יתוש בראש – כיווץ DCT ו- MPEG

תרגום המאמר שכתבתי ל- Secrets of Home Theater Hi-Fi

8:00
  /  
20.03.2005
  
rnמאמר זה נכתב על ידי עפר לאור

ניתן למצוא את המאמר המקורי כאן.


הקדמה

תחילה היה לנו טלויזיה אנלוגית, והיא היתה גרועה. במהלך השנים אנשים רבים התרגלות לתופעות כגון רעש, "רוחות רפאים", ותקלות שונות ומשונות שנבעו מהטכנולוגיה הזו. מבחינת הגופים המשדרים, טלויזיה מסוג זה דרשה המון רוחב סרט. לויין ממוצע היה מסוגל להעביר בין 6 ל-10 ערוצים אנלוגיים בו זמנית, דבר אשר הפך שידורים לוייניים ליקרים ויחסית נדירים.


עם התפתחות הטכנולוגיה, קבוצה בשם "Moving pictures experts group" (או בקיצור MPEG) החלה בריכוז תקנים אשר מהווים כיום את התשתית של טלויזיה דיגיטלית וכיווץ באודיו ובוידאו. הם השתמשו במחקרים שבוצעו במקומות שונים (למשל FRAUNHOFFER INSTITUTE) ומשמשים כיום כבסיס לטכנולוגיות כגון DVD, טלויזיה לויינית, נגני MP3, וכו'.


אחת המטרות בבסיס התקנים שלהם היתה לדחוס יותר ערוצי טלויזיה לתוך רוחב הסרט של הלויינים. לויינים כיום מסוגלים, ללא כל שינוי ברוחב הסרט, לדחוס יותר מפי-10 ערוצים מאשר היו מסוגלים לפני כמה עשורים. תוצאת לוואי של טכנולוגיה זו היא בכך שתופעות איכות התמונה, כפי שהתבטאה במדיות אנאלוגיות, השתנו – והתמונה הפכה נקיה ואיכותית יותר.


בכדי לבצע את פעולתו, כיווץ מסוג MPEG מנסה לזרוק מידע "מיותר" שהעין מתקשה להבחין בו. עם מספיק רוחב סרט, כיווץ שכזה יכול להיראות דומה עד זהה לתמונה המקורית. לא רק חברות הלויין עושים בטכנולוגיה זו שימוש. גם חברות כבלים רבות עוברות למדיות דיגיטליות – שכן היתרונות הן דרמטיים, בכל פורמט. הבעיה נוצרת בשל כך שאנחנו בעצם משלמים על כמות ולא על איכות. מרבית חברות הכבלים והלויין מקבלים כסף לפי מספר החבילות או הערוצים של המנוי – ולכן יש להן דרישה לדחוס יותר ויותר ערוצים ותכנים דרך אותו מדיום – אותו כבל או לויין דיגיטלי אשר מעביר לנו את התכנים הללו. ככל שמשתמשים בכיווץ יותר אגרסיבי, מופיעות יותר תופעות כיווץ (ARTIFACTS) אשר מורידות את איכות התמונה.rnrn

DCT – Discrete Cosine Transform

ניתן לדמות את הלויין כצינור מים ראשי אשר מעביר מים עבור דיירים של בנין מגורים. כמות המים המירבית נשארת קבועה, אולם כל דירה (ערוץ) דורשת כמות מים מסויימת. ככל שמספר הצרכנים עולה, כמות המים המוקצת לכל דירה קטן וכל אחד מקבל פחות מים (או רוחב סרט בגירסא הטלויזיונית…). כמובן שחברות הכבלים שולטים באופן סטטיסטי כמה מים יהיה לכל דייר (הם מניחים שלא כל הערוצים ידרשו את מירב רוחב הסרט בו זמנית). סה"כ רוחב הסרט המירבי אשר עובר דרך הערוץ הוא קבוע. בסיס הטכנולוגיה של MPEG (וטכנולוגיות שונות מקבילות כגון DVD, WMV, TIVO, ATSC) היא טכנולוגי בשם DCT – DISCRETE COSINE TRANSFORM.


הרעיון מתחיל בכך שמחלקים את התמונה לבלוקים (המורכבים מ ריבועים של 8 פיקסלים על 8 פיקסלים) ומאקרובלוקים (4 בלוקים – בצורת ריבוע). כיווץ התמונה, בכדי שתכנס לתוך צינור המים הקטן שלה, נעשה באופן סטטיסטי במכשיר המכווץ (ENCODER) כאשר מדובר בלויין. האינקודר מנסה להתמודד עם תמונות אשר דרישות הכיווץ שלהם משתנים ומנסה לזהות ולחזות את ההבדל בין התחזיות לבין התמונה האמיתית. הכיווץ מורכב מתמונות בסיס (KEYFRAMES) ושידור של ההפרשים בזמן נתון בין התחזית לבין המצב הנוכחי. התוצאה יוצרת דימוי לא רע של התמונה המקורית. ככל שרוחב הסרט גדול יותר, ניתן לשלוח תיקונים יותר מדוייקים, והתמונה הסופית נראית יותר דומה למקור. ככל שספקיות הטלויזיה מקצצות ברוחב הסרט של כל ערוץ, איכות התמונה סובלת.


בארה"ב, חברות הכבלים מחוייבות, לפי חוק, לשדר ערוצי טלויזיה מקומיים. לעיתים מדובר בערוצים קהילתיים (בסגנון WAYNE'S WORLD) עלובים שכל החברות חייבות לשדר לקהילות המקבילות שלהם. המקבילות לכך בארץ הן הערוצים הרבים בשפות הזרות. מכיוון שאיכות התמונה בערוצים כאלה אינם קריטיים – הגופים המשדרים מנצלים זאת ומכווצים אותם ככל הניתן.


קיימות שתי התופעות מרכזיות שמופיעות בכיווץ עבור מקורות שכווצו בעזרת אלגוריתמים מבוססי DCT כאשר הן "מורעבות רוחב סרט". יש, כמובן, עוד תופעות, אולם הן יותר עדינות, או שהן נובעות כתוצאה מהחרפת שתי בעיות אלו.


התופעה הראשונה נקראת "מאקרובלוקינג". איזורים עם הפרשים קטנים בצבע גורמים לכך שבלוקים ומאקרו-בלוקים שכנים צבועים בגוונים מעט שונים. תמונות רקע (למשל שמים כחולים או שדות ירוקים) וכן תמונות כהות במיוחד, מושפעים מתופעה זו. התופעה גורמת לתמונה להפוך "דיגיטלית", "לא טבעית" וריבועית. התמונות הבאות מציגות את התופעה במידת מה. מצד שמאל ניתן לראות את התופעה, בעוד שבצד ימין התמונה סוננה ואינה כוללת את הריבועיות הקשורה לגבולות המאקרובלוקים.rn




תופעה נוספת נקראית "mosquito noise" או "רעש יתושים". התופעה מוצגת כנקודות ליכלוך סביב גבולות של אובייקטים. עם מעט דימיון ניתן לדמות זאת למקבץ של יתושים הסובבים פנים של אנשים, לוגו של ערוץ, ואפילו מופיעים סביב התרגום. ככל שיחס הכיווץ בתמונה גדול יותר, כך ניתן לראות את התופעה ביתר בהירות.


בתמונות הבאות ניתן לראות בצד שמאת את הרעש בקירוב לגבולות האובייקטים בקירוב לכתפיים ליד הרקע. מצד ימין התמונה עובדה בכדי להעלים את התופעה.rn



בתמונה הבאה ניתן לראות מקרוב את שתי התופעות על גבי דיסק בדיקה יעודי:rnrn




איכות מול כמות

בארה"ב, HDTV הפך למושג בעל משמעות רבה ואנשים רבים צופים ביות ויותר תכני HDTV. יותר צרכנים רוכשים מסכים בעלי יכולות צפיה בתכני HDTV, ואיכות התמונה ב-HDTV היא נהדרת. אולם, ככל שיותר ערוצי HDTV יכנסו, מגבלות רוחב הסרט יקשו על חברות הכבלים והלויין לשמור על האיכות הנוכחית של התמונה. כיום מתכננות החברות הצבה של לויינים נוספים, אולם סביר להניח שבעיות רוחב הסרט הקיימות כיום ב-SDTV יעברו לבסוף גם ל-HDTV.


בכל הפורמטים החדשים אשר כיום בפיתוח או שכבר בשימוש, יש שימוש פעיל בכיווץ DCT. תכנים של DVD, שידור דיגיטלי באויר, בלויין, HDTV, D-VHS, TIVO, HD-DVD, BLUE RAY, כולם סובלים מבעיות הכיווץ של DCT.

rnהאם יש לכך פיתרון? הפיתרון הפשוט ביותר (פרט להקצאת יותר רוחב סרט) הוא שימוש בפילטר טשטוש (BLUR FILTER). פילטר כזה מעמעם את תופעות הכיווץ, אולם לוקח איתו גם את הפרטים הקטנים של התמונה. הדבר דומה ללבישת משקפי הראיה של מישהו אחר…


הדרך הקשה להעלים את התופעה דורשת שלא לפגוע באיכות הפרטים בתמונה, ולהשאיר את התמונה חדה ככל הניתן. חברת ALGOLITH הוקמה במטרה זו. החברה היתה במקור קבוצת מחקר בתוך חברת MIRANDA הידועה במוצרים שלה לתעשית השידור (BROADCASTING). הקבוצה חקרה את נושא תופעות הכיווץ של DCT וביצירת אלגוריתמים להעלמתם או טשטושם. החברה מייצרת תפוקות שונות, כגון פילטרים לתוכנות עריכה, מימוש הטכנולוגיה בסיליקון על מנת להכניסה למכשירים ביתיים, וכן פרוססורים חיצוניים (כידוע, אחד המוצרים החביבים עלי ביותר) אשר משמשים למחיקת התופעה.


היתוש של אלגוליט'

לאותם ברי מזל שיכולים להרשות לעצמם מכשירים מסוג זה, מציעה חברת אלגוליט' פרוססור בשם "היתוש" אשר מיועד למחיקת תופעות הלוואי של כיווץ DCT. התמונות שצורפו למעלה מדגימות כיצד המכשיר מסוגל לנקות תמונות אשר כבר עברו את תהליך הכיווץ ואשר כוללות את התופעות הנ"ל.


המכשיר עובד בצורה פשוטה למדי, וניתן להדגים זאת על גבי התצוגה על ידי שימוש באופציות כגון סימון שטחים. המכשיר מזהה איזורי גבול שבהם יש סיכוי רב להיתקל בתופעת "היתושים". היא מזהה את האיזורים שבהם התופעה מופיעה, אשר בהם אין פרטים ומטשטשת אך ורק את אותם איזורים. כמו כן, המכשיר מזהה בלוקים ומאקרובלוקים ומטשטש את המעבר בינהם באזורים ללא פרטים. בכך, התמונה הופכת נקייה יותר ופחות דיגיטלית. מה שמפליא במכשיר הוא במה שהוא לא עושה – הוא לא מקלקל! כלומר, בניגוד לטכניקות אחרות, המובילות בתחום, אין המכשיר מוסיף תופעות לוואי (כגון תחושה של תמונה רכה, או העלמת פרטים) במיוחד כאשר אין את התופעות הכיווץ – שהרי התופעות אינן קיימות כל הזמן!


המכשיר של אלגוליט' אינו מחולל פלאים. הוא אינו ממציא מידע במקומות שהמידע חסר, והוא אינו מנסה לנחש כיצד התמונה המקורית נראתה. הוא פשוט מזהה את התופעות ומנסה לגרום לתמונה להפוך ליותר טבעית ופחות דיגיטלית.rn


המערכת אותה בדקתי כוללת תמיכה ב-PAL, אולם התוכנה עבור מכשיר זה עדיין אינה סגורה, ולכן המכשיר עדיין סובל מחוסר יציבות. המכשיר ניתן לשדרוגי תוכנה על ידי שימוש בכניסת ה-USB שלו. המכשיר תומך בתכני SDTV וב-HDTV, אולם עדיף להכניס לו מקורות שכבר עברו DEINTERLACING אך לא SCALING (למשל מכשירים עם יציאת PROGRESSIVE פשוטה אשר משתמשים בצ'יפים של SAGE או SILICON IMAGING).


למכשיר שתי כניסות קומפוננט בלבד, מה שאומר, שבכדי לעשות בו שימוש עבור מקורות לויין, יש צורך בממיר (TRANSCODER) כמו שיש לנו במבצע באתר.


הרי תמונות שצילמתי מהמכשיר:





לא התלהבתי מהשלט. הוא מאסיבי וכבד מאוד (כל מי שאני נותן לו את השלט הזה, מופתע ממשקלו!) וכן בעל טווח שידור נמוך. מצד שני, צריך לזכור שהמכשיר בעיקר מיועד לשימוש "שקוף" ולכן שימוש בשלט מוגבל מאוד ואין צורך לאינטראקציה רבה איתו.rn



שימוש בעולם האמיתי

המכשיר מדהים ביופיו החיצוני. הוא מעוצב באופן מדהים ואסתטי ביותר עם עובי של כ-3.5 ס"מ. אין עליו כפתורים והפאנל הקדמי מורכב מלוגו של המכשיר (עם סנסור IR עליו) ומשם החברה (אור כחול בוקע מאות ה-i בשם Algolith).rn


מרבית האנשים לא יזדקקו להשתמש בו באופן רציף – אלא ישימו אותו בין התצוגה לבין מכשיר ה-DVD או מקור הוידאו (כבלים או לויין) וישכחו אותו שם. כאשר הוא עובד, אין צורך רב לשנות העדפות. כמובן שלמכשיר יש מספר פרמטרים, אולם מצאתי שהוא עושה את העבודה הטובה ביותר כאשר כולם מכוונים לרמה הנמוכה. אנשים אשר אוהבים עיבוד חזק יותר, עלולים לקבל תמונה רכה יותר (או, לחלופין, תמונה עם יותר מדי פרטים מודגשים). למכשיר יש יכולת שמירה של פרופילים שונים, כאשר אחד מהם (בלוק מס' 0) כולל את ה-FACTORY SETTING של המכשיר.


המכשיר כולל מספר אפשרויות עיבוד, כגון שימוש בפילטר דו מימדי (טשטוש), תלת מימדי (TEMPORAL 3D), פילטר מסוג MNR (להורדת יתושים), DNR (לרעש אנאלוגי) ו-BAR (להורדת מאקרובלוקים). פילטר נוסף מיועד להוסיף פרטים לתמונה, אך מצאתי שהוא בעיקר מפריע, ואינו משפר את התמונה (אולם ראיתי חובבי ק"ב רבים שאוהבים תמונה עם פרטים מודגשים מדי).


ניתן לראות כיצד המכשיר פועל כאשר עושים שימוש באופציה בשם SPLIT SCREEN אשר מראה בו זמנית את התמונה הלא מועבדת לצד התמונה לאחר העיבוד. אופציה נוספת ,בשם "MAP DETECTION REGION" מראה למשתמש כיצד המכשיר מזהה איזורים שונים ע"ג התמונה כאיזורים אפשריים לרעש יתושים או מאקרובלוקים.


כאשר הכנסתי למכשיר תמונה פרוגרסיבית, ביצועיו שופרו ואיכות התמונה היתה טובה יותר.


יש לציין כי המכשיר חייב לעבוד לפני פרוססינג נוסף כלשהו (פרט ל-DEINTERLACING). לכן, אין אפשרות להשתמש במכשיר מסוג זה על מחשב HTPC – אלא אם כן מחברים אותו לכניסת ה-HTPC, והוא עדיין לא יוכל לעשות עיבוד על WMV, DIVX או דומיהם.rn

מסקנות

המכשיר אינו זול, ובהחלט אינו מיועד לכל אחד. המוצר עושה את העבודה, ובהמשך, כאשר החברה תוציא שיפורים עבור PAL וגירסאת חומרה נוספת (בעוד מספר חודשים) עם כניסות ויציאות HDMI, המכשיר יהפוך לשלם יותר. מקורות ה-DVD אינם כוללים את התופעה באופן מודגש ביותר, כך שעבור מקורות מסוג זה, רק באמת משוגעים לעניין זקוקים למכשיר כזה. עבור צופי הטלויזיה האדוקים הסובלים מהתופעות, ניתן לשקול הכנסת מכשיר כזה באם התצוגה מסוגלת לעשות פרוססינג חזק דיו.rn


לקראת סוף השנה, מיועדת החברה להוציא מכשיר חדש הכולל טכנולוגיה זו המשולב בתוך פרוססור. בשנים הקרובות יש סבירות כלל לא רעה שחברות רבות יכניסו פרוססינג מסוג זה לתוך המכשירים שלהם. חברות כמו סאמסונג כבר רכשו את הטכנולוגיה, וטכנולוגיות מתחרות (MNR של פיוניר, למשל – אשר פועל הרבה פחות טוב) גם עלולות לחדור למכשירי STB ו-DVD שלנו.rn


8:00
  /  
20.3.2005
  
rnמאמר זה נכתב על ידי עפר לאור

1