Agar tidak hilang begitu saja, maka ikatlah ilmu itu dengan cara menuliskannya.

 

 


 
Home | Produk | Alamat Kontak | Management | Bisnis Link | Artikel Teknik


SINYAL VIDEO

Kamera video berwarna menghasilkan 3 buah sinyal yang diberi label RGB (Red, Green, Blue), yaitu tiga buah sinyal yang berisi informasi tentang tiga warna dasar: Merah, Hijau dan Biru. Tiga sinyal video R, G dan B ini selanjutnya disebut dengan sinyal (video) komponen. Gabungan dari tiga komponen sinyal inilah yang kemudian mampu menghasilkan warna-warna yang beraneka ragam pada saat ditampilkan kembali di layar TV berwarna.

Teknologi TV berwarna muncul setelah belasan tahun siaran TV hitam putih berlangsung, sehingga banyak sekali pesawat TV hitam putih yang sudah tersebar di seluruh dunia. Oleh karena itu menjadi penting untuk diupayakan agar pesawat penerima TV hitam putih masih tetap dapat menerima siaran TV berwarna.

Caranya ialah: ketiga sinyal video komponen itu (R, G dan B) dimasukkan ke dalam sebuah matrix (berupa rangkaian resistor) sehingga berubah menjadi sinyal Luminance (Y) dan sinyal Chrominance (U dan V), dimana:

Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B 
U = B – Y = B - (0.299 R + 0.587 G + 0.114 B) = –0.299 R – 0.587 G + 0.886 B
V = R – Y = R - (0.299 R + 0.587 G + 0.114 B) = +0.701 R – 0.587 G – 0.114 B

Gambar (1): Contoh bentuk tegangan sinyal Y, U dan V yang menghasilkan "color bar"

Sinyal Luminance mewakili gelap terangnya gambar, sehingga sinyal ini kompatibel dengan penerima TV hitam putih, sedangkan sinyal Chrominanance berisi informasi warna, dan sinyal Chrominance ini hanya bisa diterima oleh penerima TV berwarna. Di penerima TV berwarna, sinyal Luminance dan Chrominance itu kemudian dikembalikan lagi menjadi 3 sinyal video warna dasar (RGB) dengan cara yang sederhana sebagai berikut:

R = Y + (R – Y)
G = Y – 0.510 (R – Y) – 0.186 (B – Y)
B = Y + (B – Y)

Dari tiga sinyal komponen yang mengandung informasi warna-warna dasar (RGB) inilah gambar-gambar berwarna dapat di reproduksi kembali di layar penerima TV berwarna.


SINYAL VIDEO KOMPOSIT

Untuk mengirim 3 (tiga) buah sinyal dibutuhkan 3 (tiga) buah saluran. Hal ini tentu saja menjadi tidak pratis, karena instalasinya menjadi rumit dan juga mahal. Itulah sebabnya diperlukan suatu cara agar ketiga sinyal itu bisa dikirim melalui satu saluran (satu kabel saja). Caranya adalah dengan menggeser frekuensi dua sinyal Chrominance itu ke frekuensi 4,43 MHz (tepatnya 4,43361875 MHz), dengan pertimbangan bahwa di sekitar frekuensi 4,43 MHz ini adalah merupakan bagian dari detail gambar yang kecil-kecil, dimana mata manusia cenderung tidak peka terhadap elemen gambar yang kecil-kecil ini. Dengan demikian sinyal Chrominace yang digeser ke frekuensi 4,43 MHz ini tidak akan menimbulkan gangguan yang berarti pada mata pemirsa.

Penggeseran frekuensi sinyal Chrominance ke frekuensi 4,43 MHz menggunakan sistem modulasi AM-DSB-SC (AM Double Side Band Supressed Carrier). Tujuannya adalah agar tidak perlu tambahan energi untuk memancarkan sinyal pembawanya. Tapi sebagai akibatnya, berhubung sinyal AM-DSB-SC ini tidak mempunyai sinyal pembawa seperti layaknya sinyal AM, maka untuk mendeteksinya tidak bisa lagi menggunakan Detektor Selubung, tapi harus menggunakan detektor sinkron. Artinya, sinyal ini harus digeser kembali ke frekuensi semula dengan menggunakan osilator yang frekuensinya sama persis dengan yang digunakan di pemancar. Untuk itu diperlukan sinyal sample yang harus dikirim bersamaan dengan sinyal video. Itulah sebabnya pada sinyal video komposit terdapat sinyal sample yang berasal dari osilator 4,43 MHz dimana sinyal ini berfungsi sebagai sinyal referensi untuk detektor sinkron di pesawat penerima. Sinyal sampel yang hanya berisi 8 siklus ini disebut dengan Color Burst.

Di sisi lain bandwidth untuk mengirim sinyal U dan V ini sangat terbatas, maka penggeseran frekuensi sinyal U dan V kemudian dipilih menggunakan satu sinyal yang sama tapi berbeda fasa 90 derajad. Maksudnya, sinyal U dimodulasikan ke dalam sinyal Cosinus sedangkan V dimodulasikan ke dalam sinyal Sinus. Hasilnya adalah berupa sinyal I (In-Phase) dan Q (Quadratur). Sinyal I dan Q ini kemudian dijumlahkan dengan sinyal Luminanance sehingga menghasilkan sinyal video komposit (lihat gambar 2). Dengan cara inilah tiga buah sinyal dapat disalurkan melalui satu kabel atau dipancarkan menggunakan satu pemancar saja.



Gambar (2) Diagram pembentukan sinyal video komposit


SINYAL VIDEO DIGITAL

Untuk mengubah sinyal video (analog) menjadi digital diperlukan sebuah rangkaian A/D (Analog to Digital) converter. Di dalam rangkaian A/D converter tegangan sinyal video analog di-sampling dan hasilnya kemudian dijadikan kode-kode biner dengan level kuantisasi tertentu. Menurut standar ITU-R BT.601-2, ketiga komponen sinyal video itu disampling dengan level kuantisasi 10 bit, sedangkan frekuensi sampling yang digunakan adalah 13,5 MHz untuk sinyal Luminance dan 6,75 MHz untuk sinyal Chrominance. Sinyal Chrominance ini sering juga dinyatakan dengan Cr dan Cb (Chroma Red dan Chroma Blue).

Setelah disampling maka output dari rangkaian A/D converter adalah berupa kode-kode biner yang tersusun paralel. Lalu gar kode-kode ini bisa disalurkan melalui satu saluran, maka masing-masing kode harus dikirim satu-persatu secara bergiliran. Tugas ini dilakukan oleh sebuah switch elektronik yang bekerja sedemikian cepatnya sehingga semua kode-kode biner itu bisa terkirim seluruhnya sebelum nilainya berubah. Selain itu, berhubung ada 3 group kode biner yang harus dikirim, dimana masing-masing diperoleh dari sistem sampling dengan frekuensi 13,5 MHz, 6,75 MHz dan 6,75 MHz, maka kecepatan switch elektronik ini haruslah sama dengan jumlah ketiganya, yaitu = (13,5 + 6,75 + 6,75) MHz = 27 MHz. Dengan demikian akan diperoleh sinyal video digital yang berisi sinyal Y, Cr dan Cb secara serial dengan kecepatan data sebesar 10 bit x 27 MHz = 270 Mbps. Angka inilah yang kemudian dibakukan oleh ITU (International Telecommunication Union) sebagai standar pengiriman sinyal video digital secara serial dan diberi nama ITU-R BT.601.2 (perhatikan gambar 3).

Gambar (3) Mekanisme pengubahan sinyal video analog menjadi digital (serial).

 

Gambar (4) Perubahan bentuk tegangan sinyal video komponen menjadi data-data serial.

 

Gambar (5) Struktur pengaturan data dalam sinyal video.

SISTEM SAMPLING 4:2:2

Menurut teori sampling, sinyal analog yang diubah menjadi digital akan dapat direkonstruksi kembali secara utuh apabila frekuensi samplingnya lebih besar dari 2 kali frekuensi tertingginya. Atas dasar inilah kemudian diambil sebuah kesepakatan bahwa frekuensi sampling ini ditentukan dengan perhitungan sebagai berikut:

Resolusi gambar vertikal       = 625 garis    (mengikuti standar PAL)
Resolusi gambar horizontal   = 720 garis    (mengikuti standar PAL)
Jumlah gambar per-detik      = 30 fps         (mengikuti standar NTSC)

Maka frekuensi sampling untuk sinyal Luminance ditetapkan = 720 x 625 x 30 = 13.500.000 = 13,5 MHz dimana angka ini sesuai dengan syarat teori sampling, mengingat frekuensi tertinggi dari sinyal Luminance adalah 5 MHz.

Selanjutnya, mengingat bahwa mata manusia lebih peka terhadap gelap terangnya gambar (Luminance) dibanding detail-detal warna (Chrominance), maka frekuensi sampling untuk sinyal Chrominance ditetapkan hanya setengahnya saja. Dengan demikian frekuensi sampling untuk sinyal Chromainance adalah 1/2 x 13,5 MHz = 6,75 MHz.

Dari besarnya frekuensi sampling inilah kemudian muncul istilah 4:2:2, dimana dalam satu elemen gambar (pixel = picture element) terdapat sinyal Y sebanyak 4 sampel dan sinyal Cr dan Cb masing-masing 2 sampel. Perhatikan kembali gambar 3 di atas, dimana dalam deretan 8 slot data biner itu terdapat 4 slot data Y, 2 slot data Cr dan 2 slot data Cb.

Gambar 6 di bawah ini adalah cara lain untuk menjelaskan bagaimana output dari sistem sampling 4:2:2 yang dinyatakan dalam bentuk kotak-kotak warna. Kotak hitam mewakili Y, kotak merah mewakili Cr dan kotak biru mewakili Cb. Dalam gambar ini terlihat bahwa di dalam setiap elemen gambar terdapat 4 kotak Y diikuti dengan 2 kotak Cb dan 2 kotak Cr.

                           Gambar (6) Dalam sistem sampling 4:2:2 terdapat 4 Y, 2 Cr dan 2 Cb

 

                            Gambar (7) Variasi dari sistem sampling, yaitu 4:2:0 dan 4:1:1

Mengapa dipilih istilah 4:2:2 dan bukan 2:1:1? Toh maknanya sama saja, bahwa sinyal Luminance disampling 2 kali lipat dari frekuensi sampling sinyal Chrominance. Memang benar, akan tetapi ada satu sistem sampling lain dimana sinyal Luminance disampling sebanyak 4 kali lipat dari sinyal Chrominance, yaitu sistem sampling 4:1:1. Dengan kata lain sinyal Chrominance disampling dengan frekuensi 3,375 MHz sedangkan sinyal Luminancenya disampling dengan frekuensi 13,5 MHz, sehingga kode 2:1:1 tidak bisa digunakan untuk menggantikan 4:2:2.

Ada lagi sistem sampling lain yang tidak kalah populer, yaitu 4:2:0. Di dalam sistem 4:2:0, sampling dilakukan sama dengan 4:2:2 tetapi hanya untuk garis ganjil, sedangkan untuk garis genap sinyal disampling dengan sistem 4:0:0. Artinya untuk garis genap hanya sinyal Luminance saja yang di sampling, sedangkan sinyal Chrominancenya tidak, sementara untuk garis gajil disampling dengan sistem 4:2:2. Lalu garis genap berikutnya 4:0:0, demikian seterusnya.

Tujuan dari pengurangan frekuensi sampling pada Cr dan Cb ini adalah untuk menghemat bandwidth (ketika ditransmisikan) atau untuk menghemat memory (ketika disimpan). Sebab dengan frekuensi yang lebih rendah, tentu laju kecepatan data yang dikirim atau disimpan menjadi berkurang.

Berikut adalah contoh perbandingan kapasitas memory yang dibutuhkan untuk menyimpan video digital berdurasi satu jam, dengan level kuantisasi 10 bit.

Sampling         Kapasitas Memory      Pemakaian
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
  4:4:4           182,250 Giga Byte       Banyak digunakan pada aplikasi graphic / animasi
  4:2:2           121,500 Giga Byte       Banyak digunakan pada HDTV (Broadcast Quality)
  4:1:1             91,125 Giga Byte       Banyak digunakan pada sistem televisi yang mengikuti standar NTSC
  4:2:0             91,125 Giga Byte       Banyak digunakan pada sistem televisi yang mengikuti standar PAL
  3:1:1             75,937 Giga Byte       Banyak digunakan pada peralatan HDCAM (Sony)

Selain standar ITU-R BT.601-2 ada satu standar lagi yang dikeluarkan oleh SMPTE (Society of Motion Picture & Television Engineers) untuk sinyal video digital, yaitu SMPTE 259M beserta beberapa variannya. Tabel (1) berikut menjelaskan perbedaan antar varian-varian tersebut.

     Tabel (1) Varian dari standar SMPTE 259M atau SD-SDI


HIGH DEFINITION

SMPTE-259M dan ITU-R BT.601 keduanya adalah standar untuk menyalurkan sinyal video digital secara serial. Tetapi sinyal video yang dimaksud di sini adalah sinyal video kualitas standar (Standard Definition = SD), sehingga sering disebut dengan Standard Definition Serial Digital Interface (SD-SDI). Disebut Standard Definition (SD) karena resolusi gambar yang ditamplikan mengikuti standar TV analog yang sudah populer sebelumnya, yaitu PAL (720 x 576 pixel).

Seiring dengan berjalannya waktu, resolusi gambar berkualitas standar dirasa tidak mencukupi. ketika ditampilkan di layar yang berukuran lebar gambar akan terlihat pecah dan kabur / tidak detail. Oleh karena itu kemudian muncul peralatan yang mampu menghasilkan gambar dengan kualitas lebih tinggi yang disebut High Definition (HD). Resolusi gambar pada HDTV juga bervariasi, meskipun yang paling sering disebut adalah 1920 x 1080 x 30 fps. Lalu untuk menentukan frekuensi sampling diambil resolusi gambar yang paling tinggi, yaitu:

Resolusi horizontal           = 2200 garis
Resolusi vertikal               = 1125 garis
Total
gambar per-detik    = 30 fps

Dari sini kemudian ditentukan frekuensi sampling untuk sinyal Luminance sebesar = 2200 x 1125 x 30 = 74,25 MHz, sedangkan untuk dua sinyal Chrominance masing-masing disampling dengan frekuensi = 37,125 MHz. Selanjutnya, dengan menjumlahkan ketiga frekuensi sampling ini diperoleh kecepatan data serial = 1,485 GHz. Inilah yang kemudian dibakukan menjadi standar dengan kode SMPTE 292M atau sering disebut High Definition - Serial Digital Interface (HD-SDI).

Untuk pembuatan film diperlukan sinyal video 1080 dengan sistem scanning progresif (1080p). Tapi berhubung peralatan yang tersedia (waktu itu) masih menggunakan standar HD-SDI, maka dibutuhkan dua buah kabel coaxial untuk menghubungkan kamera ke switcher dan ke recorder. Hal ini tentu saja menjadi tidak praktis, karena instalasinya menjadi rumit. Atas dasar inilah lalu dibuat sebuah standar baru agar kedua sinyal itu dapat dilewatkan pada satu kabel saja, namun dengan konsekuensi kecepatan serial atas gabungan keduanya menjadi dua kali lipatnya = 2 x 1,5 Gbps = 3 Gbps. Inilah yang kemudian disebut dengan 3G-SDI dan selanjutnya dibakukan menjadi standar dengan kode SMPTE 424M.

Gambar (8): Perbandingan resolusi gambar SD, HD dan UHD

Pada perkembangan selanjutnya muncul standar baru dengan resolusi gambar sebesar 3840 x 2160 pixel (4 kali lipat dari resolusi gambar HD) yang diberi nama Ultra HD atau UHD-4K (kode 4K diambil dari resolusi garis horizontalnya yang mendekati 4000). Sementara kecepatan pengiriman serial datanya menjadi 4 x 1,5 Gbps = 6 Gbps.

Tidak berhenti sampai di situ, perkembangan berikutnya muncul lagi standar baru dengan resolusi yang lebih tinggi lagi, yaitu UHD-8K dengan detail teknis sebagai berikut:

Resolusi gambar = 7680 x 4320 pixels
Aspect ratio = 16:9
Total gambar perdetik = 120 fps (progresif scanning)
Level kuantisasi = 12 bit (RGB sampling system)
Kecepatan data serial = 144 Gbps (Un-compressed)
Audio system = 22.2 (surround sound)
Jumlah channel = 24 channel (9ch Upper Layer, 10ch Middle Layer, 3ch Lower Layer)
Audio sampling rate: 48/96 kHz; 16/20/24 bit.

Artikel Sebelumnya: Siaran TV Digital. Artikel selanjutnya Kompresi Sinyal Video

Ditulis oleh Dwi Ananto Widjojo @ PT. Dua Wijaya Teleinformatika © 2013