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O vídeo no sistema de TV de Ultra-Alta Definição – 3ª Parte

*Alberto Deodato Seda Paduan

O vídeo do Super Hi-Vision
O sistema de vídeo do SHV é constituído, como em qualquer outro sistema de de televisão, de câmeras, gravadores e processadores de sinais em geral. Nesse sistema, porém, devem ser acrescentados os projetores, uma vez que o SHV exibe imagens projetadas numa tela, ao invés dos convencionais televisores ou monitores, pelo menos por enquanto.

As câmeras
Para capturar imagens que satisfaçam à enorme resolução de 7.680x 4.320 pixels (habitualmente resumido como 8K x 4K) do sistema SHV, não pode ser utilizada qualquer câmera. Assim, equipamentos especiais têm sido desenvolvidos para desempenhar satisfatoriamente essa função. Um dos primeiros modelos foi desenvolvido em 2002. Suas características se situam num nívelbastante anormais para os padrões de câmeras de televisão com os quais estamos acostumados, a começar pelas suas dimensões e peso que nos remetem aos modelos convencionais bem antigos (30 a 35 anos atrás), quando elas ainda utilizavam orticons e vidicons como tubos captadores de imagem.
O modelo utilizava quatro sensores de imagem CCD (Charge Coupled Devices – dispositivos de carga acoplada) de 2,5 polegadas e lentes de foco fixo. As principais características dessemodelo de câmera estão mostradas na figura 1. Em 2004, foi demonstrado um protótipo mais aperfeiçoado, tanto em termos de tecnologia eletrônica como mecânica, o que permitiu, por exemplo, uma drástica redução das suas dimensões. Nesse modelo, os quatro sensores são CMOS de 1,25 polegadas e as lentes de foco fixo foram substituídas por lentes zoom. Seu peso foi reduzido pela metade. Veja na figura 2 as características desse modelo.
Uma das características mais importantes que envolvem as câmeras SHV é o método utilizado para capturar as imagens. O sinal SHV obtido do arranjo de painéis de sensores das câmeras mostrado na figura 3 utiliza um método chamado pixel-offset cuja principal finalidade é aumentar o número efetivo de pixels horizontais e verticais da imagem.
Nesse processo, dois dos quatro sensores CCD são utilizados para a componente de luz verde (G1 e G2), um para a componente azul (B) e outro para a componente vermelha (R). Isso possibilita a configuração de um arranjo espacial de pixels de imagem, onde os dois sensores G estão alinhados por meio pitch de pixel e um deles é alinhado com o R (A na figura 3) e o outro com o B (B na figura 3), ocasionando um grande aumento da resolução. Esse novo método oferece duas grandes vantagens: previne a degradação da resolução da imagem causada pela aberração cromática das lentes e aumenta a resolução cromática dos sinais sobre uma ampla faixa.
A TV estatal japonesa NHK, responsável pelo projeto da UHDTV, testou recentemente um novo sensor monocromático fabricado pela empresa Micron Technology que captura imagens com varredura progressiva de 30 quadros por segundo a 125 MHz. A imagem testada foi uma página de jornal, sendo possível a leitura das matérias impressas por meio de um monitor de vídeo. Atualmente a empresa está testando modelos de sensores a cores de vários fabricantes com a finalidade de se chegar a um equipamento que realize a mesma façanha, porém agora colorida, satisfazendo as especificações do sistema SHV.

Conversor de formato de vídeo
O conversor de formato de vídeo transforma o sinal SHV original de 7680 x 4320 pixels, obtido a partir do arranjo de sensores de cores G1, G2, B e R organizados conforme visto na figura 3, para 16 imagens de 1920 x 1080 pixels – 30 Psf (Progressive segmented frame) (formato Y/C 4:2:2, HD-SDI) e vice-versa, ou seja, converte as 16 imagens do padrão 1920 x 1080 para outra de 7680 x 4320. Nesses processos, a imagem SHV é dividida por meio de técnicas especiais que conheceremos a seguir.
Antes, porém, para aqueles que ainda não conhecem o Psf, esta é uma boa oportunidade para uma resumida explicação.
A relação de quadros (frame rate) real do sinal de vídeo no padrão NTSC é 29,97 qps (quadros por segundo), e não 30. O cinema sempre utilizou exatos 24 qps. Quando se precisa fazer uma transferência de material gravado em vídeo (TV) para película (cinema), essa relação é instantaneamente quebrada, provocando no filme um ligeiro fast-motion naquele trecho onde foi feita a transferência. O Psf é uma técnica utilizada em câmeras de gravação altamente profissionais que oferece a opção de se gravar na mesma cadência do cinema, ou seja, 24 qps, a fim de evitar problemas desse tipo.
Também é oportuno mencionar que no congresso IBC de 2006 em Amsterdam, foi apresentado pelos autores o paper “Technical development towards implementation of extremely high resolution imagery system with more than 4000 scanning lines”, baseado no documento Rec. 709 do ITU-R, formulando o sistema de conversão de cor (1). Cada um dos componentes G1, G2, B e R do sinal SHV constitui um quarto dele e é arranjado conforme a parte C da figura 3. Além disso, depois da conversão de formato do vídeo, passam a existir dois sinais de luminância. Isso faz com que o número de pixels significativos se torne igual à metade da área total do SHV 7680 x 4320. Por isso, no caso da conversão para 16 sinais HD-SDI, o sinal SHV precisa ser dividido espacialmente em oito partes e temporalmente em duas partes. Existem duas formas de se fazer a divisão espacial:
• a primeira, chamada “divisão H”, é constituída de quatro posições horizontais e duas posições verticais (figura 4)
• a segunda, chamada “divisão V”, é constituída por duas posições horizontais e quatro verticais (figura 5). A divisão temporal, por sua vez, pode ser feita tanto por dois sinais de 60i (quadros entrelaçados) como por dois sinais de 30 Psf. (figura 6).
Alguns experimentos foram realizados para decidir sobre qual modo de divisão utilizar. Sistemas de codec MPEG-2 HDTV foram submetidos a testes de codificação em quatro combinações de divisões espaciais e temporais utilizando imagens de sinais SHV. Os resultados mostraram que a combinação das divisões H e 30 Psf superam a performance das outras combinações. Então, essa foi a escolhida para ser utilizada no sistema de codificação do SHV (figura 7).

Sistemas de gravação
Tanto incremento de resolução na imagem não pouparia o sistema de gravação da necessidadede estudos especiais para aperfeiçoamento, a exemplo do que vem ocorrendo com o sistema de transmissão. Assim, os Laboratórios de Pesquisa Científica e Tecnológica (NHK Science and Technical Research Laboratories) da NHK e suas empresas associadas se empenham num incansável trabalho de pesquisa de novas mídias que possam satisfazer às enormes exigências de gravação do SHV.
Dos atuais tipos de mídias existentes, o chamado HDV (Holographic Versatile Disc), que na verdade ainda nem é comercializado, é o que melhor atenderia à capacidade de armazenamento exigida pelo SHV, porém, sua capacidade máxima de armazenagem de 3,9 terabytes permitiria a gravação de apenas 20 minutos de vídeo. Isso em tempo de gravação de vídeo realmente é pouco, embora seja o equivalente a cerca de 460 vezes a capacidade de um DVD e 80 vezes a de um Blu-ray de dupla camada. Veja na tabela a seguir a comparação entre capacidades de armazenamento e velocidade de leitura entre mídias.

CAPACIDADE DE
ARMAZENAMENTO
MIDIA CAMADA
SIMPLES
CAMADA
DUPLA
VELOCIDADE DE
LEITURA (Mbps
DVD 4,7 GB 8,5 GB 11,1
HD DVD 15 GB 30 GB 36,55
Blu-Ray 25 GB 50 GB 54
HVD 300 GB 3,9 TB 1000
Tabela 1 – Comparação de capacidade de armazenamento
entre mídias
Fonte: do autor

Sistemas de exibição
Embora a idéia final seja chegar a um sistema doméstico de televisão, onde os sinais sejam recebidos e exibidos em equipamentos com a mesma filosofia de exibição dos atuais televisores (ou similar), atualmente as apresentações do sistema são feitas em telas onde as imagens são projetadas. Diga-se de passagem, são senhoras telas de 600 polegadas diagonais ou cerca de 9 metros de largura por 5 de altura.
Nessas exibições, têm sido utilizados projetores duplos especiais para reproduzir o as imagens de 8K x 4K (figura 8). Um desses tipos reproduz o verde em dois sistemas (G1 e G2) e o outro reproduz o azul (B) e o vermelho (R), com níveis de luminosidade jamais alcançados da ordem de 10.000 lumens. Nessa tarefa, a NHK conta com a parceria da JVC (Japan Victor Corporation Ltd) que vem desenvolvendo os projetores.

Projetores com tecnologia D-ILA
Em Maio de 2009, a JVC anunciou o desenvolvimento do primeiro projetor SHV de alta resolução e cobertura total (3). Isso significa que, entre outros avanços tecnológicos alcançados, a partir desse lançamento as imagens SHV podem ser produzidas por meio de apenas um projetor (figura 9), ao invés de dois em paralelo como mostrado na figura 8.

O equipamento utiliza um sistema com três componentes D-ILA (Direct-Drive Image Light Amplifier) de 1,75 polegadas capaz de produzir um brilho de 10.000 lumens com uma relação de contraste de 5.500:1, possibilitando a exibição de um sinal de vídeo com 35 megapixels de resolução, ou seja, 8.192 x 4320 pixels (8K x 4K). Isso equivale a 17 vezes a resolução do full HD atual. Trata-se de um componente de cristal líquido refletivo de alta performance para utilização em projetores, tecnicamente conhecido como LCOS (Liquid Crystal On Silicon) que produz alto brilho e alta definição (figura 10).

A tecnologia D-ILA, de propriedade da JVC, vem sendo desenvolvida desde 1997, quando ela lançou seu primeiro projetor, um SXGA de 1,3 megapixel, e desde então vem aprimorando essa técnica. Os projetores full HD atualmente usados em Home Theaters já alcançam uma relação de contraste nativa de 50.000:1 conseguida através da utilização da tecnologia D-ILA associada a um novo mecanismo ótico.

Projetores com tecnologia HDR
Recentemente, foi anunciado no boletim NHK STRL R&D número 117 de Julho de 2009 (http://www.nhk.or.jp/strl/publica/rd/rd117/ rd117.html) o desenvolvimento de um tipo de projetor utilizando uma tecnologia chamada High Dynamic Range (HDR) (2). O “pulo do gato” contido nesses sistemas de projeção é a reprodução do preto a uma relação de contraste muito alta, chegando a cerca de 1 milhão por 1 (1.100.000 : 1).
O sistema atua com dois blocos de modulação: o primeiro modula a crominância do vídeo e o segundo modula a luminância. A saída ótica do primeiro bloco (sinal RGB de baixa resolução) é projetada para o segundo onde é feita a modulação da luminância do sinal. Isso provoca na luz incidente uma atenuação em duas fases de modo a criar na imagem áreas escuras reproduzindo um preto mais escuro. Veja a figura 11.
Com esse sistema, a reprodução de tons, especialmente em áreas escuras é substancialmente melhorada. Considerando que a resolução do sistema visual humano para cores é mais baixa do que para luminância, podese aumentar a resolução de exibição de uma imagem simplesmente aumentando a resolução do segundo bloco modulador (luminância) podendo ser mantida baixa a resolução do primeiro bloco modulador (RGB).


Referências

(1) E. Nakasu, Y. Nishida, M. Maeda, M. Kanazawa, S. Yano, M. Sugawara, K. Mitani, K. Hamasaki and Y. Nojiri, “Technical development towards implementation of extremely high resolution imagery system with more than 4000 scanning lines,” IBC2006, Amsterdam, Sep. 11, 2006. http:// www.nhk.or.jp/digital/en/technical/pdf/02_1.pdf
(2) OpenHouse 2007 – Blazing a trail to the Future – High Dynamic Range Projector for the SHV System http://www.nhk.or.jp/strl/open2007/ en/tenji/t06.html
(3) JVC Press Release-May 2,2008 – JVC Develops 1.75-inch 8K4K D-ILA Device http:// www.jvc-victor.co.jp/english/press/2008/1- 75_8k4k.pdf

* Alberto é supervisor de projetos da TV Cultura de São Paulo e Diretor da AdesedA-Consultoria, Projetos e Instalações (adeseda@uol.com.br)

Revista da SET – ANO XXI – N.110 – OUT/NOV – 2009