Спутниковое телевизионное вещание. Общие принципы построения. Продолжение.

Загрузка ...

Сжатие видеосигнала в стандарте MPEG-2

Стандарт MPEG-2 не регламентирует методы сжатия видеосигнала, а только определяет, как должен выглядеть битовый поток кодированного видеосигнала, поэтому конкретные алгоритмы являются коммерческой тайной фирм-производителей оборудования. Однако существуют общие принципы, и процесс сжатия цифрового видеосигнала может быть разбит на ряд последовательных операций (рис.3.1): преобразование аналогового сигнала в цифровую форму, предварительная обработка, дискретное косинусное преобразование, квантование, кодирование.

После аналого-цифрового преобразователя (АЦП) производится предварительная обработка сигнала, которая включает в себя следующие преобразования:

Рис.3.1. Последовательность операций при сжатии цифрового сигнала

Удаление избыточной информации. Например, если фон изображения состоит из идентичных символов (пикселов), то совершенно не обязательно их все передавать.Достаточно описать один пиксел и послать его с сообщением о том, как часто и где он повторяется в изображении.
Если исходное изображение передается в виде черезстрочных полей, то они преобразуются в кадры с прогрессивной разверткой.
Сигналы цветности (RGB) преобразуются в цветоразностные сигналы U и V, и сигнал яркости У.

Рис.3.2.Формирование цифрового потока
1 - Видеосигнал; 2 - Один или более каналов
звука; 3 - Телетекст и Субтитры; 4 - Набор
данных о подписке на телеканал
(для платных кодированных каналов);
5 - Синхронизация.

Рис.3.3.Порядок кодирования I-,
Р- и В-кадров стандарту MPEG-2

Все эти данные преобразуются в цифровые потоки с помощью различных алгоритмов. Видеоканал преобразуется в цифровой поток с помощью алгоритма MPEG-2. В спутниковом вещании в настоящий момент используется так называемый основной уровень с форматом разложения на 576 строк в кадре и 720 отсчетов на строку. Для сжатия видеоданных строятся кадры трех типов. Кадры типа - I(interfarme) - это полные кадры, сжатые по методу, аналогичному JPEG. Такой метод позволяет добиться различной степени компрессии – выше сжатие – больше потерь качества изображения и наоборот. Кадры типа - Р (predicted - предсказанные) получаются с использованием алгоритмов компенсации движения и предсказания вперед по предшествующим кадрам. В Р-кадрах, если сравнивать их сI-кадрами, в три раза выше достижимая степень сжатия видеоданных. Кадры типа - В (bidirectional – двунаправленные) получаются четырьмя различными алгоритмами в зависимости от характера видеоданных. B-кадры содержат изменения относительно предыдущих и последующих кадров, используемых в качестве опорных. Это наиболее сжатые кадры.

Кадры различных типов собираются в группу – GOP, состоящие обычно из 12 чередующихся кадров. Типичным является следующий порядок кадров:

I0, B1, B2, P3, B4, B5, P6, B7, B8, P9, B10, B11, I12, B13, B14, P15 и т. д., в которых I кадры следуют с интервалом: (1/25 Гц) х 12= 0,48 с.

При передаче порядок следования I, Р и В кадров меняется так, чтобы в декодер сначала поступили опорные I и Р кадры, без которых нельзя начать декодирование. Типичным является следующий порядок передачи:

I0, P3, B1, B2, P6, B4, B5, P9, B7, B8, I12, B10, B11 – P15, B13 и т. д.

Для правильного декодирования в поток видеоданных включаются Метки Времени декодирования – DTS и Метки времени показа – PTS.

В результате получается поток цифровых данных, требуемая скорость передачи для такого потока – от 6 до 1.5 Мбит/Сек (низкая скорость потока видеоданных соответствует стабильным сюжетам с малым количеством движении).

Звуковые каналы преобразуются в цифровой поток по нескольким алгоритмам. Вообще, звуковой канал с CD-качеством звука (дискретизация 44.1 кГц ) требует скорости передачи до 1400 бит/Сек, что недопустимо много. Использование сжатия по методу MPEG Audio Уровня 3(МР-3) позволяет добиться сжатия аудиоданных в 4-12 раз. Уровень 1 сжимает данные 1:4 и требует скорости 384 кБит/Сек. Уровень 2 сжимает данные в 6-8 раз и требует скорости 256..192 кБит/Сек, а Уровень 3 – в 10-12 раз и требует 128..112 кБит/Сек для стереосигнала.

В настоящее время широко используется Dolby AC-3, который обеспечивает многоканальную передачу звука и требует 384 кБит/Сек для 5+1 - каналов в формате Dolby Surround Digital или 192кБит/Сек для обычного стереосигнала. Dolby AC-3 интересен еще и тем, что в таком формате записан звук большинства современных фильмов в кинематографе.

Синхронизация обеспечивается эталонным генератором 27МГц на приемной стороне. Для подстройки частоты и фазы эталонного генератора периодически должно передаваться Поле Эталонных часов - PCR (Program Clock Reference). Кроме того, как уже говорилось, видеопоток содержит Метки Времени DTS и PTS. Последние два потока в MPEG принято называть системными.

Итак, для конкретного телеканала получено три потока сжатых данных - видео, аудио и системный. Все потоки требует различных скоростей передачи, по этому они мультиплексируются – то есть, режутся на блоки и складываются в один общий высокоскоростной поток. Блоки принято называть пакетами, а для того чтобы разделить потоки на приемной стороне, каждому цифровому потоку назначается Идентификатор Пакета PID. Каждый пакет в заголовке содержит идентификатор своего потока. Размер такого блока 188 байт.

Материал статьи набран с сайта: http://nokia.z83.ru