Digital Video Measurements (unit 4)

การสุ่มข้อมูลแบบ 601

               ตามมาตรฐานของ ITU-R BT.601 เป็นวิธีการสุ่มข้อมูลที่พัฒนามาจากความร่วมมือของการทำงานร่วมกันโดยหน่วยงาน SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers) และ EBU (European Broadcasting Union) เพื่อตัดสินปัจจัยที่พึงกำหนดขององค์ประกอบดิจิตอลวิดีโอสำหรับระบบโทรทัศน์ในรูปแบบชนิดการสะแกน 625/50 และแบบ 525/60 งานนี้เป็นการรวมเอาสุดยอดของผลการทดสอบที่กระทำโดย SMPTE ในปี ค.ศ.1981 และผลงานที่รู้กันทั่วไปจากข้อเสนอแนะของ CCIR 601 (International Radio Consultative Committee) เอกสารฉบับนี้ได้กำหนดถึงกลไกวิธีการสุ่มข้อมูลให้สามารถใช้ได้กับทั้งแบบสัญญาณภาพชนิด 626 เส้นและชนิด 525 เส้น โดยได้กำหนดวิธีของการสุ่มข้อมูลแบบเป็นมุมฉาก (orthogonal sampling) ที่ความถี่ 13.5 MHz. สำหรับสัญญาณส่องสว่างแบบแอนะลอกและ 6.75 MHz. สำหรับสัญญาณความแตกต่างของสีทั้งสองแบบแอนะลอก ค่าของการสุ่มที่เป็นความส่องสว่างแบบดิจิตอลคือ Y’ และค่าความแตกต่างของสีแบบดิจิตอลคือ C’b and C’r ซึ่งเป็นผลจากการปรับขนาดของการแก้ไขแกมมาแบบแอนะลอกที่เป็น B’-Y’ and R’-Y’ สำหรับความถี่ขนาด 13.5 MHz. ได้ถูกเลือกกำหนดให้เป็นความถี่ในการสุ่มเพราะว่าตัวคูณย่อยของ 2.25 MHz. นั้นเป็นตัวประกอบร่วมของทั้งระบบ 625 เส้นและระบบ 525 เส้น

ภาพที่ 9. การแปลงค่าของตัวเลขให้เป็นจำนวนเต็มความแตกต่างของสี

ภาพที่ 10. การแปลงค่าของตัวเลขให้เป็นจำนวนเต็มของการส่องสว่าง

                ถึงแม้ว่าในปัจจุบันนี้การจัดการสุ่มค่าตัวอย่างข้อมูลตามข้อกำหนดของ ITU-R BT.601 ระบุไว้ที่จำนวน 10 บิตก็ตามแต่ก็ยอมรับให้ใช้การสุ่มค่าตัวอย่างที่จำนวน 8 บิตด้วยเช่นกัน (แบ่งเป็น 256 ระดับ) แต่ถ้าในกรณีที่เป็น 10 บิต (แบ่งเป็น 1024 ระดับ)  ตามข้อกำหนดที่ปริมาณข้อมูล 8 บิตเป็นหนึ่งคำนั้นสามมารถแปลงโดยตรงให้เป็นข้อมูลแบบ 10 บิตได้เลย และถ้าเป็นข้อมูลแบบ 10 บิตก็สามารถแปลงให้เป็นข้อมูลแบบ 8 บิตเพื่อให้สามารถทำงานร่วมกันได้  ข้อมูลองค์ประกอบความแตกต่างของสีจะตอบสนองสัญญาณแบบแอนะลอกระหว่าง +/- 350 mV. สัญญาณที่มากเกินเลยออกนอกพื้นที่ไปบ้างยอมรับได้ที่ไม่เกิน +/- 400 mV. สำหรับองค์ประกอบของการส่องสว่าง (Y’)ในภาพที่ 10. ตอบสนองต่อสัญญาณแบบแอนะลอกระหว่าง 0.0 mV. to 700 mV. และถ้าหากมีสัญญาณที่เกินเลยออกนอกพื้นที่ไปบ้างยอมรับได้ไม่เกินย่านของ – 48 mV. to + 763 mV. เพื่อเป็นการยอมให้เผื่อไว้ในกรณีมีสัญญาณที่สูงเกินระดับของสีขาว  วงจรแปลงจากแอนะลอกเป็นดิจิตอลถูกกำหนดให้กำเนิดข้อมูลแบบ 10 บิตที่ระดับค่าไม่ให้มีค่าต่ำหรือค่าสูงเกินไปเพื่อเป็นการสามารถทำงานร่วมกับอุปกรณ์ในระบบ 8 บิตหรือว่าสามารถเชื่อมต่อกันได้

ภาพที่ 11.ข้อมูลดิจิตอลของ horizontal blanking

ภาพที่ 12. แผนผังของการสะแกนแบบสอดประสาน

ภาพที่ 13. แนวคิดเรื่องคลื่นนำพา

               จากภาพที่ 11.แสดงตำแหน่งของการสุ่มค่าตัวอย่างและกำหนดค่าเป็นข้อมูลแบบดิจิตอลโดยการกำหนดเป้าหมายไปที่เส้นทางแนวนอนแบบแอนะลอก  จากภาพที่ 12. แสดงให้เห็นความสัมพันธ์ถึงขอบเขตของภาพ  เนื่องจากข้อมูลของฐานเวลาเป็นไปตามหีบห่อที่บรรจุของจุดสิ้นสุดภาพและจุดเริ่มต้นของภาพ (End of Active Video and Start of Active Video) หรือมีชื่อย่อว่า EAV and SAV โดยปราศจากความจำเป็นต้องมีสันญาณซิงค์ (Synchronization) เหมือนแบบแอนะลอกดั้งเดิมอีกต่อไป  ในช่วงของเวลาที่เป็น Blanking interval ของทั้งแนวนอนและแนวตั้งนี้สามารถนำมาใช้บรรจุข้อมูลเสียงและข้อมูลประกอบอื่นๆได้  จากหีบห่อบรรจุภัณฑ์ที่กำหนดโดยจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของภาพถูกกำหนดในข้อมูลต่อเนื่องด้วยส่วนหัวของการเริ่มต้นด้วยคำสั่งดังนี้  3FF, 000, 000,  คำสั่งที่สี่ถัดมาคือการบรรจุข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับตัวสัญญาณนั้น  ข้อมูลประกอบของดิจิตอลวิดีโอจะถูกระบุด้วยส่วนหัวที่เริ่มต้นด้วยคำสั่ง 000, 3FF, 3FF,  สำหรับคำสั่งที่เป็น “XYZ” เป็นคำสั่งชนิดสิบบิตประกอบด้วยสองบิตที่ไม่สำคัญจะถูกกำหนดให้มีค่าเป็นศูนย์เพื่อเปิดโอกาสในการเชื่อมต่อแบบแปดบิตได้

การเชื่อมต่อดิจิตอลแบบขนาน

               การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าสำหรับข้อมูลที่เป็นผลผลิตโดยข้อกำหนดที่ REC. 601 คือมาตรฐานของการสุ่มค่าตัวอย่างที่แยกออกจากข้อกำหนดมาตรฐาน 125M ของ SMPTE สำหรับระบบ 525/59.94 และโดยข้อกำหนดของ EBU Tech. 3267 สำหรับรูปแบบ 625/50 ข้อกำหนดทั้งสองรูปแบบนี้ถูกดัดแปลงโดย CCIR (ในปัจจุบันนี้คือ ITU) และรวมไปถึงข้อเสนอแนะที่ 656 ทั้งนี้ในเอกสารได้อธิบายถึงการเชื่อมต่อทางกายภาพแบบขนานไว้ว่า  การเชื่อมต่อแบบขนานใช้สายแบบตีเกลียวจำนวน 11 เส้นและใช้ข้อต่อชนิด D- connectors แบบ 25 ขา วิธีการเชื่อมต่อแบบขนานนี้เป็นข้อมูลแบบเชิงซ้อนตามลำดับของ C’b , Y’ , C’r , Y’ มีผลในอัตราความเร็วของข้อมูลที่ 27 ล้านบิตต่อวินาที  ลำดับเวลาของจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดภาพเป็นการเพิ่มเข้าไปในจำนวนของแต่ละเส้น   ในส่วนของเส้นที่มีภาพในแบบดิจิตอลสำหรับทั้งระบบ 525 และ 625 สุ่มค่าตัวอย่างระดับส่องสว่างที่ 720 ตัวอย่าง   ทั้งนี้ยังคงมีการสุ่มค่าในระหว่างช่วงของ blanking สำหรับฐานเวลาและข้อมูลอื่นๆ  และสาเหตุสำคัญเนื่องจากว่าจำเป็นต้องใช้สายตัวนำหลายเส้นและแผงรองรับในการเชื่อมต่อทำให้ในทางปฏิบัติแล้วการเชื่อมต่อแบบนี้ถูกใช้งานจำกัดเฉพาะจุดเล็กๆหรือเป็นการเชื่อมต่อแบบถาวรเท่านั้น

การเชื่อมต่อดิจิตอลแบบอนุกรม (SDI)

               ถ้าไม่คำนึงถึงรูปแบบแล้วย่อมเป็นที่ชัดเจนว่าเป็นการสะดวกมากสำหรับการส่งผ่านข้อมูลโดยใช้สายโคแอกเชียลเพียงเส้นเดียว  แต่นี่ย่อมไม่ใช่เรื่องง่ายเพราะว่าอัตราความเร็วการส่งข้อมูลที่สูงมาก แต่ทว่าถ้าสัญญาณเหล่านี้ถูกนำส่งโดยปราศจากการดัดแปลงให้มีความเหมาะสมแล้วความน่าเชื่อถือไว้วางใจคงเป็นเรื่องทำได้ยาก  ดังนั้นสัญญาณจำเป็นต้องถูกดัดแปลงเพื่อวัตถุประสงค์ของการส่งที่มั่นใจได้ว่าขอบของรูปคลื่นสัญญาณนาฬิกาสามารถกู้คืนมาได้  รวมถึงเพื่อให้เป็นการลดเนื้อหาข้อมูลอันเป็นความถี่ต่ำและเป็นการกระจายย่านแถบสเปคตรัมของพลังงานเพื่อลดปัญหาของการแพร่กระจายคลื่นความถี่วิทยุให้ลดน้อยลงไปอีกด้วย  วิธีการที่นำมาใช้คือเชื่อมต่อข้อมูลดิจิตอลแบบอนุกรมด้วยการกระจายข้อมูลคลุกเคล้ากันไปแล้วแปลงให้เป็นข้อมูลชนิดส่วนกลับของไม่ลดลงเป็นศูนย์ (Non – Return  to Zero Inverse) หรือเรียกย่อว่า NRZI วิธีการแบบนี้ได้รับการพัฒนาเพื่อสนองตอบปัญหาดังกล่าว  การเชื่อมต่อแบบอนุกรมนี้คือข้อกำหนดในมาตรฐาน ANSI/SMPTE 259M , ITU-R BT.656 and EBU Tech. 3267 สำหรับใช้กับทั้งสัญญาณชนิดแยกองค์ประกอบ ความคมชัดมาตรฐาน (Component signal) และสัญญาณชนิดที่ประกอบรวมกันไป (Composite signal) รวมไปถึงข้อมูลเสียงที่ถูกฝังรวมไปด้วยกัน (Embedded Audio)  ในการเชื่อมต่อสำหรับระบบที่มีความคมชัดสูงแล้วจะใช้ข้อกำหนดที่มีขนาดของสัดส่วนใหญ่ขึ้นตามไปด้วย

               แนวคิดเรื่องการเชื่อมต่อข้อมูลดิจิตอลมีความคล้ายคลึงกับระบบตัวพาหนะสำหรับการใช้งานในห้องผลิตรายการสัญญาณพื้นฐานของภาพและเสียงเป็นการแปลงให้เป็นดิจิตอลและเชื่อมเข้าด้วยกันโดยอยู่บนพาหนะดิจิตอลแบบอนุกรมดังแสดงให้เห็นในภาพที่ 13. ข้อสังเกตคือนี่ไม่ใช่ระบบพาหนะที่เคร่งครัดในขณะที่สัญญาณพื้นฐานที่เป็นดิจิตอลก็ไม่ใช่สัญญาณที่ถูกผสมไปกับตัวพาหนะ  จำนวนอัตราความเร็วของบิตเป็นการตัดสินโดยอัตราของความถี่ฐานนาฬิกาข้อมูลดิจิตอลดังนี้คือ 270 ล้านบิตต่อวินาทีสำหรับสัญญาณชนิดแยกส่วนองค์ประกอบ (component signal) ตามมาตรฐานของภาพความคมชัดปกติ   และ 1.485 พันล้านบิตต่อวินาทีสำหรับรูปแบบภาพความคมชัดสูง รวมไปถึงอัตราความเร็วขนาด 143 ล้านบิตต่อวินาที และ 177 ล้านบิตต่อวินาทีสำหรับสัญญาณที่ประกอบรวมกันไป (composite signal) ในระบบของ NTSC and PAL การเชื่อมต่อแบบคอมโพสิตนี้ยังคงมีใช้อยู่บ้างแต่ไม่กล่าวถึงรายละเอียดในที่นี้

ภาพที่ 14. การแปลงจากขนานเป็นอนุกรม

ภาพที่ 15. ความสัมพันธ์ระหว่าง NRZ และ NRZI

               ข้อมูลแบบขนานนำเสนอรูปแบบการสุ่มตัวอย่างของสัญญาณส่วนประกอบแบบแอนะลอกที่ผ่านการประมวลผลแล้วดังในภาพที่ 14. เพื่อนำไปสร้างให้เกิดข้อมูลสัญญาณดิจิตอลต่อเนื่องแบบอนุกรม  ความถี่ของรูปคลื่นนาฬิกาแบบขนานถูกป้อนเข้าให้เป็นข้อมูลตัวอย่างของชิฟท์รีจิสเตอร์และมีหน่วยทวีคูณเพื่อสร้างความถี่นาฬิกาให้เป็นสิบเท่าผลักดันข้อมูลออกมา  โดยเริ่มต้นจากบิตที่มีความสำคัญน้อยที่สุดก่อนสำหรับคำสั่งข้อมูลชนิด 10 บิต  แต่ถ้าในกรณีที่เป็นข้อมูลชนิด 8 บิตแล้วจะกำหนดให้ข้อมูลจำนวนสองบิตมีค่าเป็นศูนย์เพื่อให้มีจำนวนครบทั้งหมดสิบบิต  ในรูปแบบของสัญญาณชนิดส่วนขององค์ประกอบฐานเวลาของจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของการเกิดภาพที่อยู่บนการเชื่อมต่อแบบขนานยอมให้มีการจัดลำดับระบุชี้ในเชิงอนุกรมเพื่อกำหนดแต่ละเฟรมของภาพได้  รหัสของหีบห่อบรรจุภัณฑ์ที่กำหนดจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดภาพจะเป็นตัวอธิบายในกระบวนการทำให้สอดคล้องกันในส่วนของห้องผลิตรายการ  และถ้ามีข้อมูลประกอบอื่นใดเช่นข้อมูลเสียงถูกสอดแทรกเข้าไปในสัญญาณแบบขนานแล้วข้อมูลเหล่านี้ยังคงถูกส่งต่อโดยการเชื่อมต่อแบบอนุกรมด้วยเช่นกัน  มาต่อกันที่เรื่องของการแปลงข้อมูลแบบขนานให้เป็นข้อมูลแบบอนุกรม ข้อมูลที่ส่งผ่านต่อเนื่องกันมาจะถูกทำให้กระจัดกระจายด้วยขั้นตอนของสมการทางคณิตศาสตร์แล้วก็เข้ารหัสให้เป็นแบบไม่เปลี่ยนไปเป็นศูนย์ส่วนกลับ (NRZI) ด้วยวิธีการเชื่อมโยงกันเป็นสายโซ่ของสมการดังต่อไปนี้

                                             G1(X) = X 9 + X 4 + 1

                                             G2(X) = X + 1

               การทำให้สัญญาณกระจัดกระจายตัวกันทำให้มันมีลักษณะคงที่คล้ายกับที่พบในสภาวะไฟฟ้ากระแสตรงสำหรับการจัดการได้ง่ายและมีขอบของการเปลี่ยนแปลงที่มากพอสำหรับการกู้คืนสัญญาณนาฬิกา และรูปแบบของการเข้ารหัสแบบนี้ยังไม่ต้องกังวลเรื่องของขั้วบวกหรือขั้วลบ  ที่ตัวเครื่องรับเองก็ใช้วิธีการย้อนกลับกระบวนการทางคณิตศาสตร์ในการแปลงข้อมูลแบบอนุกรมเพื่อกู้คืนค่าข้อมูลที่ถูกต้องดังนั้นผู้ชมจะได้เห็นต้นฉบับตามจริงของสัญญาณที่ไม่ใช่เป็นแบบคลุกเคล้าปนกันมา  ระบบการส่งข้อมูลแบบดิจิตอลอนุกรมนั้นตัวความถี่ของนาฬิกาถูกบรรจุลงไปในข้อมูลซึ่งแตกต่างจากระบบส่งข้อมูลแบบขนานที่แยกเส้นของความถี่นาฬิกาไว้ต่างหากกัน  ด้วยวิธีการนำเอาข้อมูลคลุกเคล้าปะปนกันไปทำให้มันมีความสมบูรณ์ในการส่งต่อและรับประกันได้สำหรับทำการกู้คืนความถี่นาฬิกาได้แน่นอน (จากการทดสอบประสิทธิภาพการทำงานของวงจรรับส่งดิจิตอลแบบอนุกรมในสภาพตามปกติแล้วระบบจะไม่ล้มเหลวแม้ในภาวะที่ต้องพบกับสัญญาณที่ค่อนข้างยุ่งยากซับซ้อนก็ตาม)

               การเข้ารหัสด้วยวิธีการส่วนกลับของไม่เป็นศูนย์ (NRZI) ทำให้ไม่ต้องกังวลเรื่องของการกลับขั้ว  โดยทั่วไปเราจะคุ้นเคยกับระดับสถานะทางตรรกะที่ว่า “สูงเท่ากับหนึ่งและต่ำเท่ากับศูนย์” แต่สำหรับในระบบการรับส่งแล้วมันไม่เป็นการสะดวกนักสำหรับความต้องการยืนยันขั้วของสันญาณที่ตัวเครื่องรับ  จากภาพที่ 15. แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนสถานะของข้อมูลถูกใช้เพื่อนำเสนอแต่ละข้อมูลว่าเป็น “หนึ่ง” และถ้าไม่มีการเปลี่ยนสถานะของข้อมูลสำหรับนำเสนอว่าเป็น “ศูนย์”   ผลลัพธ์ก็คือว่ามันมีความจำเป็นแค่เพียงทำการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงสถานะเท่านั้นเอง  ผลลัพธ์อีกประการหนึ่งของการใช้วิธีการเข้ารหัสแบบนี้คือถ้าปรากฏสัญญาณเป็นหนึ่งทั้งหมดแล้วก็จะทำการผลิตรูปคลื่นสี่เหลี่ยมที่เป็นครึ่งหนึ่งของความถี่นาฬิกา  แต่ทว่าอย่างไรก็ดีเมื่อ “ศูนย์” หมายถึงการไม่เปลี่ยนสถานะที่ซึ่งเป็นเหตุให้มีความจำเป็นในขั้นตอนการคลุกเคล้าข้อมูล  ดังนั้นที่ตัวเครื่องรับจะกำหนดให้ขอบขาขึ้นของรูปคลื่นสี่เหลี่ยมความถี่นาฬิกาจะถูกใช้สำหรับการตรวจจับข้อมูล

               การเชื่อมต่อแบบอนุกรมอาจถูกนำไปใช้งานที่ยาวเกินไปกว่าระยะทางรายเฉลี่ยด้วยวิธีการออกแบบในระบบด้วยสายเคเบิ้ลขนาด 75 โอห์มและจุดเชื่อมต่อกับหัวต่อตามมาตรฐาน  สำหรับผลกระทบที่เกิดจากการไม่ใส่ตัว Terminator  บนตัวต่อแบบ T-Connector นั้นอาจไม่เกิดปัญหากับสัญญาณแอนะลอกวิดีโอ  แต่ถ้าเป็นการเชื่อมต่อดิจิตอลวิดีโอแบบอนุกรมย่อมก่อให้เกิดผลกระทบอย่างเป็นรูปธรรมเช่นการสะท้อนกลับและการสูญเสียรายการทั้งหมดได้     

               การทำความเข้าใจเกี่ยวกับวิดีโอชนิดส่วนองค์ประกอบ (Component signal) ทั้งชนิดการเชื่อมต่อแบบขนานและการเชื่อมต่อแบบอนุกรมล้วนเป็นเรื่องเหมาะสมทั้งชนิดรูปแบบความคมชัดภาพมาตรฐานแบบปกติและแบบความคมชัดภาพสูง  ทั้งเรื่องของวิธีการสุ่มค่าตัวอย่าง (Sampling) และการประเมินค่าระดับน้ำหนัก (Quantization) โดยทั่วไปแล้วมีความเหมือนกันเท่าๆกับรูปแบบของข้อมูลในการทำให้ระบบทำงานไปด้วยกัน (Synchronization) ในรูปแบบชนิดความคมชัดสูงจะมีอัตราในการสุ่มตัวอย่างข้อมูลที่สูงกว่า  จำนวนเส้นของภาพและการตรวจสอบข้อผิดพลาดที่มากกว่ารวมไปถึงการสุ่มค่าตัวอย่างเสียงแบบหลายช่องตามแบบของวิดีโอความคมชัดสูง  แต่ทว่าอย่างไรก็ดีทั้งแบบความคมชัดมาตรฐานและความคมชัดสูงล้วนมีหลักการเดียวกัน  การทำความเข้าใจรูปแบบของดิจิตอลวิดีโอชนิดใดชนิดหนึ่งย่อมนำเราให้มีความเข้าใจในรูปแบบอื่นเช่นกัน

หมายเหตุ  บทต่อไปเป็นเรื่องของ ดิจิตอลวิดีโอในแต่ละฟอร์แมตและ เรื่องของคาบเวลาในการสอดประสานทำงานร่วมกันได้ (Timing and Synchronization)