4.8.1 Стандарт кодирования mpeg-2

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

В этом документе определено, что стандарт MPEG-2 - это целое семейство взаимосогласованных совместимых цифровых стандартов информа­ционного сжатия телевизионных сигналов с различ­ной степенью сложности используемых алгоритмов.

Традиции качества ТВ изображения для вещательных систем в стандарте ISO/I ЕС 13818-2 устанавливаются введением четырех уровней для формата разложения строк ТВ изображения и пяти профилем для форматов кодирования сигналов яркости и цветности. Общая идеология построения стандарта поясняется таблицей.

Таблица 2.1

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

Кодирование сигналов телевидения обычной чет­кости 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-1440 и высокий-1920 предусматривают­ся для кодирования сигналов телевидения высокой четкости (ТВЧ). В обоих ''высоких" уровнях кадр ТВ изображения содержит 1152 активные строки (вдвое больше, чем в телевидении обычной четкости). Эти строки дискретизируются соответственно на 1440 ч или 1920 отсчетов.

В стандарте используются 5 профилей, которым соответствует 5 наборов функциональных операций по обработке (компрессии) видеоданных. Некото­рые из теоретически возможных наборов функцио­нальных операций по компрессии видеоданных на этапе создания стандарта не были включены в таб­лицу. Они могут быть введены и стандартизованы в дальнейшем если будет доказана их необходимость или полезность.

Профиль, в котором используется наименьшее число функциональных операций по компрессии видеоданных, назван простым профилем. В нем при компрессии видеоданных используется компенсация движения изображения и гибридное дискретно-косинусное преобразование. Следующий профиль назван основным профилем. Он содержит все функциональные операции шестого 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 одних показателей системы на другие. 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 позволяет в рассма­триваемом случае повысить устойчивость системы за счет некоторого снижения требований к допусти­мому уровню отношения сигнал/шум в воспроизво­димом ТВ изображении.

При масштабировании поток 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. Одновременное декодирова­ние основного и дополнительного сигналов повыша­ет отношение сигнал/шум до 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 зашиты. 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. Как уже сказано, это ведет к росту уровня шума, зато система остается работоспособной.

Не так уж редки 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 системами и телевидением высокой четко­сти. 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 телевизионное 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.

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 профилем, 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 (рисунок 2.1).

Щ Щ Щ Щ Щ О Щ О

Щ Щ Щ Щ 4:4:4 Щ О Щ О 4:2:2

Щ Щ Щ Щ Щ О Щ О

Щ Щ Щ Щ Щ О Щ О

Щ О Щ О Щ О О О

О О О О 4:2:0 Щ О О О 4:1:1

Щ О Щ О Щ О О О

О О О О Щ О О О

Щ - яркостный и цветоразностный сигнал, О – яркостный сигнал

Рисунок 2.1 – Форматы представления видеоданных

Приведенные в таблице пять профилей и четыре уровня образуют двадцать возможных комбинаций видеосигнала, из которых, вероятнее всего, только одиннадцать будут полезными или необходимыми. Для этих комбинаций (согласованные точки) в таб­лице указаны максимальные значения скорости пе­редачи видеоданных. Комбинации, которые сегодня не вызывают интереса, в стандарте MPEG-2, пока, не нормированы и в таблице отмечены крестами.

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 процессах кодирования/декодирования видеосигнала. Используемые в конкретных кодеках 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 MPEG-2 позволяет гибко менять скорость передачи видеоданных в очень широки пределах. Надо заметить, системы кодирования стандарта МРЕG-2 могут работать как с чересстрочной так и с прогрессивной развертками, при частоте полей 50 или 60 Гц и т. д. Для каждой стандартизованной точки таблицы оговорено число отсчетов сигнала яркости на активной части строки. Рассмотренные комбинации параметров информационного кодирования пригодны для работы различными цифровыми трактами и накопителями (записывающими устройствами).

Стандарт MPEG-2 принципиально нацелен в будущее, все богатство упомянутых выше комбинаций станет работать, хотя и скоро, но не сейчас. Так, промышленность готова и будет выпускать в этом году ТВ приемники только одной системы кодиро­вания: "Основной уровень - Основной профиль" с чересстрочным разложением изображения на 625 строк. Эта система принята для первого поколения цифровых телевизоров для непосредственного ТВ приема со спутников, работающих в диапазоне 11/12 ГГц, и кабельной сети распределения.

Сказанное не означает, что массовый выпуск бы­товых телевизоров для иных профилей и уровней, пока и до лучших времен, закрыт. Любая вещательная организация вправе использовать систему ново­го уровня кодирования. Просто следует публично заявить о намерениях и начать "переговорный про­цесс" с возможными изготовителями соответствую­щих телевизоров. Следует добавить, что при реали­зации системы по конкретному уровню/профилю необходимо пронормировать и поток видеоданных, который не должен превышать максимальные зна­чения скоростей, указанные в стандартизованных точках (см. табл.). Если в системе планируется ис­пользовать несколько скоростей передачи видеодан­ных, следует указать максимальную из них.