Профили и уровни стандарта МРЕG-2

Даже в рамках одного стандарта, как показывает практика, передача сигналов телевидения - и цифрового здесь не исключение, ведется на разных уровнях качества. То же самое можно сказать и о ТВ приемниках, жесткие, а главное узкие допусковые интервалы не жизненны, поскольку лишают систему гибкости, приспособляемости 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 документа: ISO/IEC 13818-2.

В этом документе определено, что стандарт МРЕG-2 - это целое семейство взаимосогласованных совместимых цифровых стандартов ин формационного сжатия ТВ сигналов с различной степенью сложности используемых алгоритмов. Поэтому в рамках стандарта МРЕG-2 была разработана система профилей и уровней. Профиль - это подмножество стандарта для специализированного применения, задающее алгоритмы и средства компрессии. Уровни внутри каждого профиля связаны с параметрами компрессируемого изображения

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 МРЕG-2 поясняется табл. 2.1.

Таблица 5.1 - Профили и уровни стандарта МРЕG-2

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

Кодирование сигналов телевидения вещательного стандарта 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 уровень - 1440 поддерживает ТВ изображения высокой четкости с разрешением 1440×1152 элементов.

Высокий уровень - 1920 поддерживает ТВ изображения высокой четкости широкого формата с разрешением 1920×1152 (HDTV-plus). В обоих «высоких» уровнях кадр ТВ изображения содержит 1152 активные строки (вдвое больше, чем в вещательном телевидении). Эти строки дискретизируются соответственно на 1440 или 1920 отсчетов.

В стандарте используются 5 профилей, которым соответствуют 5 наборов функциональных операций по обработке (компрессии) видеоданных.

Профиль, в котором используется наименьшее число функциональных операций по компрессии видеоданных, назван простым. В нем при компрессии видеоданных используется компенсация движения изображения и гибридное ДКП.

Следующий профиль назван основным. 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 основных показателей системы, способность воспроизведения ТВ изображений из части полного потока видеоданных. 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 позволит в рассматриваемом случае повысить устойчивость системы за счет некоторого снижения требований к допустимому уровню отношения сигнал-шум в воспроизводимом ТВ изображении.

При масштабировании потоки 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 пониженным отношением сигнал-шум относительно 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. Это ведет к росту уровня шума, зато система остается работоспособной.

Бывают 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 ныне действующими вещательными системами и ТВЧ. 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 ТВ 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.

Стандартом МРЕG-2 потенциально предусмотрена масштабируемость по времени, позволяющая получать от одного источника видеоинформации ТВ изображения с двумя уровнями разрешающей способности по времени. Например, основной поток видеоданных обеспечивает воспроизведение ТВ изображения с частотой кадров 25 Гц и чересстрочной разверткой. Добавление дополнительного потока видеоданных к основному позволяет получить ТВ изображение с частотой кадров 50 Гц и прогрессивной разверткой.

Таким образом, стандарт МРЕG-2 предусматривает возможность организации потоков видеоданных как с масштабируемостью, так и без нее. Однако, масштабируемость, заложенная в стандарте МРЕG-2, пока редко встречается в практических реализациях цифровых ТВ систем, но она является важной предпосылкой их дальнейшего развития.

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 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. В этом случае коэффициент компрессии минимален, а качество изображения наивысшее.

Приведенные в табл. 5.1 5 профилей и четыре уровня образуют 20 возможных комбинаций видеосигнала, из которых, вероятнее всего, только 11 будут необходимыми. Для этих комбинаций (согласованные точки) в таблице указаны максимальные значения скорости передачи видеоданных в Мбит/с.

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 процессе кодирования/декодирования видеосигнала. Используемые в конкретных кодерах 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.

Таким образом, стандарт МРЕG-2 позволяет гибко менять скорость передачи видеоданных в очень широких пределах. Надо заметить, что системы кодирования стандарта МРЕG-2 могут работать как с чересстрочной, так и с прогрессивной развертками при частоте полей 50 или 60 Гц. Для каждой стандартизованной точки в таблице оговорено число отсчетов сигнала яркости на активной части строки. Рассмотренные комбинации параметров информационного кодирования Пригодны для работы с различными цифровыми трактами.

Стандарт МРЕG-2 принципиально нацелен в будущее. Большинство выпускаемых в настоящее время декодеров в интегральном исполнении относится к основному профилю и основному уровню (МР@ML) рассчитанных на ТВ изображение с чересстрочным разложением на 625 строк. Эта система принята для первого поколения цифровых телевизоров для НТВ со спутников, работающих в диапазоне 11/12 ГГц, и кабельной сети распределения.

Однако ряд особенностей основного профиля и основного уровня стандарта МРЕG-2, например, низкое вертикальное разрешение в цветоразностных каналах, ограничивают его применение в условиях ТВ студий, в видеопроизводстве. Для достижения высоких качественных показателей в случае многократного кодирования-декодирования важно кодировать видеосигналы стандарта 4:2:2. Использование видеосигналов, кодированных в стандарте 4:2:0, совместно с основным профилем и основным уровнем МР@МL означает, что вертикальное разрешение в цветоразностных каналах уменьшается вдвое. Взаимное преобразование видеосигналов стандартов 4:2:2 и 4:2:0, необходимое для обеспечения совместимости в ТВ тракте в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р ВТ.601-5, требует в каждой точке преобразования вертикальные фильтры низких частот. Хорошо известно, что каскадное включение таких фильтров быстро приведет к «смягчению», т.е. к размытию цветовых границ. Для сохранения цветового вертикального разрешения лучше осуществлять компрессию видеоданных, кодированных по стандарту 4:2:2. Поэтому в рамках группы МРЕG-2 был разработан дополнительный стандарт 422 Profile @ Main Level (422 Р@МL).

Стандарт 422 Р@МL является подмножеством основного профиля и основного уровня МР@МL. в том смысле, что все значения параметров первого либо равны, либо превышают соответствующие значения второго. Принцип обратной совместимости, заложенный в МРЕG-2, гарантирует, что декодеры 422 Р@МL способны декодировать цифровые потоки МР@МL.

Основные возможности стандарта 422 Р@МI, превосходящие соответствующие свойства основного профиля и основного уровня МР@МL, заключаются в следующем:

- допускается кодирование сигнала по стандарту 4:2:2, в то время как МР@МL ограничен кодированием сигналов способом 4:2:0;

- цифровой поток кодированных видеоданных может принимать любое значение до 50 Мбит/с, а в МР@МL — только 15 Мбит/с;

- вертикальное разрешение ограничено значением 512 ТВ линий в случае 525-строчных систем и 608 ТВ линий в случае 625-строчных систем, а в МР@МL - значениями 480 и 576 ТВ линий соответственно;

- в 625-строчных системах кроме 576 активных строк стандарт 422 Р@МL обеспечивает возможность кодирования еще 32 строк в кадре как составной части видеосигнала. Это позволяет пропускать напрямую через систему цифрового сжатия важные строки полевого интервала гашения. Поэтому стандарт 422 Р@МL гарантирует пропускание такой информации как полевой временной код и сигналы испытательных Строк, не требуя отдельной обработки этих строк.

После того как была сформулирована профессиональная версия МРЕG-2 422 Р@МL, используемая для студийного производства, он получил статус полноценного международного стандарта, который иногда называют 422 Studio Profile/ML. В результате появилась реальная возможность применения стандарта сжатия МРЕG-2 на всех участках технологической цепочки создания ТВ программ: от съемки до телезрителя, включая доставку новостийных сюжетов на телецентр, студийную компоновку программ, их распространение и передачу в эфир. Стандарт предоставляет возможности эффективной работы во всех этих звеньях. Профили МРЕG-2 определяют набор способов и технических приемов по сжатию видеоданных, а уровни - такие параметры, как размер изображения или скорость цифрового потока при выбранном способе кодирования. Профиль 422 характеризуется высокой скоростью цифрового потока и относительно короткими группами изображений, что позволяет монтировать ТВ программу с достаточно высоким качеством

В настоящее время активно разрабатывается стандарт МРЕG-2 4:2:2 Р@НL (профиль 4:2:2 на высоком уровне), нацеленный на использование в системах ТВЧ.

Для кодирования звуковых сигналов с целью их компрессии в МРЕG-2 используется стандарт информационного сжатия звуковых данных MUSICAM (Masked Pattern for Adapted Universal Coding and Multiplexing), обозначаемый также как МРЕG Layer II. Стандарт MUSICAM позволяет передавать моно, стерео, многоязыковый и surround (пространственный) звук.

MUSICAM позволяет снизить скорость потока данных, необходимую для воспроизведения звуковых сигналов, адекватного качеству, получаемому при воспроизведении компакт-дисков, до 128 кбит/с на каждый моноканал звукового сопровождения. Таким образом, для самого низкого уровня - двухканального стереофонического звукового сопровождения - потребуется скорость передачи цифровых данных, равная 128 кбит/с × 2 = 256 кбит/с. В основе стандарта лежат два психоакустических эффекта. Дело в том, что человеческое ухо не способно различать звуки с громкостью ниже определенного минимума, так называемого «порога тишины». Кроме того, более тихие звуки «маскируются» более громкими. Соответственно, алгоритм MUSICAM обеспечивает передачу только тех звуков, которые реально различаются человеком.

В случае воспроизведения пространственного (Surround) звука для передачи шести сигналов звукового сопровождения в отсутствие компрессии потребуется пропускная способность канала, достигаемая 5,18 Мбит/с (48 000 × 18 × 6 = 5,18 Мбит/с, где 18 кГц - частота дискретизации звуковых сигналов, 18 бит - разрядность квантования). По протоколу для передачи звукового сопровождения предусмотрен канал с пропускной способностью 384 кбит/с. В данном случае требуемый коэффициент сжатия, равный 13, сможет обеспечить цифровая система компрессирования Dolby AC-3, основанная на спектральном анализе звуковых сигналов и удалении частотных компонент, не слышимых человеком.

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1. Телевидение: Учеб. для студ. вузов, обучающихся по направлению "Телекоммуникации", спец. "Радиосвязь, радиовещание и телевидение"/ ред. Джакония В.Е.. - 2-е изд.. - М.: Горячая линия - Телеком, 2002. - 639с.

2. Основы электроники, радиотехники и связи: учеб. пособие/ А.Д. Гуменюк [и др.]; под ред. Г.Д. Петрухина. - М.: Горячая линия - Телеком, 2008. - 480 с.

3. Мамчев Г.В. Основы радиосвязи и телевидения: учеб. пособие для студ. вузов/ Г.В. Мамчев. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 414 с.

4. Телекоммуникационные системы и сети: в 3-х т.: учеб. пособие для студ. вузов связи и колледжей. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Горячая линия - Телеком. - 2005. - Т.1: Крук Б.И. Современные технологии/ Б.И. Крук, В.Н. Попантонопуло, В.П. Шу-валов. - 2005. - 647 с.

5. Телекоммуникационные системы и сети: учеб. пособие для студентов вузов связи и колледжей: в 3 т./ Г.П. Катунин, Г.В. Мамчев, В.Н. Попантонопуло, В.П. Шувалов. - 2-е изд., испр. и доп.. - М.: Горячая линия -Телеком. - 2004. Т. 2: Радиосвязь, радиовещание, телевидение. - 2004. - 672 с.

6. Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника: научное издание/ Птачек М. - М.: Радио и связь, 1990. - 528с.

7. Амочаева Г.Г. Электронный конспект лекций.

Дополнительная

1. Андердал К. Цифровое видео для "чайников": пер. с англ./ К. Андердал. - 3-е изд. - М.: Вильямс: Диалектика, 2005. - 346 с.

2. Блейк Б. 50 эффективных приемов создания и обработки цифрового видео: научное издание/ Б. Блейк, Д. Сахлин. - М.: Вильямс: Диалектика, 2006. - 399 с.

3. Быков Р.Е. Телевидение: Учеб. пособ. для студ. радиотехн. спец. вузов/ Быков Р.Е., Сигалов В.М., Эйссенгардт Г.А.. - М.: Высш. шк., 1988. - 248с.

4. Внедрение цифрового телерадиовещания: проблемы, ключевые факторы успеха: научное издание/ под ред.: Ш. Ж. Сеилова, Ш. Ж. Бутенко. - Астана: Елорда, 2009. - 359 с.

5. Гусятинский И. А. Радиосвязь и радиовещание: научное издание/ Гусятинский И.А., Пирогов А.А.. - М.: Сов. радио, 1974. - 174с.