Цифровое телевизионное вещание

     Цифровое  телевизионное вещание 

     Цифровая телевизионная передача включает передачу движущегося изображения и стереофонического звука. В системе NIСАМ для того, чтобы уложиться в доступную полосу частот, необходимо сжимать оцифрованные звуковые данные. Точно так же обстоит дело и с цифровыми видеосигналами. Используются достаточно сложные способы, обеспечивающие доступность соответствующих полос. В Европе для цифрового телевизионного вещания приняты спецификации сжатия МРЕG-2 (Motion Picture Expert Group — группа экспертов по движущимся изображениям), известные как стандарты МР@МL (Main Profile at Main Level — основной профиль при основном уровне).

     По  сравнению с традиционной аналоговой системой цифровое телевизионное вещание имеет следующие преимущества:

     •  очень высокое качество изображения;

     •  большее число программ;

     •  пониженные требования к мощности передаваемого  сигнала;

     •  пониженные требования к отношению  сигнала к шуму;

     •  отсутствие повторных изображений.

     Пониженные  требования к мощности передаваемого сигнала означают меньшее взаимное влияние соседних каналов. 

     Преобразование  телевизионного изображения  в цифровую форму 

     Преобразование  в цифровую форму содержит как  элемент сканирование изображения, или кадра, строка за строкой и  выборку значений содержимого строки. Для сохранения качества изображения число выбранных значений в строке должно равняться числу пикселов; каждое выбранное значение (отсчет) представляет один пиксел. Число пикселов в телевизионном изображении определяется числом строк в изображении и форматом изображения. Система британского телевидения ПАЛ применяет 625 строк, 576 из которых являются «активными» в том смысле, что их можно использовать для передачи видеоинформации. Формат изображения выбирается равным 5:4, это соотношение наиболее приемлемо для операции декодирования видеосигнала, которая включает организацию элементов изображения в блоки и микроблоки.

     Разрешающие способности по вертикали и по горизонтали должны быть одинаковыми; число пикселов в строке можно  вычислить следующим образом

     576 * 5/4 = 720.

     Таким образом, каждая строка будет представлена 720 отсчетами, причем каждый отсчет будет  представлять один пиксел: отсчет 1 –  пиксел 1, отсчет 2 – пиксел 2 и т.д. (рис. 22.1).

     Рис. 22.1. Дискретизация изображения. 

     Процесс повторяется для второй, третьей  и т.д. строки до конца кадра, а  затем снова для следующего кадра  и т.д. Чтобы отсчеты осуществлялись точно в одних и тех же точках строки в пределах каждого кадра, частота выборки должна быть синхронна  с частотой строк. Поэтому частота выборки должна быть в точности кратна частоте строк.

     Если  каждый отсчет или группа отсчетов идентифицируется как пиксел или  группа пикселов, то отсчеты можно  реструктурировать, перегруппировывать или манипулировать ими по своему усмотрению, а потом обрабатывать и вновь собирать в исходном порядке.  
 

     Частота выборки 

     Полный  период одной строки полного видеосигнала составляет 64 мкс. Из них 12 мкс используются для импульса синхронизации его  передней и задней площадок; для  передачи видеоинформации остаются 52 мкс. Для 720 пикселов в строке частота выборки составляет

     Однако, поскольку частота выборки должна быть целым кратным частоты строк, Международный консультативный комитет по радиосвязи (МККР) рекомендует частоту выборки 13,5 МГц (864 х строчная частота).

     Для того чтобы избежать наложения спектров и других искажений, частота выборки должна быть не менее чем вдвое больше максимальной частоты в спектре аналогового входного сигнала. Для видеосигнала, имеющего в своем спектре максимальную частоту 6 МГц, необходима частота выборки не менее 2 • 6 = 12 МГц. Следовательно, выбранная частота 13,5 МГц достаточна. 
 

     Требования  к полосе 

     Цветное телевизионное вещание связано  с передачей трех сигналов: сигнала  яркости Y и двух цветоразностных сигнала Y – K (обозначается С_R) и Y—В (С_B). В системе аналогового телевидения эти сигналы передаются непосредственно с использованием амплитудной модуляции (наземное вещание) или частотной модуляции (спутниковое вещание). В цифровом телевизионном вещании эти три сигнала сначала преобразуются в потоки цифровых данных, а затем модулируются и передаются (рис. 22.2). Для сигнала яркости, который содержит наибольшие видеочастоты, используется максимальная частота выборки 13,5 МГц. Для сигналов цветности С_R и С_B, которые содержат меньшие частоты, можно использовать и меньшую частоту выборки. МККР рекомендует применять половину частоты, используемой для сигнала яркости, т. е. 0,5 • 13,5 = 6,75 МГц. Таким образом, для составляющих цветности выборке подвергается только половина пикселов (каждый второй пиксел). Общее число отсчетов в секунду составляет 13,5 млн. + 6,75 млн. + 6,75 млн. = 27 млн. За узлом выборки следует узел квантования, в котором каждый отсчет преобразуется в многобитовый код. Кодом минимального размера для адекватного представления изображения считается 8-битовый код, который дает 2⁸=256 дискретных уровней сигнала. Скорость передачи битов при таком кодировании составит

     27 млн. * 8 = 216 млн.битов в секунду  (216 Мбит/с).

     Для столь высокой битовой скорости нужна очень широкая полоса. Точная ширина полосы зависит от типа модуляции, используемой в передатчике. Например, в случае импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) требуется полоса 0,5*216=108 МГц. Ширину полосы можно уменьшить, применяя сложные способы модуляции, в частности, квадратурную фазовую манипуляцию (КФМн) и квадратурную амплитудную модуляцию (КАМ). Тем не менее полоса остается ограничивающим фактором для всех типов вещания: наземного, спутникового и кабельного. Поэтому необходимо применять средства сжатия данных и уменьшения числа битов. Эти средства позволяют уменьшить число битов, необходимое для кодирования изображения при сохранении его качества.

     Рис. 22.2. Цифровое ТВ-вещание: одна программа. 
 

     Качество  изображения 

     Качество изображения при цифровом телевизионном вещании ограничивают два фактора: полоса видеосигнала (или число пикселов на один кадр) и битовая скорость. При 720 пикселах на строку и 576 активных строках на кадр общее число пикселов на кадр составит

     720 * 576 = 414720.

     Для каждой пары пикселов требуется один период полного видеосигнала; поэтому  максимальная частота аналогового  видеосигнала составляет

     414720 * 25/2 = 5,18 МГц;

     При такой частоте сохраняется то же качество изображения, что и в  традиционном аналоговом вещании.

     Вторым  ограничением на качество изображения  является битовая скорость. При сжатии данных в соответствии со стандартом MPEG-2 для цифрового телевизионного вещания хорошего качества требуется битовая скорость на входе модулятора 15 Мбит/с. Меньшая битовая скорость приведет к ухудшению качества изображения. Для телевизионного вещания высокой четкости, использующего 1152 строки, требуется битовая скорость 60 Мбит/с для 1440 пикселов на строку и 80 Мбит/с для 1920 пикселов на строку. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Общая характеристика системы 

     На  рис. 22.3 представлены основные компоненты системы цифрового телевидения, осуществляющей вещание четырех  программ по одному ВЧ-каналу. Программы, содержащие сжатую видеоинформацию  и звук, вместе с пакетами служебных  данных мультиплексируются (уплотняются) в один битовый поток, называемый элементарным программным потоком (PES, programme elementary stream).

     Рис. 22.3. Цифровое ТВ-вещание: мультиплексирование 
 

     Элементарный  поток каждой программы мультиплексируется еще раз в общий битовый поток, называемый транспортным потоком. Элементарный программный поток содержит идентификационные данные, временную метку и специфическую программную информацию; эти составляющие потока позволяют распаковывать пакеты данных на стороне приемника по программам и кадрам для восстановления исходного изображения. Транспортный поток поступает в модулятор и затем передается по одному ВЧ-канал у 8 МГц. 
 

     Кодирование программ 

     Основные  компоненты системы кодирования  программ показаны на рис. 22.4. Сначала аналоговые видео- и звуковые сигналы подвергаются дискретизации на соответствующей частоте (13,5 МГц для Y и 6,75 МГц для С_R и С_B), а затем передаются на свои кодирующие устройства.

     Рис. 22.4. Кодирование программ. А –  кодирование видеосигналов по стандарту MPEG-2; Б – кодирование звуковых сигналов по стандарту MPEG-2. 

     Кодирующие  устройства удаляют несущественные или избыточные детали видео- и звуковых сигналов и выполняют операции уменьшения числа битов, формируя индивидуальные пакеты данных. Индивидуальные пакеты данных вместе со служебными пакетами данных передаются на мультиплексор, который формирует элементарный программный поток. Поскольку объем видеоинформации превышает объем звуковой или служебной информации, элементарный программный поток содержит больше пакетов видеоданных, чем пакетов звуковых или служебных данных (рис. 22.5).  

     Рис. 22.5. Структура элементарного программного потока. 

     Затем элементарные программные потоки объединяются в мультиплексоре и поступают  в модулятор для передачи. Тип применяемой модуляции определяется типом вещания: наземное, спутниковое или кабельное. 
 
 

     Кодирование видеоинформации 

     Кодирование видеоинформации состоит из трех основных этапов: подготовка видеоданных, их сжатие и квантование (рис. 22.6). На этапе подготовки данных исходные кодированные данные кадров организуются так, чтобы их было удобно сжимать. Сжатие видеоданных осуществляется в соответствии с международными стандартами, установленными системой МРЕG-2.

     Рис. 22.6. Кодирование видеоданных по стандарту МРЕG-2. А — удаление пространственной избыточности на основе ДКП. 

       По стандарту МРЕG-2 выполняются две основные операции сжатия: удаление временной избыточности и удаление пространственной избыточности. Удаление временной избыточности представляет собой межкадровое сжатие данных, при котором происходит сравнение двух последовательных видеокадров, удаление одинаковых областей и формирование разностей кадров для обработки. Удаление пространственной избыточности, называемое также внутрикадровым сжатием, исключает ненужные повторения содержимого конкретного видеокадра. Операции удаления выполняются на основе сложных математических выражений, называемых дискретным косинусным преобразованием (ДКП); отсюда происходит название этого способа: «сжатие данных на основе ДКП». За блоком сжатия данных стоит блок квантования, который обеспечивает дальнейшее битовое сжатие. Блок квантования преобразует коэффициенты ДКП в 8-битовые коды, образующие битовый поток данных. 
 

     Подготовка  видеоданных 

     Видеоинформация, поступающая на вход видеокадра, представлена последовательностью кодированных отсчетов сигнала яркости Y и сигналов цветности С_R и С_B; затем кадры этих сигналов перегруппировываются в блоки, макроблоки и вырезки. Сначала кадры Y , С_R и С_B делятся на ряд блоков пикселов (рис. 22.7). Каждый блок представляет собой матрицу 8х8 закодированных в цифровом виде отсчетов пикселов. Три компонента, представленных базовыми блоками, объединяются и образуют макроблок (таб. 22.1). Каждый макроблок состоит из четырех блоков яркости и двух блоков каждой составляющей цветности, С_R и С_B. Это дает так называемый формат 4:2:0. Затем макроблоки выстраиваются в том порядке, в каком они появляются на изображении, чтобы получить вырезку. Вырезка может состоять из одного или нескольких макроблоков. На этом этапе к каждой вырезке добавляются биты обнаружения ошибки. Если в ступени декодирования приемника обнаруживаются ошибки, то декодер игнорирует информацию, содержащуюся в данной вырезке, и переходит к следующей. Последовательность вырезок восстанавливает полный видеокадр (табл.22.1), содержащий все три составляющие изображения (Y , С_R и С_B) и готовый к следующему этапу кодирования видеоданных.

     Рис. 22.7. Базовые блоки Y, C_R и C_B

Таблица 22.1. Подготовка видеоданных

Удаление  временной избыточности 

     Рассматриваемый способ основан на том обстоятельстве, что различие между двумя последовательными  изображениями очень мало. Таким  образом, нет необходимости передавать содержание каждого видеокадра полностью, поскольку большая часть текущего кадра просто повторяет предыдущий кадр. Временное сжатие выполняется на группе изображений (GOP – group of pictures), состоящей из 12 нечетных кадров.

     Содержимое  первого кадра группы, называемого  кадром I, сохраняется в памяти и используется как эталонный кадр для последующих 11 кадров (рис. 22.8). Содержимое кадра, следующего сразу же за эталонным кадром I, сравнивается с кадром I для образования разностного кадра, называемого кадром Р (от predicted — предсказываемый), который используется для обработки. Затем с первым кадром после кадра I сравнивается второй кадр после кадра I, третий кадр со вторым и т. д. до конца группы из 12 видеокадров. Затем для следующей группы из 12 кадров образуется новый эталонный кадр I и т.д. Величина сжатия кадров I ограниченна; максимальное битовое сжатие получается в кадрах Р. Повышенное сжатие можно получить, используя два других способа: прямое предсказание и предсказание с компенсацией движения.

     Рис. 22.8. Группа изображений (GOP). 

     Прямое  предсказание — это метод, который  используется для создания кадров Р; он включает в себя предсказание ожидаемой  разности между макроблоками последовательных кадров и передачу предсказанных кадров на обработку. Для этого требуется хранение более одного видеокадра. В прямом предсказании в качестве эталонного можно использовать кадр I или ранее восстановленный кадр Р. Недостатком этого способа является то, что возникающие в кадре Р ошибки будут передаваться в последующие кадры до поступления очередного кадра I.

     Предсказание  с компенсацией движения заключается  в сравнении содержимого предыдущего кадра и последующего кадра для конструирования текущего кадра. Конструируемый кадр называется кадром В от backward-prediction — обратное предсказание (или от bidirectional — двунаправленный, поскольку его содержимое зависит как от предыдущего кадра, так и от последующего). В отличие от кадров I и Р кадры В нельзя использовать как эталоны. Они также требуют хранения двух кадров в памяти изображения. На рис. 22.9 показана типовая последовательность из 12 кадров I, Р и В (0-11).

     Поток данных МРЕG-2 содержит, таким образом, непрерывную последовательность кодированных кадров, состоящих из комбинации предсказываемых кадров и эталонных кадров. Поскольку предсказываемые кадры Р и В обеспечивают более эффективное сжатие данных, желательно, чтобы предсказываемые кадры передавались гораздо чаще. 

Рис. 22.9. Кадры  I, P и B. 

Компенсация движения 

     Компенсация движения используется для того, чтобы корректировать ошибки, которые могут появиться в предсказываемых кадрах. Сравнивая положение объекта в последовательных кадрах, можно точно вычислить скорость и направление движения объекта. На основе этих вычислений можно предсказать положение объекта в последовательных кадрах (обычно в кадрах яркости). Чтобы описать вектор скорости и направления движения, требуется относительно малый объем данных; эти данные поступают на генераторы кадров Р и В. Как только вектор движения определен, он используется для формирования трех составляющих изображения, Y, С_R и С_B. 
 

Удаление  пространственной избыточности на основе ДКП 

     Основное  устройство кодирования видеоинформации  — процессор дискретного косинусного преобразования (ДКП). Процессор ДКП получает кадры изображения I, Р и В в виде потока блоков 8x8, организованных в макроблоки и вырезки, образующие один видеокадр. Блоки могут являться частью кадра яркости (Y) или кадра цветности (С_R и С_B). Данные, представляющие отсчеты в каждом блоке, поступают затем в процессор ДКП (рис. 22.10), который переводит их в матрицу коэффициентов 8x8, представляющих видеообраз блока. 

     Рис. 22.10. Удаление пространственной избыточности на основе ДКП. 

     Перед ДКП каждое число в блоке 8x8 представляет значение соответствующего отсчета, т. е. яркость пиксела, представленного этим отсчетом (рис. 22.11). Процессор ДКП проверяет пространственные частотные компоненты блока в целом и переводит матрицу временной области в матрицу частотной области. Эта операция связана с созданием нового набора коэффициентов в матрице 8x8, начиная с верхней левой ячейки, представляющей постоянную составляющую, т. е. составляющую с частотой 0 Гц.  
 

Рис. 22.11. 

     Коэффициент в этой ячейке представляет среднюю яркость блока. Каждая из остальных ячеек представляет составляющую блока с возрастающей частотой (рис. 22.12). Значения коэффициентов в других ячейках определяются количеством деталей изображения в блоке. Следовательно, блок, содержащий везде одинаковую яркость (или цвет), например представляющий участок чистого неба, будет иметь только постоянную составляющую; коэффициенты в других ячейках будут нулевыми. Блок, содержащий деталь изображения, будет иметь ненулевые коэффициенты в соответствующих ячейках. Грубая деталь изображения представляется малыми коэффициентами, и всего несколько ячеек будут содержать ненулевые коэффициенты; тонкая деталь изображения представляется коэффициентами большей величины, и много ячеек будут содержать ненулевые коэффициенты. Тонкие горизонтальные детали изображения (высокая горизонтальная частота) представляются перемещением по горизонтали вправо; более крупные вертикальные детали (более высокая вертикальная частота) представляются движением по вертикали вниз, как показано на рис. 22.12. Самая тонкая деталь изображения, т. е. самая высокая видеочастота, представляется нижней правой ячейкой матрицы. 
 

     Рис. 22.12 Блок частотной области. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 22.13. Блок ДКП с округлением. 
 

     Как можно заметить на рис. 22.11, на котором представлена матрица ДКП типичного блока, наибольшие коэффициенты и, следовательно, большая часть энергии сосредоточены в верхнем левом углу и вблизи него; в нижнем правом квадранте очень мало коэффициентов значительной величины. Такое расположение коэффициентов не является неожиданным, поскольку маловероятно, что блок пикселов 8x8 передает сколько-нибудь тонкую деталь изображения. Коэффициенты ДКП округляются в сторону увеличения или уменьшения, чтобы получить меньший набор возможных величин, что приводит к сильно упрощенному набору коэффициентов (рис. 22.13). 
 

Зигзагообразное сканирование матрицы  ДКП 

     До  квантования матрица ДКП каждого  блока переводится в последовательную форму путем сканирования по зигзагообразному пути, начиная с верхнего левого элемента (постоянной составляющей), как показано на рис. 22.14. Для блока, показанного на рис. 22.13, результат сканирования будет следующим: 315, 2, -4, -2, -3, -1, -2, -2 -3, 0, 2, 0, 0 и 1. Оставшиеся коэффициенты можно не учитывать, поскольку они равны нулю и поэтому не содержат информации.

     Рис. 22.14. Зигзагообразное сканирование. 

     Конец блока обозначается специальным  кодом (ЕОВ — and of block), который присоединяется к последовательности коэффициентов в конце сканирования. Иногда среди последовательности нулей может встретиться существенный коэффициент, в этом случае используется другой специальный код для обозначения длинной последовательности нулей. 
 

Квантование с переменной длиной 

     Квантование коэффициентов ДКП не носит линейного характера. На практике используется энтропийное кодирование. В способе энтропийного кодирования каждому коэффициенту присваивается индивидуальный уровень квантования в соответствии с его положением в матрице. Каждому коэффициенту присваивается весовой, или масштабный, множитель для указания его относительной значимости. Самый высокий уровень квантования присваивается верхнему левому элементу матрицы, который представляет постоянную составляющую. Коэффициент постоянной составляющей кодируется с наивысшим уровнем точности, поскольку видимость шумов максимальна на низкочастотной видеоинформации. Высокочастотная информация может допускать более высокий уровень ошибок квантования; поэтому ей присваиваются более низкие уровни квантования. 

     Рис. 22.15. Квантование с переменной длиной. 

     Весовые (масштабные) множители квантования  затем модифицируются, чтобы учесть битовую скорость на выходе процессора ДКП. Если имеется грубая деталь изображения и большинство коэффициентов ДКП равны или близки к нулю, т. е. несущественны, процессор ДКП формирует короткую строку коэффициентов, что приводит к минимальным требованиям к битовой скорости и полосе. Однако блок с более тонкими деталями изображения будет представляться длинной строкой коэффициентов и поэтому более высокими требованиями к битовой скорости и полосе, которые могут выйти за установленные границы. Чтобы избежать этого, используется кодирование с переменной длиной (рис. 22.15). Такое кодирование обеспечивает динамическое изменение весовых коэффициентов квантования в зависимости от битовой скорости, возникающей в самом процессоре ДКП. Квантованные биты поступают сначала в буферную память, а затем передаются с постоянной скоростью в кодирующее устройство передачи. Если битовая скорость увеличивается и буфер начинает переполняться, то запускается блок управления битовой скоростью, уровень квантования уменьшается и битовая скорость данных снижается. Другими словами, выходная битовая скорость поддерживается постоянной. 
 

Сравнение векторов 

     Действительное  число битов, требуемое для представления  каждого отсчета, можно дополнительно  уменьшить, используя кодированные двоичные последовательности, такие, например, как при неравномерном кодировании или векторном кодировании. При неравномерном кодировании укорачиваются длинные последовательности одинаковых чисел, например последовательность 3, 3, 3, 3, 3, 3 заменяется на 6, 3 (число 3, повторенное шесть раз). Векторное кодирование является разновидностью кодирования с предсказанием, при котором квантованная группа пикселов, например матрица 8x8, представляется кодовым вектором. Вектор, математически представляющий блок пикселов, сравнивается с набором векторов, заранее загруженных в ПЗУ. Выбирается вектор с наилучшим соответствием, который и передается должным образом. На приемной стороне переданный вектор вновь преобразуется в первоначальный блок на основе таблицы преобразования, которая содержит тот же набор векторов и соответствующие им изображения.