Факсимильная связь

Факсимильная связь

MPEG-2

В1979 году Европейский Вещательный Союз (EBU) и Общество инженеров кино и телевидения (SMPTE) совместно подготовили проект международного стандарта цифрового кодирования цветного телевизионного сигнала, а в 1982 году стандарт был принят. MPEG-2 базируется именно на этом стандарте ITU-R BT.601.

Известно, что любой из миллионов оттенков, которые различает человек, представим в виде комбинации трех опорных цветов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) — это так называемая цветовая модель RGB. Используя эту модель, цветной аналоговый сигнал (например, изображение, которое «видит» объектив аналоговой видеокамеры) можно разложить на RGB- компоненты.

Встандарте цифрового кодирования частота дискретизации выбрана равной 13,5 МГц (то есть 13,5 млн отсчетов в секунду).

Для создания сигнала нужного качества достаточно 256 уровней квантования. Легко посчитать необходимую скорость потока при передаче оцифрованного сигнала: умножим восемь бит на количество отсчетов, передаваемых в секунду (не забудем, что у нас три компоненты): 8 [бит] · 13,5 [МГц] · 3 = 324 Мб/с!!!

MPEG-2

В 1988 году была создана специальная группа экспертов — Moving Picture Experts Group (MPEG), которая должна была разработать методы сжатия и восстановления цифрового видеосигнала. Над стандартом MPEG2 группа начала работать в 1990 году. Стандарт предназначался специально для цифрового телевидения, то есть для передачи телевизионных изображений высокого качества, и был принят уже в 1994. Сегодня это самый распространенный и самый многофункциональный из всех стандартов MPEG.

Как осуществляется сжатие в MPEG-2

Сначала в каждом кадре последовательно выбираются элементы изображения размером 16·16 пикселей — это так называемые макроблоки.

В дальнейшем MPEG-2 работает уже с макроблоками.

MPEG-2

В MPEG-2 выделено три типа кадров.

I-кадры (Intra) — опорные кадры, кодирование каждого макроблока в которых осуществляется без ссылок на макроблоки в предыдущих или последующих кадрах. По сути, I-кадры закодированы как неподвижные изображения.

P-кадры (Predicted) — кадры, макроблоки в которых закодированы относительно предшествующих I или P-кадров. Изображение в кадре предсказывается с использованием информации предыдущего кадра — так называемое предсказание «вперед». Поэтому P-кадры частично содержат только ссылки на макроблоки в предыдущих кадрах, и, таким образом, сжаты они сильнее, чем I-кадры.

B-кадры (Bidirectionally Predicted) — кадры, макроблоки в которых закодированы относительно или предыдущих, или последующих, или и тех, и тех I или P-кадров. Здесь реализовано двунаправленное предсказание («вперед» и «назад»): изображение в кадре предсказывается с использованием информации из предыдущего и из следующего кадра. То есть, считывание кадров декодером должно происходить быстрее их восстановления.

Кадры объединены в последовательности (Group Of Pictures, GOP), и предсказание всегда осуществляется только в пределах одной группы. Каждая группа должна начинаться с I-кадра.

MPEG-2

Нам нужно сжать информацию в макроблоках, которые ни на что не ссылаются. Это делается с помощью дискретно-косинусного преобразования (ДКП).

Стандарт дает пользователю возможность самому выбрать сжатие, подходящее для решения конкретной задачи — например, домашнее или профессиональное видео.

Для хранения видео на DVD используется стандарт MPEG-2, который допускает переменную скорость цифрового потока. Обычно фильмы записаны со средней скоростью четыре мегабита в секунду (Мб/с), и только в очень короткие моменты (взрывы, огонь, рябь на воде, трава на ветру) скорость подскакивает до 56 Мб/с.

Для цифрового спутникового телевидения, использующего MPEG2, с разрешением 720 на 576 точек максимальная скорость информационного потока 15 Мбит/сек, а практически используемая скорость потока - 3-4 Мбит/сек. На одном транспондере (приемнике - передатчике) на спутнике обычно умещается 8-12 каналов.

Поскольку HDTV предполагает разрешение 1920 на 1080 точек, т.е. площадь экрана в 5 раз больше по сравнению с обычным телевидением, то для вещания одного канала HDTV в стандарте MPEG2 потребовалось бы арендовать половину транспондера. Совместное применение DVB-S2 (усовершенствованный стандарт цифровой передачи данных) и H.264 позволяет разместить 6-8 каналов в транспондере, но уже HDTV телевидения.

MPEG-2

Основным форматом изображения в данном стандарте является 720·480. Изменения в алгоритме кодирования коснулись возможностей использования форматов кадра 16·9 и 4·3, а также поддержки чересстрочной развертки, т.е. деления кадра на два полукадра (поля) с нечетными и четными строками соответственно. Требуемая полоса пропускания (для фильмов формата VHS — 3 Мбит/с, а для HDTV — 60 Мбит/с). Поэтому основную сферу использования данного стандарта в настоящее время составляют устройства DVD, которые имеют соответствующие скорость и емкость, а также цифровое спутниковое телевидение.

MPEG-2

Особенности компенсация движения в MPEG-2.

В стандарте MPEG-2 используется метод компенсации движения, основанный на макроблоках. Это квадратная матрица отсчетов размером 16 строк по вертикали и 16 столбцов (отсчетов) по горизонтали. Тогда ТВ кадр разбивается на целое число зон. По вертикали (576 активных строк/16) - это 36 зон, по горизонтали (704 активных отсчета/16) - 44 зоны. Зона поиска должна быть достаточно большой, чтобы быстро движущийся макроблок изображения первого кадра не вышел из зоны поиска второго кадра. Размеры зоны поиска ограничиваются объемом вычислений, которые необходимо выполнить в реальном масштабе времени. Эти размеры также должны быть согласованы с принятой структурой дискретизации ТВ кадра. Обычно, они в 4 раза больше размеров отдельного макроблока. Таким образом, в ТВ кадре создается 9 зон (576/64) поиска по вертикали и 11 (704/64) зон по горизонтали.

MPEG-2

Уровни, профили и слои

Стандарт MPEG – 2 допускает 4 уровня (Levels) разрешения кадра и 5 базовых профилей (Profiles) кодирования сигналов яркости и цветности.

Уровни:

низкий (LL - Low Level) с разрешением кадра 352·288 (соответствует MPEG1), основной (ML - Main Level) 720·576,

высокий - 1440 (HL - High Level) 1440·1152 и

высокий 1920 - 1920·1152.

В соответствии с рекомендацией ITU-R BT.601 (International Telecommunications Union – Recommendation) основной уровень определяет разрешение стандартного телевизионного кадра, то высокие уровни ориентированы на телевидение высокой четкости.

MPEG-2

Различают 5 базовых профилей:

Впростом профиле (SP) осуществляется только компенсация движения и предсказание по одному направлению (P-кадры).

Восновном профиле (MP) предсказание выполняется по двум направлениям,

т.е. допускаются B-кадры.

Вмасштабируемых профилях осуществляется разделение исходного цифрового потока видеоданных на несколько частей по различным критериям.

Вмасштабируемом по отношению сигнал-шум (SNR - Scalable Profile) поток разделяют на 2 части. В первой части - основной сигнал, который несет информацию с пониженным отношением сигнал-шум (грубая дискретизация). Но эта часть защищается более устойчивым к помехам передачи алгоритмом, может приниматься в условиях сильных шумов и позволяет (даже при неблагоприятных условиях) восстанавливать ТВ-изображение. Менее защищенная вторая часть включает так называемый дополнительный сигнал, который при неустойчивом приеме отбрасывается. При устойчивом приеме он позволяет дополнить основной сигнал и повысить отношение сигнал-шум до исходного значения.