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

3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИДЕОКОМПРЕССИИ В ТЕЛЕВИДЕНИИ

3.1. Задача сжатия информации и пути ее решения

Одной из важнейших практических задач в области цифрового теле­

видения является задача сокращения скорости передачи двоичных симво­

лов и, соответственно, требуемой полосы частот канала связи. Эта задача может быть решена путем уменьшения избыточности информации, пере­ даваемой в телевизионном сигнале без заметного для глаза ухудшения ка­

чества воспроизводимого телевизионного изображения. Уменьшение из­ быточности обеспечивает также сокращение требуемого объема памяти

запоминающих устройств при записи телевизионных программ, видео­

фрагментов или отдельных изображений.

В соответствии с установившейся в технической литературе термино­

логией уменьшение объема передаваемой телевизионной информации в большинстве случаев называется сжатием видеоинформации, а также

сжатием изображений, сжатием звуковых сигналов, сжатием речи. В анг­

лоязычной литературе используется термин compression, и вместо слова

сжатие возможно использовать слово компрессия. А обратная операция называется декомпрессией. Таким образом, основной целью видеокомпрес­

сии является более компактное представление изображений с информаци­

онной точки зрения.

Следует также иметь в виду, что сравнительно часто вместо терминов

«сжатие» (<<компрессия») или «декомпрессия» используются соответст­

венно термины «кодирование» и «декодирование». Это соответствует тер­ минологии стандартов 11еждународной организации по стандартизации

(ISO - Intemational Standardization Organization) (encoding, decoding), но

следует всегда понимать, что имеется в виду. Например, в процессе сжатия

(то есть кодирования) выполняется несколько разных по сущности опера­

ций, некоторые из которых, взятые сами по себе, также называются коди­

рованием.

Избыточность телевизионного сигнала разделяется на структурную,

статистическую и психофизиологическую.

Структурная избыточность связана с наличием в стандартном теле­ визионном сигнале гасящих импульсов, во время которых информация об изображении не передается. Структурная избыточность телевизионного сигнала может быть уменьшена путем передачи во время гасящих импуль-

щания, но и реализовать одновременную передачу по этим радиоканалам

цифровых сигналов нескольких телевизионных программ, а также органи­

зовать передачу сигналов усовершенствованных систем ТВЧ.

Методы сжатия изображений можно разделить на два класса: методы сжатия без потерь информации и методы сжатия с частичной потерей информации. При сжатии без потерь после декомпрессии восстанавливает­ ся изображение, идентичное исходному.

Возможности сжатия реальных цветных или полутоновых черно­

белых изображений без потерь весьма ограничены. Гораздо большего эф­ фекта позволяют достичь методы сжатия с частичной потерей информа­ ции, но без заметного ухудшения визуально-воспринимаемого качества декодированных изображений.

Сжатие необходимо и для передачи в цифровой форме сигналов звуко­

вого 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 отбрасывает­ ся значительная часть слуховой информации, но качество воспроизводимого

звука остается достаточно высоким. Следовательно, сжатие достигается в ос­

новном за счет уменьшения психофизиологической избыточности. Практическими вопросами сжатия аудиовизуальной информации и

выпуском соответствующих стандартов и рекомендаций занимается МPEG

(Motion Pictures Experts Group - Группа экспертов по движущимся изобра­ жениям) - созданная в 1988 г. организация, объединяющая представителей фирм - производителей оборудования и научных институтов разных стран.

МPEG представляет собой подкомитет двух международных организа­

ций - ISO и Международной электротехнической комиссии (IEC - Intema-

tional Electrotechnical Commission).

Одна из основных задач группы МPEG состояла в изучении проблемы

и разработке стандарта на компрессию цифрового телевизионного сигнала,

что позволило предложить способы записи или передачи сигналов изобра­

жения и звука посредством возможно меньшего числа данных с возможно

лучшим качеством.

Первым стандартом, разработанным экспертной группой в 1993 году,

был МPEG-1, получивший в международной классификации индекс ISO/IEC 11172. Стандарт называется «Информационные технологии - Ко­ дирование движущихся изображений и сопровождающего звука для циф­ ровой записи со скоростями до 1,5 Мбит/с». Как и последующие стандарты этого семейства, МPEG-1 не определяет схему и конструкцию кодера и де­ кодера, он лишь описывает средства, используемые для обработки сигнала, определяет синтаксис (правила построения последовательности символов) совместимого цифрового потока и дает примеры реализации декодера. Со-

временнои избыточности, присущих телевизионному изображению. Уст­ ранение пространственной избыточности основывается на использовании ДКП, временн6й - 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 МPEG-2 (13818-3) определяет возможное

кодирование многоканального звука.

Важнейшая особенность стандарта МPEG-2 - представление сигналов телевизионного изображения и звука в форме, задаваемой спецификация­ ми 13818-1 - 13818-3, позволяет обращаться с видео и звуковыми потока­

ми как с потоками компьютерных данных, которые могут записываться на

самые разные носители информации, передаваться и приниматься с ис­

пользованием каналов связи и сетей телекоммуникаций, которые сущест­

вуют сегодня и появятся в будущем.

С принятием стандарта МPEG-2 работы по компрессии видеоданных

перешли в область практической реализации. На данный момент можно

назвать более 1О фирм, которые выпускают для продажи кодеры и декоде­ ры по стандарту МPEG-2. Наиболее известны из них Philips, Panasonic,

Page Мicro Technology, CLJ Communications, Wegener Communications, Sci- entific-Atlanta, NTL, Segem Group, NEC, Vistek, General Instruments и др.

Транспортный поток МPEG-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 МPEG-2, первые версии которого были разрабо­ таны практически пятнадцать лет назад. В течение нескольких лет стан­ дарт МPEG-2 постоянно улучшался. Заложенная в данном стандарте тех­

нология видеокомпрессии доказала свою эффективность, но в настоящее

время она является уже заметно устаревшей. Сегодня стандарт МPEG-2 подошел к границам своих возможностей. Пришло время заменить спосо­

бы видеосжатия, на которых основывается стандарт МPEG-2, более эф­ фективной и продвинутой технологией, воспользовавшись преимущества­

ми непрерывного прогресса в производстве процессоров.

Первоначально в телевизионном вещании все программы, как прави­ ло, готовились в студиях. Все усовершенствования, включая появление

цифрового вещания и стандарта МPEG-2, не изменили эту концепцию в

корне, хотя добавили к ней некоторые новые аспекты - многопрограмм­

ность, подписку, дополнительные услуги (сервисы), интерактивность.

В настоящее время традиционная концепция телевидения не удовле­

творяет уже пользователей аудиовизуальных услуг. Зрители хотят иметь

доступ к видео- и аудиопрограммам через Интернет в интерактивном ре­

жиме. Современные требования пользователей аудиовизуальных услуг

меньшим числом деталей. Таким способом только некоторые детали изо­ бражения (которые реально выиграют от этого) следует передавать с более плотным потоком бит (в Мбит/с). Если сегментацию сложных сцен выпол­ нить эффективно, то можно получить заметное снижение общей скорости

потока данных.

Стандарт сжатия МPEG-4 может использоваться для организации ви­ деоконференций при передаче видеоданных по цифровым телефонным ка­ налам. Этот стандарт может также применяться в низкоскоростных систе­

мах мультимедиа.

Стандарт МPEG-4 определяет различные виды аудиовизуальных объ­ ектов и способы их описания и кодирования. Например, стандарт МPEG-4 Visual позволяет кодировать не только прямоугольные видеокадры. Объ­ ектно-ориентированное кодирование, вводимое системой МPEG-4, во­ первых, дает более эффективное сжатие потока данных, а, во-вторых, по­ зволяет создавать принципиально новые способы производства мультиме­ дийных программ. Другая важная особенность МPEG-4 - введение меха­

низма, позволяющего организовать защиту авторских прав на интеллекту­

альную собственность.

В ходе дальнейшей разработки данного стандарта стало ясно, что за­

ложенные в нем принципы кодирования значительно мощнее, чем только

кодирование на сверхнизких скоростях. Предел сверху скорости цифрово­ го потока был расширен сначала до 10 Мбит/с, а затем до 38 Мбит/с и ве­

дется работа по его дальнейшему расширению.

С целью реализации более эффективных способов сжатия видеодан- ных по сравнению со стандартом МPEG-4 Visual в 2003 году был разрабо­

тан стандарт нового поколения видеокомпрессии мрEG-4 AVC (Advanced Video Coding - «продвинутое, то есть усовершенствованное, кодирование видео»), известный также под названием мрEG-4 Part 1О (ISO/IEC 14496

Part 10) или Н.264 (по классификации ITU - Intemational Telecommunica-

tions Union, то есть МСЭ - Международного союза электросвязи). Оконча­

тельные этапы развития стандарта Н.264 были осуществлены объединен­

ной командой по видео (Joint Video Теат), состоящей из экспертов МPEG

и VCEG (Video Coding Experts Group - рабочей группой МСЭ), которая

функционирует во многом подобно группе МPEG. Таким образом, оконча­

тельная редакция данного стандарта видеокомпрессии была опубликована

под совместным патронажем ISO/IEC и ITU.

Стандарты компрессии МPEG-4 Visual и Н.264 имеют общее проис­

хождение и многие схожие черты, так как они были разработаны на основе более раннего стандарта сжатия МPEG-2. Однако они развивают его в су­

щественно различных направлениях.

Например, стандарт МPEG-4 Visual является более гибким. При его разработке предполагалась возможность его использования в различных

мультимедийных приложениях.

Цель разработки стандарта сжатия Н.264, поддерживающего всего три профиля, имела более прагматический характер. Основными сферами его применения являются - цифровое телевизионное вещание, устройства хра­ нения визуальной информации, системы передачи потокового видео. Зато он обеспечивает более эффективные механизмы компрессии прямоуголь­ ных видеокадров. Например, использование стандарта Н.264 совместно со способом обработки аудиоданных ААС позволяет уменьшить скорость по­ тока данных в системе цифрового наземного телевизионного вещания при передаче одной программы стандартной четкости до 1,5 Мбит/с.

В последние годы предложена поправка к стандарту Н.264/АУС - масштабируемое видеокодирование SVC (Scalable Video Coding), обуслов­ ленное ростом сетевых возможностей систем инфокоммуникациЙ.

К настоящему времени разработано приложение к стандарту Н.264/АУС, обеспечивающее многоракурсное видеокодирование (МУС - Multiview Video Coding), в котором применяется межракурсное предска­ зание для устранения статистической избыточности. Благодаря усовер­

шенствованию технологии отображения телевизионных изображений, многоракурсное видео становится востребованным у телезрителей, так как расширяет визуальное впечатление о рассматриваемых объектах за счет возможности интерактивного выбора точки наблюдения.

Система видеокомпрессии МУС стандартизована как приложение 4 к

части 10 стандарта МPEG-4 (МPEG-4 Part 10 Appendix 4).

Стремительный рост потока видеоинформации определяет появление и

развитие новых мультимедийных и коммуникационных приложениЙ. След­

ствием этого является потребность в разработке более эффективных стандар­ тов видеокомпрессии (с более высоким значением коэффициента сжатия).

Дальнейшее расширение вычислительных возможностей аппаратных средств устройств видеокомпрессии позволило разработать проект нового стандарта Н.265IНЕУС (High Efficiency Video Coding - «высокоэффектив­

ное видеокодирование»), являющегося логическим развитием стандарта Н.264/АУС. Эксперты МPEG и VCEG заняты в настоящее время приняти­

ем решения по элементам нового стандарта, которые, как предполагается,

наполовину уменьшат скорость битового потока по сравнению с предыду­

щими наилучшими вариантами решений при сопоставимом качестве вос­

производимых изображений.

В разрабатываемом стандарте Н.265IНЕУС предложено использовать

следующие механизмы видеокомпрессии:

• Предсказание с компенсацией движения с высоким разрешением.

Разрешение вектора движения увеличено от обычно используемого 1/4 пикселя до 1/8 пикселя, что особенно эффективно для видеопоследователь­

ностей с низким разрешением.

• Адаптивный выбор матрицы квантования (Adaptive Quantization Matrix Selection - AQMS). Матрица квантования формируется в процессе

работы или выбирается из заранее определенной группы вариантов на уровне макроблока. Выбор основан на критерии R-D (Rate-Distortion, сжа­ тие-ошибка), значение которого фиксируется в битовом потоке.

•Адаптивное кодирование ошибки предсказания (Adaptive Prediction Error Coding - АРЕС). При повышении точности предсказания корреляция остаточных сигналов уменьшается, поэтому преобразование иногда стано­ вится неэффективным для уплотнения энергии. АРЕС позволяет кодиро­ вать остаточные данные в области преобразования или в пространственной области с принятием решения и сигнализацией вниз на уровень блока пре­ образования.

•Увеличение размеров блока для предсказания с компенсацией дви­

жения и преобразования. Размер макроблока увеличивается до 32х32 или 64х64 пикселей. Принято также 2D-преобразование 16 порядка для оста­ точных блоков, формируемых устройством компенсации движения, боль­ ших или равных 16х16 пикселей.

• Конкурентное предсказание векторов движения. Вместо одного от­

дельного модуля предсказания вектора движения (как в стандарте Н.264/АУС), наборы пространственных, BpeMeHHIJIx и пространственно­

временных модулей предсказания конкурируют друг с другом; выигрывает

модуль предсказания с наилучшими характеристиками критерия R-D.

•Адаптивный интерnоляционный фильтр (Adaptive Interpolation Filter - AIF). Коэффициенты AIF (его импульсная характеристика) уточ­

няются на уровне изображения и кодируются как дополнительная ин­

формация.

•Направленное nреобразование, зависящее от режима (Mode-

Dependent Directional Transform - МDDT). ДЛЯ режимов внутрикадрового

предсказания с сильно выраженной направленностью соответствующие

преобразования МDDT вычисляют с помощью сверхточного wavelet или

Карунена-Лоэва преобразования для обозначения высокого уровня энергии вдоль указанных направлений. Причем тип преобразования МDDT привя­ зывается к выбранному режиму внутрикадрового предсказания.

С появлением стандартов сжатия MPEG-4 Visual и Н.264 роль стан­

дарта компрессии MPEG-2 в настоящее время не уменьшилась, так как данные стандарты во многом совместимы, особенно это относится к ин­

формационным магистралям. На сегодня в ряде стран стандарт сжатия MPEG-2 является для вещания фактически основным, на функциониро­ вании которого основаны работа наземных систем цифрового телевиде­

ния DVB-T.

Вследствие того, что большинство используемых ныне абонентских

приставок (STB) поддерживают стандарт МPEG-2, он, по крайней мере, в

течение нескольких последующих лет останется широко распространенным.

Группа МPEG сейчас работает над следующим стандартом - МPEG-7, который будет полностью отличаться от других стандартов этого ряда.