5.19.2. Уровни и профили стандарта mpeg-2 [10]

Стандарт MPEG-2 определяет кодирование, охватывающее требования широкого круга сферы производства и распределения телевизионных программ. Для наиболее эффективного применения и обеспечения высокой степени эксплуатационной совместимости устройств, работающих в стандарте MPEG-2, в нем выделено несколько подмножеств, называемых профилями. В каждом профиле выделено несколько уровней, определяемых совокупностью ограничений, наложенных на параметры цифрового потока. Профиль – подмножество стандарта для специализированного применения, задающее алгоритмы и средства компрессии.

MPEG-2 охватывает весьма широкий диапазон сложности кодирования и качества изображения – от простых I-кадров до сложных ГВК, от низкого разрешения до ТВЧ. В процессе разработки стало ясно, что построить декодер, удовлетворяющий одновременно всем требованиям стандарта, возможно, но неэкономично, так как он окажется весьма сложным и дорогим, и в то же время будет обладать большой избыточностью по отношению к более простым приложениям. Разработчики стандарта разделили все средства и инструменты обработки видеосигналов на несколько Профилей (Profile), поддерживающих обратную совместимость и различающихся использованием тех или иных элементов синтаксиса. Как правило, каждый Профиль добавляет один или несколько инструментов к имеющимся у нижележащего профиля.

На сегодняшний день в стандарте приняты пять основных и один дополнительный, профессиональный Профиль “4:2:2”, введенный позднее [табл. 5.5]. Внутри каждого Профиля выделены Уровни (Level), определяющие допустимые пределы изменения основных параметров цифрового потока. Таких Уровней четыре, и в таблице 5.6 приведены установленные для них пределы скорости потока и разрешающей способности.

Таблица 5.5. Основные параметры кодирования для интерфейса формата 4:2:2

Параметры	Система 525 строк 60 полей	Система 625 строк 50 полей
Кодируемые сигналы Y,CR,CB	Данные сигналы получаются из основных сигналов RGB, подвергнутых предварительной коррекции
Числа отсчетов на полную длину строки для сигналов: -яркости (Y) -каждого из цветоразностных (CR,CB)	858 429	864 432
Структура дискретизации	Ортогональная сетка из яркостных и цветоразностных отсчетов; цветоразностные отсчеты CR и CB в каждой строке совпадают с нечетными отсчетами (1,3 и т.д.) сигнала яркости Y
Частоты дискретизации*, МГц, для сигналов: -яркости (Y) -каждого из цветоразностных (CR,CB)	13,5 6,75	13,5 6,75
Форма кодирования	Импульсно-кодовая модуляция с однородным квантованием (8 бит на отсчет), для сигналов яркости и каждого из цветоразностных сигналов
Числа отсчетов на активную цифровую строку для сигналов: -яркости (Y) -каждого из цветоразностных (CR,CB)	720 360	720 360
Соотношение временной синхронизации по горизонтали между цифровыми и аналоговым сигналом: от конца активной цифровой строки до 0н	16 яркостных тактовых интервалов (NTSC)	12 яркостных тактовых интервалов (PAL, SECAM)
Соотношение между уровнями видеосигнала и квантования для сигналов: -яркости (Y) -каждого из цветоразностных (CR,CB)	0…225
	220 уровней квантования; уровню черного соответствует 16-й уровень; пиковому уровню белого – 235-й уровень. Допускаются отдельные выбросы за уровень 235
	225 уровней квантования в центральной части шкалы квантования; нуль сигнала соответствует 128 уровню
Использование кодовых слов, соответствующих уровням квантования	0 и 225 используются исключительно для синхронизации. С 1 по 254 доступны для видеосигналов

^*Допуски на частоту дискретизации должны соответствовать допускам на частоту строк соответствующего стандарта системы цветного телевидения.

Табл.5.6. Пределы изменения параметров цифрового потока для различных уровней Основного профиля MPEG-2

Уровень	Параметр	Ограничение
Высокий MP@HL	Число отсчетов на строку	1920
	Число строк на кадр	1152
	Частота кадров, Гц	60
	Частота отсчетов сигнала яркости, отсч/с	62668800
	Скорость потока, Мбит/с	80
	Размер буфера, бит	9781248
Высокий MP@H1440	Число отсчетов на строку	1440
	Число строк на кадр	1152
	Частота кадров, Гц	60
	Частота отсчетов сигнала яркости, отсч/с	47001600
	Скорость потока, Мбит/с	60
	Размер буфера, бит	7340032
Основой MP@ML	Число отсчетов на строку	720
	Число строк на кадр	576
	Частота кадров, Гц	30
	Частота отсчетов сигнала яркости, отсч/с	10368000
	Скорость потока, Мбит/с	15
	Размер буфера, бит	1835008
Низкий MP@LL	Число отсчетов на строку	352
	Число строк на кадр	288
	Частота кадров, Гц	30
	Частота отсчетов сигнала яркости, отсч/с	3041280
	Скорость потока, Мбит/с	4
	Размер буфера, бит	475136

Уровень “Высокий-1440” был введен для планировавшейся европейской системы с разложением 1440×1152 пикс. и форматом кадра 4:3. Отметим, что в принятой Рекомендации ВТ.709 по ТВЧ форматам такой формат не предусмотрен. Не все Профили определены при всех Уровнях, допустимые сочетания указаны в таблице 5.7.

Табл.5.7. Уровни и профили стандарта MPEG-2

Уровни	Профили	Простой (Simple)	Основной (Main)	Масштабируемый по отношению сигнал-шум (SNR)	Пространственно-масштабируемый (Spatial)	Высокий (High)	Профессиональный 4:2:2 (Professional 4:2:2)
	Типы кадров	I, P	I, P, B	I, P, B	I, P, B	I, P, B	I, P, B
	Дискретизация сигнала цветности	4:2:0	4:2:0	4:2:0	4:2:0	4:2:0 или 4:2:2	4:2:0 или 4:2:2
Высокий (High)	Число отсчетов на строку		1920			1920	1920
	Число строк на кадр		1152			1152	1152
	Частота кадров, Гц		60			60	60
	Скорость потока, Мбит/с		80			100	300
Высокий- 1440 (High-1440)	Число отсчетов на строку		1440		1440	1440
	Число строк на кадр		1152		1152	1152
	Частота кадров, Гц		60		60	60
	Скорость потока, Мбит/с		60		60	80
Основной (Main)	Число отсчетов на строку	720	720	720		720	720
	Число строк на кадр	576	576	576		576	576
	Частота кадров, Гц	30	30	30		30	30
	Скорость потока, Мбит/с	15	15	15		20	50
Низкий (low)	Число отсчетов на строку		352	352
	Число строк на кадр		288	288
	Частота кадров, Гц		30	30
	Скорость потока, Мбит/с		4	4

Примечание: режим 4:2:2 P@ предлагаемым стандартом HL введен SMPTE-308M.

Затенением в таблице выделен режим “4:2:2P@HL”, отсутствующий в стандарте MPEG-2 и предложенный позднее проектом стандарта SMPTE-308M по инициативе вещательных компаний. Этот режим удобно использовать при производстве программ. Он допускает максимальную скорость потока 300 Мбит/с со следующими ограничениями: на скорости от 230 до 300 Мбит/с допускаются только I-кадры, на скорости от 175 до 230 Мбит/с – I-, IP-, IB-кадры, на меньших скоростях – ГВК любой конфигурации, не противоречащей стандарту MPEG-2. Декодеры, поддерживающие определенный Уровень определенного Профиля, должны работать также и при всех более низких Уровнях и Профилях. В англоязычной литературе принято обозначать сочетания Профиля и Уровня первыми буквами, разделенные знаком @. Например, сочетание “Основной профиль – Основной уровень” записывается как MP@ML (Main Profile@Main Level). Режим MP@ML стал наиболее распространенным и широко употребительным, он обеспечивает полную разрешающую способность 720×576 пикс., предусмотренную Рекомендаций ВТ.601, и это сочетание признано наиболее подходящим для цифрового вещания. Максимальная скорость потока видеоданных 15 Мбит/с заведомо достаточна для достижения качества изображения, превышающего возможности аналоговых стандартов PAL, SECAM и NTSC. Масштабирование в Основном профиле не применяется.

Простой профиль (SP – Simple Profile), не поддерживающий двунаправленное предсказание и B-кадры, предназначался первоначально для массовых применений при обработке компьютерных изображений и в других приложениях, не требующих высокого качества изображения, однако стоимость микросхем, разработанных для Основного профиля, оказалась так низка, что разработка специальных изделий для Простого профиля была признана целесообразной. Он применяется лишь в простейших программных MPEG-кодерах.

Масштабируемые профили пока широко не используются, хотя в некоторых приложениях для них просматриваются возможные области применения (например, в наземном цифровом вещании). Масштабируемостью называют способность кодека (кодера и декодера) формировать и обрабатывать упорядоченный набор из нескольких цифровых потоков. Минимально необходимый набор потоков называется базовым слоем, каждый из остальных – улучшающим слоем. Базовый слой передает сигнал пониженного качества с более высоким отношением сигнал-шум, или сигнал с пониженным пространственным разрешением, который может приниматься декодером низкого профиля, а в улучшающих слоях передается дополнительная информация, используя которую, кодеры более высокого профиля восстанавливают улучшенное изображение. Синтаксис MPEG-2 поддерживает до двух слоев масштабирования. Принцип работы масштабирующего кодека показан на рис.5.52. Из рисунка видно, что при передаче сигнала изображения используют два потока данных, образующих так называемый базовый и расширенный слои. Базовый слой несет информацию об “ухудшенной” версии изображения, расширенный – об информации, дополняющей “базовое” изображение до полного качества.

Рис.5.52. Принцип работы масштабирующего кодера: а) кодер; б) декодер

В ходе разработки было признано нецелесообразным объединять все виды масштабирования в один Профиль, и разработали две схемы – с масштабированием отношения сигнал-шум и с пространственным масштабированием.

В схеме, масштабирующей отношение сигнал-шум (SNR (Signal-to-Noise Ratio) Profile), в базовом слое передаются грубо квантованные коэффициенты ДКП. Они передаются с низкой скоростью, что несколько повышает шумы квантования, но улучшает помехоустойчивость. Улучшающий слой кодирует и передает разницу между неквантованными и грубо квантованными значениями коэффициентов, которую декодер SNR профиля использует для уточнения значений коэффициентов. Можно использовать этот подход и для изменения пространственного разложения, если в базовом слое передавать самые нижние M×N (M<8, N<8) коэффициентов ДКП, а в улучшающем слое – остальные (64 - M×N).

Профиль с пространственным масштабирование (Spatial Scalable Profile), был введен в стандарт для обеспечения доступа декодерам стандартной четкости к программам ТВЧ. Привязкой к ТВЧ объясняется довольно большая скорость цифрового потока, предусмотренная в этом Профиле. В базовом слое такой системы передается после прореживания информация, соответствующая стандартному разрешению, а в улучшающем слое – дополнительные отсчеты, отфильтрованные в базовом слое.

Профиль “Высокий”, предусматривающий все инструменты нижних профилей, в настоящее время пока не используется по нескольким причинам, в том числе, по-видимому, из-за отсутствия интегральных микросхем с достаточными ресурсами производительности.

Несколько особняком, вне иерархии, стоит профиль “Профессиональный 4:2:2”, предназначенный ля обеспечения совместимости с цифровым студийным оборудованием видеопроизводства. В этом формате работают, например, перевозимые комплекты цифровых систем сбора новостей, передающие сигнал через спутники для последующей записи и монтажа. Профиль “4:2:2” должен обеспечивать качество изображения, сравнимое с цифровой видеозаписью формата D1, и возможность многократного MPEG кодирования-декодирования сигнала. Его основными свойствами являются структура дискретизации “4:2:2” (в отличие от обычной в MPEG-2 “4:2:0”), увеличенное число строк – 608 в отличие от 576, и возможность работы с повышенными скоростями до 50 Мбит/с вместо 15 Мбит/с, обеспечиваемых Основным профилем. Последнее требование связано с более короткими группами видеокадров, используемыми при видеомонтаже. Предложенный недавно Высокий уровень этого профиля позволит расширить область использования MPEG-2 при подготовке ТВЧ программ.

Для профессиональных применений очень важна способность оборудования разных производителей работать совместно (по-английски это свойство называется interoperability, в русском языке наиболее близка “совместная работоспособность”). Хотя MPEG-2 должен обеспечивать полную совместимость во всех режимах работы, организация Pro-MPEG Forum, занимающаяся внедрением стандартов MPEG, предложила использовать в профессиональных системах для стыков аппаратуры ограниченное число режимов, в которых заведомо должны выполняться все требования к цифровому потоку. В качестве таких режимов выбраны:

1. 4:2:2P@ML, ТСЧ, скорость до 50 Мбит/с, любая разрешенная структура ГВК.

2. 4:2:2P@ML, ТСЧ, скорость до 50 Мбит/с, только I-кадры.

3а. 4:2:2P@HL, ТВЧ, скорость до 80 Мбит/с, любая разрешенная структура ГВК.

3б. 4:2:2P@HL, ТВЧ, скорость до 175 Мбит/с, любая разрешенная структура ГВК.

4. 4:2:2P@HL, ТВЧ, скорость до 300 Мбит/с, только I-кадры.