Учебники / Цифровое телевизионное вещание под редакцией Г. В. Мамчев, 2014

Рис. 3.24. Формат таблицы РАТ:

а) общая структура таблицы; б) структура заголовка

Рассмотрим структуру таблиц подробнее. Общий формат таблицы РАТ показан на рис. 3.24 а. Она содержит заголовок длиной 8 байт, поле данных и символы проверки циклическим избыточным кодом CRC (Cyclic Redundancy Check). На использовании данных CRC основан метод обна­

ружения ошибок в передаваемом сообщении, заключающийся в сравнении

остатков от деления блоков кодовой последовательности на фиксирован­

ный делитель воспроизводимый как на передающей, так и на приемной

стороне. Структура заголовка таблицы РАТ более детально показана на

рис. 3.24 б. Первым идет идентификатор таблицы table_id. Это однобайто­

вое слово обязательно входит в состав любой таблицы и определяет ее тип.

Таким образом, таблица РАТ имеет два идентификатора: PID и table_id, из

которых PID является более общим указателем. Следующий существенный элемент заголовка - определитель длины секции в байтах, в котором два старших бита из 12 установлены на «О», так что длина секции не может

превышать 1024 байта. Идентификатор транспортного потока transport_stream_id размером 2 байта указывает условный номер в данной сети

транспортного потока, в котором передается анализируемая таблица. Ука­ затель «номера версии» изменяется на единицу каждый раз, когда в табли­ цу вносятся изменения. Если таблица разбита на несколько секций, одно­ байтовый указатель «номер секции» сообщает номер передаваемой секции. «Номер последней секции» необходим для подтверждения того, что вся таблица принята декодером.

В поле данных таблицы РАТ содержатся сведения о программах, пе­ редаваемых в транспортном потоке, с их номерами PID. «Номер програм­ мы» занимает два байта, затем следует трехбитовый промежуток и 13- битовое значение PID.

Таблица РМТ создается отдельно для каждой программы, передавае­ мой в транспортном потоке. Общая структура таблицы показана на рис. 3.25

а, детальная структура заголовка на рис. 3.25 б. Из рис. 3.25 а следует, что в состав таблицы РМТ входят заголовок длиной 12 байт, поле данных nере­ менной длины и символы синхронизации, называемые «ссылкой на nро­ граммные часы» (PCR - Program Clock Reference, то есть временн6й штамп

времени относительно UTC дЛЯ разных регионов страны. Этот сдвиг может быть использован для расчета и индикации местного времени на табло телевизора или в электронном путеводителе по программам. Зна­

чения сдвига уточняются при переходе от зимнего времени к летнему и

обратно. Данные ТОТ передаются в отдельной таблице по причине час­ того обновления содержащейся в ней информации. Таблицы ТОТ и

TDT передаются в пакетах с одинаковым PID. Поэтому их различение

осуществляется по идентификатору таблицы;

•ВАТ (Bouquet Association Table): таблица группы служб - содержит информацию о группировке служб в одной программе, то есть одно­ временно декодируемых и выдаваемых пользователю; сообщает назва­ ние группы и предоставляет перечень служб в каждой группе (конкрет­ ная служба может принадлежать одной или большему числу групп служб). Это позволяет пользователю работать с меню программ данной сети и выбирать интересующую его службу, не используя сведений о

частоте настройки и других параметрах потоков;

•RST (Running Status Table): таблица текущего статуса - ее секции ис­

пользуются для быстрого обновления текущего статуса одного или не­

скольких событий (исполняется/не исполняется); секции таблицы RST

посылаются только однажды - в момент изменения статуса события в отличие от других таблиц SI, которые обычно передаются с цикличе­ ским повторением; данные таблицы RST позволяют автоматически пе­ реключаться между событиями;

•ST (Stuffing Table): таблица байт стаффинга - используется для заме­ ны или отмены действия существующих секций (либо субтаблиц, либо полных таблиц SI), в частности, граничных секций;

•SIT (Selection Information Table): таблица выбираемой информации -

используется только в «частичных», то есть в записанных потоках бит;

она несет сводку об информации SI, требуемой для описания потоков в

частичном потоке бит;

•DIT (Discontinuity Information Table): таблица неоднородности инфор­

мации - используется только в «частичных», то есть в записанных по­

токах бит; выводится в случае, когда информация SI в частичном пото­

ке бит может быть неоднородна;

• TSDT (Transport Stream Description Table): таблица описания транс­

портного потока;

• NIT (Network Information Table): таблица сетевой информации - содер­

жит имя сети, к которой относится данный транспортный поток, и пере­

чень остальных транспортных потоков с указанием наземных каналов,

по которым эти транспортные потоки передаются. Под сетью понимает­

ся совокупность транспортных потоков, передаваемых в одной системе

доставки (например, одной вещательной компанией).

Фактически таблица NIT имеет два вида: actual и other, что связано с мультиплексированием. NIT actual - это таблица для текущей сети связи,

сгенерированная мультиплексором данной сети. NIT other предназначается для другой сети. Передача обеих таблиц NIT возможна только в том слу­

чае, если при мультиплексировании используется NIT другой сети и в нее

вносятся изменения.

Для примера в табл. 3.5 перечислены значения идентификатора про­

грамм PID, которые должны использоваться для пакетов транспортного

потока, переносящих секции сервисной информации SI.

Всистеме DVB-T используются ограничения следующего вида:

•Каждая секция таблицы взаимосвязи программ РАТ и таблицы структуры программы РМТ должна передаваться по крайней мере раз каждые 100 мс.

•Таблица сетевой информации (NIT) вводится в транспортные пакеты со

значением идентификатора PID ОхОО1О. Каждая секция таблицы NIT должна передаваться по крайней мере один раз каждые 10 с с мини­ мальным интервалом времени 25 мс между последним байтом данной секции и первым байтом следующей передаваемой секции.

•Таблицы PSI передаются в соответствующем потоке бит последова­

тельно без промежутка между отдельными таблицами. Так как таблицы не обязательно должны начинаться в начале транспортного пакета, то индикация их местоположения обеспечивается с помощью поля

pointer_field, которое указывает число байт, которые следуют за ним перед началом таблицы PSI. Значение поля pointer_field, равное ОхОО,

указывает, что новая таблица PSI последует за ним непосредственно.

•Таблица взаимосвязи программ РАТ передается как полезная загрузка

битового потока с PID = О. Таблица РАТ обеспечивает соответствие

между номером программы и значениями идентификаторов PID в паке­

тах транспортного потока бит, содержащих описание программы в таб­ лицахРМТ.

например, спортивных передач. Таким образом, если за исходную скорость передачи двоичных символов возьмем 216 Мбит/с, то при коэффициентах сжатия, находящихся практически в пределах 3О ... 40, обеспечивается ка­ чество телевизионных изображений, сравнимое, например, с системой РAL. При достижении значительно б6льших значений коэффициентов сжатия на телевизионных изображениях возникают характерные искаже­ ния, обусловленные стандартом кодирования МPEG-2, которые могут быть классифицированы следующим образом.

•Искажения, создаваемые внутрикадровым кодированием:

1.Одним из типичных проявлений искажений видеокомпрессии явля­ ется блочная структура (blockiness) типа шахматной доски, то есть

заметность границ блоков (блокинг-эффект), кажущаяся на изо­ бражении совершенно неестественноЙ. Так как соседние блоки ко­ дируются и декодируются независимо друг от друга, то при больших

степенях сжатия после квантования и деквантования в них могут по­

лучаться заметно различающиеся коэффициенты ДКП, соответст­

вующие постоянным и низкочастотным составляющим. В результате изображения в соседних блоках могут сильно отличаться друг от друга по яркости, цвету, характеру деталей и текстуры. Компрессия статичных изображений сопровождается меньшими искажениями,

чем видеосжатие динамичных телевизионных последовательностей.

Блочность особенно заметна, если глаз следит за движущимся объ­

ектом.

2. Размытие изображения (<<замыливание»).

Наблюдается при большом коэффициенте сжатия изображения. Обусловлено ограничением либо полным обнулением коэффициен­

тов ДКП, соответствующих высоким пространственным частотам, в результате чего мелкие детали изображения становятся размытыми

или полностью пропадают.

3. Появление окантовок на резких переходах яркости изображения.

Этот эффект обусловлен значительными искажениями либо полным

подавлением высокочастотных составляющих пространственного

спектра. При нехватке битов, в первую очередь, обрезаются высоко­

частотные коэффициенты, и это может повлиять на форму сигнала

яркости вблизи ступеньки, то есть вызвать колебательный процесс

на вершине импульса.

4. Размытие цветов.

Имеет ту же причину, что и эффект окантовки на границах, но прояв­

ляется на участках изображения с резкими скачками в сигнале яркости.

5. Эффект ступенек.

Возникает как результат неправильного восстановления или переда­

чи краев изображений внутри блока. Эффект проявляется как прави­ лo' при восстановлении изображения в увеличенном масштабе.

•Искажения, возникающие в процессе межкадрового кодирования:

1.Ложные границы

Наблюдаются при компенсации движения. Этот эффект является

прямым следствием межкадрового кодирования видеосигнала. Если

при компенсации движения в опорном кадре заметна блочность, то

она может переноситься в новый кадр со смещением относительно

границ блока (из-за неточности компенсации), в результате чего по­

являются ложные границы.

2. Эффект «комаров».

Проявляется как флуктуации яркости или цветности в блоке на гра­ нице между движущимся объектом и фоном. Эффект возникает вследствие различной степени квантования ошибок предсказания от

кадра к кадру.

3. Зернистый шум в стационарной области.

Проявляется как медленно движущиеся мерцающие шумы низкой

интенсивности в областях, в которых имеется лишь малое движение

либо движение отсутствует полностью.

4. Появление неnравильных цветов в макроблоке по отношению к его исходным цветам и к цветам окружающей области.

5. Появление следов за движущимися объектами, которые могут со­

храняться сравнительно долго.

Причем чем выше скорость цифрового потока, тем меньше подверже­ но телевизионное изображение влиянию артефактов кодирования.

Особо следует отметить, что фактически общей причиной всех арте­

фактов является квантование коэффициентов ДКП в рамках относи­ тельно небольшого блока изображений с размерами 8х8 пикселей. Пря­

мым следствием этого квантования является формирование на изображе­

нии блочной структуры, которая является интегральным показателем, ха­

рактеризующим заметность разнообразных искажений и артефактов в те­

левизионной системе с видеокомпрессией.

При этом необходимо всегда помнить, что качество телевизионного изображения на выходе декодера системы видеокомпрессии непостоянно,

его значение является функцией содержания телевизионных кадров (более точно - функцией пространственных и BpeMeHHIJIx свойств телевизионного изображения). Это обстоятельство заставило отказаться от применения

простых испытательных сигналов в телевизионных системах с компресси­

ей и перейти к широкому использованию субъективных экспертиз с целью оценки качества. Причем только с использованием субъективных измере­

ний, дающих прямую интегральную оценку качественных показателей

изображения, можно получить исходные записи для разработки методов объективной оценки качества, результаты которых будут хорошо соответ­ ствовать визуальной оценке. Однако субъективные измерения не могут в полной мере использоваться для целей мониторинга цифровых телевизи-

онных систем, то есть при измерениях во время передачи телевизионных

программ.

Потоки данных МPEG-2 точно описывают операции, которые должен

выполнить декодер для восстановления исходной последовательности изо­

бражений.

Архитектура стандарта МPEG-2 выбрана так, чтобы декодер был зна­ чительно более простым устройством, чем кодер. Это особенно важно в первую очередь для телевизионного вещания, где обычно один кодер об­

служивает тысячи или миллионы декодеров. Данная архитектура позволя­

ет существенно уменьшить общую стоимость системы.

Декодеры, используемые во многих действующих цифровых системах, построены так, что могут декодировать любой поток данных, совместимый со стандартом МPEG-2. Такие декодеры смогут работать даже при появле­ нии кодеров на базе новых, более эффективных алгоритмов кодирования.

Видеокодеры стандарта МPEG-2 в значительной степени могут под­ вергаться улучшению и совершенствованию без изменения их аппаратного

и программного обеспечения. Следовательно, весьма ценная особенность архитектуры стандарта МPEG-2 заключается в том, что в ней возможны

улучшения эффективности алгоритмов сжатия сигналов изображения без

изменений в декодерах, приводящие к уменьшению требуемой скорости

цифрового потока.

В настоящее время разработаны технологии, обеспечивающие работу кодеров стандарта МPEG-2 с переменной скоростью данных. Они исполь­ зуют статистический характер последовательностей изображений и позво­ ляют выделять более высокую пропускную способность канала для теле­ визионных изображений с повышенной детальностью и менее высокую пропускную способность - для изображений с низкой детальностью.

За последние годы на порядок улучшились качественные показатели,

возросла эффективность и сократились габариты аппаратуры цифрового

сжатия по стандарту МPEG-2, что оказалось возможным в основном бла­

годаря разработке технологии интегральных микросхем RISC (Reduced In- struction Set Computer -«вычислитель с сокращенным набором команд») с

производительностью и гибкостью, позволяющими исключить создание

систем цифрового сжатия на основе дискретной архитектуры. Процессоры RISC применяются в большинстве современных устройств цифрового сжа­ тия (в кодерах и декодерах).

Первоначально предполагалось, что для декодирования данных в стандарте сжатия МPEG-2 будут использоваться исключительно аппарат­ ные средства. Это объяснялось сложностью алгоритмов компрессии и де­

компрессии данных. Однако в настоящее время, наряду с аппаратными кодерами и декодерами, все большее распространение получают про­ граммные средства с использованием как минимум процессора Pentium

133 МГц.

При проектировании многопрограммных телесетей, предназначенных

для достаточно большого числа абонентов, необходимо учитывать, что в них цифровые сигналы в стандарте МPEG-2 могут подвергаться каскадно­ му цифровому сжатию или многократной видеообработке в процессе фор­

мирования телевизионных программ, например, при монтаже и коммута­

ции. Повторное сжатие цифровых потоков в стандарте МPEG-2 может приводить не только к ухудшению отношения сигнал/шум, но и к сущест­ венному снижению (зачастую, к полной потере) общего качества изобра­ жения. В случае многократной видеообработки возможны временн6е дро­ жание видеосигнала и ошибки синхронизации.

К настоящему времени разработана технология MOLE, обеспечиваю­ щая многократное перекодирование сигналов в стандарте МPEG-2 без по­ тери качества изображения. Дело в том, что поток данных в стандарте МPEG-2 представляет собой пакеты данных постоянной длины, содержа­ щие 188 байт, в которые включена служебная информация. Причем объем служебной информации, в принципе, может быть увеличен. Следо­

вательно, в пакетах данных имеется возможность содержать все инструк­

ции, необходимые декодеру МPEG-2 дЛЯ преобразования сжатых видео­

данных в видеосигнал. Такие инструкции, по существу, могут описывать

все действия кодера при первоначальном сжатии цифрового потока. По­

вторное использование подобных инструкций следующим кодером позво­

лит снизить потери до нуля, поскольку результат повторного сжатия ничем

не будет отличаться от исходного потока данных в стандарте МPEG-2.

Суть метода MOLE состоит в замешивании так называемых данных

поддержки (метаданных) в состав стандартного цифрового компонентного

видеосигнала. В таком виде эти данные от входного декодера МPEG-2- MOLE без каких-либо проблем проходят через существующие студийные

цифровые микшеры и коммутаторы на выход комплекса к программному

кодеру МPEG-2 - MOLE, где производится повторное сжатие сигнала. Для примера на рис. 3.26 показано влияние технологии MOLE на шумовые свой­ ства видеосигнала, подвергаемого многократному перекодированию [30].

В цифровом телевизионном вещании понятие метаданных имеет бо­

лее широкий характер. Метаданные делятся на две основные категории:

предназначенные для автоматического извлечения нужной дополнитель­

ной информации, например, данные поддержки, используемые техноло­

гией MOLE, и дополнительные данные, вводимые вручную. Вручную

введенная информация - это данные о производственном процессе подго­ товки цифровых телепрограмм, включая рекламные вставки, гиперсвязи,

редакторский текст, ключевые слова из расписания основных программ,

информация об управлении авторскими правами, различные версии теле­

визионных передач и т.д. Метаданные становятся основой видеопроиз­

водства и важным звеном, соединяющим телевизионную камеру с теле­

зрителями.