Немаловажным фактором при выборе оборудования является видеокомрессия.

Использование цифровых технологий позволяет неограниченно увеличивать точность представления таких континуальных процессов, как изображение. Параметры, характеризующие качество воспроизводимого изображения в цифровых системах записи и передачи сигналов, могут значительно превосходить те значения, которые были типичными для аналоговых систем. Цифровые технологии позволяют не только значительно улучшить параметры систем, но и расширить их функциональные возможности. Однако внедрение цифровых технологий порождает новые проблемы. Полоса частот цифровых сигналов значительно больше полосы их аналоговых предшественников. Использование широкополосных каналов, обладающих необходимой пропускной способностью, может оказаться технически невозможным. Это может быть также экономически невыгодным, поскольку стоимость канала связи увеличивается с ростом пропускной способности.

Эффективным способом решения такой проблемы является кодирование, имеющее целью компактное представление цифрового сигнала путем сжатия, или компрессии. Компрессия подразумевает сжатие данных, такое, что более дешевые средства передачи с низкой пропускной способностью могут выполнить задачу обмена телевизионными программами в цифровой форме при условии, что качество воспроизводимого изображения соответствует заданным требованиям. Преобразование сигнала в цифровую форму и его компактное представление с использованием компрессии потока цифровых данных - две основные задачи, решаемые в процессе кодирования источника (рисунок 2.6).

Выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя подвергается специальной обработке с помощью кодера компрессии, в результате которой уменьшается скорость потока и становится возможным передавать цифровые данные в канале с меньшей пропускной способностью. Обратное преобразование, восстанавливающее полный цифровой сигнал изображения, выполняется в декодере компрессии, входящем в состав декодера источника.

Развитие цифрового телевизионного вещания неразрывно связано с совершенствованием методов и технических средств видеокомпрессии, или сжатия, потоков цифровых видеоданных. Видеокомпрессия позволяет экономно расходовать самый дорогой ресурс систем коммуникаций и информационных систем - пропускную способность каналов связи. Без видеокомпрессии цифрового телевизионного вещания как глобальной информационной системы не существовало бы сейчас по простой причине - оно было бы слишком дорогим.

Все чаще компрессированные видеоданные передаются по сетям передачи данных.

Аппаратные и программные средства сетей строятся в соответствии с уровневой архитектурой, являющейся формой функциональной модульности. Сложная система строится как взаимосвязанное множество модулей, взаимодействующих друг с другом. На каждом иерархическом уровне следующий, более низкий уровень рассматривается как "черный ящик" с некоторым функциональным описанием, которое используется на заданном уровне. Кодер и декодер компрессии представляют собой пару паритетных модулей одного уровня. Они взаимодействуют друг с другом для обеспечения обмена сообщениями при меньшей скорости потока цифровых данных, чем на более высоком уровне (этим более высоким уровнем системы является уровень аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования). Взаимодействие кодера и декодера компрессии регулируется нормативными документами - стандартами (в технике сетей передачи данных такие документы называются протоколами). Обмен информацией между кодером компрессии и аналого-цифровым преобразователем (а также между декодером компрессии и цифро-аналоговым преобразователем), то есть взаимодействие модулей разных уровней, также определяется специальными нормативными документами, называемыми интерфейсами. Взаимодействие кодера и декодера компрессии является виртуальным (оно показано на схеме рисунке 2.6 пунктирной линией). На самом деле оно происходит при посредстве модулей более низкого уровня. Выходной сигнал кодера компрессии, как показано на рисунке, подвергается канальному кодированию, модуляции, передается по физическому каналу связи, затем выполняется демодуляция и канальное декодирование. Но при анализе кодека компрессии (пары "кодер - декодер") нет необходимости знать детали процессов канального кодирования и модуляции, достаточно иметь функциональное описание следующего, более низкого уровня, определяемое соответствующим интерфейсом (в рассматриваемом примере это интерфейс кодера компрессии с канальным кодером и интерфейс декодера компрессии с канальным декодером). Все детали скрыты в "черном ящике" подсистеме канального уровня, задаваемой только функциональным описанием. Но эта подсистема также может быть разбита на модули, описываемые с помощью соответствующих протоколов и интерфейсов. Такая декомпозиция продолжается до уровня, на котором происходит передача данных посредством электрических импульсов, то есть до уровня физического канала связи.

Стандартизация протоколов и интерфейсов позволяет реализовать преимущества функциональной модульности, связанные с возможностью использования в проектируемых системах модулей, созданных и отработанных ранее. Стандартизованные модули действующих систем можно легко заменить новыми функционально эквивалентными модулями, которые, например, дешевле и надежнее. Стандартизация функционального описания кодеков обеспечивает все более расширяющуюся область применения систем видео компрессии. Цифровой сигнал, полученный в результате аналого-цифрового преобразования, отображает некоторую аппроксимацию исходного непрерывного сигнала. На выходе цифровой телевизионной системы человек видит аппроксимацию исходного континуального изображения. Указанная аппроксимация, точность которой зависит от интервала дискретизации и количества уровней квантования, всегда связана с появлением шумов и возникновением искажений (частотных, нелинейных, а также некоторых специфических искажений). Однако аналого-цифровое преобразование выполняется в цифровой системе связи только один раз. Надо также иметь в виду, что точность аппроксимации непрерывных процессов в цифровых системах может неограниченно увеличиваться. Закон Мура, в соответствии с которым вычислительные ресурсы цифровых систем (быстродействие процессоров и объемы памяти) возрастают в два раза каждые 18 месяцев, остается справедливым уже на протяжении нескольких десятилетий, поэтому тезис о неограниченном увеличении точности представления континуальных процессов (таких, как изображение и звук) в цифровых системах не кажется слишком фантастическим.

В современном телевидении изображение представляется последовательностью кадров, следующих друг за другом со строгой периодичностью, определяемой частотой кадров. Кадр описывается массивом элементов изображения, или пикселов, находящихся в узлах прямоугольной сетки, горизонтальные линии которой образуют ТВ-строки (рисунок 2.7). Каждый пиксель цветного изображения имеет три компонента, которым соответствуют сигналы красной R, зеленой G и синей B составляющих изображения. Другой возможный набор компонентов цветного изображения - яркостный сигнал Y и два цветоразностных сигнала Cr и Cb. Таким образом, с информационной точки зрения каждый кадр изображения представляет собой три прямоугольных матрицы отсчетов изображения. Структура дискретизации, при которой все три компонента изображения дискретизируются одинаковым способом, обозначается как 4: 4: 4. Количество пикселов в строке и, соответственно, четкость изображения определяются частотой дискретизации видеосигнала. Частота дискретизации является гармоникой строчной частоты, что обеспечивает неподвижную ортогональную структуру отсчетов ТВ-изображения. При цифровом представлении значение видеосигнала в каждом пикселе выражается двоичным кодовым числом, количество битов которого определяет число уровней квантования и, соответственно, точность цифрового представления. Интерфейсы для передачи цифрового сигнала предполагают последовательную передачу кодовых слов, несущих информацию об отсчетах изображения [3-7]. Емкость памяти, необходимой для хранения данных одного компонента одного полного кадра изображения, можно вычислить, перемножая число битов кодового слова, описывающего компонент изображения, и число пикселов в кадре. Скорость потока цифровых видеоданных, проходящих через интерфейс и несущих сведения об одном компоненте ТВ-изображения, можно найти, перемножая объем данных одного кадра и частоту кадров. Скорость полного потока видеоданных, переносящих компонент изображения, можно также найти, перемножая длину кодового слова, описывающего один отсчет изображения, и частоту дискретизации.

Рисунок 2.7 Представление изображения (структура дискретизации 4: 4: 4)

Приведенные ниже примеры показывают требования к интерфейсам, используемым для передачи потока цифровых видеоданных при структуре дискретизации и квантовании с расходом 10 битов на отсчет, что позволяет иметь до 1024 уровней квантования. Для хранения одного полного кадра цифрового ТВ-изображения стандартной четкости (576 активных строк, 720 активных элементов в строке, частота кадров 25 Гц) при отношении сторон кадра 4: 3 необходима память емкостью 16,2 Мбит. Это соответствует скорости потока 405 Мбит/с при частоте дискретизации 13,5 МГц. Один полный кадр цифрового ТВ-изображения стандартной четкости (576 активных строк, 960 активных элементов в строке, частота кадров 25 Гц) при отношении сторон кадра 16: 9 имеет объем 21,6 Мбит. Скорость потока равна 540 Мбит/с, при частоте дискретизации 18 МГц. Для передачи ТВ-изображения в формате высокой четкости 1080/50i (чересстрочная развертка изображения при полном числе активных строк в кадре, равном 1080, частоте полей 50 Гц и частоте кадров 25 Гц) требуется установить скорость потока на уровне 2,227 Гбит/с. Наивысшими качественными показателями характеризуется изображение в формате системы телевидения высокой четкости 50p. Эта система определяется следующим набором основных параметров: число активных строк - 1080, число отсчетов в активной части строки - 1920 (отношение сторон изображения - 16: 9), разложение - построчное, частота кадров - 50 Гц, отношение сторон элемента изображения - 1: 1 (квадратный пиксель). Такой формат часто обозначают также как 1080/50p или просто 1080p. Он обеспечивает очень высокое качество изображения, но отличается высокой скоростью потока данных при передаче. Цифровой поток видеоданных имеет скорость 4,455 Гбит/с.

Выше были приведены оценки емкости памяти и скорости передачи видеоданных в современном ТВ. Но соответствуют ли приведенные значения емкости памяти, необходимой для хранения кадра, количеству информации в изображениях? Как будет показано ниже, представление изображений в виде последовательности кадров, каждый из которых описывается массивом пикселов, является избыточным для изображений, типичных для ТВ-вещания. Избыточность означает, что скорость потока видеоданных можно сократить без ухудшения точности описания передаваемого изображения, то есть без снижения его качества.

В общем случае различают структурную, статистическую и психофизическую избыточность [1]. Структурная избыточность обусловлена наличием интервалов гашения по строке и кадру в соответствии с правилами развертки изображения. Для устранения структурной избыточности можно, например, уменьшить примерно на двадцать пять процентов тактовую частоту, и заполнить интервалы гашения данными активной части строк и кадра. Такое преобразование потока данных представляет собой форму сокращения скорости потока видеоданных, или видео компрессию. Интервалы гашения можно также использовать для передачи дополнительной информации, например сигналов звукового сопровождения, телетекста и т.п. Статистическая избыточность растрового представления связана со свойствами типичных телевизионных сюжетов. Большая часть изображения одного кадра обычно приходится на поля, имеющие постоянную или мало меняющуюся в пространстве яркость, а резкие световые переходы и мелкие детали занимают малую долю площади изображения. Коэффициент корреляции соседних элементов изображения, описывающий статистическую связь между яркостями этих элементов, близок к единице. Изображения соседних кадров в телевидении обычно очень похожи друг на друга, даже при съемке движущихся объектов. Переходы от сюжета к сюжету встречаются редко. Межкадровая разность на значительной части площади изображения обычно близка к нулю. Коэффициент корреляции соседних кадров также близок к единице.

Высокая корреляция означает, что яркость и цветность элемента типичного ТВ-изображения можно предсказывать с большой вероятностью, если знать значения пикселов, окружающих предсказываемый в пространстве и во времени. Передав величину одного пикселя, можно отказаться от передачи соседнего, поскольку величина переданного пикселя является хорошим предсказанием для следующего пикселя, располагающегося рядом с переданным в пространстве или во времени. Можно ограничиться передачей ошибки предсказания, которая представляет собой разницу между фактическим значением и предсказанным (рисунок 2.8). Для типичных изображений ошибка предсказания обычно мала, поэтому для ее передачи требуется меньшее количество битов кодового слова, благодаря чему можно уменьшить скорость потока передаваемых видеоданных.

Рисунок 2.8 ДИКМ как способ видеокомпрессии

Возможность сокращения скорости потока является следствием избыточности растрового представления изображений, которая проявляется в связи со статистикой типичных телевизионных сюжетов и может быть названа статистической избыточностью. Ее можно разделить на пространственную избыточность, которая обусловлена корреляционными связями между элементами одного кадра изображения, и временную избыточность, которая появляется вследствие высокой корреляции соседних кадров.

Описанный способ кодирования, или компрессии, в процессе которой можно добиться сокращения избыточности представления изображения и уменьшения объема передаваемых данных, известен под названием дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ) [1]. Процедура сокращения избыточности представления с использованием ДИКМ является обратимой. При декодировании для восстановления элемента изображения нужно к предсказанию - значению первого пиксель - прибавить переданную ошибку предсказания. В процессе кодирования не вносятся искажения, и при декодировании полностью восстанавливается исходное изображение. Подобное кодирование, при котором сокращается скорость потока видеоданных без искажений изображения, называют компрессией без потерь, или математически точной компрессией.

Важным достоинством компрессии без потерь является то, что повторное кодирование декодированного изображения с целью устранения избыточности также не вызывает искажений. Неоднократное применение компрессии без потерь не приводит к накоплению искажений. Однако достигаемая в настоящее время степень математически точной компрессии, показывающая пропорции исходного и кодированного объема данных, невелика, обычно она не превышает 2:

1. Значительные резервы для сокращения скорости цифрового потока представляет использование свойств зрения. Степень компрессии можно увеличить, если в процессе кодирования, уменьшающего скорость потока данных, допускается появление некоторых искажений, которые, однако, не замечаются наблюдателями или зрителями. Например, шумы квантования хорошо различаются глазом в виде ложных контуров на участках изображения с постоянной или плавно меняющейся яркостью. Однако они мало заметны на резких перепадах яркости и на областях изображения с высокой детальностью. Искажения изображения не заметны глазу в течение нескольких десятых долей секунды после резкой смены сюжета.

Вводя квантование разностного сигнала (рисунок 2.9) и допуская появление незаметных зрителю артефактов и искажений в окрестности крутых перепадов яркости изображения, можно добиться в процессе кодирования более значительной компрессии видеоданных. Возможность такой компрессии можно трактовать как наличие психофизической избыточности в представлении изображения, поскольку оригинальное и декодированное изображения оцениваются зрителем как эквивалентные, что можно рассматривать как психофизически точную передачу видеоданных. Степень компрессии, в процессе которой устраняется психофизическая избыточность и которая может быть названа компрессией без визуальных потерь, сильно зависит от характеристик изображения, она может находиться в диапазоне 5: 1…10:

1. Повторное применение такой компрессии может приводить к накоплению искажений. Степень компрессии можно увеличить до больших значений, вводя более грубое квантование разностного сигнала, но это приведет к появлению искажений и артефактов, которые заметны зрителю. Такое кодирование называют компрессией с визуальными потерями. Степень видеокомпрессии с визуальными потерями также зависит от характеристик изображения, она может достигать десятков и даже сотен. Повторное применение этой компрессии приводит к накоплению искажений.

Цель внутрикадрового кодирования - сокращение пространственной избыточности в пределах кадра (или поля) телевизионного изображения. Как было отмечено выше, эта избыточность вызвана сильными корреляционными связями между элементами изображения. Одним из средств сокращения скорости потока кодированных данных, использующим корреляционные связи, является ДИКМ. Разностный сигнал на выходе кодера с предсказанием характеризуется меньшими корреляционными связями. Однако есть и другие средства b декорреляции отсчетов изображения. Эффективным способом является разложение функции изображения по множеству ортонормированныхbбазисных функций с помощью унитарных преобразований [2].

Рисунок 2.9 ДИКМ с квантованием разностного сигнала

Если найти соответствующее унитарное преобразование, то можно преобразовать массив отсчетов изображения в матрицу коэффициентов, которые будут коррелированны друг с другом в гораздо меньшей степени. В результате преобразования большая часть энергии изображения оказывается сосредоточенной в небольшом количестве коэффициентов, что позволяет уменьшить объем данных, которые должны быть переданы.

2.4 Мини-сервер SAP