Il Centro Ricerche Rai di Torino

Annunciata timidamente lo scorso anno durante il Sat EXPO di Vicenza, la sperimentazione delle trasmissioni su digitale terrestre di segnali video ad alta definizione in formato H.264 da parte di RAI e ADB è partita rispettando tutte le ottime premesse, grazie soprattutto all'entusiasmo di una struttura che negli ultimi anni ha scritto pagine importanti nella storia della TV ad alta definizione.

Il Centro Ricerche della RAI di Torino, nato nel 1930, dagli anni '80 ha sempre svolto un ruolo importante nella ricerca sul campo delle trasmissioni ad alta definizione. A cavallo degli anni '90 ad esempio, il lavoro svolto con entusiasmo all'interno del CRIT RAI fu d'importanza fondamentale per la nascita del primo formato ad alta definizione europeo HD Mac e del sistema di codifica e compressione digitale del segnale televisivo, basato sulla DCT-Discrete Cosine Transform, che consenti', per la prima volta nel mondo, la trasmissione via satellite dei mondiali di calcio del 1990 in alta definizione digitale in collaborazione con la ex Telettra, ora Alcatel.

monitor CRT Sony, telecamera Hitachi-Canon e registratori D1 ad alta definizione, utilizzati
a cavallo degli anni '90: alcune delle meraviglie che si incontrano all'interno del CRIT RAI
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Dopo il progressivo declino del progetto HD Mac, probabilmente anacronistico rispetto alle disponibilità tecnologiche ed economiche di quel periodo e supportato in maniera inadeguata dalle politiche del tempo, l'Europa nell'ultimo decennio si è vista superare da Giappone e Stati uniti nel campo delle trasmissioni video ad alta definizione, possibili grazie alla piena maturazione della tecnologia digitale di compressione MPEG2.

Alta definizione in MPEG4/AVC

Un encoder real-time ad alta efficienza presentato da Pioneer al CEATEC nel 2005

Il vantaggio tecnologico di Stati Uniti e Giappone nelle trasmissioni in alta definizione in realtà sarebbe già stato recuperato dall'Europa in questi ultimi mesi. L'alta definizione in formato MPEG2 ha vita breve ed il passaggio al sistema MPEG4/AVC in Europa è già iniziato. Come segnalato all'IFA di Berlino lo scorso anno, le trasmissioni di materiale HDTV con compressione MPEG4/AVC sono iniziate in Germania ma solo via satellite.

Approfittando della perfetta congiuntura resa possibile dai Giochi Olimpici Invernali di Torino 2006 e con l'obiettivo di sperimentare la trasmissione di HDTV su digitale terrestre, qui in Italia è stato creato un progetto per la sperimentazione delle trasmissioni in alta definizione con compressione MPEG4/AVC su piattaforma DVB-T: quel digitale terrestre che in Europa sarà il principale veicolo di trasmissione della TV del futuro.

 
Le sei aziende che collaborano con Rai per la sperimentazione HDTV su Digitale Terrestre

Assieme a Rai la realizzazione del progetto è stata possibile grazie alla collaborazione di ADB che ha fornito i decoder ad alta definizione, ST Microelectronics che produce il main chip utilizzato dal decoder ADB, Panasonic con display HD-Ready, Comtek Video Enterprise e Tandberg Television che ha fornito l'encoder MPEG4/AVC ed Eutelsat che si è occupata della copertura satellitare.

I nuovi sistemi di compressione MPEG4/AVC consentono già oggi un risparmio di banda di circa il 30-40% per codifiche real-time rispetto al sistema MPEG2, con ampi margini di miglioramento. In pratica oggi è possibile raggiungere una elevata qualità d'immagine con segnali a piena risoluzione HDTV con 1920x1080 punti anche con soli 15 Mbit al secondo. Con adeguate capacità di calcolo è possibile raggiungere lcodifiche real-time HDTV con datarate di soli 9 Mbit al secondo, come dimostrato da Pioneer all'ultimo CEATEC lo scorso ottobre 2005.

ADB e il nuovo decoder ad alta definizione

Un'immagine del prototipo del decoder ADB 6800STX utilizzato

Come annunciato al Sat EXPO, il progetto per la trasmissione di contenuti in alta definizione in formato AVC H.264 su DVB-T è partito fortunatamente senza intoppi, grazie anche alla disponibilità dei decoder ad alta definizione prodotti da ADB che i lettori di AV Magazine dovrebbero conoscere già molto bene.

Alcuni particolari del decoder ADB utilizzato nella sperimentazione

ADB è stata una delle prime aziende che ha presentato un decoder multipiattaforma per satellite, digitale terrestre, cavo e internet, in grado di ricevere anche segnali ad alta definizione fino a risoluzione 1920x1080 punti. Il ricevitore di ADB decodifica anche i segnali compressi secondo alcuni dei più moderni sistemi di compressione basati sull'alta efficienza dell'MPEG4/AVC come AVC H.264 ed il VC1 basato sul Windows Media Video HD di Microsoft.

Una piccola parte dei decoder che ADB ha consegnato alla RAI

ADB ha consegnato alla RAI circa 100 prototipi della serie 6800, preparati per la ricezione su piattaforma DVB-T. I decoder sono stati utilizzati non solo all'interno del Centro Ricerche Rai ma anche in oltre una quindicina di postazioni nella sola Torino distribuite anche in luoghi pubblici, come la stazione ferroviaria principale di Torino.

La trasmissione su Digitale Terrestre

La postazione nel CRIT dove vengono controllate le trasmissioni in DVB-T e DVB-H

Per la sperimentazione in scena a Torino vengono utilizzati i segnali televisivi ripresi dal TOBO (Torino Olympic Broadcasting Organisation) che è responsabile della produzione e della distribuzione dei contenuti radiotelevisivi delle Olimpiadi di Torino 2006. La maggior parte delle riprese effettuate dal TOBO sono a definizione standard ma in formato 16:9 anamorfico. Soltanto una piccola parte di telecamere e regie del TOBO sono in alta definizione e coprono solo 7 campi di gara.

Schema del progetto di trasmissione dei segnali HDTV su Digitale Terrestre
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I segnali ad alta definizione sono ripresi con telecamere HDTV con risoluzione di 1920x1080 punti a scansione interlacciata. I segnali video in formato HD-SDI con codifica component 4:2:2 vengono trasferiti direttamente su fibra ottica al centro IBC che è a Torino, assieme a sei canali audio discreti che servono per le codifiche audio multicanale in Dolby Digital ed AAC. 

L'encoder H.264 Tandberg utilizzato per la codifica real-time

All'IBC, una regia in alta definizione seleziona i segnali che vengono inviati ad un encoder Tandberg che provvede alla codifica real-time in formato H.264 con datarate di circa 14,5 Mbit/sec. I segnali compressi vengono quindi inviati al Centro Ricerche Rai per essere criptati e per la creazione del multiplex DVB-T destinato al trasmettitore dell'Eremo che trasmette sull'area torinese sul canale UHF 29.

DVB-T per HDTV e DVB-H per la TV mobile

Per il controllo dei segnali HDTV vengono utilizzati monitor LCD e al plasma Panasonic

Il trasmettitore dell'Eremo non è in grado di coprire anche le sedi montane dei giochi. Per risolvere il problema è stata allestita una rete mista satellitare-terrestre. Il segnale criptato al CRIT viene inviato ad un trasponder del satellite W3A della flotta Eutelsat il cui segnale, ricevuto nelle sedi montane, viene nuovamente irradiato su DVB-T dalla rete terrestre RaiWay.

Schermata del programma di controllo che evidenzia il datarate del mux DVB-T utilizzato

All'interno del Centro Ricerche Rai viene effettuata anche la codifica del multiplex DVB-H per la sperimentazione della piattaforma TV Mobile di buona parte del palinsensto RAI. Per migliorare la copertura all'interno degli edifici del segnale DVB-H, è stato aggiunto un ulteriore trasmettitore sull'edificio RAI di via Cernaia.

La ricezione dei segnali DVB-H è stata controllata con un telefono cellulare Nokia
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Abbiamo potuto controllare la qualità delle trasmissioni in standard DVB-H direttamente all'interno del CRIT, sebbene la copertura fosse praticamente al limite. Il datarate che hanno scelto di circa 250kbit/sec  è si è rivelato un ottimo compromesso tra banda e qualità delle immagini. 

Le riprese televisive nei formati HDTV e SDTV

Tutte le riprese eseguite sui campi di gara vengono effettuate in formato 16:9, anche per i segnali a definizione standard. Questi ultimi vengono poi convertiti ad alta definizione direttamente sul campo ed inviati all'IBC per essere utilizzati dai alcuni broadcaster come  NHK e NBC. Le stesse riprese a definizione standard in formato 16:9 vengono "ritagliate" e riscalate per le trasmissioni a definizione standard con rapporto 4:3 secondo lo schema seguente.

Il passaggio dalle riprese in 16:9 alle immagini in 4:3 ha un piccolo prezzo 

L'orinale televisivo a definizione standard ripreso sui campi di gara è in formato 16:9 anamorfico con risoluzione simile a quella del DVD Video e che per convenzione identifichiamo in 720x576 punti visibili: la stessa risoluzione che avrebbe comunque una ripresa effettuata direttamente in 4:3. In pratica, il ritaglio della porzione centrale in formato 4:3 causa una piccola diminuzione della definizione orizzontale delle immagini.

D'altra parte, ancora oggi la maggior parte dei TV in circolazione sono in formato 4:3 e probabilmente questo vetusto formato viene considerato ancora "obbligatorio" per molti broadcaster. Ragion per cui il TOBO ha deciso questa strategia che in fin dei conti offre risultati più che accettabili.

Le immagini a definizione standard vengono riscalate fino a risoluzione HDTV

Come anticipato, gli stessi segnali a definizione standard in formato anamorfico 16:9, subiscono anche un up-scaling a risoluzione HDTV per i network che sono interessati alle trasmissioni di materiale ad alta definizione. Il segnale a risoluzione 720x576 viene quindi riscalato fino a risoluzione 1920x1080 ed inviato con codifica HD-SDI 4:2:2 lungo le fibre ottiche al centro IBC e da qui preparato per la trasmissione satellitare in Europa, Stati Uniti e Giappone. 

L'installazione al CRIT Rai: display e proiettore

La sala all'interno del CRIT Rai in cui sono installati display e proiettore per segnali HDTV

Il progetto della sperimentazione si conclude con la riproduzione delle immagini ad alta definizione. Tra la città di Torino e le località montane sono state predisposte più di 30 installazioni con ricevitori ADB e display Panasonic con tecnologia al plasma e ad alta risoluzione. Purtroppo non è stato possibile utilizzare alcun display o proiettore a piena risoluzione HD.

Durante la visita all'interno del Centro Ricerche Rai, abbiamo avuto la possibilità di osservare l'installazione principale, costituita da una coppia di monitor al plasma Panasonic di ultima generazione TH-50PHD8E e TH-50PH5 con risoluzione di 1366x768 punti.

Display al plasma da 50" Panasonic utilizzati per osservare le immagini HDTV
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I due display al plasma sono collegati rispettivamente mediante collegamento video digitale HDMI ma anche con il più tradizionale segnale video analogico component ad una coppia di decoder ADB collegati a loro volta direttamente al cavo d'antenna terrestre.

Il videoproiettore Digital Projection Super 5gv con tecnologia DLP e risoluzione XGA

Per la riproduzione delle immagini è stato utilizzato anche un videoproiettore con tecnologia DLP della Digital Projection Super 5gv non proprio giovanissimo. La risoluzione dei tre chip DMD utilizzati è quella XGA ma durante la riproduzione di immagini in formato 16:9 viene sfruttata solo l'area di 1024x576 punti.

Setup e collegamenti tra i vari prodotti

I collegamenti tra i decoder ADB ad alta definizione e i monitor al plasma della Panasonic
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Per il collegamento tra decoder ad alta definizione, display e videoproiettore vengono utilizzati i due classici collegamenti analogici e digitali consumer. Nelle immagini in alto possiamo osservare i segnali utilizzati tra i due decoder e la coppia di display al plasma Panasonic.

 
Anche il videoproiettore Digital Projection è stato collegato con segnali component

Il videoproiettore Digital Projection possiede esclusivamente ingressi video analogici di tipo RGB oppure component. Si è quindi preferito il collegamento con segnali component come per il display al plasma Panasonic.

Qualità d'immagine

Visione d'insieme delle tre immagini nella sala al Centro Ricerche Rai
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Nonostante i limiti della tecnologia al plasma (dithering, numero di sfumature) la qualità generale delle immagini riprodotte dai monitor Panasonic è buona e pienamente sufficiente per dimostrare le enormi differenze tra segnali video a definizione standard e quelli a piena risoluzione HD

Alcune delle immagini riprodotte dai due display al plasma Panasonic
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L'interlacciamento dei segnali 1080i ha creato inoltre qualche problema ai DSP video dei due monitor Panasonic che hanno presentato numerosi artefatti di deinterlaccio e di scaling che potrebbero essere scambiati anche per artefatti di compressione MPEG4/AVC.

Il dettaglio generale delle immagini statiche è davvero sensazionale
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A una distanza di visione "normale" i piccoli difetti scompaiono quasi completamente per lasciar posto ad immagini estremamente piacevoli. Gli artefatti di compressione sono decisamente limitati, anche se per un'analisi più dettagliata di questo aspetto sarebbe molto più indicato un monitor con tecnologia CRT.

Conclusioni

Da sinistra Mario Stroppiana (CRIT Rai), Gianluigi Pettazzi (Country Manager ADB)
e Michele Gironda (Product Manager ADB)

Sono passati ormai quasi vent'anni dai primi esperimenti condotti in Italia sulla TV ad alta definizione ma il CRIT Rai continua ancora a stupire per l'alto profilo della ricerca tecnologia e la qualità dei risultati ottenuti. Questa prima sperimentazione con HDTV, MPEG4/AVC/AVC e digitale terrestre che si avvia a ormai a conclusione è pienamente riuscita. Eppure il tempo dell'inizio delle trasmissioni HDTV su digitale terrestre sembra ancora troppo lontano.

Eppure basterebbe pochissimo come obbligare i costruttori a dotare tutti i TV in vendita in Europa di ricevitori DVB-T, come succederà molto presto in altri paesi come USA e Giappone. Solo in questo modo sarà possibile accelerare il passaggio definitivo al Digitale Terrestre0. Soltanto con lo switch dall'analogico al digitale terrestre sarà possibile liberare le frequenze necessarie allo sviluppo dell'alta definizione anche in Italia. 

Un ringraziamento particolare al Dott. Mario Stroppiana della Rai che ci ha guidato tra le meraviglie del  Centro Ricerche di Torin, al Sig. Gianluigi Pettazzi della Advanced Digital Broadcasting e al collega Nicola D'Agostino che hanno reso possibile questa straordinaria esperienza.

Per maggiori informazioni:

www.st.com
www.crit.rai.it
www.eutelsat.com
www.tobo2006.org
www.adbglobal.com
www.panasonic.com
www.crit.rai.it/tvmobile