. I formati considerati sono stati divisi in classi con diverse definizioni dell'immagine: Classe A = 4K e 2K; Classe B = 1080p/50-60-24; Classe C = WideVGA; Classe D = WideQVGA; Classe E = 720p/50-60.

Pubblica i tuoi commenti