Методы компрессии цифрового телевизионного сигнала

Рис. 2.28. Структурная схема декодирующей части системы MPEG-4.

На вход поступает транспортный поток TransMux Stream, из которого в демультиплексоре выделяются элементарные потоки, данные каждого из которых записываются в соответствующее БЗУ1. Назначение БЗУ1 - накапливать неравномерно поступающие по каналу связи данные и по мере надобности передавать их на декодер.

Далее выполняется декодирование элементарных потоков. Получаемые при этом данные видео- и аудиообъектов записываются в БЗУ2. Элементарные потоки, относящиеся к одному объекту, могут декодироваться совместно. При демультиплексировании из общего потока данных выделяются также описание сцены и метки времени, поступающие на блок объединения. Данные отдельных объектов считываются из соответствующих БЗУ2 и из них в блоке объединения формируются цифровые сигналы изображения и звука, поступающие далее на воспроизводящие устройства (на рис. 2.28 не показаны). При этом обеспечивается синхронизация всех видео- и аудиообъектов. Сравнение стандартов MPEG-2 и MPEG-4 (субъективная оценка).

Учебная литература по цифровому телевидению, как правило, дает объективное изложение теоретического материала, основываясь на существующих документах, стандартах и других официальных источниках. Вместе с тем существует субъективный взгляд на достоинства и недостатки различных технологий и стандартов. Такие оценки основываются на опыте внедрения различных технологий цифрового телевидения операторами, предоставляющими населению услуги в области телевещания. После изучения вышеизложенного теоретического материала по методам компрессии ТВ изображений у студентов мжет сложиться впечатление,что в перспективных системах ЦТВ следует использовать только самые новые стандарты сжатия. Однако практика эксплуатации систем ЦТВ диктует другие, подчас неожиданные выводы. Именно поэтому в заключении данной темы предлагается ознакомиться с мнением специалиста в области ЦТВ, рассуждающего и преимуществах и недостатках стандартов семейства MPEG на основе практического опыта их внедрения [7]. Далее приводится сокращенный вариант статьи [7], в которой излагается субъективная точка зрения по рассматриваемому вопросу:

«… В последнее время в различных СМИ и на различных конференциях, посвященных цифровому эфирному вещанию DVB-T, рассматриваются разные стандарты сжатия видеоинформации.

В основном, дискуссии происходят вокруг стандартов группы MPEG: MPEG-2 или MPEG-4 AVC. В данном разделе мы попробуем отразить наши размышления по этой проблеме. Не будем вдаваться в историю разработки того или иного стандарта MPEG.

Об этом написано очень много. Существует мнение, что MPEG-2 - устаревший стандарт. Мы считаем, что это не совсем так. Наряду с MPEG-4 AVC MPEG-2 также развивается и модернизируется. Всем понятно, что MPEG-4 AVC создавался для более эффективного использования, в том числе и частотного ресурса. Напомним, что MPEG-4 AVC утвержден как черновой вариант, и, как правило, кодеки первого поколения, заявленные под этот стандарт, являются тестовыми и не в состоянии выполнять весь объем, заданный разработчиками. Хотелось бы подчеркнуть, что то же самое было в 1999-2002 годах, когда мы приступили к тестированию MPEG-2 для целей эфирного телевизионного вещания DVB-T. Кроме того, MPEG-4 AVC создавался в основном для HD.

Попытка использовать его для формирования транспортного потока стандартного разрешения SD не только не приводит к увеличению количества каналов в потоке по сравнению с MPEG-2, а, наоборот, ухудшает качество картинки (эффект "картонного" неба). Основным отличием MPEG-4 AVC от MPEG-2 является "объектное" сжатие, когда с помощью интеллектуальных алгоритмов кодек выделяет объекты переднего и фонового плана и назначает им разный битрейт. Фоновому плану назначается запредельно низкий битрейт, а передним объектам - высокий. В приложениях SD появляется эффект, когда фон с очень сильными артефактами (квадраты, меняющие свою структуру каждые 0,5 с, резко очерченные градации в плавных переходах яркости и цвета) не привязан к объектам переднего плана. Получается, что объекты хорошего качества изображения перемещаются на неестественном фоне (объект перемещается, а фон неподвижен). Такие артефакты особенно заметны при съемках на фоне чистого неба, моря, студийных однотонных декораций. Возникает эффект неестественного, искусственного "картонного" неба. Такой эффект "искусственного окружающего мира" может иметь неисследованные пока психофизиологические последствия, и это требует дополнительных и глубоких исследований.

Такие специфические артефакты принципиальны и неустранимы в существующих MPEG-4 AVC-кодеках, они присутствуют и в HD-режиме, однако там они малозаметны за счет более высокого общего битрейта канала. Данная проблема, как нам кажется, вызвана тем, что в самом стандарте заложены высокие коэффициенты сжатия картинки, это влечет за собой целый комплекс проблем, основной из которых является повторное сжатие.

В связи с этим при построении сетей DVB-T необходимо использовать оригинальный сигнал, а потом производить его сжатие и формирование транспортного потока либо ретранслировать уже готовый поток, варьируя нуль-пакетами. Так как на сегодняшний день практически весь контент использует MPEG-2, то приходится использовать как минимум повторное сжатие, что и приводит к эффекту "картонного" неба. Как ранее упоминалось, MPEG-2 продолжает совершенствоваться. При формировании транспортного потока с использованием статистического мультиплексирования скорость канала меняется от 0,8 до 6,0 Мбит/с.

При этом работа над картинкой с применением всевозможных фильтров не производилась. Для сравнения, все проекты в DVB-T с использованием MPEG-4 в России, несмотря на все заявления, достигли 8-10 каналов. При таком же режиме мультиплексирования, с применением MPEG-4 AVC на кодеках второго поколения, возможно, получить 13-ТВ программ SD-качества. Выигрыш в количестве ТВ-программ минимальный, а затратная часть вырастает как минимум в два раза.

На сегодняшний день таких официальных данных по операторам нет, в отличие от операторов, использующих MPEG-2 (12 ТВ-программ и даже 14 ТВ-программ на одном частотном присвоении)…».

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1. Для современных сетей наземного ЦТВ стандарт MPEG-2 является не устаревшим, а весьма перспективным, особенно при использовании его модернизированных версий.

2. Стандарт MPEG-4 при трансляции ТВ программ стандартного качества вносит заметные искажения фона изображения (эффект "картонного" неба), которые исчезают при переходе к ТВЧ.

3. Перекодирование видеоконтента из MPEG-2 в MPEG-4 вызывает появление искажений (эффект "картонного" неба), поэтому при использовании MPEG-4 следует использовать оригинальный (несжатый) видеоконтент, который подвергать кодированию только один раз.

4. Переход на новые стандарты сжатия потребует больших финансовых затрат, связанных с заменой оборудования как у оператора, так и у абонентов [7].

5. Явные преимущества стандарта MPEG-4, по-видимому, смогут быть полностью реализованы именно в перспективных мультисервисных сетях с пакетной передачей данных, таких как Интернет.

Стандарты сжатия постоянно совершенствуются и дорабатываются. Это связано не с тем, что в первых разработках были допущены какие-либо ошибки или просчёты, а с быстрым ростом пропускной способности каналов связи: базовый цифровой канал со скоростью 64 кбит/с уже давно перестал быть «базовым» для конечных абонент. Быстро увеличивается объем информации, которую запрашивают пользователи сетей передачи данных, растет перечень предоставляемых телекоммуникационных услуг. Скорость доступа в Интернет, которую абонентам предоставляют операторы, уже исчисляется единицами и десятками мегабит в секунду, поэтому и стандарты сжатия информации также должны изменяться, чтобы удовлетворять новым реалиям сферы телекоммуникационных услуг.

Вопросы для повторения

1. Чем обусловлена необходимость сжатия ТВ сигналов?

2. Какие параметры должны быть у канала связи для передачи ТВ сигнала без сжатия?

3. В каком случае причиной сжатия ТВ сигнала является наличие межсимвольных искажений?

4. Почему ДПФ содержит конечное число частотных составляющих?

5. Почему ДКП во многих случаях удобнее применять, чем ДПФ?

6. Нарисуйте структурные схемы нерекурсивного и рекурсивного цифровых фильтров.

7. Чем отличается реализация цифровых фильтров, в которых операция свертки сигнала с передаточной характеристикой фильтра заменяется на фильтрацию в спектральной области.

8. Чем различаются матрицы двумерного фильтра верхних частот и двумерного фильтра Лапласа и воздействия указанных фильтров на изображение?

9. Почему при разложении сигнала на частотные поддиапазоны количество отсчетов в каждом поддиапазоне может быть уменьшено?

10. Каковы свойства квадратурных зеркальных фильтров?

11. Что происходит с изображением при выполнении вэйвлет-преобразования?

12. За счет чего может быть достигнуто сжатие изображения с помощью вэйвлет-преобразования?

13. В чем состоит оценка движения методом соответствия блоков?

14. Что такое линейное предсказание?

15. Почему использование ДИКМ позволяет уменьшить скорость передачи двоичных символов в канале связи?

16. Каким образом предсказание может быть использовано для кодирования (сжатия) телевизионного изображения?

17. Как выполняются кодирование и декодирование в системах передачи с векторным квантованием?

18. В какой последовательности кодируются по стандарту JPEG блоки цветного изображения?

19. Почему квантование коэффициентов ДКП создает менее заметные искажения, чем квантование самого изображения?

20. Каким образом в стандарте JPEG осуществляется управление степенью сжатия?

21. В чем состоит сущность кодирования с переменной длиной кодовых слов?

22. Что означает термин "гибридное кодирование" применительно к стандартам MPEG-1, MPEG-2?

23. Зачем перед кодированием по MPEG-1, MPEG-2 выполняется перестановка кадров в GOP?

24. 7. Чем различаются кадровый и полевой режимы кодирования в MPEG-1, MPEG-2? _г

25. Почему для В-кадров достигается наибольшая степень сжатия?

26. Каково назначение буферного ЗУ в кодере MPEG-2?

27. Что такое масштабируемость?

28. Что такое уровни и профили MPEG-2?

29. Что имеют общего и чем различаются уровни (Layers) кодирования звуковой информации в стандартах MPEG-1, MPEG-2?

30. В чем сущность адаптивного распределения битов?

31. Каково назначение психоакустической модели?

32. Как выделяются данные разных ТВ-программ из транспортного потока MPEG-2?

33. Что такое видео- и аудиообъекты MPEG-4?

34. Опишите процесс декодирования потока данных MPEG-4.

Резюме по теме

В теме рассмотрен базовый теоретический материал по вопросам сжатия телевизионного изображения и сигналов звукового сопровождения. Проанализированы принципиальные возможности для уменьшения объема передаваемой информации и описаны способы их реализации. Показано, что наибольшую степень сжатия обеспечивают методы, основанные на устранении в информации психофизической избыточности. Рассмотрены основные принципы построения видео и аудио кодеков, реализующих цифровую обработку телевизионных сигналов как во временной, так и в спектральной областях.

Описаны основные стандарты сжатия телевизионных изображений, применяемые в современных и перспективных системах цифрового телевидения.

Размещено на Allbest.ru