Материал: 516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

Рис. 2.9. Сравнение различных ТВЧ-форматов по количеству воспроизводимых пикселей в одном кадре

Таблица 2.3

Информационные параметры разных стандартов телевизионного разрешения

Значения скорости передачи исходного цифрового потока при различных форматах ТВЧ представлены в табл. 2.3.

Снизить указанные скорости цифрового потока позволяют методы эффективного сокращения объемов психофизиологической и статистической избыточности видеоинформации, например, разработанные на их основе способы видеокомпрессии, являющиеся ключевыми процессами цифровых технологий в системах телевизионного вещания.

2.11. Задача сжатия информации и пути ее решения

Одной из важнейших практических задач в области цифрового телевидения является задача сокращения скорости передачи двоичных символов и, соответственно, требуемой полосы частот канала связи. Эта задача может быть решена путем уменьшения избыточности информации, передаваемой в телевизионном сигнале без заметного для глаза ухудшения качества воспроизводимого телевизионного изображения. Уменьшение избыточности обеспечивает также сокращение требуемого объема памяти запоминающих устройств при записи телевизионных программ, видеофрагментов или отдельных изображений.

В соответствии с установившейся в технической литературе терминологией уменьшение объема передаваемой телевизионной информации в большинстве случаев называется сжатием видеоинформации, а также сжатием изображений, сжатием звуковых сигналов, сжатием речи. В англоязычной литературе используется термин compression, и вместо слова сжатие возможно использовать слово компрессия. А обратная операция называется декомпрессией. Таким образом, основной целью видеокомпрессии является более компактное представление изображений с информационной точки зрения.

Следует также иметь в виду, что сравнительно часто вместо терминов

«сжатие» («компрессия») или «декомпрессия» используются соответственно термины «кодирование» и «декодирование». Это соответствует терминологии стандартов Международной организации по стандартизации (ISO – International Standardization Organization) (encoding, decoding), но следует всегда понимать,

что имеется в виду. Например, в процессе сжатия (то есть кодирования) выполняется несколько разных по сущности операций, некоторые из которых, взятые сами по себе, также называются кодированием.

Избыточность телевизионного сигнала разделяется на структурную, статистическую и психофизиологическую.

Структурная избыточность связана с наличием в стандартном телевизионном сигнале гасящих импульсов, во время которых информация об изображении не передается. Структурная избыточность телевизионного сигнала может быть уменьшена путем передачи во время гасящих импульсов какой-либо другой полезной информации, например, сигналов звукового сопровождения. Однако, большого выигрыша это не дает.

Статистическая избыточность вызывается наличием корреляционных связей между значениями сигнала в соседних элементах одной строки, в соседних строках и в соседних кадрах. Наглядно можно представить себе смысл статистической избыточности как наличие повторяемости информации в следующих друг за другом кадрах. Одним из наиболее известных методов сокращения статистической избыточности является кодирование с предсказанием или диф-

ференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ). В ряде стандартов сжа-

тия кодирование с предсказанием является одним из основных инструментов устранения избыточности. При этом для большинства кадров передается не само изображение, а так называемая ошибка предсказания – разность действительного изображения данного кадра и предсказанного изображения этого же кадра, которое формируется по известным алгоритмам из изображений ранее переданных кадров. Так как большинство кадров телевизионного изображения в значительной степени повторяют предыдущие, ошибка предсказания содержит значительно меньший объем информации, чем действительное изображение.

Психофизиологическая или перцептуальная избыточность телевизионного сигнала определяется той информацией в нем, которая не воспринимается зрительным аппаратом человека и, следовательно, могла бы и не передаваться. Психофизиологическая избыточность может быть устранена за счет удаления из передаваемого сигнала информации, отсутствие которой существенно не влияет на восприятие изображения человеком.

Мощным средством сокращения избыточности является кодирование с преобразованием, при котором набор статистически зависимых отсчетов изображения во временнóй области преобразуется в набор независимых коэффициентов в спектральной области. Разложение производится по ортогональным базисным функциям, различным для разных преобразований. При удачном выборе вида преобразования энергия в спектральной области сосредотачивается вблизи низкочастотных компонент спектра, а коэффициенты в высокочастотной области оказываются малыми или вообще нулевыми.

К наиболее широко распространенным и глубоко исследованным относит-

ся, в частности, дискретно-косинусное преобразование (ДКП).

Дальнейшее сокращение избыточности получается благодаря переходу от поэлементного к групповому преобразованию, когда телевизионное изображение разбивается на отдельные участки и производится кодирование сразу группы элементов, составляющих участок. По принципу группового кодирования функционирует, например, ДКП.

Применение совокупности различных способов сжатия информации, заключенной в телевизионном изображении, позволяет не только передавать цифровой сигнал, соответствующий телевизионному изображению стандартной четкости, по эфирным каналам системы телевизионного вещания, но и реализовать одновременную передачу по этим радиоканалам цифровых сигналов нескольких телевизионных программ, а также организовать передачу сигналов усовершенствованных систем ТВЧ.

Методы сжатия изображений можно разделить на два класса: методы сжатия без потерь информации и методы сжатия с частичной потерей ин-

формации. При сжатии без потерь после декомпрессии восстанавливается изображение, идентичное исходному.

Возможности сжатия реальных цветных или полутоновых черно-белых изображений без потерь весьма ограничены. Гораздо большего эффекта позволяют достичь методы сжатия с частичной потерей информации, но без заметного ухудшения визуально-воспринимаемого качества декодированных изображений.

Сжатие необходимо и для передачи в цифровой форме сигналов звукового сопровождения. Расчеты показывают, что при частоте дискретизации 48 кГц и 16 разрядах АЦП скорость передачи двоичных символов составляет 0,768 Мбит/с на один звуковой канал. Методы сжатия звука, используемые на практике, основаны на учете свойств человеческого слуха и относятся к методам сжатия с частичной потерей информации. При сжатии отбрасывается значительная часть слуховой информации, но качество воспроизводимого звука остается достаточно высоким. Следовательно, сжатие достигается в основном за счет уменьшения психофизиологической избыточности.

Практическими вопросами сжатия аудиовизуальной информации и выпуском соответствующих стандартов и рекомендаций занимается MPEG (Motion Pictures Experts Group) – созданная в 1988 г. организация, объединяющая представителей фирм – производителей оборудования и научных институтов разных стран. MPEG представляет собой подкомитет двух международных

организаций – ISO и Международной электротехнической комиссии (IEC – International Electrotechnical Commission).

Одна из основных задач группы MPEG состояла в изучении проблемы и разработке стандарта на компрессию цифрового телевизионного сигнала, что позволило предложить способы записи или передачи сигналов изображения и звука посредством возможно меньшего числа данных с возможно лучшим качеством.

Международный стандарт кодирования с информационным сжатием MPEG-2 (также известный как ISO/IEC-13818) был специально разработан для кодирования телевизионных сигналов систем вещательного телевидения в 1996 г. и дополнялся в последующие годы. Особо следует отметить, что стандарт MPEG-2 предусматривает возможность перехода к ТВЧ.

Стандарт MPEG-2 к настоящему времени насчитывает уже 10 частей, первая из которых была представлена к стандартизации в 1994 году, а последняя – в 1999 году.

Среди 10 составных частей стандарта MPEG-2 можно выделить три основ-

ных: 13818-1 – системную, 13818-2 – видео и 13818-3 – звуковую.

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. Системное кодирование в соответствии с синтаксическими и семантическими правилами, налагаемыми данным стандартом, обеспечивает необходимую и достаточную информацию, чтобы синхронизировать декодирование без переполнения или «недополнения» буферов кодера при различных условиях приема или восстановления потоков. Таким образом, системный уровень выполняет пять основных функций:

синхронизация нескольких сжатых потоков при воспроизведении;

объединение нескольких сжатых потоков в единый поток;

инициализация для начала воспроизведения;

обслуживание буфера;

определение временнóй шкалы.

Спецификация видеочасти (13818-2) регламентирует кодовое представление и процесс декодирования, обеспечивающий воспроизведение компрессированных телевизионных изображений. Видеочасть предполагает сжатие потока видеоданных за счет устранения пространственной и временнóй избыточности, присущих телевизионному изображению. Устранение пространственной избыточности основывается на использовании ДКП, временнóй – на дифференциальном кодировании с компенсацией движения. Но процедура кодирования не регламентируется стандартом, что оставляет возможности для совершенствования кодеров и улучшения качества воспроизводимого изображения.

Звуковая часть стандарта MPEG-2 (13818-3) определяет возможное кодирование многоканального звука.

Важнейшая особенность стандарта MPEG-2 – представление сигналов телевизионного изображения и звука в форме, задаваемой спецификациями 13818-1 – 13818-3, позволяет обращаться с видео и звуковыми потоками как с

потоками компьютерных данных, которые могут записываться на самые разные носители информации, передаваться и приниматься с использованием каналов связи и сетей телекоммуникаций, которые существуют сегодня и появятся в будущем.

С принятием стандарта MPEG-2 работы по компрессии видеоданных перешли в область практической реализации. На данный момент можно назвать более 10 фирм, которые выпускают для продажи кодеры и декодеры по стан-

дарту MPEG-2. Наиболее известны из них Philips, Panasonic, Page Micro Technology, CLJ Communications, Wegener Communications, Scientific-Atlanta, NTL, Segem Group, NEC, Vistek, General Instruments и др.

Транспортный поток MPEG-2 допускает вместе со звуковыми и видео потоками цифровых программ также потоки, содержащие любую другую цифровую информацию.

Фактически успех цифрового телевидения и DVD-видео основан на использовании стандарта MPEG-2, первые версии которого были разработаны практически пятнадцать лет назад. В течение нескольких лет стандарт MPEG-2 постоянно улучшался. Заложенная в данном стандарте технология видеокомпрессии доказала свою эффективность, но в настоящее время она является уже заметно устаревшей. Сегодня стандарт MPEG-2 подошел к границам своих возможностей. Пришло время заменить способы видеосжатия, на которых основывается стандарт MPEG-2, более эффективной и продвинутой технологией, воспользовавшись преимуществами непрерывного прогресса в производстве процессоров.

Другой важнейшей разработкой группы MPEG является стандарт компрессии MPEG-4, визуальная часть которого получила название MPEG-4 Visual (группы Part 2 стандартов MPEG-4). Первая разработка данного стандарта была опубликована в 1999 г., а его полномасштабное внедрение ожидается в ближайшее время.

Как и стандарт кодирования MPEG-2 система кодирования MPEG-4 представляет собой набор технических инструментов компрессии оцифрованной информации, организованных в профили, число которых достигает 20. В системе сжатия MPEG-4 используются несколько новых приемов кодирования на основе объектно-базового принципа, что обеспечивает уже в настоящее время более чем двукратное повышение степени сжатия по сравнению с MPEG-2. Таким образом, стандарт MPEG-4 Visual предназначен для непосредственного использования в системах ТВЧ.

Например, в случае применения стандарта MPEG-4 Visual высококачественная передача одной телевизионной программы стандартной четкости осуществляется при скорости потока данных фактически равной 2…2,5 Мбит/с, а программы ТВЧ при скорости 4…8 Мбит/с.

Функционирование объектно-базовой системы кодирования осуществляется посредством разделения изображения на специфические объекты (сегменты), каждый из которых можно кодировать разными способами. Например, из изображения выделяются участки человеческого лица, что потребует больше деталей, и участки заднего фона, которые можно дать с меньшим числом деталей. Таким спо-