Uno dei più interessanti seminari svolti nell’edizione di Milano del Top Audio 2007 era a cura del team TechniPress e trattava delle tecnologie più avanzate per migliorare la fluidità dei movimenti nella riproduzione ad alta definizione. Il desiderio di approfondire l’argomento ha spinto uno degli autori a far svolgere una tesi “esplorativa” su argomenti collegati. A distanza
di circa un anno, la buona qualità del prodotto ci ha spinto a chiedere ospitalità su questa rivista per una serie di articoli di approfondimento sulle problematiche legate all’alta definizione,
in particolare occupandoci dello standard HDMI.
Iniziamo con una panoramica storica che dovrebbe introdurre anche i lettori meno esperti agli aspetti più tecnici che seguiranno. In questa come nelle successive puntate molti degli argomenti sono già ben noti ai lettori di Digital Video HT ma abbiamo comunque preferito rendere la trattazione autosufficiente.
Un po’ di storia
Per raccontare come siamo arrivati alle moderne tecniche di visione ad alta definizione di tipo digitale bisogna riavvolgere il nastro della storia e fare qualche passo indietro. Si parte ovviamente ricordando le prime trasmissioni televisive analogiche a bassa definizione ad opera di John Logie Baird nel 1924, mentre si comincia a parlare di alta definizione (pur sempre analogica) solo nel 1958 quando, nell’allora URSS, fu creato presso l’Istituto delle ricerche sulla televisione di Mosca un sistema per usi militari il cui allora nome in codice era “трансформатор” (letteralmente: trasformatore). Si trattava di un sistema a 1125 linee destinato a supportare il collegamento TV tra gli alti comandi dei generali sovietici. In seguito le stesse attrezzature furono utilizzate per la realizzazione del Telecentro Ostankino, noto anche come Torre di Ostankino. In ogni modo tale sistema ad alta definizione non fu mai commercializzato, né utilizzato per fini civili.
Più corretto appare allora considerare come anno di nascita della TV ad alta definizione il 1968. In quell’anno, in pieno periodo di rivoluzioni culturali e sociali, la rete televisiva nazionale giapponese NHK faceva partire un rilevante progetto per lo sviluppo di un nuovo standard TV, la NHK-HDTV. Si trattava di uno standard analogico a 1125 linee, con schermo di proporzioni 5:3 e tecniche digitali di compressione, che avrebbe effettivamente visto la luce nel 1980 e limitatamente a trasmissioni via satellite (cosa motivata dalla geografia del territorio del Giappone, per la quale uno o due satelliti di trasmissione sono sufficienti a coprire l’intera superficie nazionale). Nel 1986 un accordo tra NHK e i network TV degli Stati Uniti portò all’evoluzione del progetto iniziale giapponese in una direzione tale da garantire una sua semplice conversione verso lo standard americano.
L’Europa (sia per la difficoltà di conversione ai propri standard televisivi sia per le royalty commerciali imposte a carico degli utilizzatori del sistema) rimase fuori da tale progetto dando vita a un programma autonomo denominato Eureka EU95. Con tale progetto nel 1988 fu raggiunto l’obiettivo di definire uno standard di TV ad alta definizione compatibile con i sistemi PAL e SECAM, già in uso nel continente. Successivamente lo sviluppo e la ricerca di nuove tecnologie per la televisione ad alta definizione affrontarono un periodo di rallentamento; si assistette piuttosto alla diffusione delle TV digitali a bassa definizione, con l’utilizzo di tecniche di compressione del segnale prevalentemente mediante lo standard di codifica MPEG-2. A dare impulso a tale diffusione fu il progetto European Launching Group, poi denominato DVB (Digital Video Broadcasting), nato con l’intenzione di definire degli standard tecnici per il sistema della TV digitale.
L’evoluzione dei progetti di TV ad alta definizione riprese nel 1994 quando i responsabili del progetto Eureka EU95 decisero di intraprendere le ricerche necessarie alla conversione delle tecniche di HDTV analogica in HDTV digitale. Nacque così il progetto Eureka Advanced Digital Television Technologies (ADTT) il cui gruppo di lavoro da quel momento opererà in collaborazione con i responsabili del progetto DVB: fu questo il primo passo verso la TV digitale ad alta definizione. Contemporaneamente negli Stati Uniti nasceva un consorzio di produttori denominato (certo poco sobriamente) Grand Alliance, con lo scopo di determinare uno standard unico per l’alta definizione. Nel 1997 la televisione digitale divenne realtà in Europa grazie a SkyDigital che iniziò le proprie trasmissioni in Inghilterra. Per tutta risposta l’anno successivo i fondatori della Grand Alliance lanciarono il sistema ATSC (Advanced Television Systems Comittee) il cui uso era raccomandato, ma non d’obbligo, per trasmissioni ad alta definizione che comunque cominciavano a essere irradiate secondo dei calendari decisi dall’ATSC e dall’FCC americano.
Figura 1. Uscita video digitale DVI.
È quindi il 1998 l’anno di nascita delle prime televisioni digitali ad alta definizione che cominciarono ad affermarsi anche grazie alla diminuzione del prezzo degli schermi di grandi dimensioni. Nel 1999, con la pubblicazione delle specifiche in versione 1.0 dell’interfaccia DVI, si affacciò sul mercato uno standard idoneo alla visualizzazione di sorgenti video digitali con protezione dei contenuti mediante un protocollo denominato HDCP. L’interfaccia DVI fu adottata da molti produttori di dispositivi per la riproduzione video a uso domestico. Inoltre la porta DVI (Figura 1) iniziò a essere considerata come porta d’uscita video alternativa alla VGA (Figura 2) sulle schede video dei desktop PC e sui notebook. Il DVI, nato solo come interfaccia video, lasciava irrisolto il problema della fruizione dell’audio che accompagnava i contenuti video.
Figura 2. Uscita video analogica VGA.
Forse proprio perché conscia di tale questione irrisolta dall’introduzione sul mercato dell’interfaccia DVI, la Apple Computers nel 2000 cominciò a dotare le proprie macchine destinate anche all’home entertainment (Power Mac G4, G4 Cube, schermi Apple Cinema Display da 20”, 23”, 30”) di una sua modifica proprietaria del DVI: l’Apple Display Connector (ADC). Si trattava di un connettore che metteva assieme le funzionalità del DVI, della porta di comunicazione USB e una linea di alimentazione per i dispositivi connessi all’ADC, in modo da ridurre il numero dei cavi. Tale connettore avrebbe avuto comunque breve vita (scomparendo definitivamente dalle macchine Apple prodotte dopo il 2004) ma era ormai chiaro come per garantire la fruizione di contenuti di qualità servisse un qualche standard per accorpare l’audio e il video: è proprio con questo intento che, nel 2002, nasceva il consorzio dei fondatori dello standard HDMI.
Formati video Televisivi in Bianco e Nero
In principio era (solo) la luce. Il formato TV B/N in quanto tale, fin dalla prima versione “A” con 377 linee del 1935, era rappresentabile come un unico pennello di luce che percorreva uno schermo illuminandolo con un’intensità variabile e tale da rendere intelligibili delle immagini. Tutte le successive versioni di TV in bianco e nero hanno mantenuto la medesima caratteristica di rappresentazione delle immagini utilizzando un unico segnale, denominato luminanza.
Le limitate possibilità delle apparecchiature imponevano di usare l’interlacciamento (ovvero la trasmissione dell’immagine in due semiquadri che coprono alternativamente le righe pari e le dispari). Con l’interlacciamento si dimezza la larghezza di banda (bene sempre prezioso) a spese della qualità dell’immagine (con la persistenza dei fosfori dei tubi catodici del Neolitico questo fenomeno non era certamente avvertibile).
Un ulteriore problema che ha caratterizzato lo sviluppo di tutti gli standard di trasmissione televisiva analogica sia a colori che in bianco e nero era la dipendenza dalla frequenza di rete per una generazione senza interferenze e slittamenti dei segnali di sincronismo. Questo ha fatto sì che i sistemi adottati nei paesi con la frequenza di rete a 60 Hz (per esempio gli Stati Uniti) siano sempre stati diversi e poco compatibili con quelli europei. Sono stati catalogati una decina di formati TV in bianco e nero caratterizzati da lettere dell’alfabeto; i non obsoleti si distinguono per un numero di linee di 625 per i paesi con rete a 50 Hz e 525 per quelli con rete a 60 Hz. Per un elenco dettagliato si veda per esempio http://en.wikipedia.org/wiki/Broadcast_television_systems.
Formati video Televisivi a Colori
Figura 3.
Risoluzione degli standard televisivi; i numeri rappresentano le linee per quadro e le lettere i e p il formato interlacciato o progressivo.
Già dagli anni ’50 si iniziò a studiare formati per la TV a colori.
NTSC
Nel 1950 negli USA fu riunito un comitato allo scopo di elaborare uno standard per la TV a colori: nel dicembre del 1953 fu approvato un sistema abbastanza semplice, denominato NTSC (successivamente indicato anche come RS-170a). Tale standard costituiva un’innovazione totalmente retrocompatibile con le TV bianco e nero. L’informazione relativa al colore veniva integrata con l’immagine monocromatica aggiungendo al segnale video una sottoportante alla frequenza di 4,5 x 455/572 MHz (circa 3,58 MHz). Allo scopo di ridurre l’interferenza tra il segnale del colore (crominanza) e la portante del segnale audio (trasmesso in modulazione di frequenza) venne decisa una riduzione dell’uno per mille del frame-rate passando dagli originari 30 fotogrammi al secondo del bianco e nero ai 30/1,001 fotogrammi al secondo (circa 29,97 fotogrammi al secondo: valore che anche oggi caratterizza le trasmissioni televisive e le produzioni cinematografiche nate sotto le regole video USA). Tale cambiamento riduceva conseguentemente la frequenza delle linee da 15.750 Hz a 15.734,26 Hz. Usualmente il sistema NTSC è denotato 480i60: sistema a 480 linee, interlacciato a 60 Hz.
PAL e SECAM
Negli anni ’50, i paesi dell’Europa occidentale che progettavano la creazione di propri sistemi televisivi a colori ebbero modo di rilevare che il sistema americano a colori NTSC non sarebbe stato idoneo a funzionare con i 50 Hz delle linee elettriche europee. Inoltre l’NTSC mostrava diversi punti deboli: subito particolarmente rilevante risultò essere la fluttuazione dei toni di colore, legata alla qualità della trasmissione del segnale. Queste problematiche furono il punto di partenza per lo sviluppo dei sistemi SECAM e PAL, nati con l’obiettivo di fornire immagini a una frequenza di 50 fotogrammi al secondo e in grado di offrire, rispetto all’NTSC, una superiore qualità nel colore delle immagini. Il SECAM è stato messo a punto nelle prime versioni nel 1956 e sviluppato successivamente: nelle prime fasi il sistema fu pensato a 819 linee, ma poi il numero delle linee fu fissato a 576. Anche il sistema SECAM è stato pensato per essere retrocompatibile con le TV in bianco e nero e la trasmissione dei colori avviene in maniera separata per il blu e per il rosso, con le portanti in modulazione di frequenza dei segnali del colore parzialmente sovrapposte a quella della luminanza, esistendo per tale segnale dei periodi di discontinuità che possono essere utilizzati per il trasferimento di altre informazioni. Con tale metodo il SECAM supera una parte dei limiti che aveva sul colore l’NTSC.
Il sistema PAL, tuttora usato anche in Italia, fu sviluppato da Walter Bruch alla Telefunken, in Germania: annunciato nel 1963, il sistema vide la luce con le sue prime trasmissioni nel Regno Unito e in Germania nel 1967. La sigla PAL significa Phase Alternate Line: è proprio l’alternanza della relazione di fase tra una linea e la successiva a renderlo robusto rispetto al deterioramento del segnale. Un disturbo che producesse un’erronea enfatizzazione di un colore per una linea produrrebbe una riduzione dello stesso colore per la linea successiva: per il funzionamento della vista questo produce per l’occhio umano la visione di un segnale di colore di valore medio tra le due linee, per le quali gli errori (di segno uguale e contrario) risulteranno quasi annullati. Usualmente, per semplificare l’identificazione e il confronto tra i formati, i sistemi PAL e SECAM sono indicati anche come 576i50: sigla che denota il formato a 576 linee interlacciate alla frequenza di 50 Hz.
DV (FireWire)
Il sistema DV (Digital Video) nasce nel 1996 e, come indica il nome, si tratta di un formato per il video digitale di risoluzione 480i60 per l’NTSC e 576i50 per il PAL. Anche l’audio secondo questo sistema è memorizzato e trasferito in formato digitale: con 2 canali a 48 kHz o 44,1 kHz a 16 bit, oppure 4 canali a 32 kHz e 12 bit. Il DV è il formato che ha certamente contribuito a rendere accessibile la videoregistrazione digitale similmente a quanto fece il VHS per la videoregistrazione analogica. Va detto che l’accostamento tra tale sistema e le porte FireWire (e a volte la sostituzione di un termine per indicare l’altro) è frequente poiché, spesso, le telecamere di uso domestico nel formato miniDV adottano la porta FireWire per il trasferimento delle videoregistrazioni da e per i PC allo scopo di rendere possibile la realizzazione a basso costo di veri e propri montaggi di film. Il problema di come connettere un dispositivo di tipo DV ad altri dispositivi è stato affrontato diversamente nei sistemi DV di tipo professionale, nei quali in luogo della FireWire è usata quasi esclusivamente la connessione di tipo SDI (Serial Digital Interface) tipicamente nella versione a 270 Mbit al secondo. In ogni caso il sistema DV avvicina i sistemi video “televisivi” a quelli pensati in maniera più esplicita per i PC.
Figura 4. Formati per computer a confronto con gli standard televisivi; i colori indicano la proporzione tra altezza e larghezza, da Wikipedia.
NB: poiché la conversione in formati PC di formati video non è univocamente determinata, questa figura è oggetto di discussione; si veda: http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Vector_Video_Standards2.svg
Frequenza di immagine
Legato al problema della frequenza di rete e del numero di linee per quadro vi è il problema del numero di fotogrammi che vengono trasmessi in un secondo. Combinando questi due fattori abbiamo attualmente i principali valori di frequenza di immagine (frame rate)
- 60i: 60 (in realtà 59.94) segmenti interlacciati che forniscono la frequenza standard di 29.97 fotogrammi al secondo del NTSC;
- 50i: 50 segmenti interlacciati che forniscono la frequenza standard di 25 fotogrammi al secondo del PAL;
- 30p: 30 fotogrammi al secondo progressivi (non interlacciati). Formato introdotto negli anni ’80 per produrre video musicali;
- 24p: 24 fotogrammi al secondo progressivi usati nelle produzioni cinematografiche. Quando portato in televisione questo formato viene rallentato a 23.976 per l’NTSC o accelerato a 25 per il PAL/SECAM;
- 25p: 25 fotogrammi al secondo progressivi usati nelle produzioni cinematografiche basate su sistemi PAL;
- 50p e 60p sono formati progressivi adatti per l’alta risoluzione digitale e indicati come raccomandati per il DVB europeo come caratteristica minima dei futuri formati HD.
Infine un ultimo importantissimo parametro sono le proporzioni dello schermo. Le vecchie TV avevano un rapporto di 4:3 mentre il cinematografo era passato da tempo a spettacolari formati Cinemascope 2.35:1. Negli standard più moderni si è affermato il rapporto 16:9 = 1.77:1 che (avvicinandosi al 1.62:1 del rettangolo aureo) rappresenta un buon compromesso senza raggiungere il Cinemascope.
In Figura 3 sono confrontate le varie risoluzioni possibili dello schermo.
Formati video per Computer
Le modalità grafiche fanno parte della storia dei PC dal 1981 in poi, quando la IBM mette a punto l’interfaccia grafica CGA (Color Graphics Adapter) per i calcolatori: un sistema video a 320×200 punti compatibile anche con i sistemi TV nello standard americano NTSC. Nelle sue versioni più evolute era possibile visualizzare immagini a 640×200 pixel con una profondità di colore di 4 bit (equivalente a 16 possibili tonalità di colore per ogni punto) e una frequenza di aggiornamento verticale (paragonabile al frame rate) di 60 Hz. Di lì in poi diversi produttori si sono cimentati nella produzione di schede video con caratteristiche diverse: tra esse certamente quelle nello standard VGA, presentato dalla IBM nel 1987, vanno ricordate in quanto divenute protagoniste della diffusione sui PC a causa della massiccia clonazione operata da parte di altri produttori. La VGA aveva un formato a 640×480 punti a 16 colori per punto ma supportava anche la modalità a 320×200 punti con 256 colori. Il connettore della scheda video VGA, di tipo sub-D sulla quasi totalità delle attuali schede video e schermi anche quando le risoluzioni sono quelle del formato WUXGA. In questi casi l’uso di uno stesso connettore non identifica tanto una particolare risoluzione, quanto la scelta precisa (dal 1981 a oggi) di trasferire le informazioni video mediante segnali analogici.
Il cambiamento di stile col passaggio a trasferimenti di segnali digitali consisterà anche nel cambiamento di connettore. Bisognerà, infatti, attendere il connettore DVI per poter vedere il video trasferito in formato digitale.
Tabella – Risoluzioni a confronto tra sistemi TV e per schermi PC.
Il ruolo dell’HDMI nell’alta definizione
Così come era avvenuto con la presa SCART per l’audio video analogico a bassa definizione, la necessità di rendere facilmente disponibili contenuti audio e video digitali ad alta definizione è certamente il principale motivo che ha portato alla progettazione della connessione HDMI, sigla che identifica la High-Definition Multimedia Interface: uno standard commerciale di connessione digitale per segnali audio e video ad alta definizione. Del consorzio di fondatori (anno 2002) facevano parte i principali produttori di elettronica del tempo: Hitachi, Matsushita (Panasonic), Philips, Sony, Thomson (RCA), Toshiba e Silicon Image (proprietaria della HDMI Licensing, la quale è responsabile del rilascio delle specifiche sviluppate dalle industrie del gruppo oltre che della promozione, della diffusione e della conoscenza relativa all’HDMI stesso). Il fatto che l’HDMI sia commerciale significa che per il suo uso e per l’adozione è necessario che i costruttori di dispositivi paghino delle royalty alla società licenziataria della connessione e del suo marchio.
Come il suo predecessore (il DVI), anche l’HDMI è nato col supporto della gestione dei diritti digitali (DRM) grazie al protocollo HDCP (High bandwidth Digital Copy Protection); ciò infatti ha fatto subito godere all’HDMI dell’appoggio dei principali produttori cinematografici. Conseguenza di tale appoggio è stata un’incentivazione per i produttori di lettori di supporti a confidare nella tecnologia e a inserire il connettore HDMI nei propri dispositivi. La connessione HDMI è riuscita quindi a distinguersi, con le sue caratteristiche di trasporto contemporaneo di audio e video, da tutti i sistemi di trasmissione audio video finora presenti sul mercato.
Figura 5.
Un connettore HDMI.
Come detto, tra i fondatori dell’HDMI sono inclusi produttori di elettronica di consumo e fornitori della tecnologia relativa ai protocolli di funzionamento e protezione, cui si sono aggiunte le maggiori case produttrici cinematografiche che hanno incentivato e sostenuto la diffusione dello standard. Fin da principio lo standard HDMI è nato con l’idea di poter essere modificato per tenere il passo delle continue evoluzioni tecnologiche dei dispositivi e delle richieste dei produttori di contenuti e degli utilizzatori. Tali modifiche sono decise dal consorzio mediante il rilascio e l’aggiornamento di nuove versioni e nuove specifiche alle quali i produttori devono attenersi per poter apporre il marchio HDMI sui propri dispositivi. Importante notare come tra le regole di compatibilità verso il basso vi sia sempre l’uso degli stessi cavi. La diffusione dello standard è tale che anche le macchine fotografiche digitali di ultima generazione (per esempio Sony e Nikon) permettono di mostrare le foto sugli schermi ad alta risoluzione via cavo HDMI riesumando le vecchie proiezioni familiari delle diapositive.
di Thomas Cocco e Francesco Romani
L’alta definizione italiana
In Italia le prime trasmissioni televisive sperimentali in bianco e nero a 441 linee e 25 frame al secondo in formato 4:3 arrivano negli anni ’30 del XX secolo con delle linee di trasmissione in VHF da 2 kW tra Roma e Milano. Per vedere le prime trasmissioni regolari occorrerà attendere altri 20 anni quando, il 3 gennaio 1954, inizieranno le trasmissioni RAI su buona parte del territorio nazionale sia in diretta (mediante telecamere) che registrate (ottenute da cineprese montate in moviola e riprodotte da telecinema).
Dopo altri 4 lustri arriverà anche il colore: siamo nel 1977 e dopo anni di indecisione verrà scelto il più avanzato sistema PAL (nelle sue versioni B/G).
Nel 1987 la RAI realizza il film “Giulia e Giulia” per la regia di Peter Dal Monte: si tratta del primo lungometraggio in formato digitale ad alta definizione mediante il sistema Sony HDVS 1125/60i/5:3, una risoluzione circa doppia di quella televisiva; il film fu poi trasferito su pellicola per la diffusione nelle sale cinematografiche.
Nel 1990, sempre la RAI, in occasione dei mondiali di calcio in Italia, sperimenterà in varie sale cinematografiche la diretta delle partite in alta definizione analogica negli standard HDMAC 1250/50i e MUSE 1125/60i corrispondenti a uno schermo di 2048×1152 punti con risoluzione verticale esattamente doppia rispetto al PAL e paragonabile al formato Full HD.
Sei anni dopo partiranno le prime trasmissioni in formato digitale, visibili soltanto via satellite e in bassa definizione. Nel 2004 il formato digitale a bassa definizione è disponibile anche tramite i ripetitori terrestri. Nel 2006 in occasione delle Olimpiadi invernali di Torino vengono effettuate delle trasmissioni sperimentali in digitale terrestre 1080/50i/16:9, con compressione MPEG-4 a 250 kBit/sec.
Nel 2008, in occasione dei campionati europei di calcio e delle olimpiadi, la RAI dà inizio su parte del territorio nazionale alle trasmissioni terrestri in formato digitale ad alta definizione in formato 1080/50i/16:9.
Per il futuro la RAI ha stretto accordi strategici con l’inglese BBC e la giapponese NHK per la trasmissione (a partire dal 2015) di contenuti in formato Ultra-HD a 7680×4320 pixel, ovvero fotogrammi di area 16 volte più definiti dell’alta definizione attuale che comportano 200 MB di memoria per un minuto di trasmissione in formato MPEG-4.
Bibliografia
Interallacciamento e modifiche del frame rate
http://www.animemusicvideos.org/guides/avtech/video2.htm
Possibilità umane di rilevare i vantaggi di un’immagine 1080p
http://www.audioholics.com/education/display-formats-technology/1080p-and-the-acuity-of-human-vision
Disposizioni europee sulle modalità dell’HD DVB
http://www.ebu.ch/CMSimages/en/tec_doc_t3299_tcm6-23327.pdf
Sul primo film in alta definizione e la tecnologia HDVS
http://www.mymovies.it/dizionario/recensione.asp?id=10654
http://delcinema.it/dizionario_del_cinema/g/giulia_e_giulia_1987_italia_peter_del_monte.php
http://www.sony.net/Fun/SH/1-25/h2.html
Sull’alta definizione in Italia
http://www.crit.rai.it/eletel/2005-3/53-4.pdf
http://www.report.rai.it/R2_popup_articolofoglia/0,7246,243%255E1071527,00.html
http://www.nhk.or.jp/digital/en/super_hi/index.html
da Digital Video n. 106 novembre 2008
