Материал: Методические указания к лабораторной работе № 7 по дисциплине «Основы цифровой обработки видеосигналов». Никитин Л.Н., Бобылкин И.С

Очевидно, что будущее в области оптических дисков лежит за одним из показанных контентов. Кто им станет, покажет ближайшее будущее. Причем значительную роль сыграют как всегда компании киноиндустрии. Но, как известно, тех. прогресс не стоит на месте, поэтому времени, необходимого на разработки и стандартизацию, может быть достаточным для появления какой-то новой технологии, способной затмить все достоинства BD и HD-DVD.

Так, например, компания Iomega в мае этого года запатентовала технологию оптических дисков Articulated Optical Digital Versatile Disc (AO-DVD), которые теоретически способны хранить вплоть до 800 Гб информации. Подобная фантастическая плотность записи достигается благодаря использованию нано-технологий, а также путем того, что различные участки диска будут иметь разную степень наклона. При этом обещается повышение скорости считывания примерно в 30 раз по сравнению с DVD. К сожалению, производство такого устройства пока не возможно из-за отсутствия лазера с требуемой длиной волны, однако в скором времени ситуация может измениться.[1]

Видео на DVD. Видео на DVD представлено в виде цифрового видеоизображения, сжатого по алгоритму MPEG-2 [4]. Формат - 25 кадров в секунду с разрешением 720 х 576 точек при глубине цвета 24-бит (PAL) или 30 кадров 720 х 480 х 24-бит (NTSC). Используется переменный битрейт, варьирующийся в зависимости от сложности сцены от 2.5 до 10.5 Мбит/c. Битрейт свыше 5.5 – 6 Мбит/с уже гарантирует отсутствие часто встречающихся на Video CD или Mpeg 4 квадратиков, однако еще больший битрейт бывает полезен для очень сложных сцен, например такие, как живописные пейзажи. Теперь о размерности изображения. Изображение может быть полноэкранным (отношение сторон 4:3 или 1.33:1), или широкоэкранным (отношение сторон 16:9 или

1.78:1 и более).

Полноэкранное изображение разделяют на «стандартное» (Standard 1.33:1) , то есть изначально писавшееся со стандартного телевизионного сигнала размерностью 4:3 и пансканированное (4:3 Pan & Scan). Это означает то, что исходное изображение было широкоформатным, но оно было обрезано по бокам и растянуто, и приведено к соотношению 4:3.

Широкоформатная картинка бывает разных размерностей. Это такие, как 1.78:1 (или 16:9), 1.85:1, 2.35:1 и, наконец, 2.85:1. По способу записи широкоэкранный сигнал бывает леттербоксным (Letterbox), и анаморфным (Anamorph). При записи леттербоксной картинки получают видеосигнал размерностью 4:3 в котором пустое место изначально заполнено черным цветом. Вполне понятно, что часть пикселов, которые могли содержать полезную информацию просто бездействуют (например, при записи картинки с размерностью 2.35:1 «бездельничают» 43 процента точек). Анаморфная картинка пишется по-другому. Изображение с мастер – ленты растягивается по вертикали (анаморфируется) до размерности 4:3 и в таком виде оцифровывается. При цифро-аналоговом преобразовании получившаяся картинка сжимается до получения изначальной размерности. Таким образом, используются все 100 % пикселей. Совершенно очевидно, что анаморф имеет наибольшее разрешение.

Звук на DVD. Звук на DVD дисках может быть записан в нескольких форматах: PCM – Импульсно кодовая модуляция. Это тот же самый формат, в котором

хранится звук на обычных Audio CD – 44.1 КГц , 16 бит, стерео и без какого либо сжатия. Битрейт 1440 кбит/с. Звук в таком формате хранится как правило на музыкальных дисках (диски с видеоклипами, концерты и.т.д.), то есть там где требуется высокая точность передачи звуковой картины.

Dolby Digital – этот формат появился в 1992 году вместе с фильмом «Возвращение Бэтмена». Формат предусматривает до 6-ти полностью дискретных звуковых каналов. До пяти полночастотных(20 Гц -20 кГц)

14

каналов и один низкочастотный (3 Гц – 120 Гц) Low Frequency Effects канал для сабвуфера. Dolby Digital использует 18 битное кодирование каждого канала при частоте дискретизации в 48 кГц. На каждый канал может быть выделено от 64 до 96 кбит/с.

Важно понять то, что Dolby Digital может быть не только шестиканальным, но и даже монофоническим. Фактически Dolby Digital это просто формат хранения цифрового звука со сжатием. В DVD используются следующие конфигурации Dolby Digital:

1)Dolby Digital 2.0 – Типичный битрейт 192 кбит/c по 96 кбит/с на канал. В данном формате может быть записан монозвук для старых фильмов (левый и правый канал воспроизводят одно и то же), просто стерео (встречается редко, например на диске «Золото Маккены») или стерео с Dolby Surround сигналом.

2)Dolby Digital 4.0 – Типичный битрейт 320 кбит/c, по 96 кбит/с на левый и правый фронт и по 64 кбит/с на левый и правый тыл.

3)Dolby Digital 5.0 – Типичный битрейт 320 кбит/c, по 64 кбит/с на каждый из пяти каналов (левый фронт, центр, правый фронт, левый и правый тыл, канал LFE отсутствует).

4)Dolby Digital 5.1 – Типичные битрейты 384 кбит/с, по 64 кбит/с на каждый из 6-ти каналов, и 448 кбит/c по 96 кбит/c на левый и правый фронт и по 64 кбит/c на все остальные каналы. Наиболее часто встречающийся формат.

5)Dolby Digital 6.1 EX – Типичный битрейт 448 кбит/c по 96 кбит/c на левый и правый фронт и по 64 кбит/c на все остальные каналы. В данном формате используется дополнительный фантомный тыловой центр, то есть матричный принцип кодирования, как и в Dolby Surround. Формат дебютировал в 1999 вместе с фильмом «Звездные войны: эпизод I».

Отличительной чертой Dolby Digital можно назвать превосходную локализацию звуков. Однако, несмотря на то, что механизм сжатия более совершенен, чем, например у MP3 высокие коэффициенты сжатия (8 -12 раз) дают о себе знать при воспроизведении музыки…

Формат DTS разработала и внедрила в 1993 году одноименная фирма. Так как фирма обладала меньшими финансовыми возможностями чем, например Dolby Labs, данный формат, несмотря на более высокое качество (это будет показано ниже), был признан DVD форумом факультативным (тогда как Dolby Digital основным).

DTS использует 20 битное кодирование каждого канала при частоте дискретизации 48 кГц. На каждый канал выделяются 128 или 256 кбит/c, что дает лучшее качество за счет меньшего сжатия и лучшего механизма компрессии. Формат DTS используется в следующих конфигурациях:

1)DTS 5.1 – типичный битрейт 768 или 1536 кбит/с по 128 или 256 кбит/с на каждый из 6-ти каналов. Наиболее распространенная конфигурация.

2)DTS 6.1 ES Matrix - типичный битрейт 768 или 1536 кбит/с по 128 или 256

кбит/с на каждый из 6-ти каналов. Используется дополнительный фантомный тыловой центр, как, например в Dolby Digital 6.1 EX.

3)DTS 6.1 ES Discrete – Типичный битрейт 896 или 1792 кбит/с 128 или 256

кбит/с на каждый из 7-ми каналов. Используется полностью дискретный тыловой центр в качестве седьмого канала. Исключительно редкая и наиболее качественная конфигурация.

Формат DTS значительно превосходит Dolby Digital по естественности и «глубине» звучания. Музыкальные фрагменты звучат очень хорошо, практически не хуже, чем на компакт диске. Однако выпущено всего около 350 фильмов с DTS дорожками различных конфигураций.

15

Наконец звук на DVD может быть представлен в формате MPEG Multichannel. Этот формат использует 16 битное кодирование каждого канала с частотой дискретизации 48 кГц. Алгоритм сжатия весьма напоминает MP3. На каждый канал выделяется по 64 кбит/c. Используется только 5.1 конфигурация с битрейтом 384 кбит/c. Данный формат предназначался в первую очередь для европейских дисков, однако признания не получил из за плохого качества звука. Менее 5 дисков записаны с этими дорожками.

Важно понять то, что DVD диск может содержать несколько дорожек одновременно. То есть несколько дорожек как бы параллельно сопровождают весь фильм, и вы выбираете ту, которая вам более всего подходит – на русском или на английском языке, в Dolby Digital или DTS, с синхронным (закадровым) переводом или с полным дубляжом. Так как диски часто сопровождаются субтитрами, (они включаются по желанию пользователя) можно слушать фильм с оригинальной дорожкой, не зная иностранного языка.

2.3 Задание третье. Ознакомиться со стандартом кодирования MPEG -2

2.3.1 Стандарт кодирования MPEG-2

Даже в рамках одного стандарта, как показывает практика, передача сигналов телевидения - и цифровое здесь не исключение, ведется на разных уровнях качества. То же самое можно сказать и о телевизионных приемниках. Жесткие, а главное узкие допусковые интервалы, не жизненны, поскольку лишают систему гибкости, приспосабливаемости к разным условиям функционирования с ориентацией на различные слои потребителей. При этом любая перспективная система должна иметь резервы для перехода на более высокие уровни качества. Эти и многие другие соображения и требования легли в основу очень важного документ: ISO/IEC 13818-2.

В этом документе определено, что стандарт MPEG-2 - это целое семейство взаимносогласованных совместимых цифровых стандартов информационного сжатия телевизионных сигналов с различной степенью сложности используемых алгоритмов.

Градации качества ТВ изображения для вещательных систем в стандарте ISO/IEC 13818-2 устанавливаются введением четырех уровней для формата разложения строк ТВ изображения и пяти профилей для форматов кодирования сигналов яркости и цветности. Общая идеология построения стандарта поясняется табл.1.

16

Продолжение табл. 1

Расположенный в нижней части таблицы уровень называется "низким уровнем" и ему соответствует новый класс качества ТВ изображения, которое вводится в стандарте MPEG-2 - телевидение ограниченной четкости. В этом случае в кадре ТВ изображения содержится 288 активных строк (в два раза меньше, чем в телевидении обычной четкости) и каждая строка дискретизируется на 352 отсчета.

Кодирование сигналов телевидения обычной четкости выполняется в соответствии с основным уровнем, т.е. с форматом разложения на 576 активных строк в кадре, которые кодируются с использованием 720 отсчетов на строку.

Высокий-1440 и высокий-1920 предусматриваются для кодирования сигналов телевидения высокой четкости (ТВЧ). В обоих “высоких” уровнях кадр ТВ изображения содержит 1152 активные строки (вдвое больше, чем в телевидении обычной четкости). Эти строки дискретизируются соответственно на 1440 или 1920 отсчетов.

В стандарте используются 5 профилей, которым соответствует 5 наборов функциональных операций по обработке (компрессии) видеоданных. Некоторые из теоретически возможных наборов функциональных операций по компрессии видеоданных на этапе создания стандарта не были включены в таблицу. Они могут быть введены и стандартизованы в дальнейшем, если будет доказана их необходимость или полезность.

Профиль, в котором используется наименьшее число функциональных операций по компрессии видеоданных, назван простым профилем. В нем при компрессии видеоданных используется компенсация движения изображения и гибридное дискретно-косинусное преобразование.

Следующий профиль назван основным профилем. Он содержит все функциональные операции простого профиля и одну новую: предсказание по двум направлениям. Эта новая операция, естественно, повышает качество ТВ изображения.

Следующий за основным назван профилем с масштабируемым отношением сигнал/шум. Термин "масштабирование", в данном случае, означает возможность обмена одних показателей системы на другие. Этот профиль к функциональным операциям основного профиля добавляет новую - масштабирование. Основная идея - повышение устойчивости цифрового телевидения и сохранение работоспособности при неблагоприятных условиях приема. Операция масштабирования позволяет в рассматриваемом случае повысить устойчивость системы за счет некоторого снижения требований к допустимому уровню отношения сигнал/шум в воспроизводимом ТВ изображении.

При масштабировании поток видеоданных разделяют на две части. Одна из них несет наиболее значимую часть информации - ее называют основным сигналом. Вторую часть, несущую менее значимую информацию, называют дополнительным сигналом. Декодирование только одного основного сигнала позволяет получить ТВ изображение с

17

пониженным отношением сигнал/шум. Одновременное декодирование основного и дополнительного сигналов повышает отношение сигнал/шум до исходного значения.

И все же, что можно извлечь из идеи деления потока данных на более и менее значимые части? А все дело в защите системы от ошибок. Помехоустойчивое кодирование требует введения дополнительных бит, что повышает общий поток информации. Задача упрощается, когда более мощная защита применяется только к части информации и тем самым соблюдается разумный баланс между уровнем потока видеоданных и степенью их защиты. При неблагоприятных условиях приема (например, при низкой напряженности радиополя, при приеме на комнатную антенну и т.п.) сохраняется возможность устойчивого декодирования более защищенного основного сигнала, а неустойчиво воспринимаемый дополнительный сигнал просто отключается. Как уже сказано, это ведет к росту уровня шума, зато система остается работоспособной.

Не так уж редки ситуации, когда сигналы приходится передавать по каналам с ограниченной пропускной способностью. Деление потока видеоданных на два, позволяет использовать и “плохие” каналы, ограничивая передачу основным сигналом.

Следующий, четвертый профиль назван специально масштабируемым профилем. Здесь, естественно, сохранены все операции предшествующего профиля и добавлена новая - разделение потока видеоданных по критерию четкости ТВ изображения. Этот профиль обеспечивает переходы между нынедействующими системами и телевидением высокой четкости. С этой целью видеоданные сигнала ТВЧ разделяются на три потока. Первый - это основной (значимый) поток видеоданных, например, по стандарту разложения на 625 строк. Второй поток несет дополнительную информацию об изображении с числом строк до 1250. Одновременное декодирование первого и второго потоков видеоданных позволяет получить телевизионное изображение высокой четкости, но с пониженным отношением сигнал/шум. В третьем потоке сосредоточена менее значимая информация, его декодирование позволяет повысить отношение сигнал/шум в видеоканале до уровня, принятого в ТВЧ. Обычно первый поток видеоданных, представляющих сигнал 625-строчного ТВ, - это 6 Мбит/с, дополняющий его до ТВЧ - 6 Мбит/с, а повышающий отношение сигнал/шум до уровня, когда шумы визуально незаметны - 12 Мбит/с.

В рассмотренных четырех профилях при кодировании сигналов яркости и цветности используется формат представления видеоданных 4:2:0, в котором число отсчетов сигналов цветности по сравнению с сигналом яркости уменьшается в два раза не только по горизонтальным, но и по вертикальным направлениям. Следующий, пятый профиль называется высшим профилем, и он включает в себя все функциональные операции специального профиля 4:2:2, при котором число отсчетов сигналов цветности в вертикальных направлениях остается тем же, что и у сигнала яркости.

Приведенные в таблице пять профилей и четыре уровня образуют двадцать возможных комбинаций видеосигнала, из которых, вероятнее всего, только одиннадцать будут полезными или необходимыми. Для этих комбинаций (согласованные точки) в таблице указаны максимальные значения скорости передачи видеоданных. Комбинации, которые сегодня не вызывают интереса, в стандарте MPEG-2, пока, не нормированы и в таблице отмечены крестами.

Для всех стандартизованных точек указаны максимальные потоки видеоданных, которые позволяют получить ТВ изображение, свободное от каких-либо дефектов. В иных случаях они могут проявиться в процессах кодирования/декодирования видеосигнала. Используемые в конкретных кодеках потоки видеоданных могут быть меньше (в несколько раз) указанных значений. Выбор уровня компрессии и, в конечном итоге, уровня потока зависит от допустимой степени искажений ТВ изображения, подробнее в

[4].

Таким образом, стандарт MPEG-2 позволяет гибко менять скорость передачи видеоданных в очень широких пределах. Надо заметить, что системы кодирования

18