1 JOHDANTO 2 ANALOGISEN JA DIGITAALISEN TELEVISION HISTORIAA. 2.1 Yleistä

1 1 JOHDANTO Eräs tietokoneeseen liitettävän Digi-tv kortin eduista on mahdollisuus tallentaa lähetyslaatuista kuvaa MPEG-2 muodossa. Videonauhureissa ja tallentavissa DVD-soittimissa Digi-tv lähete muutetaan analogiseksi. Tallentava DVD-soitin pakkaa analogiseksi muutetun videon uudelleen MPEG-2 muotoon. Tietokoneella tallennetut Digi-tv lähetykset tallennetaan tietokoneen kovalevylle suoraan alkuperäisessä lähetysmuodossaan, jolloin tallennettu video on 1:1 alkuperäisen lähetteen kanssa. MPEG-2 muodossa olevat tiedostot ovat kuitenkin verraten isoja. Tunti normaalia DVB-T lähetystä vie muistitilaa noin 1,5-2 Gt. Tämän kokoisten tiedostojen säilyttäminen ja siirtäminen on hankalaa ja lisäksi digitaali-televisiosta tallennettu video on Program Stream muotoista, joka ei ole suoraan yhteen sopiva normaalin MPEG-2 standardin kanssa, jota esimerkiksi DVD-soittimet käyttävät. Tämän työn tarkoituksena oli löytää menetelmä, jolla Program Stream muotoinen video voidaan pienentää sellaiseen kokoon, että se mahtuu helposti mukana kuljetettavalle cd-levylle ilman, että kuvan laatu kärsisi liikaa. 2 ANALOGISEN JA DIGITAALISEN TELEVISION HISTORIAA 2.1 Yleistä Televisio on nykyään kiinteä osa elämäämme. Tutkimusten mukaan suomalaiset katsovat televisiota keskimäärin 3 tuntia päivässä. Analogisten TV-lähetysjärjestelmän kehitys aloitettiin jo ennen toista maailmansotaa. Vuonna 1883 ranskalainen novellisti Albert Robida kirjoitti kirjan The Twentieth Century, jossa hän kuvailee katsojan istumassa mukavassa tuolissa katselemassa elävän kokoisia kuvia tapahtumista, jotka tapahtuvat muualla. Tätä laitetta hän kutsui telephoneschopeksi. Tämä kuvaus vastaa läheisesti tänä päivänä tuntemaamme televisiojärjestelmää. Television ideahan on siirtää kuvaa ja ääntä sähköisesti paikasta toiseen. Ensimmäiset televisiojärjestelmät olivat mekaanisia, niitä seurasivat elektroniset mustavalko-televisiot. Myöhemmin signaaliin lisättiin värit, teksti-tv ja NICAMdigitaaliääni. 80-Luvulla kehiteltiin aivan uutta analogista MAC-järjestelmää, jonka piti olla välivaihe siirryttäessä teräväpiirtotelevisioon (HDTV). Vielä 80-luvun lopulla television digitalisointia pidettiin kalliina ja hyödyttömänä. 90-luvun alkuvuosina kuitenkin todettiin, että kokonaan digitaalisilla järjestelmillä on kuitenkin niin selviä etuja, että MAC-järjestelmä jäi historiaan jo ennen kuin sitä otettiin missään laajempaan käyttöön. Vuoden 1993 syyskuussa perustettiin standardoinnista huolehtivia

2 organisaatio EP-DVB (European Project for Digital Video Broadcasting), joka alkoi kehittää virallisia eurooppalaisia digitaalisia standardeja satelliitti-, kaapeli ja maanpäälliseen TV-jakeluun. Satelliitti- ja kaapelijakelujärjestelmä standardoitiin loppuvuodesta 1994. Maanpäällinen standardi saatiin valmiiksi viimeisenä vuoden 1995 marraskuussa. 2.2 Mekaaninen televisio Vuonna 1884 24-vuotias saksalainen opiskelija Paul Gottlieb Nipkow hankki patentin ensimmäiselle televisiojärjestelmälle. Hän esitti ajatuksen siitä, miten kuva voitiin hajottaa juoviksi, ja jälleen koota kuvaksi. Tämän järjestelmän toimintaperiaate on seuraavanlainen (kuva 1). Ensin kohdekuva valaistaan lampulla, joka sijaitsee linssin ja Nipkowin levyn takana. Nipkowin pyyhkäisylevy on kiekko, jossa on neliskulmaisia reikiä järjestettynä spiraaliksi siten, että edellisen reiän alareuna on samalla tasolla kuin seuraavan reiän yläreuna. Levyn pyöriminen tuottaa yksinkertaisen ja tehokkaan menetelmän kohdekuvan skannaukseen. Levyn pyöriessä uloin reikä valaisee rivin kuvan yläosaa vasemmalta oikealle. Seuraava reikä valaisee kuvasta seuraavan rivin ja niin edelleen yhdellä kiekon pyörähdyksellä saadaan pyyhkäistyä koko kuva vasemmalta oikealle ja ylhäältä alas. Mitä enemmän reikiä on, sen tarkemmin kuva saadaan skannattua. Kuvasta heijastunut valo vastaanotetaan seleenikennolla. (Vuonna 1873 keksittiin, että seleenin sähköinen johtavuus vaihteli valon voimakkuuden muuttuessa. Kun kuvasta heijastuvan valon voimakkuus lisääntyy, myös seleenin johtavuus kasvaa, joten vaaleammat kohdat saavat seleenin päästämään suuremman virran lävitseen kuin tummat kohdat). Vastaanottavan pään lampun valon voima vaihtelee virran muutosten myötä. Käyttämällä samanlaista tahdistettua levyä vastaanottopäässä voidaan toistaa alkuperäinen kuva. On tärkeää että kiekko pyörii tarpeeksi nopeasti jotta ihmisen silmä näkee kokokuvan eikä yksittäisiä juovia. Kuva 1. Nipkowin mekaaninen televisiojärjestelmä[1]

3 Vuonna 1895 Perrin ja Thomsson löysivät Elektronin, ensimmäisenä alkeishiukkasen olemassaolon todisti professori J. J. Thomson Cambridgen yliopistossa Englannissa vuonna 1897. Hän suoritti kokeensa tyhjäksi pumpatussa lasiastiassa, josta kehittyi luontevasti elektroniikan käyttämä tyhjiö- eli elektroniputki. Kaksi vuotta myöhemmin saksalainen Karl Ferdinand Braun keksi ruudun, joka tuotti valoa kun siihen syötettiin elektroneja. Hän suunnitteli katodisädeputken, jonka avulla elektroneja voitiin ampua fluorenttiseen ruutuun. Vuonna 1904 englantilainen John Ambrose Flemming patentoi kaksisuuntaisen elektroni valven, ja vuonna 1906 Lee de Forest lisäsi siihen verkon, mikä mahdollisti kuvan vahvistamisen. Vuonna 1907 Venäläinen tiedemies Boris Rosing keksi ehdottaa katodisädeputken käyttämistä televisiovastaanottimessa. Kamerapäässä hän käytti peilirumpuskannausta. vuonna 1908 Skotlantilainen elektroniikkainsinööri A.A Cambell Swinston ehdotti magneettisesti heijastavan katodisädeputkien käyttämistä vastaanotto- ja lähetyspäässä. Kamera sisälsi valosähköisten elementtien mosaiikin. Kameran taustalevy luettiin katodi säteellä. Perustuen Nipkowin periaatteeseen säde luki heijastuneen kuvan rivi riviltä. Tämä ehdotelma loi pohjan modernille televisiojärjestelmälle. Nipkowin periaatteet olivat tosin liian kehittyneet otettavaksi käyttöön tuohon aikaan. Swinston esitteli ideoitaan useissa julkaisuissa ja vierailussaan röntgenyhdistykseen Lontoossa 1911. Vuonna 1924 J.L Baird käytti triodivahvistimia ja korvasi seleenikennot kaliumhöyryllä täytetyillä valokennoilla. Tämä paransi valokennojen vasteaikaa valon voimakkuuden muutoksiin. Lisäksi Baird käytti moduloidun valon periaatetta, jonka oli esittänyt amerikkalainen D.M. Moore. Vaihtelemalla sähkösyöttöä neonpurkauslampussa vastaanotto päässä on mahdollista muuttaa valon voimakkuutta lampussa. Baird käytti 30 rivistä Nipkowin levyä ja kuvanopeutta 5 kuvaa/s, jota hän myöhemmin paransi kymmeneen kuvaan sekunnissa. Vuonna 1926 Baird esitteli ensimmäisen todellisen televisio järjestelmän. Tällä välin amerikkalainen C.F. Jenkins teki kokeita mekaanisilla laitteilla käyttäen Nipkowin menetelmää. Myös hän korvasi seleenikennon mutta käytti kokeissaan alkaalimetallikennoa. Ensimmäinen televisiostandardi määriteltiin vuonna 1929. Määritelmä oli yksinkertaisuudessaan seuraavanlainen Ruutu koostuu 30 juovasta ja 1200 elementistä. Vuonna 1931 uudeksi standardi määriteltiin (48 juovaa ja 25 kuvaa sekunnissa). Tällä standardilla edelleen mekaanisen vastaanottimen rajat oli saavutettu. Taulukossa 1. on esitetty mekaanisen television kehitys.

4 Taulukko 1. Mekaanisen television kehitys. [1] 2.3 Elektroninen televisio Swinton päätteli, että hyvälaatuisen kuvan saamiseksi tarvitaan vähintään 100,000 ja mieluummin 200,000 elementtiä. Elementtien määrä on suurin piirtein juovien määrän neliö. Tästä johtuen mekaaninen televisio, jossa oli 30 tai 48 juovaa, ei pääse lähellekään tätä vaatimusta. Venäläissyntyinen Vladimir Kosma Zworykin teki tärkeän keksinnön 1923, kun hän korvasi Nipkowin levyn elektronisella komponentilla. Se mahdollisti kuvan jakamisen huomattavasti useampaan juovaan, mikä taas mahdollisti paremman kuvan laadun ilman skannauskertojen lisäämistä. Myös putken herkkyys lisääntyi muistiominaisuuden ansiosta. Kuva tallennettiin kahden elektroniskannauksen aikana. Vuonna 1925 Zworykin haki keksinnölleen patenttia, ja vuonna 1933 hän otti suunnitelmansa käyttöön. Tällä ikonoskoopilla hän todisti Swinttonin teoreettiset ideat todeksi. Isossa-Britanniassa ensimmäinen täysin toimiva televisiojärjestelmä esiteltiin vuonna 1935. Sen esitteli television tutkintaryhmä Electric Musical Industries (EMI), joka työskenteli Sir Isaac Shoenbergin alaisuudessa. Kameran putki, joka tunnettiin emitronina, oli kehittynyt versio ikonoskooppista. Vastaanottopäässä käytettiin paranneltua korkeatyhjiökatodisädeputkea. Shoenbergin Isossa-Britanniassa ehdottama standardi 405 juovaa, 50-Hz taajuus ja Interlace-skannaus mahdollisti 25 kuvaa sekunnissa ilman välkyntää. Interlace-skannaus

5 tarkoittaa lomitusta, Lomitustekniikassa kuva skannataan kahdesti (kuva 2.). Ensin skannataan kenttä A, joka sisältää parittomat juovat tämän jälkeen skannataan kenttä B, joka sisältää parilliset juovat. Vastaanottopäässä molemmat kentät yhdistetään (näytetään nopeasti vuorotellen), jolloin saadaan kuvan päivitysnopeus nousemaan kaksinkertaiseksi, mikä taas johtaa tasaisempaan kuvaan skannauskertojen pysyessä samana. Kuva 2. Interlace-skannauksen periaate[1] Hallituksen hyväksyttyä Schoenbergin ehdotuksen standardiksi otti British Broadcasting Corporation (BBC) sen käyttöön vuonna 1936. Tämä johti ensimmäisen julkisen televisiopalvelun syntyyn (highdefinition public television service) maailmassa. Vuonna 1937 standardi 411 juovan ja 50Hz:n taajuudesta interlace-skannauksella esiteltiin Saksassa. Iso-Britannian jälkeen vakituiset televisiolähetykset alkoivat Ranskassa vuonna 1936. Myöhemmin Ranska siirtyi käyttämään 819 juovaa ja 50Hzn taajuutta sekä interlace-skannausta. Huhtikuun 30 päivänä vuonna 1941 vakituiset televisiolähetykset alkoivat USA:ssa, missä ensimmäisten sarjavalmisteisten televisioiden myynti alkoi. Julkisten lähetysten alkaessa tarve standardille, joka määrittelisi vaaka- ja pystyjuovien määrän sekä kuvataajuuden, lisääntyi. Juovien määrä on suhteellinen kompromissi kuvan laadun ja lähetyskaistaleveyden välillä. Toinen standardoinnin kohde oli kuvan toistonopeus. USA (ja myöhemmin Japani) määritteli kuvan toistonopeudeksi 30 kuvaa sekunnissa. Tämä johtui siitä, että tämä nopeus oli helppo luoda virtalähteessä puolittamalla paikallinen verkkotaajuus, joka on 60Hz. Euroopassa verkkotaajuus on

6 50Hz, joten kuvan toistonopeudeksi määriteltiin 25 kuvaa sekunnissa. Tämä johti kahteen kilpailevaan standardiin maailmassa: USA:n standardia 525 juovaa kuvaa kohden ja 30 kuvaa sekunnissa käytetään Pohjois- ja Etelä-Amerikassa ja Japanissa. Eurooppalaista standardia 625 juovaa kuvaa kohden ja 25 kuvaa sekunnissa käytetään Euroopassa, Australiassa, Afrikassa ja Euraasiassa. Taulukossa 2. on esitetty elektronisen television kehitys. Taulukko 2. Elektronisen television kehitys[1] 2.4 Väritelevisio Ensimmäiset ideat väritelevisiojärjestelmästä juontavat saksalaiseen patenttiin vuodelta 1904. Vuonna 1925 Zworykin anoi patenttia elektroniselle väritelevisiojärjestelmälle. Kuitenkin Baird esitteli ensimmäisen toimivan (mekaanisen) väritelevisiojärjestelmän vuonna 1928. Bairdin järjestelmä käytti Nipkovin kiekkoa kolmella spiraalilla, yksi jokaiselle päävärille (punainen, vihreä, sininen). Pyöriessään tämä järjestelmä tuotti sarjan päävärisignaaleja. Vuonna 1929 H.E. Ives onnistui lähettämään mekaanisella järjestelmällä kolme pääväriä käyttäen kolmea rinnakkaista kanavaa Washington D.C:n ja New Yorkin välillä. Myöhemmin samana vuonna hänen kolleegansa Frank Gray patentoi väritelevisiojärjestelmän joka pystyi lähettämään kolme pääväriä yhdellä kanavalla. Päävärit voidaan lähettää sarjana väri kerrallaan. Vaihtoehtoisesti päävärit voidaan lähettää samanaikaisesti, mikä mahdollistaa kaistaleveyden tehokkaamman käytön. Jälkimmäinen mahdollistaa myös yhteensopivuuden musta-valkotelevisiojärjestelmän kanssa. Vuonna 1938 Ranskalainen G.Valesi haki patentin väritelevisiojärjestelmälle, joka oli yhteensopiva musta-valkoisen televisiojärjestelmän kanssa. Vaikkei hänen järjestelmäänsä koskaan otettu käyttöön, hänen ideansa yhteensopivuudesta ovat

7 olleet erittäin tärkeitä väritelevision myöhemmälle kehitykselle. Ensimmäiset väritelevisio lähetykset alkoivat USA:ssa vuonna 1953, jolloin National Television Commit. (NTSC) kehitti täysin musta-valkoisen järjestelmän kanssa yhteensopivan järjestelmän käyttäen kolmen päävärin samanaikaista lähetystä. Tähän NTSC järjestelmään perustuvat värilähetykset tänäkin päivänä. Tällaisenaan tämä järjestelmä tarjosi yhdistetyn kirkkaus ja värilähetteen. Kuvan kirkkausinformaatio määrittää kuvan terävyyden ja yksityiskohdat. Tämäntyyppinen informaatio pystytään vastaanottamaan musta-valkotelevisiolla, joka ei käytä (eikä tarvitse) väri-informaatiota. Väritelevisio taas käyttää kummankin tyyppistä informaatiota. Ensimmäinen julkinen lähetys jossa käytettiin NTSC- standardia lähetettiin yhdysvalloissa vuonna 1954. NTSC-järjestelmä näytti olevan herkkä tietynlaisille häiriöille, joita syntyi lähetyksessä sekä signaalinkäsittelyssä. Nämä vääristymät aiheuttivat värivirheitä jotka voitiin vain osittain korjata. Tästä johtuen järjestelmä sai lempinimen Never The Same Color. Vuonna 1957 Henri de Franse kehitti oman Systeme Electronique Couleur Avec Memoire (SECAM) järjestelmänsä, jolla hän korjasi värivirheongelman. Samalla lopputuloksella saksalainen German W. Brunch muokkasi NTSC järjestelmää vuonna 1961 ja kehitti Phase Alternation Line (PAL) järjestelmän. Vuonna 1967 julkiset SECAM järjestelmää käyttävät televisiolähetykset alkoivat Ranskassa ja entisessä Neuvostoliitossa. Samana vuonna julkiset PAL-lähetykset alkoivat Saksassa ja Englannissa. Tänä päivänä SECAM on käytössä Ranskassa, Kreikassa, Itä-Euroopassa ja Iranissa, kun taas PAL-järjestelmä on käytössä Läntisessä Euroopassa ja monissa muissa maissa, Kuten Brasiliassa, Argentiinassa ja Kiinassa. Taulukossa 3. on esitetty väritelevisioin kehitys.

8 Taulukko 3. Väritelevision kehitys[1] 2.5 HDTV Termi HDTV on miltei yhtä vanha kuin ensimmäinen mekaaninen televisiojärjestelmä. Sitä on käytetty referenssinä ideaaliseen järjestelmään tai siihen, mitä ei oltu vielä saavutettu. Tärkeä osa tätä keskustelua on kuvan esittämiseen tarvittavien juovien määrä. J.L Baird kutsui omaa mekaanista 30- juovaista järjestelmäänsä HDTV järjestelmäksi. Nykypäivänä termin HDTV merkitykseksi on vakiintunut järjestelmä, jossa on noin 1000-juovaa. Euroopassa termi very HDTV on käytetty tarkoittamaan laajakaista HDTV:tä jonka kuva on studiolaatuista. Japanissa termi ultra-hdtv tarkoittaa järjestelmää, jossa on noin 3000-juovaa. Puolessa välissä 60-lukua japanilainen Dr.Takashi Fuijo, joka työskenteli Nippon Hoso Kyokaissa(NHK), alkoi tutkia HDTV-järjestelmiä tavoitteena kehittää maailmanlaajuinen standardi ohjelmatuotantoon. Japanissa tätä kehitystä kutsuttiin High-Visioniksi eikä televisioksi. Ensimmäinen lähetys tapahtui 1970-luvun loppupuolella. Järjestelmässä oli 1125-juovaa, 60-Hz kuva taajuus sekä lomitus. Vuonna 1981 NHK esitteli HDTV-järjestelmän, jonka oli kehittänyt Sony USA:ssa. Lisäksi NHK kehitti analogisen multible sub-nyquist sampling encoding (MUSE) lähetys-standardin satelliittipalveluille vuonna 1984.

9 Muu maailma saavutti japanilaiset vuonna 1981 European Broadcasting Union (EBU) alkoi tutkimaan HDTV:ä, jota euroopassa kutsuttiin Cine-Visioniksi. Vuotta myöhemmin Yhdysvalloissa perustettiin Advanced Television Systems Committee (ATSC). EBU ja ATSC tekivät läheistä yhteistyötä perustaen työnsa NHK:n lopputuloksiin. Syyskuussa 1983 Comite Consultatif International des Radiocommunications (CCIR) Interim Working Party (IWP) muodostui tavoitteena kehittää maailmanstandardi ohjelmien lähettämiseen ja vastaanottamiseen. Vuonna 1985. CCIR IWP toimitti ehdotuksen lähetysstandardiksi, joka perustui 1125-juovaan 60-Hz kuva taajuuteen sekä lomitukseen. Tärkeä tekijä EBU:n päätymiseen tähän ehdotukseen oli se, että NHK oli kehittänyt muutos-standardin 1125-juovaa/60Hz:ä 625-juovaan/50Hz:n. ATSC hyväksyi myös standardin mutta määritteli laaja-kuva kuva suhteen 15:9 eikä ehdotettua 16:9 suhdetta. EBU kuitenkin aliarvioi kulutuselektroniikkateollisuuden lobbauksen. Euroopan kulutusteollisuuden (taloudellisia) tavoitteita ei otettu tarpeeksi huomioon, koska sen järjestelmät perustuivat 50Hz:iin. Vuonna 1985 Euroopan komissio pyysi jäsenvaltioita olemaan erimieltä CCIR IWP:n ehdotuksen kanssa. Lisäksi Euroopan komissio päätti, että päätös HDTV:stä siirtyisi ainakin kaksi vuotta. Tämä vaikutti myös CCIR:n plenary-tapaamiseen, joka pidettiin Dubrovnikissa toukokuussa 1986. CCIR:n päätös HDTV:ä siirrettiin seuraavaan kokoukseen joka, pidettiin 1990 Dusseldorffissa. Tästä johtuen Eurooppa ja USA lähtivät kehityksessä eri suuntiin. Ennen Dubrovnikin kokousta 12 maaliskuuta 1986 Euroopan kulutuselektroniikkateollisuus teki muistion, jotta ymmärrettäisiin erityistarpeet HDTVlaitteiston kehitykselle Euroopassa. Päästäkseen tähän tavoitteeseen teollisuus aloitti uuden projektin Eureka-projektin sisällä, joka työskenteli kohti ehdotusta Eurooppalaisesta HDTV järjestelmästä, joka perustuu 50 Hz tekniikkaan. Koska projekti numero 95 annettiin tälle projektille tuli se tunnetuksi nimellä Eureka95. Eureka95:n tavoitteet olivat seuraavat: - Kehittää Eurooppalainen ehdotus HDTV-ohjelmatuotannolle, joka esitettäisiin CCIR:n plenaryssä 1990. Yksi ehdotuksen vaatimuksista oli että se perustuisi 50 Hz:n kuvataajuuteen, mutta olisi yhteensopiva 60 Hz:n maissa. - Helpottaa muutosta HDTV lähetyksiin käyttämällä high-definition multiplexed analog component (HDMAC) satelliittilähetys-standardia jotta saavutettaisiin vastaanotto perinteisille MAC-vastaanottimille (aiemmin vuonna 1986, EBU oli jo määritellyt MAC/pakettiperheen lähetys-

10 standardin, joka koostui CMAC, DMAC, ja D2-MAC vaihtoehtona PAL ja SECAM järjestelmille) - Rakentaa ja demonstroida täydellinen HDTV:n ketju aina ohjelmantuottamisesta ja lähettämisestä vastaanottoon ja tallentamiseen asti. - HDTV:n avainkomponenttien perin pohjainen tutkiminen. Eureka95 projekti oli suunniteltu vuosien 1986 ja 1990 välille. Siihen osallistui noin 80 yhtiötä, ja sitä johtivat Philips ja Thomson. Eureka95 työsti ehdotuksia HDTV järjestelmän standardeiksi. Nämä ehdotukset koskivat järjestelmää, jossa olisi 1250 juovaa, 50Hz:n kuva taajuus sekä lomitus. Osanottajat, joita rahoittivat hallitukset, käyttivät tähän toimintaan noin 200 miljoonaa euroa. Vuonna 1989 Eureka95:n osallistujat päättivät jatkaa projektia kahdella vuodella kesäkuusta 1990 kesäkuuhun 1992. Tämä nosti projektin budjetin 625 miljoonaan euroon. Tämä toinen vaihe Eureka95 projektissa tähtäsi ensimmäiseen vakituiseen laajakuva lähetykseen vuonna 1991. Eureka95:n osanottajat halusivat saavuttaa HDTV-tasoiset lähetykset tärkeistä tapahtumista kuten olympialaisista koko Eurooppaan vuoden 1992 loppuun mennessä. Euroopan komissio halusi tukea HDTV-lähetyksiä ja satelliittiteknologiaa kehittämällä HDMAC-direktiivin toukokuussa 1992. Tämä direktiivi tähtäsi siihen, että Eurooppaan saataisiin HDMAC-standardi, ensin osittain digitaalinen D2MAC, jota seuraisi kokonaan digitaalinen HDTV-järjestelmä. Tässä vaiheessa kuitenkin Iso-Britannia lopetti tukensa Euroopan teollisuudelle Euroopan HDTV-järjestelmän suhteen. Tästä johtuen HDMAC-järjestelmä-direktiivi poistettiin poliittisista linjauksista. Taulukossa 4. esitetään HDTV:N kehitys. Taulukko 4. HDTV:N kehitys[1]

11 2.6 Digitaalinen televisio Vuonna 1987 Federal Communication Comission (FCC) aloite koskien maanpäällisiä HDTVlähetyksien standardia poiki 21 aloitetta. Useimmat näistä ehdotuksista eivät olleet yhteen sopivia NTSC-järjestelmän kanssa ja eivät näin ollen saavuttaneet HDTV-järjestelmän vaatimuksia. Vuonna 1992 oli jäljellä vain neljä ehdotusta. General Instrumentsin 1990 kesäkuussa lähettämä ehdotus käsitteli kokonaan digitaalista HDTV-järjestelmää. FCC vaati kuitenkin, että teollisuus hyväksyisi vain yhden ehdotuksen. Toukokuussa 1993 AT&T/Zenith/DSRC/Philips/Thomsson ja MIT muodostivat Grant Alliancen (GA), jonka tavoite oli kehittää HDTV-standardi digitaalisille maanpäällisille lähetyksille. GA valitsi Motion Pictures Expert Groupin (MPEG) MPEG-2 standardin videon pakkauskoodiksi. GA määritteli lähetysstandardit niin maanpäällisille lähetyksille kuin kaapelitelevisioverkoillekin. Vuonna 1991 Ruotsin televisio ehdotti Euroopan laajuista platformia Eurooppalaisille lähetyksille. Tavoitteena oli kehittää digitaalinen maanpäällinen lähetysjärjestelmä. Tällä välin Saksassa keskusteltiin television tulevaisuuden näkymistä Euroopassa. Myöhemmin samana vuonna Saksan hallitus huomasi DTV lähetysten strategisen tärkeyden Euroopalle ja tarpeen yhteiselle lähestymistavalle. Saksan hallitus kutsui koolle tv-lähetysten tuottajat, kulutuselektroniikan valmistajat sekä valvontaelimet alustavaan kokoukseen joka johti digitaalisen television kehittämistä valvovan ryhmän European Launching Group:n (ELG) perustamiseen keväällä 1992. Myöhemmin ELG laajeni käsittämään suurimmat Eurooppalaiset tv-alan intressiryhmät. Memorandum of Understanding (MoU) muotoili säännöt joiden mukaan alaa kehitettiin. 10. syyskuuta 1993 valvontaelimet, kulutuselektroniikan valmistajat sekä 84 Eurooppalaista tv-lähetysten tuottajaa allekirjoittivat säännöt. Tällöin ELG Muuttui European DVB Project:iksi. Eurooppalaiset markkinat halusivat kuitenkin enemmän kanavia kuin parempilaatuisia järjestelmiä kuten HDTV. Digitaalisen signaalin pakkaustekniikan käyttö mahdollistaa dramaattisen pudotuksen kanavan tarvitsemassa tilassa joten useampia kanavia voitiin mahduttaa samaan tilaan. Yhden HDTV kanavan vaatimaan signaaliin voitiin mahduttaa neljä tavallista kanavaa. Digitaalinen lähetys mahdollistaa etukäteisen virheen korjauksen, mikä johtaa parempaan kuvan laatuun. DVB on tarkoitettu normaalille laajakuva 16:9 televisioille toisin kuin digitaalinen HDTV, joka olisi vaatinut uudempaa tekniikkaa. DVB päätti ottaa käyttöön MPEG-2 standardin videon ja äänen pakkaukseen.

12 Vähitellen kävi selväksi että ensimmäiset digitaaliset lähetykset tulisivat olemaan satelliitti- ja kaapelivälitteisiä. Koska näillä alueilla oli vähemmän teknisiä ongelmia ja yksinkertaisempi säädöstö, oli niitä mahdollista kehittää perinteisiä tv-lähetyksiä nopeammin. Satelliitti- ja kaapelijakelujärjestelmä standardoitiin loppuvuodesta 1994. Maanpäällinen standardi saatiin valmiiksi viimeisenä vuoden 1995 marraskuussa. Vuoteen 1997 mennessä DVB-projekti oli saanut toteutettua alkuperäiset tavoitteensa ja siirtynyt seuraavaan vaiheeseen, jossa se toi maailmanlaajuisesti julki avoimet standardinsa. Vuonna 1998 alkoivat ensimmäiset kaupalliset digitaaliset tv-lähetykset. DVB-projekti (EP-DVB) on nykyään yli 200 jäsenen organisaatio, jossa päättävänä elimenä on MoU:n allekirjoittaneiden jäsenten yleiskokous (General Assembly), joka kokoontuu kerran vuodessa. Taulukossa 5. esitetään Digitaalisen television kehitys. Taulukko 5. Digitaalisen television kehitys[5] 2.7 Digitaalinen televisio Suomessa Keväällä 1996 Suomen hallitus teki periaatepäätöksen televisio- ja radiotoiminnan digitalisoimisesta

13 Liikenneministeriön digitalisointiryhmän raportin esittämällä tavalla. Suomen päätös siirtymisestä digitaaliaikaan maanpäällisessä televisiolähetysverkossa perustui nimenomaan tasapuolisuuden periaatteeseen. Harvaan asutussa maassa muu lähestymistapa olisi johtanut haja-asutusalueella asuvien aseman heikentymiseen. Digitaalista kaapelitelevisiota ei olisi mitenkään voinut rakentaa muualle kuin tiheästi asutetuille alueille. Varsinaisesti hanke lähti liikkeelle vuoden 1997 alussa Liikenneministeriön kutsuttua 10 asiantuntijan työryhmän valmistelemaan digitalisointia. Ryhmässä oli edustettuna Liikenneministeriö, Yleisradio, kaupalliset tv-kanavat, laitetoimittajat ja Telehallintokeskus. Työryhmä perusti palveluihin, tekniikkaan ja markkinointiin perehtyneet asiantuntijaryhmät, jotka tekivät omat erityisraporttinsa. Työryhmä päätyi suosittelemaan kolmea kanavanippua eli multipleksiä ja nopeaa etenemistä. Ensimmäiset koelähetykset saatiinkin lähetettyä jo saman vuoden keväällä. Heinäkuussa 1997 Suomi allekirjoitti sopimuksen, joka ohjaa digitaalisen television taajuuksien käyttöä. Sopimuksen allekirjoitti moni taho Euroopassa, joten se on merkittävä askel digitaalisen television leviämiselle. Digi-tv-työryhmä jätti loppuraporttinsa Digitaalinen televisio ja Suomi vuoden 1998 keväällä, ja loppuvuodesta Liikenneministeriö julisti toimiluvat haettavaksi. Hakemuksia jätettiin yhteensä 27 kappaletta, joista valtakunnalliset yleiskanava-luvat annettiin lopulta kesällä 1999 MTV:lle, Ruutuneloselle, Deuteriumille ja Wellnetille. Samaan aikaan vuoden alusta itsenäisenä yrityksenä toiminut Digita ryhtyi rakentamaan digi-verkon ensimmäistä vaihetta. TV-verkkojen digitalisointi eli DVB-verkkojen rakentaminen (Digital Video Broadcasting) tarkoittaa käytännössä lähettimien ja kuluttajien vastaanottimien muuttamista digitaalisiksi. Nykyisiä analogisia TV-vastaanottimia voidaan käyttää erillisen muuntimen (set-top-box) avulla. Digilähetykset alkoivat syksyllä 2000 pääkaupunkiseudulla, Tampereella ja Turussa. Lähetykset sisälsivät ainoastaan nykyiset neljä pääkanavaa digitaalisessa muodossa. Vuoden 2000 loppuun mennessä digi-tv tavoitti jo 50% suomalaisista. Suomessa viralliset lähetykset alkoivat 27.8.2001, jolloin digi-kanavat aloittivat lähetyksensä lähes ilman katsojia. Digi-tv:n lanseeraaminen oli epäonnistunut, katsojat eivät ymmärtäneet digi-ajan hyötyjä kuten ylimääräiset tv kanavat, parempi ja häiriötön kuvan laatu, parempi teksti-tv palvelu ja 16:9 sivusuhteen esittämisen 625 juovaisena. Myös HDTV on mahdollista, mutta yksi HDTV-ohjelma vie yhden kokonaisen multipleksikanavan. Jakeluyhtiöille edut ovat kiistämättömät: pitemmän päälle halvemmat jakelukustannukset sekä analogiaverkon väistyttyä taajuuksien vapautuminen. Yksi ongelma oli, että harvalla oli aloitushetkellä tarvittavia laitteita. Digitaalisovittimen hankkiminenkaan ei ollut helppoa, koska aloitushetkellä laitetilanne oli

14 keskeneräinen ja sekava. Käytännössä aloitushetkellä ei markkinoilla ollut yhtään hyvää kaikkia Suomen standardin mukaisia ominaisuuksia sisältävää digitaalisovitinta saatavana. Tuotteet olivat jääneet raakileiksi, koska valmistajat eivät olleet tienneet, mitä valmistaa (viimeisimmät standardit valmistuivat kesällä 2001) ja Suomi omine standardeineen poikkesi muiden maiden ratkaisuista. Tuotteiden lisäksi alan kauppakaan ei ollut täysin valmis tilanteeseen. Digitaali-television tuotteita myyvien kauppojenkin tiedon taso vaihteli suuresti ja mainoksien tekstit olivat toisinaan harhaanjohtavia. Koska kuluttaja ei tarkkaan tiennyt mitä pitää ostaa, oli suuri pelko tehdä kalliita hankintoja, joihin ei välttämättä ollut myöhemmin tyytyväinen. Tosin laitteita ei riittänyt edes niille harvoille, jotka niitä olisivat halunneet. Aloituspäivämäärän siirtämisestä oli käyty keskustelua, mutta koska hanke oli ja on luonteeltaan ennen kaikkea poliittinen, olisi lykkääminen ollut osoitus epäonnistumisesta. Nyt keväällä 2004 digi-tv tavoittaa 70% kansasta. 3 DIGITAALISEN TELEVISION TEKNIIKKA 3.1 Nykyisen TV-Järjestelmän rajoitukset 3.1.1 PAL Analoginen väri-tv (PAL) kehitettiin kompatiibeliksi mustavalkotv:n kanssa, jolloin jouduttiin kompromissiratkaisuihin. Väri-informaatio (värierosignaalit B-Y, R-Y) AM-moduloidaan mustavalkoinformaatioon video taajuuskaistan yläpäähän apukantoaallon ollessa n. 4,43 MHz:iä. Apukantoaalto on valittu siten, että se mahdollisimman vähän häiritsee mustavalkoinformaatiota. Käytännössä värin ja luminanssi-informaation täydellinen erottaminen on mahdotonta ja seurauksena on ristiväri ja ristiluminanssi nimillä tunnetut häiriöt.[2] 3.1.2 Paikkavaihtelu Joskus vastaanottopaikan ja lähetysaseman välillä on niin korkeita maastoesteitä, ettei signaalin voimakkuus normaalisti ole riittävä. Silloin on mahdollista parantaa vastaanottoa joko nostamalla vastaanottoantenni korkeammalle tai rakentamalla alilähetin, jonka teho on suunnattu ongelma-alueelle. [2] 3.1.3 Monitie-eteneminen

15 Monitie-etenemisellä tarkoitetaan sitä, että suoraan lähetysantennista tulevaan signaaliin summautuu heijastunut signaali. Heijastunut signaali on viivästynyt ja aiheuttaa haamukuvan vastaanottimeen. Monitie-eteneminen on ongelma etenkin kannettavilla vastaanottimilla, joissa on ympärisäteilevä antenni.[2] 3.1.4 Signaalin aikavaihtelu Kiinteälläkin vastaanotolla signaalin voimakkuus vaihtelee sääolosuhteiden mukaan merkittävästi. Yleisradion mittausasemalla on käynnissä tutkimus aikavaihtelun selvittämiseksi UHF taajuuksilla. Mitä kauempana lähetysasemasta ollaan, sitä suurempi on aikavaihtelu.[2] 3.1.5 Saman ja viereisen kanavan häiriöt Suomessa TV-verkot on suunniteltu siten, etteivät saman tai naapurikanavan häiriöt normaalisti haittaa. Tietyillä säätyypeillä kuitenkin ilmakehän taitekerroin muuttuu merkittävästi ja esiintyy ylipitkää etenemistä, jolloin häiriöitä syntyy. [2] 3.1.6 Eroja analogisen ja digitaalisen järjestelmän välillä Tuotantotekniikassa siirrytään analogisesta PAL tuotantoympäristöstä digitaalisen komponenttiympäristöön. Tämä poistaa ristiväri ja -luminanssi ilmiöt ja antaa paremman luminanssi- ja väriresoluution.[2] Digitaalisessa järjestelmässä kuva kompressoidaan, joka mahdollistaa yhteen 8 MHZ:N rasteriin 4-6 TV ohjelmaa yhden asemasta. [2] TV-kuvan laatua arvioidaan subjektiivisella skaalalla 1-5. Analogisessa järjestelmässä kuvan laatu heikkenee tasaisesti, kun signaalin voimakkuus pienenee, heijastuksia esiintyy tai muut saman tai naapurikanavan asemat häiritsevät. Digitaalisella järjestelmällä kuvan laatu on hyvä tai sitten ei näy eikä kuulu mitään, kun kriittinen kynnys alitetaan. Siksi aikavaihtelun hallitseminen on ensiarvoisen tärkeätä DVB-T verkkoja suunniteltaessa.[2] Maanpäällistä järjestelmää ei monitie-eteneminen häiritse, vaan heijastuksista on jopa hyötyä. Koko maan tai pienempien alueiden synkroniverkkojen rakentaminen on mahdollista.[2]

16 3.2 Televisiokuvan laatu Kuvanlaatu on teoriassa parempi digitaalisessa järjestelmässä kuin vanhassa Analogisessa järjestelmässä. SDTV (Standart Definition TV)- tekniikka tarjoaa parhaillaan kuvantarkkuudeksi 576 * 720 pikseliä. Käytännössä kuvanlaatu ei kuitenkaan juuri eroa hyvänlaatuisesta analogisesta signaalista. Digitaali-televisiota mainostetaan virheenkorjauksen ansiosta häiriöttömämpänä verrattuna analogisiin lähetyksiin. Varjokuvat kyllä poistuvat, mutta tilalle tulee helposti liian suuresta pakkaus-suhteesta johtuva laatikoituminen. Suomessa pystytään yhdessä kanavanipussa (multipleksissä) lähettämään yksi HDTV-kanava tai neljä hyvälaatuista SDTV-kanavaa. Kanavia voidaan lähettää useampiakin laskemalla yhdelle kanavalle annettavan bittivirran määrää. Esimerkiksi uutislähetys ei tarvitse niin suurta bittivirtaa kuin toiminta elokuva, joten tästä uutislähetyksestä yli jäävä vapaa kaista voidaan ottaa muuhun käyttöön. Ongelmia kuitenkin syntyy, kun useammalla kanavalla esitetään nopeatempoista ohjelmaa. Tällöin multipleksi täyttyy ja kuva pikselöityy. Kuva pikselöityy usein myös sen vuoksi, että digitaali-televisio lähetyksistä maksetaan lähetetyn datamäärän mukaan, eikä lähetysajan mukaan kuten vanhassa järjestelmässä. Tämä taas houkuttaa pienentämään data-virtaa liikaa, jolloin kuvan laatu kärsii. 3.3 DVB-T ( Digital Terrestrial Transmission Systems ) DVB-T-järjestelmän spesifikaatio maanpääliselle digitaali-televisiolle hyväksyttiin 1997. Sen kehitystyö pohjautui määriteltyihin joukkohin käyttäjien tarpeita. Kuten muillakin DVB standardeilla MPEG-2 äänen ja kuvan koodaus muodostaa perustan myös DVB-T:lle. Muita osia : 1. Siirtokaavio perustuu COFDM:n (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing), jossa voi olla joko 1705 (2k) tai 6817 (8k) tajuustasoa. 2k-moodi soveltuu yhden lähettimen käyttöön ja suhteellisen pienille yhden taajuuden verkoille, joissa on rajallinen lähetinteho. 8k sopii sekä yhden lähettimen kanssa käyttöön että suurien alueiden yksitaajuus verkkojen kanssa. 2k- ja 8kmoodit ovat yhteensopivia systeemejä. Tarvittava suoja-alue on valittavissa. 2. Reed-Solomon FEC ulkoisena virheenkorjauskoodina, kuten muissakin standardeissa 3. Sisäisenä virheenkorjauskoodina on Viterbi-algoritmi 4. COFDM kehyksen datataajuustasot voivat hyödyntää QPSK:ta ja eri QAM-modulointi ja

17 koodausarvoja, joiden avulla voidaan saada aikaan sopiva kompromissi bittinopeuden ja eheyden väliltä. 5. Kaksitasoista ja hierarkkista kanavakoodausta ja modulaatiota voidaan käyttää, mutta hierarkkista lähdekoodausta ei käytetä, koska sen edut eivät ole riittäviä verrattuna sen aiheuttamaan vastaanottimen monimutkaistumiseen. 6. Modulointi järjestelmä yhdistää OFDM:n(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) QPSK/QAM:n kanssa. OFDM:n suuri etu on sen vahvuus monitie-ympäristöissä, ja siksi se on toiminut hyvin myös DAB:ssa (Digital Audio Broadcasting) [3] Monitie-immuunisuus (haamukuvan poisto) on toteutettu erityisen suoja-alueen avulla. Suoja-alue on osuus digitaalisesta signaalista, joka toimii kaiun estona. Haittapuolena kuitenkin on se että alue vähentää OFDM järjestelmien siirtokapasiteettia. Siirtokapasiteettia voidaan kasvattaa lisäämällä taajuustasoja, mutta tällöin haittapuolena on vastaanottimien kasvava monimutkaisuus. [3] Monitie-immuunisuus mahdollistaa yksitaajuus-siirtoasemien osittain päällekkäiset verkot. Päällekkäisillä alueilla heikompi signaali toimii kaikusignaalina ja suoja-alueen on tarkoitus poistaa sen vaikutus. Tämä aiheuttaa sen, että lähettimien ollessa kaukana toisistaan signaalien välinen aikaviive on suuri, ja järjestelmä tarvitsee ison turva-alueen. [3] 3.4 Multipleksi Multipleksiin eli kanavanippuun kootaan ohjelmapalveluiden komponentit yhdeksi bittivirraksi. Komponenteina voi olla televisiokuvan, -äänen ja tekstityksen lisäksi radiopalvelut, datapalvelut, internet-tyyppinen teksti-tv ja ruutuopas. Multipleksiin sisältyy myös palveluihin liittyvää kontrollointitietoa. Palveluita ja niiden komponentteja voidaan tarvittaessa dynaamisesti lisätä ja poistaa tai jakaa siirtokapasiteettia palveluiden välillä. Multipleksointi tapahtuu kolmessa osassa.[3] 3.4.1. Palvelumultipleksointi Ensimmäiseksi multipleksoidaan yhden palveluntuottajan palvelut, minkä hallinnasta vastaa kyseinen yritys. Palveluntuottaja määrittelee, miten käytettävä kapasiteetti jaetaan yrityksen lähetystoimintaan,

18 esimerkiksi konserttilähetystä varten tulee varata enemmän äänikapasiteettia kuin uutislähetykseen. Videokapasiteetin käyttöä voidaan optimoida statistisella multipleksoinnilla, jolloin tv-palvelun vaatimaa kapasiteettia mitataan reaaliaikaisesti ja muutetaan bittinopeutta dynaamisesti tarpeiden mukaisesti.[3] 3.4.2 Verkkomultipleksointi Seuraavaksi kootaan yhteen taajuuteen sopivat palvelut, jotka voivat olla lähtöisin eri tuottajilta. Verkkomultipleksin kapasiteetti (UHF-kanavan) riippuu käytetystä modulaatiosta, virheenkorjaussuhteesta ja suojavälistä, jotka vuorostaan määräytyvät jakeluverkon rakenteen mukaan. Suomessa yhden taajuuden kapasiteetiksi on arvioitu 22 megabittiä sekunnissa. Lisäksi verkkomultipleksiin lisätään vastaanottimien tarvitsemat DVB-SI-datat, minkä jälkeen DVB-signaali lähetetään ohjelmasiirtoverkkoa pitkin lähetinasemille.[3] 3.4.3. Remultipleksointi Lähetinasemilla remultipleksoidaan alueellisesti tarvittavat palvelut, jolloin valtakunnalliseen bittivirtaan lisätään esimerkiksi paikallinen mainos. Verkko- ja remultipleksereitä täytyy hallita keskitetysti, jotta lähetysvirtaan saadaan tarvittavat palvelut oikeaan aikaan. Suomessa tehtävää hoitaa Digita maanpäällisessä verkossa.[3] Kuva 3. Yleisradion kanavanipun muodostuminen.[4]

19 3.5 Pci-väyläisen digi-tv-sovittimen toiminta Pääpiirteiltään tietokoneen digisovitin on samanlainen laite kuin televisioon liitettävä digisovitin. Tietokoneen digisovitin muuntaa digi-tv-signaalin tietokoneen ymmärtämään muotoon, kun taas digisovitin muuntaa signaalin suoraan television ymmärtämiksi analogiseksi kuvaksi ja ääneksi. Valittaessa tv-kanava katseluohjelmassa virittyy sovittimen uhf-viritin sen kanavanipun taajuudelle, jonka sisältä haluttu kanava löytyy. Kanavanippujen taajuudet tallennetaan etukäteen katseluohjelman asetuksiin joko automaatti haulla tai käsin. Esimerkiksi Eurajoen lähetysasemalta kanavanippu A lähetetään kanavalla 38. Viritin vastaanottaa lähetyksen ja muuntaa sen demodulaattorin ymmärtämälle 36 MHz välitaajuudelle. Demodulaattori toimii sekä digitalisoijana että virheenkorjaajana. Sisään tullut signaali demoduloidaan ja puhdistetaan virheistä Viterbi ja Reed Solomon-virheenkorjausalgoritmeilla. Tämän jälkeen kahdeksan bitin tavuiksi eroteltu hyötydata lähetetään eteenpäin pci-dekooderille.[4] Kuva 4. Pci-väyläinen digi-tv sovitin.[4] Pci-dekooderin tehtäväksi jää MPEG2 Transport Stream-pakatun kananipun tahdistettu lähettäminen tietokoneen muistiväylään. Kanavanipun erottelu kanaviksi ja yksittäisen kanavan MPEG2-purku tehdään sen jälkeen ohjelmallisesti. Myös kanavaoppaan (EPG) ja tekstityksen haku datasta tehdään ohjelmalla.

20 [4] 3.6 Digi-tv:n virheet Hyvässä digi-tv signaalissa on riittävä voimakkuus sekä alhainen bittivirhesuhde. BER (Bit Error Rate) on luku, joka kertoo kuinka monta virheellistä bittiä vastaanotetaan yhtä vastaanotettua bittiä kohden. Jos bittivirhesuhde on signaalissa liian korkea, digisovittimen virheenkorjaus ei kykene poistamaan häiriöitä, vaan ne päätyvät kuvaan ja ääneen. Kanavanipun hyötydatan määrä on 22,117 Mbit/s, mutta tähän lisätään ennen lähetystä virheenkorjausbitit, joita on lopullisen kanavanipun bittimäärästä yksi kolmasosa. Tämä tarkoittaa bruttonopeutta 33,18 Mbit/s kanavanippua kohden. Karkeasti ottaen signaalia pidetään hyvänä, jos virheellisiä bittejä on ennen virheenkorjausta vähemmän kuin 3300 kappaletta sekunnissa. Tämä tarkoittaa BER-arvoa alle 0,0001. Heikentyneenä signaalia pidetään jos BER on 0,0001-0,001ja huonona jos BER on 0,01. Vastaanottimet eivät yleensä kykene aukaisemaan kuvaa tai ääntä ollenkaan mikäli BER on yli 0,01. Digi-tv:n virheenkorjaus on kaksiosainen. Kanavanippujen sisäinen virheenkorjaustaso on 2/3, joka tarkoittaa, että 1/3 siirretystä datasta on virheenkorjausbittejä. Sisäisessä virheenkorjauksessa käytetty Viterbi-algoritmi yrittää korjata virheet virheenkorjausdataa hyväksi käyttäen. Reed-Solomon ulkokoodauksessa jokaiseen MPEG-2-siirtovirran 188 tavun ryhmään lisätään 16 tavua tarkastusmerkkejä. Dekoodausvaiheessa näillä 16 tavulla voidaan korjata 8 virheellistä tavua jokaisessa 204 tavun ryhmässä. Jos virheitä on enemmän kuin 8, siirtää RS-dekooderi paketin eteenpäin yrittämättä virheenkorjausta lainkaan. Jos siis virheitä on liikaa, kuva ja ääni katkeilevat tai niitä ei saada ulos ollenkaan.

21 Kuva 5. Digi-tv:ssä esiintyviä virheitä. Jos signaali on liian huono, ei virheen korjauskaan auta, vaan virheet päätyvät kuvaan ja ääneen. Televisiokuvan virheet esiintyvät neliönmuotoisina yksittäisinä virheinä, tai vaakasuorina palkkeina (Kuva 5). Äänen häiriöitä ovat kirskuva ja katkeileva toisto [4]. Ajastusongelmat tekstityksessä ja äänessä johtuvat yleensä vastaanottimesta. Digitaalilähetyksessä kuva, ääni ja tekstitys koodataan MPEG-2 standardin mukaisesti ensiksi elementary streamiksi, josta muodostetaan lähetyksessä käytettävä MPEG-2 transport stream, joka pakataan edelleen DVBstandardin mukaiseen kehysrakenteeseen enkoodaus ja lähetysvaiheessa. Tämä tarkoittaa sitä, että digitaalilähetyksessä kuva, ääni ja tekstitys koodataan samanaikaisesti ja lähetetään erilaisesta koodausviiveestä johtuen +/- 20 ms aikaikkunassa. Jokainen multipleksattu kuva- ja ääni paketti saa lähetyksessä aikaleiman, jonka perusteella kuva, ääni ja tekstitys tulee tahdistaa vastaanotossa. Vastaanottimen tehtävänä on puskuroida kuva, ääni ja tekstitys vastaanottimen dekoodausmuistiin ja synkronoida ne aikaleiman mukaiseen tahtiin. Suomalaiset tv-yhtiöt lähettävät virheetöntä dvb-lähetettä, joten yleensä tahdistus ongelmat (lipsync, huulisynkka ) eivät aiheudu lähetyksestä. Lähetyksen parametrimuutoksilla olisi mahdollista vaikuttaa asiaan ja parantaa joidenkin laitteiden toimivuutta. Tämä tapahtuisi kuitenkin jonkin toisen laitemerkin kustannuksella, joten lähetyksissä

22 käytetään hyväksi havaittuja perusasetuksia. Tekstitys vieraskielisiin ohjelmiin toteutetaan suomalaisessa digitelevisiossa tällä hetkellä kahdella eri tavalla. MTV3, Nelonen ja Canal+ lähettävät tekstitykset osana videokuvaa. Sanotaan että tekstitys on poltettu kuvaan. Toinen, Yleisradion käyttämä tapa on lähettää DVB-tekstitys irrallisena kuvasta, jolloin tekstitys voidaan haluttaessa kytkeä myös pois päältä. Yleisradion tapa on oikeampi ja DVB-standardin mukainen. Ilman Yleisradiota Suomesta puuttuisi testauspaikka uusille digisovittimille. Mtv3:n ja Nelosen tapa on tietenkin toimintavarmempi vielä tässä vaiheessa, kun kaikki digitaali-vastaanottimet eivät toimi standardin vaatimalla tavalla. Kummassakin tavassa on siis puolensa[4]. Tällä hetkellä Ylen käyttämä irrallinen tekstitys ei jää tietokoneeseen liitetyllä digi-tv-sovittimella nauhoitukseen, mikä tuottaa ongelmia nauhoitetta myöhemmin katsottaessa. 3.7 Reed-Solomon koodaus Reed-Solomon forward error correction with interleaving on forward error control menetelmä, joka on tarkoitettu käytettäväksi korkeatasoisissa videoyhteyksissä. Koodauksessa käytetään taulukkoa, joka koostuu 128*47 oktetista. Joka rivillä on 124 dataoktettia ja 4 oktettia redundanttia tarkistusdataa. Koodaus tehdään täyttämällä taulukko sarakkeittain 47 oktettia kerrallaan. Kun tämä on toistettu 124 kertaa, taulukko on täysi ja redundantit oktetit lasketaan rivi kerrallaan. Tämä menetelmä mahdollistaa kahden solun korjaamisen tai neljän solun uudelleenrakentamisen. Koodatessa tarvitaan kahta lomituspuskuria, koska yhtä puskuria voidaan samanaikaisesti vain joko lukea tai kirjoittaa. Myös enkoodatessa tarvitaan kahta puskuria samasta syystä. Enkoodatessa kirjoitetaan rivi kerrallaan. Kun taulukko on täynnä, suoritetaan mahdollinen virheenkorjaus ja luetaan taulukko sarakkeittain. Menetelmän haittapuolena sekä koodaus että enkoodaus aiheuttavat tiedonsiirtoon ylimääräisen viiveen, jonka pituus vastaa yhden puskurin siirtoon kuluvaa aikaa. Tämä koodaus ei korjaa kaikkia virheitä, mutta se turvaa laadukkaan siirron reaaliajassa.[11] 4 VIDEON KOMPRESSOINTI Videon kompressointi ei ole mikään uusi ajatus, vaan sitä on sovellettu jo analogiatekniikassakin.

23 Perinteisen TV kuvan koodaamiseen on olemassa kaksi yleisesti käytettyä standardia, amerikkalainen NTSC ja eurooppalainen PAL. Analogisten RGB-signaaleiden sisältämä mustavalko- ja väri-informaatio on erotettu toisistaan ja väri-informaation kaistanleveyttä on rajoitettu. Näin RGB-signaaleiden vaatima 3*5 MHz videokaista on supistettu yhteen 5,0 MHz luminanssikaistaan ja kahteen 2,5 MHz värikaistaan. Kompressointi ei siis ole mitään uutta, mutta nykyinen digitaalitekniikka tekee sen vain helpommaksi. Sovelluksesta ja ratkaisusta riippumatta kompressoinnilla on aina sama tavoite. Suuresta tietomäärästä erotellaan siirtoa tai tallennusta varten vain oleellinen osa, josta pystytään koostamaan mahdollisimman tarkkaan alkuperäistä vastaava tietomäärä. Kompressoidusta kuvasta ei tarvitse välttämättä palauttaa alkuperäisen tarkkaa kopiota, vaan voidaan luoda katsojalle mahdollisimman uskottavasti alkuperäistä vastaava mielikuva. Videota pakattaessa voidaan käyttää hyödyksi kuvassa olevia samankaltaisuuksia, sekä tilallisia (yhtenäinen samanvärinen alue) että ajallisia (kuvan osa joka pysyy muuttumattomana, tai siirtyy johonkin suuntaan). Myös silmän erotuskyky kannattaa ottaa huomioon. Videon kompressiomenetelmissä hyödynnetäänkin usein ihmisen näköaistin heikkouksia. Silmä on herkempi kirkkauden vaihteluille kuin värin vaihteluille. Silmälle lähes näkymättöminä suurina taajuuksina ilmenevät yksityiskohdat poistetaan kuvasta. Myös näkökyvyn hitautta hyödynnetään pienentämällä nopeasti liikkuvien kohteiden tarkkuutta.[2] [5] 4.1 Kompressoinnin tarve ja periaatteet Digitaalinen video sisältää suuren määrän dataa. ITU-R 601-studionormin mukaisessa komponenttivideokuvassa on 720 * 576 kuvapistettä. Kun luminanssin ja molempien värierosignaalin kvantisointiin käytetään 10 bittiä saadaan yhden kuvan datasisällöksi n.8 Mbittiä. Liikkuva kuva, jonka taajuus televisiossa on 25 Hz, vaatii siten siirtonopeudeksi 207,4 Mbit/s. HDTV:n kuva vaatii 1,1 Gbit/s siirtonopeuden. Kun näihin lisätään vielä tahdistussignaalit ja virheenkorjaus ja äänikanavat, kasvaa digitaalisen datan määrä edelleen. Tällaisten datamäärien siirto ja talletus on hankalaa ja kallista. Näin laajakaistaiset signaalit veisivät nopeasti käytettävissä olevat televisiokanavat. Esimerkiksi PAL käyttää 25 Hz virkistystaajuutta ja 768 x 625 pikselin kokoista kuvaa. Jos tämä siirrettäisiin digitaaliseen muotoon pakkaamatta saataisiin 168 Mbit/s datavuo. Käyttämällä häviöllistä videonpakkausalgoritmia hyvälaatuinen TV kuva voidaan saada aikaan jo noin 10 Mbit/s datavuolla. Jos digitaalitekniikan etuja halutaankin hyödyntää taloudellisesti ja teknisesti on kompressointi usein välttämätöntä.[2] [5]

24 4.2 MPEG Digitaalinen televisiolähetys on digitaalisesti koodattu käyttäen MPEG-2 pakkaus standardia. Se sallii neljän lähdeformaatin koodauksen LDTV:stä alkaen (Limited Definition TV) aina HDTV:hen (High Definition TV) saakka. Jokaisella lähdemuodolla on omat sallitut bittinopeutensa. Lisäksi MPEG-2 sallii myös erilaiset profiilit, joista jokaisessa ovat omat kompressointityökalut, jotka muodostavat koodausjärjestelmän. Standardissa on myös määritelty joitakin valmiita alijoukkoja, joissa on profiilien ja tasojen avulla määritetty yhden mukaisia alueita. MPEG tulee sanoista Motion Picture Experts Group, ja se on lempinimi digitaalisen audiovisuaalisen tiedon pakkausstandardille. MPEG-standardi sisältää nykyään MPEG-1, MPEG-2 ja MPEG-4 standardit, jotka tunnetaan myös nimillä ISO-11172, ISO- 13818 ja ISO-14496. MPEG standardien kehittely aloitettiin vuonna 1988 ja ensimmäinen MPEG-1 saatiin valmiiksi vuonna 1991. 4.3 MPEG-1 MPEG-1 oli ensimmäinen MPEG- komitean tulos. Se on Video CD-formaatin pakkausmuoto joka on digitaalinen vastine VHS:lle. Ykkösversion resoluutiota ei tarkoitettu täysvideolle vaan suositus oli (320x240)/(180x120). Euroopassa resoluutio on useimmiten 352x288 ja kehysnopeus 25. Video on lomittelematonta ja sen kuvanlaatu vastaa VHS-kasetteja. Äänimuotoina käytetään MPEG-1 audio layer 1 ja 2, joskus harvoin myös layer 3 eli MP3. Bittinopeus on tavallisesti 1150 kbps eli yksinopeuksisen CD-aseman lukunopeus. 4.4 MPEG-2 MPEG-1:ssä havaitut puutteet estivät sen soveltamisen laajemmalti. Tämän asianlaidan korjaamiseen kehitettiin MPEG-2 -standardi. Se soveltuu paremmin televisioyhtiöiden tiukkoihin vaatimuksiin. Tämän takia siitä tulikin yleisesti hyväksytty pohja digitaaliselle televisiolle. Myös satelliitti- ja kaapeli- TV yhtiöt käyttävät nykyisin MPEG-2 standardia digitaalisen kuvan siirrossa, koska kaistaleveys saadaan hyödynnettyä paremmin. [6] MPEG-2 on häviöllinen videonpakkausformaatti, joka tukee myös reaaliaikaista pakkausta ja purkua. MPEG-2 formaatin pakkaussuhde vaihtelee 8:1 ja 30:1 välillä hyvällä kuvalaadulla. Se on suunniteltu TV kokoisen kuvan siirtämiseen melko pienellä kaistanleveydellä (4-9 Mbit/sec). Se soveltuu myös korkealaatuisemman videon tiivistämiseen (esim HDTV). Hyvin pienille kaistanleveyksille uusi MPEG-

25 4 soveltuu kuitenkin paremmin.[5] MPEG-2 standardi määrittelee neljä eri laatutasoa ("MPEG-2 Levels") eri sovellusten ja laitteiden yhteensopivuuden helpottamiseksi. Laatutasot sisältävät vaatimukset kuvan koosta, näytteenottotaajuudesta sekä korkeimmasta sallitusta määrästä bittejä / sekunti. Muitakin resoluutioita voi toki käyttää MPEG-2 tiedostoissa.[5] 4.4.1 Pakkaus MPEG-2 käyttää liikkeen tallentamiseen menetelmää, jossa kerrotaan mihin paikkaan osa edellisen kuvan alueista siirtyi, silloin kuin tämä on mahdollista. Muussa tapauksessa tallenetaan muutokset edellisestä kuvasta, tai kokonaan uusi kuva, jos videokuva muuttuu äkillisesti. Samoin kuin MP3 formaatissa, vain MPEG-2 formaatin tiedostomuoto ja purkausalgoritmi ovat speksatut yksityiskohtaisesti. Pakkausalgoritmi voi toimia monella eri tavalla, kunhan lopputuloksena on validi MPEG-2 tiedosto. Tällä tavalla pakkausalgoritmeja voidaan kehitellä edelleen ja sopiva pakkausmenetelmä voidaan valita käyttötarkoituksen mukaan (tavoitteena voi olla esimerkiksi hyvä laatu, pieni koko tai nopea pakkaus).[5] 4.4.2 Rakenne MPEG-2 formaati jakaa videovuon hierarkisesti osiin (kuva 6). Kuva 6. MPEG-2 formaatin rakenne.[5]

26 Ylimpänä on videosekvenssi, joka koostuu kuvaryhmistä. Kuvaryhmä koostuu videokuvan kokoisista, yksittäisistä kuvista. Kuva koostuu joukosta liuskoja (eng. "slice"). Liuska on horisontaalinen jono makrolohkoja. [5] Makrolohko koostuu neljästä luminanssilohkosta, sekä kahdesta eri krominanssiluokasta (punainen ja sininen krominanssi) (kuva 7). Koska silmä ei ole yhtä herkkä värivaihteluille kuin kirkkauden vaihteluille, väriinformaatiota tallenetaan vähemmän. Krominanssilohkot skaalataan suuremmiksi kun videokuva esitetään. Lohko on pakkausalgoritmin peruselementti. Jokainen lohko on 8 kertaa 8 pikselin kokoinen.[5] Kuva 7. Jokaista makrolohkoa kohti tallennetaan 4 lohkoa kirkkausinformaatiota ja kaksi lohkoa väri-informaatiota.[5] 4.4.3 Kuvatyypit Kuvaryhmässä olevia kuvia voi olla kolmea eri tyyppiä, tavallisia kuvia ("Intra pictures", I-kuvia), eteenpäin ennustettuja kuvia ("Predicted pictures", P-kuvia), sekä kaksisuuntaisesti ennustettuja kuvia ("Bidirectionally predicted pictures", B-kuvia) (kuva 8). Kuva 8. Eri kuvatyypit sekä eteenpäin ennustus ja kaksisuuntainen ennustus.[5] I-kuvat ovat tavallisia pakattuja kuvia. Ne eivät käytä muista kuvista peräisin olevaa materiaalia. Tämän vuoksi ne toimivat aloituspaikkoina, kun videovuota selataan ("random access"). Ne pakkautuvat keskinkertaisesti, pakkaussuhde on noin 2 bittiä pikseliä kohden [5].

27 P-kuvat koodaavat muutokset lähimmästä edeltävästä I tai P-kuvasta. P-kuvat käyttävät liikkeenkorjausta ("motion compensation") ja saavuttavat tämän vuoksi paremman pakkaussuhteen kuin I kuvat.[5] B-kuvat käyttävät lähtökohtana sekä lähimpää edeltävää P tai I-kuvaa, että lähimpää seuraavaa I tai P- kuvaa. Ne pakkautuvat parhaiten kolmesta kuvatyypistä, ja vähentävät myös kohinaa, koska ne ovat kahden muun kuvan 'keskiarvo'. Toisaalta ne vaativat myös eniten laskentatehoa.[5] Pakkausalgoritmi voi valita eri kuvatyyppien järjestyksen vapaasti. Jos videovuon vapaa selaaminen on käytön kannalta tärkeätä, niin I kuvia tulisi olla ainakin kaksi kertaa sekunnissa.[5] Pakatussa MPEG-2 vuossa B kuvat lähetetään vasta niiden P ja I-kuvien jälkeen, joihin ne perustuvat, esitettäessä ne sitten näytetään oikeilla paikoillaan.[5] 4.4.4 Liikkeenkorjaus Liikkeenkorjaus toimii makrolohkotasolla. Pakkausalgoritmi voi liittää pakattavaan makrolohkoon viittauksen sen päälle kopioitavaan makrolohkoon, kopioitavan makrolohkon uudet koordinaatit (siirtymävektori), sekä erotuksen kopioinnin seurauksena saadun kuvan ja alkuperäisen kuvan välillä (virhekomponentti).[5] 4.4.5 Lohkon pakkaus Lohkon pakkauksessa käytetään samantapaista menetelmää kuin JPEG pakkauksessa. Prosessi on esitelty kuvassa 9.

28 Kuva 9. Lohkon pakkaus. 1. Muunnetaan lohko DCT (Discete cosine transform) transformaatiolla frekvenssialueelle. 2. Kvanttisoidaan lohko, eli vähennetään bittien määrää jota käytetään eri taajuusalueiden arvojen koodaukseen. Ihmissilmä on vähemmän herkkä korkeammille taajuuksille, joten kvantisoidaan niitä enemmän. 3. RLE (Run length encoding) pakkaus. Edetään vasemmasta yläkulmasta sik-sak polkua pitkin oikeaan alakulmaan (kuva 10). DCTn seurauksena suurimmat arvot ovat oikeassa yläkulmassa, ja matalimmat oikeassa alakulmassa. Kvanttisoinnin jälkeen monet matalista arvoista muuttuvat nollaksi. Jos kuljetaan diagonaaleja pitkin saadaan enemmän yhtenäisiä jaksoja samansuuruisia arvoja, joita RLE algoritmi pakkaa tehokkaasti. 4. Pakataan RLE koodattu jono Huffman pakkauksella.[5] Kuva 10. Kvantisoidun lohkon RLE pakkaus etenee diagonaaleja pitkin. [5]

29 4.5 MPEG-4 MPEG-4 on standardi, joka sisältää monta eri pakkausmenetelmää eri tyyppiselle datalle. Ensimmäinen versio standardista MPEG-4 (ISO-14496) valmistui 1998, ja toinen vuoden 2000 alussa. MPEG-4 formaatti perustuu audiovisuaalisiin objekteihin (eng "audio-visual object"), joita voivat olla esimerkiksi ääni, videokuva, still-kuva yms. MPEG-4 tiedostot eivät erillisistä objektien määrittelyistä huolimatta ole tiedostokooltaan kovin isoja, sillä jokainen objekti pakataan sille parhaiten sopivalla pakkausalgoritmillä. Erikseen pakatut objektit kootaan yhteen MPEG-4 vuota esitettäessä. Objektien sijaintia ohjataan esityksenkuvauksella ("scene description"). Se voi olla yksinkertainen kuvaus joka määrittelee eri objekteille koordinaatit, tai täysin kolmiulottinen VRML tyyppinen kuvaus, jossa videokuvaa voi esimerkiksi käyttää kolmiulotteisen esineen tekstuurina Tällä tavalla pienemmällä siirtonopeudella saadaan laadukkaampi lopputulos. MPEG-4:n pakkaussuhde verrattuna MPEG-2:n on noin 1/11, esimerkiksi videokuvan päällä oleva kuvateksti voidaan lähettää erikseen tekstinä ja piirtää videokuvan päälle esitettävää kuvaa rakennettaessa. Näin teksti on terävää, koska videonpakkauksessa käytetty häviöllinen pakkaustekniikka ei vaikuta siihen. Teksti tarvitsee myös siirtää vain, kun se vaihtuu. MPEG-4 on suunniteltu sekä TV käyttöön, kannettaville laitteille että tietokonekäyttöön. Se on optimoitu monelle eri siirtonopeudelle, hyvin matalista (5 kbit/s) keskinkertaisiin (5 Mbit/s).[5] 4.5.1 Hyviä puolia MPEG-4 formaatin etuja ovat sen strukturoitu rakenne ja suuri määrä eri objektityyppejä, jotka mahdollistavat sen käytön moneen eri tarkoitukseen ja eri kaistavaatimuksiin. Lisäksi se tarjoaa uusia ominaisuuksia (esim. interaktiivisuus), joita audio ja videoformaateissa ei ole ennen ollut. Lisäksi MPEG-4 helpottaa editointivaihetta, koska eri kuvaelementit voidaan luoda erikseen ja niiden sommittelua on helppo muuttaa jälkikäteen.[5] 4.5.2 Huonoja puolia MPEG-4 vaatii aika paljon laskentatehoa esitysvaiheessa. MPEG-4 standardin on myös vaikeampi taata, että sama datavuo näyttää samalta kaikilla laitteilla, joilla se esitetään. [5]

30 Yhdeksi mahdolliseksi ongelmaksi voi kehittyä se, että MPEG-4 formaatti sisältää patentoituja tekniikoita. Hyvä esimerkki tähän liittyvistä ongelmista on GIF- formaatti. GIF formaatti on Unisys:n patentoima, mutta alunperin yhtiö antoi kenen tahansa tehdä GIF kuvia käsitteleviä ohjelmia. Kun GIF-formaatista oli tullut suosittu ja paljon käytetty kuvaformaatti mm. www:ssä, Unisys alkoi vaatia maksua yhtiöiltä, jotka tekivät ohjelmia GIF-kuvien tuottamiseen.[5] 4.5.3 Erot aikaisempiin standardeihin. MPEG-4 poikkeaa suuresti aikaisemmista standardeista. MPEG-1 ja MPEG-2 standardien kehysajattelusta on siirrytty oliopohjaiseen kuvan ja äänen pakkaukseen. Kuvasta pyritään löytämään sen eri osat (objektit: pöytä, tuoli, ihminen, ääni) ja niitä käsitellään erikseen. Audiovisuaalisia objektityyppejä voivat olla mm. videokuva, ääni, pakattu puhe, syntetisoitu puhe, nuottipohjainen musiikkiformaatti, joka sisältää MIDI formaatin osajoukkonaan, kaksiulotteinen kuva, kolmiulotteinen esine, animoidut kolmiulotteiset kasvot, jotka on mahdollista synkronoida syntetisoidun puheen kanssa. [7] MPEG-4:n etuina aikaisempiin standardeihin verrattuina ovat mm. itsenäinen kuvan ja videon pakkaus, tehokkaampi videon ja kuvan sekä tekstuurien pakkaaminen, hyvin suurten kuvien ja tekstuurien tuki, parempi virheenkorjausmenetelmä, pieni puskuriviive, Global Motion Compensation (GMC) sekä sisältöriippuvainen tekstuurien skaalaus. Joustavuutensa ansiosta standardi sallii myös oliopohjaisen pakkausmenetelmän käyttämisen. Lukuisista objektien määrityksistä huolimatta MPEG-4 video voidaan tallentaa suhteellisen pieneen tilaan, sillä jokainen objekti pakataan erikseen sille parhaiten sopivalla pakkausalgoritmillä ja kootaan vastaanottopuolella osaksi kokonaisuutta. Tällä tavalla pienemmällä siirtonopeudella saadaan laadukkaampi lopputulos. [8] 4.5.4 Esimerkkejä objekteista Videoissa, kuten televisiolähetyksissä esiintyvät tekstitykset voidaan lähettää erillisenä tekstinä ja piirtää ne varsinaisen videokuvan päälle lopullista julkaistavaa videota rakennettaessa. Tällä tavalla teksti pysyy terävänä, sillä videonpakkauksessa käytettävä häviöllinen pakkaustekniikka ei vaikuta siihen.

31 Myös videossa näkyvä henkilö ja videon tausta voidaan koodata erikseen, jolloin haluttaessa tausta voidaan vaihtaa kesken esityksen samaan tapaan kuin television säätiedotuksissa. Joissakin tapauksissa käyttäjä voi toimia myös interaktiivisesti objektien kanssa. Samaan ikkunaan voidaan asettaa useita eri elementtejä kuten esimerkiksi rakennusta esittäviä kuvia, pohjapiirustuksia jne. Pohjapiirroksen päälle voi sijoittaa nuolen, joka osoittaa videokameran paikan kuvaushetkellä ja nuolen paikka voi muuttua seuraten kameran liikkeitä. Samassa näkymässä voi sijaita sekä luonnollista videokuvaa että synteettistä tietokonegrafiikkaa. Samoin näkymän audiokomponentit voivat olla joko luonnollisia eli mikrofonilla nauhoitettuja tai synteettisiä eli tietokoneella luotuja. [8] 4.5.6 Sovelluskohteita Hyvän pakkaussuhteensa ansiosta MPEG-4 teknologia mahdollistaa korkealaatuisen elokuvan lataamisen ja katselemisen tietokoneella ja laitteilla, joissa on rajallinen määrä tallennustilaa kuten matkapuhelimissa ja kämmenmikroissa. Lisäksi on jo muutamia DVD soittimia jotka tukevat MPEG- 4:a. 4.5.7 Divx, XviD MPEG-4 -standardoinnin loppuunsaattamisen olisi periaatteessa pitänyt tuoda järjestystä, mutta markkinoilla on nyt useampia toteutuksia kuin koskaan. Microsoftilla on oma muiden kanssa yhteensopimaton toteutuksensa. Real ja Apple tukevat virallista MPEG-4:ää, mutta mitään ei ole vielä valmiina. Microsoftin MPEG-4:n kuten muidenkin valmistajakohtaisten tallennusmuotojen ongelmana on rajoittuminen toistossa lähinnä Windows-PC:hen. MPEG-4 V2-koodekin jälkeen MS on siirtynyt käyttämään omia tallennusmuotojaan (ASF, WMV) ja estänyt uudempien versioiden käytön Video for Windows -koodekkeina ja AVI-tiedostojen pakkausmuotona. Aikanaan hyvin yleinen Mpeg4 V3:a käyttävä DivX ;-) -koodekki oli kuitenkin tehty kiertämään tämä rajoitus cräkkäämällä Microsoftin koodekki. Se ei tarjonnut enää parasta mahdollista pakkaussuhdetta, mutta etuna oli hyvä muunneltavuus muodosta toiseen ja laajat käyttömahdollisuudet.[9] Myöhemmin DivX ;-) kehittäjät/cräkkääjät alkoivat kehittämään DivX 4:a eli uudelleen koodattua ja itse tehtyä koodekkia. DivX:ä päätettiin tehdä Open Soucea ja syntyi OpenDivX-projekti. OpenDivXprojektin haarautuessa syntyi kaupallinen DivX. Avoimen koodin projektia jatkettiin nimellä XviD.

32 Edellisen toteutus on jo lähellä virallista MPEG-4 -standardia, mutta vain aika näyttää, kuinka yhteensopiva se todellisuudessa on. XviD:in tavoitteena taas on täydellinen yhteensopivuus, mutta käyttöönoton monimutkaisuus lisenssiongelmien vuoksi voi haitata sen yleistymistä. DivX ja Xvid ovat syrjäyttäneet DivX ;-) :n helposti saavutettavalla hyvällä kuvanlaadullaan ja paremmilla säätömahdollisuuksillaan. Reaaliaikainen kaappauskin toimii paremmin. Tehontarve vaihtelee materiaalin mukaan, joten yllättävissä tilanteissa ruutuja saattaa silti kadota tai äänen synkronointi hävitä.[9] Sekä DivX että XviD pohjautuvat MPEG-4 pakkaus-standardiin. Niitä voi parhaiten verrata MP3:n. XviD tekee videolle sen mitä MP3 tekee äänelle. Eli pakkaa sen mahdollisimman pieneen tilaan laadun pahemmin kärsimättä. XviD:llä voi pakata vaikka kokonaisen elokuvan 700Mt:n CD:lle ilman että laadussa tapahtuu huomattavaa muutosta. [10] 4.6 Videokuvan pakkaaminen lisää - miksi? MPEG-2 muodossakin audiovisuaalinen data vie erittäin paljon tilaa. Sen varastointi sellaisenaan ei ole järkevää, sillä tavalliselle kotikoneelle ei ole mahdollista varastoida suuria määriä tällaisia tietovirtoja. Tästä syystä on multimediasovellusten käytön yleistyessä tullut tarve kehittää aina vain tehokkaampia ja parempia audiovisuaalisen tiedon pakkausmenetelmiä. Monet pakkausformaatit mahdollistavat äänen ja kuvan yhdistämisen. Kun tietokoneet ovat kehittyneet, ne pystyvät esittämään ja käsittelemään yhä pitempiä ja korkealaatuisempia video- ja audiotiedostoja. Tietoliikenneverkkojen siirtokapasiteetti ei kuitenkaan kasva samalla vauhdilla, joten audio ja videotiedostoja siirrettäessä ja tallettaessa on hyödyksi, jos ne pystyttäisiin pakkaamaan niin pieniksi kuin mahdollista ilman aistein havaittavaa muutosta. Hyvä audion ja videon pakkaus antaa mahdollisuuden pitempien multimediaesitysten tallentamisen CD, DVD- tai kovalevylle. Video tai audioformaattia valitessa kannattaa kiinnittää huomiota käyttötapaan. Tarvitaanko nopeasti pakkattava ja purettava formaatti reaaliaikaisen videon lähettämiseen verkon yli, vai tehokkaasti mutta hitaasti pakattavaa formaattia elokuvien tallentamiseksi DVD- levylle Video- ja audioformaattien pakkausnopeus, purkunopeus, pakkaussuhde ja laatu ovat olennaisia tekijöitä niitä kuvattaessa. Hitaampi pakkaus ja purku mahdollistavat tavallisesti tehokkaamman pakkaussuhteen. Laatu ja pakkaussuhde taas ovat kääntäen verrannollisia. Lisäksi jotkut algoritmit soveltuvat paremmin

33 johonkin tiettyyn tarkoitukseen, esimerkkinä tästä ovat puheenpakkausalgoritmit. 4.7 Ongelmat Suuri ongelma videon pakkaamisessa on pitää ääni ja kuva synkronoituna muutettaessa videokuvaa pakkausmuodosta toiseen. Alkuperäisen digi-tv lähetteen MPEG-2 pakkauksessa käytetään virheenkorjausmenetelmiä, joilla estetään videon tai kuvan jääminen toisesta jälkeen. Synkronoinnin menetys tapahtuu sellaisessa tapauksessa, että joko videosta tai audiosta putoaa osa tietopaketista pois vastaanottovirheen vuoksi. Tämä estetään GOP-paketeissa olevien vertailu-bittien avulla. Videon katseluohjelmat osaavat tulkita näitä bittejä ja siirtävät äänen tai kuvan oikeaan kohtaan virheen sattuessa. Useimmat videon pakkaus- ohjelmat eivät tätä osaa, vaan pudottavat virheelliset data-paketit pois, mikä aiheuttaa ongelmia toistettaessa. Puuttuvat kuvat aiheuttavat sen että pakatuista audio ja videotiedostoista tulee eri mittaiset. Koska oikea korjausinformaatio on kadotettu uudelleenpakkauksessa, videon toistossa tulevat virheet eivät korjaudu ja synkronointi menetetään.

34 5 DVB-LÄHETTEEN PAKKAAMINEN 5.1 Alkuvalmistelut Videon pakkaamisessa tarvitaan seuraavat ohjelmat: Elecard mpeg-2 koodekki. Osoitteesta: http://www.elecard.com Xvid koodekki. Osoitteesta: http://www.roeder.goe.net/~koepi/xvid.shtml FFdshow Osoitteesta: http://www.sourceforge.net/projects/ffdshow Pvastrumento. Osoitteesta: http://www.offeryn.de/dv.htm ProjectX. Osoitteesta: http://www.lucike.info/index.htm?http://www.lucike.info/page_projectx.htm MPEG-2 schnitt Osoitteesta: http://www.mdienert.de/mpeg2schnitt/ Gordian knot Rippack ja codec pack. Osoitteesta: http://gordianknot.sourceforge.net/modules.php? op=modload&name=downloads&file=index&req=viewdownload&cid=1 Tämä pakkaus menetelmä toimii ainakin Sky Star 2-S sekä KISS Satdem-T malleilla kaapatuilla

35 tiedostoilla. Kortit tallentavat videon PS (Program Stream) muodossa. Vaikka PS on MPEG-2 muotoista videota, sitä ei voi suoraan käsitellä ennen, kuin tehdään muutamia alkuvalmisteluja. Ensimmäiseksi asennetaan jokin Program Stream yhteensopiva MPEG-2 purkukoodekki. Hyvä MPEG-2 koodekki, joka toimii DVB-lähetteillä on Elecardin valmistama koodekki. Se on maksullinen, joten kokeiluversiossa on pieni neliölogo videokuvan oikeassa yläkulmassa. Myös WinDVD:n sekä Powerdirector 2.0:n käyttämät koodekit osaavat purkaa DVB-lähetettä, mutta WinDVD:n kodekki ei osaa pitää ääntä ja kuvaa synkronoituna, eikä Powerdirector 2.0:n koodekilla voi kelata videota, sillä silloin video jumiutuu. Pakkaus muotona tässä esimerkissä käytetään MPEG-4 standardin mukaista Xvid koodekkia. Toinen vaihtoehto olisi ollut käyttää kuuluisampaa Divx-koodekia, mutta se olisi ollut maksullinen eikä lopputuloksessa olisi ollut huomattavaa eroa. Xvid kodekiksi valittiin koepin kääntämän Xvid 1.0 rc4 paketin. Koska XviD:n oma dekooderi on erittäin raskas ja kuluttaa huomattavan määrän prosessori- tehoa video tiedostoa toistettaessa. Kannattaa asentaa FFdshow dekooderi, jonka prosessoritehon kulutus on huomattavasti pienempi. Seuraavaksi täytyy muuttaa tiedostojen päätteet näkyviksi. Oletuksena Windows ei näytä tunnettujen tiedostojen päätteitä. Tiedostojen päätteet saa näkyviin Tools->Folder options view välilehdellä poistamalla rastin kohdasta Hide file extensions for known files. Ennen pakkauksen aloittamista on syytä tarkistaa, että kovalevyllä on tarpeeksi tilaa. Pakkauksen aikana tilaa tarvitaan noin kolme kertaa alkuperäisen tiedoston koon verran. Alkuvalmistelujen jälkeen voi varsinainen videon pakkaus alkaa. Ensimmäiseksi täytyy erotella perus raidat toisistaan(video ja ääni). Video ja ääni erotetaan toisistaan sen vuoksi, että tällä tavalla saadaan eliminoitua synkronointiongelmat joita saattaa tulla vastaanotossa tapahtuneiden virheiden vuoksi. Tähän toimenpiteeseen on valittavissa kaksi ohjelmaa joko PVAStrumento tai ProjectX. PVAStrumento on helpompi asentaa ja käyttää, ja sen tuottama lopputulos toimii yleensä hyvin. Kuitenkin, jos videossa on paljon virheitä, video menettää synkronisointinsa helpommin PVAStrumentolla kuin ProjectX:ä, joten hieman vaativammasta asennuksesta huolimatta ProjectX on tällä hetkellä luotettavampi toimivan lopputuloksen suhteen ja sisältää miltei kaikki mahdolliset korjausasetukset. 5.2 ProjectX ProjectX:n tekijä Michael Mittman ei ole julkaissut valmiiksi käännettyä versiota ohjelmastaan joten

36 ennen käyttöönottoa se täytyy kääntää (Liite 1). Kun ProjectX on käännetty sen voi käynnistää. Kuva 11. ProjectX Special -välilehti. Special -välilehdeltä poistetaan kaikki valinnat oikeanpuoleiselta specials 2 - palstalta. (Kuva 11.) Kuva 12. ProjectX audio -välilehti. Audio -välilehdeltä oikeanpuoleiselta audio manipulations -palstalta valitaan fill gaps with prev.frame ja add frames -vaihtoehdot (Kuva 12).

37 Kuva 13. ProjectX files -välilehti. Files -välilehdeltä määritellään output dir hakemistoksi. Esimerkiksi C:\video\Projekti(Kuva 13). Kuva 14. ProjectX files -välilehti add -funktio. Hiiren oikeanpuoleista nappia painamalla vasemmanpuoleisessa ikkunassa aukeaa valikko josta valitaan add, joka taas avaa uuden Open -ikkunan, jossa valitaan avattava videotiedosto (Kuva 14).

38 Kuva 15. ProjectX main -välilehti.action->demux. Valitaan main -välilehdeltä action demux (kuva 15) Kuva 16. ProjectX main -välilehti demux aloitettu. Demux alkaa painamalla Go! painiketta, kun video ja ääni on eroteltu toisistaan voi ohjelman sulkea (Kuva 16). 6.3 MPEG2Schnitt

39 Seuraavaksi poistetaan mainokset ja muu turha materiaali videon alusta ja lopusta, Tähän käytetään ohjelmaa nimeltä MPEG2Schnitt. Ensimmäinen vaihe on käynnistää MPEG2Schnitt ja valita kieleksi englanti Languages->English. Kuva 17. MPEG2Schnitt Open -valikko. Avataan video File - Open video/audio. Video tiedosto on *.mpv päätteinen tiedosto. Äänitiedoston liittämisestä ei tarvitse huolehtia, sillä MPEG2Schnitt osaa liittää automaattisesti äänitiedoston videotiedostoon, kunhan kumpikin tiedosto on samassa kansiossa ja samanniminen (Kuva 17). Kuva 18. MPEG2Schnitt informaatio ikkuna. Vasemmalla puolella olevassa Information -ikkunassa MPEG2Schnitt näyttää erinäisiä tietoja käsiteltävästä videosta(kuva 18).

40 Kuva 19. MPEG2Schnitt päävideo ikkuna. Keskellä ruutua on esikatseluikkuna ja alapuolella on tietoa videosta ja sen kohdasta(kuva 19). Kuva 20. MPEG2Schnitt <IN ja IN> -painikkeet. Etsitään ohjelman alkukohta käyttäen vetopalkkia ja vasemmassa reunassa olevia <IN ja IN> painikkeita. (Aloitus kohdan täytyy olla I-frame ) (Kuva 20). Kuva 21. MPEG2Schnitt Aloitus kohdan valinta painikke. Merkitään aloitus kohta oikeassa alareunassa olevalla In painikkeella

41 (Kuva 21). Kuva 22. MPEG2Schnitt <OUT ja OUT> -painikeet. Etsitään ensimmäisen mainoksen alkukohdan vetopalkkia ja <OUT ja OUT> -painikkeita käyttäen (Tämä voi olla I-tai P-frame ) (Kuva 22). Kuva 23. MPEG2Schnitt poistumis kohdan merkkaus painike. Kun mainosten alkukohta löytyy merkataan se poistumiskohdaksi oikeassa alareunassa olevaa Out nappia käyttäen. Kuva 24. MPEG2Schnitt leikkaus lista. Lisätään ensimmäinen osuus videota leikkauslistaan (Kuva 24) painamalla oikeassa alareunassa olevalla New painiketta. Haetaan mainosten loppukohta ja valitaan se uudeksi aloituskohdaksi. Poistumiskohdaksi valitaan seuraavan mainoksen alku. Tätä jatketaan kunnes koko ohjelman kaikki mainostauot ja muu ylimääräinen materiaali on käyty läpi.

42 Kuva 25. MPEG2Schnitt Cut -painikke. Tämän jälkeen voidaan aloittaa videon leikkaaminen. Tarkistetaan, ettei vaihtoehtoa to seperate files ole valittu, ja painetaan oikealla puolella olevaa Cut painiketta (Kuva 25), joka avaa tallennusikkunan, jossa annetaan tiedostolle nimi ja videon leikkaaminen alkaa. Kun tiedosto on leikattu, voi ohjelman sulkea. Avataan kansio, johon MPEG2Schnitt loi leikatut tiedostot ja nimetään *.mp2 päätteinen tiedosto *.mpa päätteiseksi. Tässä vaiheessa voi videosta halutessaan tehdä DVD-levyn sopivalla authorointi työkalulla. 6.4 Gordian Knot Kun Gordian Knot on asennettu, täytyy ensin käynnistää Start->Gordian Knot valikosta virtualdub mod ja nandub ja kuitata niissä olevat ensimmäisen käyttökerran ilmoitukset, jonka jälkeen ne voidaan sulkea.

43 Kuva 26. Gordian Knot Ripping -välilehti. Avataan Gordian Knot ohjelma ja sen Ripping -välilehdeltä käynnistetään DVD2Avi(Kuva 26). Kuva 27. DVD2AVI Pääikkuna.

44 DVD2AVI ohjelmassa avataan videotiedosto (*.mpv päätteinen tiedosto) (Kuva 27). Kuva 28. DVD2AVI Information -ikkuna. Painetaan F5, jolloin videotiedosto alkaa toistamaan itseään ja avaa oikealle puolelleen ikkunan, jossa on tietoja videosta. Kun video on pyörinyt hetken, sen voi pysäyttää Esc-napilla. Information - ikkunassa on kaksi tärkeää tietoa (Kuva 28) 1.onko kuvasuhde 4:3 vai 16:9 2. onko kuva interlace vai progressive muodossa.

45 Kuva 29. DVD2AVI tallennus vaiheessa. Painetaan F4 ja projektin tallennus ikkuna avautuu. Annetaan projektille nimi ja talletetaan se. DVD2Avi:a ei saa sulkea ennen kuin projekti on tallennettu. Tallennus on valmis, kun alareunassa oleva liuku pääsee oikeaan reunaan, jolloin DVD2Avin voi sulkea (Kuva 29). Kuva 30. Gordian Knot Ripping -välilehden oikeassa reunassa oleva painike. Siirrytään takaisin Gordian knotin Ripping -Välilehdelle ja avataan DVD2AVI ohjelmalla tallennettu projekti Gordian knotissa (Kuva 30).

46 Kuva 31. Gordian Knot esikatselu ikkuna. Knot avaa videon esikatseluikkunan, jota ei saa sulkea, joten se siirretään toistaiseksi taustalle (Kuva 31). Kuva 32. Gordian Knot Bitrate välilehti. Siirrytään Bitrate -välilehdelle(kuva 32).

47 Kuva 33. Gordian Knot Bitrate -välilehti audio valikko. Avataan ääniraita painamalla Select painiketta. Ääni raita löytyy kansiosta, johon Mpeg2Schnitt sen tallensi. Äänitiedosto on *.mpa päätteinen (entinen *.mp2 tiedosto)(kuva 33). Kuva 34. Gordian Knot Bitrate -välilehti Interleaving & Avi-Overhead -valikko. Valitaan äänen pakkausmuodoksi 1x vbr-mp3. (Kuva 34) Kuva 35. Gordian Knot Bitrate -välilehti. Total Size -valikko. Valitaan pakkausmuodoksi XviD ja tiedostokooksi esimerkiksi Half CD eli 350 MB (Kuva 35)

48 Valittava tiedosto koko riippuu videon pituudesta. Alle puolen tunnin pituiset ohjelmat voi pakata 175 MB:n kokoisiksi ilman kuvan laadun huonontumista. Tunnin ohjelma tarvitsee noin 350MB ja kahden tunnin ohjelma noin 700MB. Yli kahden tunnin ohjelmat kannattaa jakaa kahdelle cd-levylle. Kuva 36. Gordian Knot Options -välilehti. Siirrytään Options -välilehdelle(kuva 36). Kuva 37. Gordian Knot Bitrate välilehti Xvid default codec settings. Määrittellään XviD:in oletus asetukset ensin First Pass (Kuva 37).

49 Kuva 38. Xvid First pass asetukset. First pass asetukseksi valitaan Twopass- 1st pass. Muut asetukset voi pitää oletus arvoissa. (Kuva 38).

50 Kuva 39. Xvid Second Pass asetukset. Second Pass asetukseksi valitaan Twopass-2nd pass. Muut asetukset voi pitää oletus arvoissa (Kuva 39). Kuva 40. Gordian Knot Resolution -välilehti. Siirrytään Resolution -välilehdelle (Kuva 40).

51 Kuva 41. Gordian Knot Resolution -välilehti. Input Resolution -valikko. Input Resolution asetukseksi valitaan other(kuva 41). Kuva 42. Gordian Knot Resolution Input Pixel Aspect Ratio -valikko. Input Pixel Aspect Ratio asetukseksi valitaan DVD2Avin antama kuvasuhde, tässä tapauksessa kuva suhde oli 4:3 (Kuva 42). Kuva 43. Gordian Knot Resolution Crop -valikko.

52 Valitaan Auto Crop ja katsotaan preview -ikkunasta, paljonko videokuvan reunoista leikataantuu pois. Jos kuvasta ei leikkaantunut liikaa, voi valita Smart Crop All vaihtoehdon(kuva 43). Kuva 44. Gordian Knot Resolution -välilehti. Resoluutio valikko. Haluttu resoluutio valitaan Resolution -välilehden alareunassa olevaa liukua käyttäen. Esimerkiksi 640x480. (Kuva 44). Kuva 45. Gordian Knot Esikatselu ikkuna Save & Encode -painike. Nyt voidaan ottaa taustalle siirretty esikatselu ikkuna näkyviin ja valita Save&Encode (Kuva 45).

53 Kuva 46. Gordian Knot Esikatselu ikkuna save.avs -valikko. Auenneesta ikkunasta valitaan Field Operation palstalta Field Deinterlace vaihtoehto, muut asetukset voi pitää oletuksena painetaan Save&Encode -painiketta (Kuva 46). Kuva 47. Gordian Knot Esikatselu ikkuna Audio 1 -välilehti.

54 Seuraavaksi aukeavasta ikkunasta valitaan äänen käsittelyksi vaihtoehto Just Mux (Kuva 47). Kuva 48. Gordian Knot Esikatselu ikkuna. XviD -välilehti. Siirrytään XviD -Välilehdelle ja valitaan Add Job to Encoding Queue. Jos ei haluta käsitellä toista tiedostoa vastataan myöntävästi kysymykseen halutaanko pakkaus aloittaa heti ja Gordian knot aloittaa työnsä. Pakkaus nopeuteen vaikuttaa käytetyn koneen nopeus. Nykyisellä keskiverto koneella pakkaus kestää noin 2*videon pituisen ajan, joka jälkeen pakatun tiedoston voi tallentaa CD:levylle haluamallaan poltto-ohjelmalla. (Kuva 48).