Цифровое телевидение

8 цифровое телевидение

8.1 Общие сведения

Современное вещательное телевидение (ТВ) ориентировано на использование аналоговых сигналов стандартов PAL, SECAM, NTSC. Аналоговое телевидение прошло большой путь. Начало пути для цветного ТВ относится к пятидесятым годам. В настоящее время можно констатировать, что дальнейшее развитие аналоговых методов передачи уже не в состоянии обеспечить сколь-нибудь серьезное улучшение качества телевизионного сигнала, к которому предъявляются все возрастающие требования. Выполнение этих требований связывается с переходом к цифровой форме представления и передачи телевизионных сигналов.

Цифровое телевидение – область телевизионной техники, в которой операции обработки, консервации и передачи телевизионного сигнала связаны с его преобразованием в цифровую форму. При этом появляется возможность создания унифицированного видеооборудования, которое использует единый стандарт цифрового кодирования и в перспективе вытеснит многочисленные варианты систем PAL, SECAM, NTSC. Внедрение цифровых методов существенно обогащает технологию телевизионного вещания, делает ее гибкой и высокопроизводительной, значительно упрощает международный обмен телевизионными программами. Повышается качество передачи сигналов по линиям связи благодаря значительному ослаблению эффекта накопления искажений и применения корректирующих кодов. Рассмотрение цифрового ТВ нельзя ограничивать вопросами, связанными с цифровыми методами обработки и передачи сигналов изображения. Необходимо также учитывать особенности цифровой передачи сигналов звукового сопровождения и дополнительной сопутствующей информации.

Переход от аналогового телевизионного вещания к цифровому можно сравнить с переходом от черно-белого ТВ к цветному. При этом должны выполняться следующие общие требования: высокое качество изображения, совместимость цифровых систем с аналоговыми цветного и черно-белого ТВ, соответствие величин скорости передачи цифрового сигнала Рекомендациям ITU-T (международного союза электросвязи) для цифровых систем.

Цифровая обработка сигнала уже давно применяется при передаче речи, в технике звукозаписи (компакт-диск) и т.д. Самой главной проблемой, мешающей внедрению цифрового ТВ, является большой объем информации, который требуется обрабатывать в режиме реального времени. Для передачи таких объемов необходима очень высокая скорость и, как следствие, широкая полоса частот, занимаемая сигналом.

Классический аналоговый ТВ сигнал занимает полосу частот порядка  6 МГц. Соответствующий цифровой сигнал, как будет показано ниже, должен иметь скорость 200...300 Мбит/с, а если говорить о телевидении высокой четкости HDTV (High Definition TV) – 1200 Мбит/с. Поэтому для работы передатчиков цифрового ТВ по современным каналам связи нужно стремиться к уменьшению скорости передачи данных до приемлемого значения без ущерба качеству изображения.

В 1991 году в Европе была завершена разработка международных стандартов на методы модуляции в цифровых спутниковых и наземных каналах связи: DVB-S, DVB-C, DVB-T (Digital Video Broadcasting-Satellite, -Cable, -Terrestrial). Разработанные способы позволяют снизить скорость передачи цифрового сигнала не только до уровня аналогового, но и значительно ниже этого уровня при качестве, даже превосходящем аналоговое ТВ.

В стандарте DVB были определены 4 основных качественных уровня: низкий уровень разрешения (LDTV – Limited Definition TV), нормальный (SDTV – Standard Definition TV), повышенный (EDTV – Extended Definition TV) и высший (HDTV – High Definition TV). Указанные уровни (табл.8.1) по качеству изображения соответствуют системам, применяемым при записи – воспроизведении в домашних видеомагнитофонах VHS (Video Home System), современного аналогового ТВ, студийного стандарта и телевидения высокой четкости (ТВЧ).

Рекомендуемые материалы

Снижение скорости было достигнуто с применением разнообразных методов сжатия цифрового сигнала. Сжатие позволило обеспечить большую экономию технических средств. Например, если в аналоговом варианте каждый транспондер (ствол) передает всего одну программу (1 канал ТВ), то в цифровом варианте число программ возрастает до 16 (рис.8.1)

Федеральной комиссией связи США принято решение прекратить в 2006 году аналоговое телевизионное вещание на 525 строк.

Таблица 8.1

В конечном итоге система многопрограммного цифрового телевизионного вещания (DVB – digital Video Broadcasting) должна быть встроена в существующий частотный план распределения ТВ каналов, который предусматривает полосу пропускания 8 МГц для эфирного и кабельного ТВ вещания, 27 МГц – для спутниковых систем непосредственного ТВ вещания и 33, 36, 40, 46, 54, 72 МГц – для фиксированных служб спутниковой связи (см. раздел 6).

Возможны 2 варианта систем DVB. В системе первого типа (полностью цифровой) преобразование передаваемого изображения в цифровой сигнал и обратное преобразование цифрового сигнала в изображение осуществляется непосредственно в преобразователях свет – сигнал и сигнал – свет. Во всех остальных звеньях тракта передачи изображения информация передается в цифровой форме. В перспективе создание таких преобразователей возможно. Однако более реальны (и сейчас уже функционируют) системы DVB второго типа, в которых аналоговый ТВ сигнал, получаемый с датчиков, преобразуется в цифровую форму, подвергается необходимой обработке, передаче или консервации, а затем снова приобретает аналоговую форму. При этом используются существующие телевизионные станции и парк телевизионных приемников.

В настоящее время, как уже сказано, находят применение системы DVB второго вида. Можно выделить ряд общих принципов построения систем и устройств DVB и охарактеризовать основные процессы, происходящие в тракте, обобщенная структурная схема которого приведена на рис. 8.2.

На вход тракта DVB поступает аналоговый телевизионный сигнал. В кодере ТВ сигнала (АЦП) аналоговый сигнал превращается в цифровой и поступает на передающее устройство, которое в общем случае состоит из кодера канала и устройства преобразования сигнала (например, модулятора). Пройдя через канал связи, цифровой сигнал поступает в приемник, включающий устройство обратного преобразования (например, демодулятор), канальный декодер и декодер ТВ сигнала (ЦАП), преобразующий цифровой сигнал в аналоговый.

В качестве компромисса между аналоговым и цифровым ТВ для первого поколения европейских систем непосредственного телевизионного вещания был разработан комбинированный цифроаналоговый стандарт MAC (Multiplexing Analogue Components – уплотнение аналоговых компонент). Стандарт ориентирован на получение улучшенного изображения по сравнению с системами PAL, SECAM, NTSC при передаче по протяжённым каналам связи.

В стандарте принят метод поочередной передачи (временное разделение) на периоде активной части строк сжатых во времени аналоговых сигналов яркости и цветоразностных взамен применяемого во всех системах метода перемежения спектров. Сигналы звукового сопровождения, синхронизации, служебная и дополнительная информация передаются в цифровой форме. Предложено несколько модификаций системы MAC, объединённых условным обозначением Х-МАС, где Х = А, В, С, D и D2 – для телевидения повышенного качества (ТПК), а Х = HD и HDB – для ТВЧ.

Буква (А, В, С, D), входящая в название системы MAC, определяет принцип объединения сигнала изображения и цифрового сигнала звук/данные (синхронизация и др.). Это объединение разделенных во времени сигналов может происходить либо в основной полосе частот (видеополосе) – системы В, D, D2, либо в радиополосе – система С.

Как пример рассмотрим систему С-МАС. В этой системе аналоговый сигнал яркости стробируется (дискретизация во времени) с частотой , а цветоразностные сигналы – с частотой  (о выборе частоты дискретизации речь пойдет ниже). Полученные отсчеты накапливаются в буферной памяти, после чего считываются с частотой, превышающей в 1,5 и 3 раза соответственно частоты  и . С учетом указанных коэффициентов частота считывания . Полученные последовательности отсчетов затем с помощью ЦАП снова трансформируются в аналоговые сигналы яркости и цветоразностные, но уже в сжатом во времени виде – соответственно с коэффициентом сжатия 1,5 для сигнала яркости и 3 – для цветоразностных сигналов. Эти аналоговые сжатые сигналы имеют время передачи соответственно  и  ( – длительность прямого хода по строке) и поочередно модулируют по частоте (ЧМ) несущую передачи , которая переносит их в область радиочастот.

Оцифровывание сигнала звука осуществляется по методу АИКМ с частотой  при числе двоичных разрядов на отсчет n=10...14. В результате скорость цифрового потока варьируется в пределах 320...448 кбит. Такая система АЦП обеспечивает высококачественное воспроизведение звука в полосе 15 кГц. В системе также предусмотрена передача звука среднего качества в полосе 7,5 кГц при . Стандарт определяет возможность передачи до 6 программ звукового сопровождения.

Групповой цифровой поток образуют не только звуковые программы, но и сигналы синхронизации и другие дискретные данные. Для защиты цифровой информации применяется помехоустойчивое кодирование. Цифровой поток разбивается на пакеты, которые передаются на длительности строчного, кадрового и гасящего импульса сигналами 2(4) – позиционной фазовой модуляцией (ФМ – 2(4)) на частоте , не совпадающей с несущей видеосигнала.

Таким образом, если представить длительность строки, состоящей из активной части и пассивной (передача гасящих импульсов), то имеет место последовательное во времени ее использование: передача цифровых сигналов с модуляцией ФМ – 2(4) на несущей , затем передача сжатых цветоразностных сигналов на , и затем передача сжатого сигнала яркости на . Последовательная передача частот обеспечивает отсутствие интерференции между несущими  и , так как в любой момент передатчик излучает модулированное колебание одной несущей.

В системе D2-MAC аналоговые сигналы яркости и цветности также сжимаются в 1,5 и 3 раза соответственно и размещаются поочередно на длительности активной части строки. Причем каждая строка содержит только один из двух цветоразностных сигналов. Цифровая часть сигнала, соответствующая звуку, синхронизации, телетексту и другим данным, объединена в пакеты и занимает временной интервал обратного хода луча по строке и кадру. Таким образом, здесь имеет место полная аналогия с системой С-МАС. Основное различие состоит в том, что оба сигнала поочередно модулируют по частоте одну и ту же несущую.

8.2 Цифровая обработка телевизионного сигнала

8.2.1 Общие сведения

В зависимости от вида преобразуемого сигнала различают методы цифрового преобразования:

- полного цветового сигнала – непосредственное (композитное) кодирование;

- отдельных составляющих полного цветового сигнала (сигнала яркости, синхронизации и цветоразностных сигналов) – компонентное (раздельное) кодирование (рис.8.3). Оба метода реализуются на основе АЦП типа ИКМ.

Правильный выбор параметров дискретизации (структуры и частоты дискретизации) является одним из важнейших условий высокого качества передаваемого в цифровой форме изображения. Проведенные исследования показали целесообразность применения частоты дискретизации, тесно связанной с частотами строк и кадров, что обеспечивает постоянное количество отсчетов в строке и образование фиксированной структуры дискретизации.

К основным типам структур дискретизации относятся: ортогональная, отдельные элементы которой расположены в соседних полях на одинаковых позициях в вертикальном направлении (строки первого поля - 1,2,3…, второго - 313,314…) (рис.8.4,а); со строчным чередованием точек, образованная в результате сдвига на половину интервала дискретизации отсчетов соседних строк данного поля (рис.8.4,б); с чередованием точек по полям, созданная двумя ортогональными структурами в двух полях в результате сдвига отсчетов соседних полей на половину интервала дискретизации (рис.8.4,в).

Для различных методов цифрового преобразования сигналов разных систем цветного ТВ частота дискретизации f_д может различаться. В частности, она неодинакова для сигналов изображения и звука. Для метода компонентного кодирования f_д может иметь три различных значения, соотносящихся как К1:К2:КЗ с тремя сигналами: одним – яркости и двумя – цветоразностными. Например, рассматриваются системы с отношением частот дискретизации сигнала яркости и цветоразностных сигналов К1:К2:К3=4:4:4; 4:2:2; 4:1:1. В последнем случае на четыре отсчёта сигнала U_Y приходится по одному отсчёту сигнала U_R-Y и U_B-Y.

Для унификации и стандартизации параметров ЦТВ систем была принята международная Рекомендации CCIR-601. В ней определены значения основных параметров АЦП для телевизионного сигнала при компонентном кодировании для аппаратно-студийных комплексов (АСК) телецентров при стандартах разложения в 625 и 525 строк.

Исходя из F_max = 6 МГц, частота дискретизации f_д > 12 МГц, а ее номинальное значение должно выбираться, как уже было сказано, с учетом получения фиксированной, например ортогональной, структуры дискретизации. Последнее обусловливает необходимость кратности номинала f_д частоте строк (f_с) и кадров (f_к) для стандартов разложения 625 строк, 25 кадров/с и 525 строк, 30 кадров/с. Наименьшее общее кратное этим частотам равно 2,25 МГц. Поэтому для дискретизации сигнала яркости (Y) подходит частота

Компонентное кодирование выполнено по формуле К1:К2:К3=4:2:2, что означает выбор частоты дискретизации цветоразностных сигналов, равной 13,5:2=6,75 МГц. Подобное соотношение частот на длительности активной части строки Т_с.пр обеспечивает N_Y=720 отсчетов сигнала яркости и N_v = N_u =360 отсчетов для каждого цветоразностного сигнала:

 

 - относительная длительность обратного хода по строке (см. раздел 2).

При 8-битовом кодировании суммарная скорость цифрового потока, получаемого путем объединения (мультиплексирования) потоков сигнала яркости (13,5x8=108 Мбит/с) и двух цветоразностных сигналов R-Y и B-Y (6,75x8x2=108 Мбит/с), равна 216 Мбит/с. Предусмотрена возможность применения формата более низкого уровня 2:1:1 (частоты дискретизации 6,75 и 3,375 МГц) и формата 4:1:1 (13,5 и 3,375 МГц).

Требование совместимости стандартов цифрового кодирования заключается в сравнительно простом переходе от одного стандарта к другому. Для форматов ортогональной структуры дискретизации переход, например, от формата 4:4:4 к 4:2:2 осуществляется отбрасыванием каждого второго отсчета цветоразностных сигналов (см. рисунок 8.5, где светлый кружок означает отсчёт только , а тёмный - отсчёт как , так и цветоразностных сигналов). Аналогично, переход от 4:2:2 к 4:4:4 заключается в восстановлении недостающих отсчетов цветоразностных сигналов и т.п. На рис.8.5 представлен также формат 4:2:0, который отличается от формата 4:2:2 дополнительным исключением отсчетов по горизонтали (цветоразностные сигналы передаются через строку).

Как при непосредственном, так и при компонентном кодировании цифровой телевизионный сигнал занимает значительно большую полосу частот, чем аналоговый, что делает невозможным его передачу по существующим каналам связи. Поэтому, как было сказано выше, центральной проблемой цифрового ТВ является уменьшение скорости передачи цифрового потока. Она решается путем устранения избыточности телевизионного сигнала.

Визуальная избыточность заключается в той части информации, которая не воспринимается глазом человека. Например, цветовая разрешающая способность зрения в 4 раза ниже, чем яркостная. Это позволяет передачу цветоразностных сигналов осуществлять в сокращенной полосе частот, а значит – снизить частоту дискретизации для этих сигналов. Кроме того, учет статистических свойств цветоразностных сигналов дает возможность уменьшить для них число отсчетов, приходящихся на строку, поле, кадр (форматы 4:2:2, 4:1:1, 4:2:0).

Статистическая избыточность вызвана корреляционными связями между элементами в одной строке, в смежных строках и соседних кадрах. Наличие сильных корреляционных связей между близко расположенными элементами изображения обеспечивает высокую эффективность применения методов кодирования с предсказанием.

В кадре телевизионного сигнала может быть много однородных фрагментов с одинаковым уровнем яркости и цветности (структурная избыточность), а различия между соседними кадрами могут быть очень малы. Современные методы сжатия телевизионного сигнала позволяют избавиться от такой избыточности с помощью межкадрового (межполевого)и внутрикадрового (внитриполевого) кодирования и, следовательно, уменьшить объем передаваемых данных.

Весьма эффективным методом сокращения избыточности является групповое кодирование с преобразованием, которое предполагает передачу вместо дискретных отсчетов сигнала определенных линейных комбинаций из совокупности этих отсчетов. Указанная замена производится внутри небольшого участка изображения, содержащего группу из ограниченного числа элементов. В основу преобразования изображения могут быть положены различные методы. Наиболее предпочтительны методы линейных ортогональных преобразований (дискретное преобразование Фурье – ДПФ, преобразование Уолша-Адамара, Хаара и др.). На практике необходимо найти разумный компромисс между результатом кодирования (сжатие с достаточным качеством) и аппаратурной сложностью реализации.

8.2.2 Трансформное кодирование

Трансформное кодирование (ТК) или кодирование с преобразованием, состоит в том, что информационное сообщение С путем некоторого преобразования А приводится к виду (оно называется изображением S), который наиболее удобен с точки зрения сокращения избыточной информации и (или) уменьшения чувствительности к ошибкам кодирования и передачи: . После передачи S по цифровому каналу связи и обратного преобразования А^-1 получаем сообщение С^*; оно по основным показателям мало отличается от исходного С: .

Процесс преобразования, как правило, основан на разделении информационного сообщения на частичные подобласти-фрагменты (блоки) и их отдельной обработке. Различают одно-, двух- и трехмерные фрагменты. Для речевых сигналов (РС) используют только одномерные фрагменты, которые представляют собой блоки отсчетов РС постоянной длительности DТ=NT_д, где T_д – период дискретизации РС, N – число анализируемых отсчетов в блоке.

Процесс преобразования изображений (подвижных и неподвижных) проводится, как правило, над двумерными фрагментами одного поля изображения, содержащими N₁ строк и N₂ элементов в каждой строке, т.е. блоки отсчётов размером N₁´N₂. В телевизионном вещании применяют также и трехмерные фрагменты размером N₁´N₂´N₃, где N₃ – число соседних полей (кадров) изображения.

Рассматривая фрагменты как одно- или двухмерную матрицу отсчетов С, после преобразования А получим матрицу той же размерности из так называемых спектральных коэффициентов (или трансформант) изображения S, которые и являются объектом передачи по цифровому каналу связи.

Тип преобразования А выбирается из ряда соображений. Во-первых, оно должно приводить к такой матрице коэффициентов S, для которой значительная часть коэффициентов могла быть заменена константами и не передаваться. Во-вторых, оно должно давать минимальную среднеквадратичную погрешность восстановления сообщения на приемной стороне. В третьих, необходимо, чтобы преобразование производилось в реальном времени, было относительно простым в реализации и рассчитано на применение быстрых алгоритмов вычислений.

Ни один из известных типов преобразований по совокупности этих показателей не является абсолютно лучшим. Широкое применение для кодирования речевых и телевизионных сигналов получил метод дискретного косинусного преобразования (ДКП). Для одномерного массива данных С_i, i=0, 1, ... N-1, прямое ДКП определяется как

 , m=1, 2,…N-1.          (8.1)

При обратном преобразовании по известным спектральным коэффициентам S_m определяют отсчеты восстановленного сигнала

               (8.2)

Как следует из этих выражений, сигнал С на интервале DТ=NT_д представляется в виде конечной суммы постоянной составляющей S₀ и набора косинусоид, частота которых кратна f₀=1/2DТ, а амплитуда равна S_m.

Большинство информационных сообщений характеризуется высокой степенью корреляции соседних элементов (отсчетов) сообщения. Поэтому основная энергия изображения S концентрируется на более низких обобщенных частотах (для одномерных РС – с малыми значениями m). Это позволяет осуществлять фильтрацию (отбрасывание) высокочастотных трансформант, что и приводит к существенному уменьшению объёма информации, передаваемой по каналу. Дополнительная возможность сокращения этого объема может быть реализована за счет различного квантования разных спектральных коэффициентов.

В зависимости от того, каким образом осуществляется фильтрация трансформант и их квантование (кодирование), различают фиксированное и адаптивное преобразование (АТК). В первом случае фильтруются все коэффициенты с номерами m>m₁, причем каждый из оставшихся коэффициентов квантуется и кодируется по фиксированному (линейному или логарифмическому) закону в виде фиксированной b_i-битовой комбинации (i=0,1,...m₁). Коэффициент сжатия К_сж цифрового сигнала, который образуется в результате такого кодирования, определяется путем сравнения числа бит на блок из N отсчетов непосредственно первичного сигнала С (здесь будем полагать типовое 8-битовое кодирование) и числа бит, требуемых на передачу кодированных трансформант изображения S

                                    8.3)

В адаптивных кодерах с преобразованием от блока к блоку могут адаптивно меняться число фильтруемых коэффициентов m₁, число бит b_i, выделяемых на каждый коэффициент, и соответственно закон квантования трансформанты. Поэтому коэффициент сжатия может быть дополнительно уменьшен по сравнению с (8.3).

Как показывают экспериментальные исследования, в сравнении с типовым цифровым каналом (ИКМ, 64 кбит/с, А-закон компрессии) метод АТК позволяет получить качество речи, оцениваемое субъективно, как удовлетворительное, при скорости передачи 8 кбит/с, т.е. при коэффициенте сжатия 1:8. При скорости передачи 16 кбит/с качество передачи речи практически такое же, как в типовом канале. По реализации кодек АТК является достаточно сложным.

8.2.3 Гибридные методы кодирования

Гибридные методы кодирования представляют собой сочетание нескольких видов кодирования, которые применяются к данному типу сигнала параллельно или последовательно. Практически все современные кодеки являются гибридными. Сочетание нескольких видов кодирования позволяет в наибольшей степени устранить избыточность в сигнале и тем самым снизить скорость передачи. Одновременно это дает возможность сохранить высокую устойчивость к воздействию помех в канале передачи. Групповой цифровой сигнал перед подачей в линию связи, как правило, подвергают специальной обработке – кодозащите с помощью устройств помехоустойчивого кодирования. Такие кодеры и декодеры, именуемые в совокупности кодеками канала, основаны на использовании специальных кодов, называемых часто по фамилиям предложивших их авторов: код Витерби, Рида-Соломона и др. Анализ методов построения и работы таких кодеков изложен в специальной литературе. Они могут использоваться самостоятельно или входить в состав гибридного кодека сигнала.

Наиболее полно гибридный характер построения кодека проявляется в кодеках сигналов изображений: неподвижных (факсимильных, «газетных полос») и подвижных (телевизионных), поскольку эти сигналы занимают большую полосу пропускания, а при непосредственном кодировании методом ИКМ требуют цифрового канала с высокой скоростью передачи. Среди различных методов кодирования таких сигналов (они рассмотрены в специальной литературе), рассмотрим основные, которые рекомендованы международным союзом электросвязи (МСЭ).

В 1990г. объединенной группой экспертов в области фотографии (Joint Photographic Experts Group, JPEG) был предложен алгоритм сжатия цветных неподвижных изображений, названный JPEG. Алгоритм содержит несколько этапов обработки. Сначала цветное изображение, состоящее из 3-х цветоделенных изображений красного (R), зеленого (G) и синего (B) цветов, при последовательном считывании переводится из пространства RGB в пространство YUV, где Y@0,3R+0,59G+0,11B – компонент яркости, а U=R-Y, V=B-Y – цветоразностные компоненты (см. раздел 4).

Цветовое пространство UV не требует высокого пространственного разрешения из-за свойства зрения, поэтому на втором этапе выполняют операцию прореживания, когда отбрасывают (исключают из анализа как избыточные) отдельные строки и столбцы U- и V-компонентов. Для каждого компонента обычно выполняется прореживание с коэффициентом 2:1:1, когда отбрасываются элементы (пикселы) цвета каждой второй строки и каждого второго столбца.

На третьем этапе каждое двумерное пространство пикселов Y, U и V по отдельности подвергается спектральному преобразованию по методу дискретного косинусного преобразования (ДКП). Обработка ведется блоками N´N пикселов, где N=8, т.е. по 8 элементов в 8 соседних строках. Расчет спектральных коэффициентов ведется по аналогии с (8.1), при этом интенсивность цвета (или яркости) L(p,q) в точке с координатами p, q, где p,qÎ[0,N-1], связана с величиной спектрального коэффициента S_mn выражениями

    (8.4)

В матрице коэффициентов S_mn, отражающих амплитуды пространственных частот в изображении L(p,q), максимальные коэффициенты, которые характеризуют низкие пространственные частоты, расположены в верхнем левом углу матрицы N´N, а минимальные, соответствующие верхним пространственным частотам, – в правом нижнем.

На четвертом этапе производится «отбрасывание» (фильтрация) малых коэффициентов S_mn и кодирование оставшихся. Фильтрация может быть фиксированной, например, по правилу «зоны»: исключаются (обнуляются) коэффициенты для которых (n+m)>k, где k – заранее выбранное число, или по правилу «порога»: отбрасываются те коэффициенты, которые меньше максимального коэффициента в определенное число раз t. Как правило, при N=8 в матрице остается от 3 до 10 коэффициентов. Квантование и кодирование оставшихся коэффициентов осуществляется по-разному в зависимости от частоты появления: часто встречающиеся коэффициенты (обычно с малым значением n и m) кодируются более короткими кодовыми комбинациями, редко встречающиеся – более длинными. Такое кодирование символами переменной длины называется кодированием по Хаффмену. Оно позволяет уменьшить среднюю длину кодовой последовательности для передачи спектральных коэффициентов. Отметим также, что квантование U- и V-составляющих выполняется более грубо.

Определим ориентировочно эффективность кодирования по алгоритму JPEG для передачи цветного неподвижного изображения, содержащего N_э элементов (пиксел) по строке и N_с строк. При обычном кодировании на передачу одного изображения потребовалось бы N_S2=N_э×N_с(m_Y+m_U+m_V), бит, где обычно m_Y=8, m_U=m_V=4.

При эффективном кодировании требуется бит, где

, (8.5)

где N=8; N_ср - среднее число учитываемых спектральных коэффициентов в матрице N´N; m_ср.Y, m_ср.U, m_ср.V - среднее число бит на один отсчет спектрального коэффициента для Y-, U- и V-составляющих. Полагая N_ср@8; m_ср.Y=6; m_ср.U=m_ср.V=3, найдем коэффициент сжатия объёма изображения

                       (8.6)

При таком сжатии передача цветного изображения формата А4 в течение 1 мин. с разрешением порядка 600´900 пиксел потребует цифрового канала со скоростью передачи С_к=N_э2’/60@11 кбит/с.

Для сжатия подвижных (например, телевизионных) изображений алгоритм JPEG этой же группой разработчиков был несколько модернизирован и приведен к варианту Motion JPEG (MJPEG). Для него при передаче N_к кадров в секунду и сохранении тех же параметров кадра, что и в алгоритме JPEG, требуется цифровой канал со скоростью передачи С_к=N^’_Σ2×N_к@11∙10³ 60∙25 =16,5 Мбит/с.

Более высокая степень сжатия цветных движущихся изображений была получена при использовании алгоритма обработки MPEG (Motion Picture Experts Group), предложенном в 1992 г. международной группой экспертов по телевидению. В отличие от алгоритмов JPEG и MJPEG, здесь использовалась не только внутрикадровая избыточность ТВ изображений, но и межкадровая, которая проявляется в том, что изменение содержания изображения от кадра к кадру, как правило, очень мало.

8.3 Стандарт MPEG

С целью унификации методов сжатия и восстановления цифрового видеосигнала в рамках единых стандартов, объединяющих потоки видео-, аудио- и иной цифровой информации, были созданы международные стандарты для сжатия телевизионного сигнала: MPEG-1, MPEG-2, MPEG-3, MPEG-4. Использование стандартов MPEG позволяет движущиеся изображения обрабатывать и хранить как компьютерные данные, передавать их по существующим цифровым сетям и каналам связи.

Стандарт MPEG-1 (1992 г.) предназначен для записи видеоданных на компакт-диски и передачи изображения ТВ по сравнительно низкоскоростным (1...3 Мбит/с) каналам связи. В нем используется стандарт развертки с четкостью значительно меньшей, чем в вещательном ТВ: 288 активных строк в кадре с 352 отсчетами в активной строке (качество изображения примерно такое же, как в бытовом видеомагнитофоне).

Стандарт MPEG-2 (1994 г.) является основным стандартом и обеспечивает высокую четкость вещательного ТВ: 576 активных строк в кадре и 720 отсчетов в строке. При скоростях передачи 3 ... 10 Мбит/с MPEG-2 обеспечивает качество обычного телевизионного стандарта, а на скоростях 15...30 Мбит/с – качество ТВЧ.

Стандарт MPEG-3 рассматривался как промежуточный вариант и практического применения не получил.

Стандарт MPEG-4 предназначен для передачи видеоданных в низкоскоростных системах мультимедиа и видеоконференций по цифровым телефонным каналам. По своим характеристикам MPEG-4 уступает возможностям MPEG-1, обеспечивая еще меньшую четкость: 144 активных строки в кадре при 176 отсчетах в строке. Это позволяет снизить скорость цифрового потока до 64 кбит/с.

Остановимся на основных моментах стандарта MPEG-2.

Содержание стандарта составляют три основные части: системная, видео- и звуковая.

Системная часть описывает форматы кодирования для мультиплексирования звуковой, видео- и другой информации, рассматривает вопросы комбинирования одного или более потоков данных в один или множество потоков, пригодных для хранения или передачи. Видеочасть стандарта содержит описание кодированного цифрового потока сигнала изображения. Звуковая часть стандарта определяет кодирование многоканального звука.

Стандарт MPEG-2 – это целое семейство взаимно согласованных совместимых цифровых подстандартов сжатия ТВ сигнала с различной степенью сложности алгоритмов. Реализация их совместимости обеспечивается разбиением стандарта на 5 профилей, каждый из которых содержит 4 уровня. В четырех из пяти профилях используется формат представления видеоданных 4:2:0. В самом высшем (профессиональном) профиле реализуется формат 4:2:2. Совместимость предполагает, что декодеры более высоких профиля и уровня декодируют цифровой поток более низких профиля и уровня.

Сам стандарт MPEG-2 не регламентирует конкретный метод сжатия, а только определяет результат сжатия – вид кодированного видеосигнала. Алгоритм, положенный в основу MPEG-2, включает определенный базовый набор последовательных процедур обработки: дискретизацию аналогового видеосигнала, предварительную обработку, дискретное косинусное преобразование (ДКП), квантование, кодирование.

В качестве исходного видеосигнала для сжатия выступает компонентный ТВ сигнал RGB, который затем преобразуется в сигнал яркости Y и два цветоразностных сигнала U, V (R-Y, B-Y). Именно эти сигналы (Y, U, V) затем подвергаются дискретизации в формате 4:2:0 или 4:2:2.

После дискретизации осуществляется предварительная обработка, которая имеет целью подготовку массива отсчетов (Y, U, V) для реализации следующих операций. На этом этапе массив отсчетов изображения разбивается на последовательность фрагментов размером (16х16) элементов (пикселов – pixel). Каждый фрагмент состоит из блоков яркости (Y) и блоков цвета (U, V) (рис.8.6). Общее количество блоков, имеющих размер (8x8) и образующих фрагмент изображения, в зависимости от формата дискретизации будет 8 или 6. Из них четыре блока – 4х(8х8) образуют макроблок (16х16) и несут информацию о яркости (Y). Каждому сигналу цвета (U и V) в формате 4:2:2 соответствует по два блока (8x8), а в формате 4:2:0 – по одному блоку (8х8).

Основная компрессия достигается благодаря устранению избыточности ТВ сигнала. Статистическая избыточность предполагает межэлементную корреляцию как внутри кадра, так и между кадрами. В свою очередь, это обеспечивает возможность внутрикадрового и межкадрового предсказания. Для того чтобы реализовать процедуру предсказания, последовательность кадров видеосигнала подразделяется на три типа: опорные, Р-, В-кадры.

Опорные кадры (Independent – I-Frames) являются основными и предполагают внутрикадровое предсказание, что обеспечивает умеренное сжатие. Все остальные кадры сравниваются с опорными или между собой.

Р-кадры (Predicted Frames) используют межкадровое предсказание «вперед» по предшествующим I- и Р-кадрам. Степень сжатия в них в три раза больше, чем в I-кадрах. Кадры этого вида служат опорными для последующих Р-, В-кадров.

В-кадры (Bidirectionally Predicted Frames) применяют для двунаправленного предсказания, т.е. относительно как предыдущих, так и последующих кадров. В-кадры имеют наибольшее сжатие.

Кадры объединяются в группы последовательных кадров. Каждая группа начинается с I-кадра, который кодируется (сжимается) и соответственно декодируется без обращения к другим кадрам. Сжатие Р-, В-кадров предполагает выявление различий (разностей) между кадрами.

Техника вычисления разностей, реализованная в стандарте, имеет смысл «предсказания движения» (motion prediction). Суть ее состоит в том, что изменения в изображении интерпретируются как смещение малых областей изображения. Разбив изображение на фрагменты (16х16) элементов и определив их расположение в кадре, можно для каждого фрагмента найти набор параметров, предсказывающий направление и значение смещения. Этот набор данных называют вектором движения, а всю операцию – предсказанием с компенсацией движения, которая, кроме вектора движения, еще вырабатывает значения ошибок, характеризующих разницу между предсказанными и истинными величинами. Важно отметить, что вектор движения, который можно предсказать по предыдущим кадрам, сам непосредственно не передается в канале связи, а вместо него передается разность между истинным и предсказанным значениями.

На следующем этапе обработки разностные ошибки предсказания (для P-кадров) блока (8x8) или сам блок (для I-кадров) подвергаются двумерному дискретному косинусному преобразованию (DCT – discrete cosine transform). ДКП (см. (8.4)) представляет собой разновидность преобразования Фурье и так же, как оно, имеет обратное преобразование (ОДКП), что позволяет переходить от пространственного представления блока к спектральному представлению и обратно. В результате применения ДКП блок ошибок (или блок отсчётов для I-кадров) размером (8x8) (рис.8.7,а) трансформируется в блок (8x8) частотных коэффициентов (см. рис.8.7,б). Каждый коэффициент характеризует амплитуду определенной частотной составляющей. Причем низкочастотные составляющие, как уже говорилось, расположены ближе к левому верхнему углу блока, а высокочастотные – справа внизу.

Другими словами, ДКП-блок можно трактовать как двумерный частотный спектр изображения в вертикальном и горизонтальном направлениях. При этом основная энергия концентрируется около низкочастотных составляющих. Амплитуды менее значимых высокочастотных составляющих, как правило, малы, поэтому их исключение почти не сказывается на качестве изображения. Следовательно, ДКП позволяет определить, какой частью информации можно безболезненно пренебречь, балансируя между качеством воспроизведения и степенью сжатия. На приеме выполняется ОДКП, которое преобразует массив спектральных коэффициентов в массив пространственных коэффициентов, характеризующих исходное изображение.

Следует заметить, что само ДКП осуществляет преобразование информации без потерь и не осуществляет сжатия. Оно подготавливает данные для реализации сжатия с потерями с помощью квантования частотных коэффициентов и кодирования.

Операция квантования (округления) имеет обычный смысл замены фактических значений коэффициентов целыми числами уровней квантования (см. рис.8.7,в). Причем с учетом высказанного отношения к высокочастотным компонентам шаг квантования обычно выбирается неравномерным – увеличивается с увеличением частоты, т.е. операция относится к разряду адаптивных. В результате количество значимых чисел резко сокращается.

Формирование последовательности квантованных коэффициентов для подачи на кодер осуществляется с помощью “зиг-заг-” или Z-упорядочивания (см. рис.8.7,в), которое выстраивает коэффициенты в порядке возрастания частоты. При этом, как правило, в последовательности считываемых коэффициентов образуются блоки, состоящие из элементов с одинаковыми значениями, например, из одних нулей. Вид последовательности представлен на рис. 8.7. Здесь же изображен сжатый вид записи этой последовательности в форме повторяющихся (х) одинаковых коэффициентов.

Тип кодирования в стандарте не определен, что допускает применение различных видов кодов. Это может быть код Хаффмена, арифметический код. Дополнительная компрессия достигается отдельным кодированием больших блоков повторяющихся значений, например, нулей. Кодер MPEG-2 должен иметь многокадровый буфер (память), в котором происходит накопление данных до их использования. Поскольку канал связи функционирует с постоянной скоростью, то буфер позволяет устранить флюктуации скорости источника.

"6 Супы-пюре" - тут тоже много полезного для Вас.

Оценим примерное значение коэффициента сжатия цифрового сигнала, получаемого за счет применения межкадрового кодирования. Это обстоятельство в алгоритме MPEG используется следующим образом. Последовательность кадров в кодере разбивается на блоки по 12 кадров (рис.8.8,а). Первый кадр блока называется базовым (обозначается I) и он подвергается только внутрикадровому сжатию. Кадры под номерами 4, 7, 10 называются предсказанными (обозначаются Р_j, j=1,2,3). В них передаются только сигналы ошибок предсказания спектральных коэффициентов изображения кадра P₁ относительно кадра I (или кадра P_j+1 относительно P_j). Ошибка предсказания обычно определяется так же, как и в системе ДИКМ с предсказанием первого порядка, т.е. представляет собой квантованную разность между текущим и предыдущим отсчетом. Остальные 8 кадров блока (под номерами 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 12) вообще не передаются. На приемной стороне (в декодере) кадры блока под именами I и P_j восстанавливаются точно, а пропущенные кадры восстанавливаются приближенно, путем интерполяции. Для упрощения этой операции в алгоритме MPEG принято, что каждый пропущенный кадр замещается ближайшим кадром I или P (рис.8.8,б). За счет межкадрового кодирования коэффициент сжатия объёма ТВ сигнала возрастает по сравнению с (8.5), (8.6) дополнительно в q раз, где

                   (8.7)

Здесь учтено, что в кадрах P_j объём изображения примерно в два-три раза меньше, чем в кадре I, за счет ДИКМ.

В алгоритме MPEG получен также дополнительный выигрыш и при внутрикадровом сжатии, поскольку здесь, в отличие от JPEG, перед спектральным преобразованием в пространстве Y применяется отбрасывание каждой второй строки и каждого второго столбца пикселов. Чтобы эта операция не отразилась на четкости яркостного изображения, на приемной стороне (в декодере) пропущенные данные о яркости восстанавливаются путем интерполяции, при этом пропущенные точки А и Б (рис.8.8,в) предсказываются по точно переданным точкам 1, 2, 3 так же, как это делается при предсказании третьего порядка в системах ДИКМ. В целом алгоритм MPEG обеспечивает такое сжатие телевизионного изображения обычного качества, что оно может быть передано по цифровому каналу со скоростью примерно 1,6 Мбит/с, а с учетом служебных и синхронизирующих импульсов, а также сигналов звукового сопровождения - по стандартному первичному цифровому каналу со скоростью 2048 кбит/с. Такой успех достигнут за счет значительного усложнения декодера MPEG, наличия в нем большого числа блоков памяти на кадр, устройств быстрых преобразований и т.п. По-видимому, уже в самом ближайшем будущем произойдет слияние домашнего телевизионного приемника и персонального компьютера в единый абонентский терминал – «телепьютер», который и будет выполнять данные функции декодера MPEG. Тем самым будет обеспечено доведение цифрового ТВ сигнала до абонента.

Звуковая часть стандарта MPEG-2 регламентирует кодирование многоканального звука. Стандарт поддерживает до 5 полных широкополосных каналов плюс дополнительный низкочастотный канал и (или) до семи многоязычных комментаторских каналов. Общепринятым эталоном высшего качества звука считается качество звука, воспроизводимого с компакт-дисков. Это качество принято и для стандарта MPEG-2, и достигается оно с помощью системы компрессии цифрового сигнала звука MUSICAM. Для двухканального стереофонического сопровождения скорость цифрового потока составляет 256 кбит/с (по 128 кбит/с на моноканал).

Как было сказано, системная часть стандарта фиксирует порядок формирования единого (транспортного) потока данных из элементарных потоков ES (Elementary Stream) и определяет порядок их кодирования. Элементарный поток содержит только один вид сжатой информации – звук или изображение. На рис. 8.9 представлена обобщенная структурная схема формирования транспортного потока. Несколько ES поступают на вход формирователя пакетированного элементарного потока (PES – Packetized Elementary Stream). На выходе преобразователя образуется PES одного ТВ канала, который может иметь несколько программ звукового сопровождения. Из всех подаваемых на вход мультиплексора PES формируется транспортный поток (Transport Stream), который также содержит сигналы синхронизации и различные цифровые данные, например телетекст и т.п.