Беляев Ю.В., Галочкин Ю.И. Цифровое телевидение

Подождите немного. Документ загружается.

графики могут кодироваться рассмотренными ранее методами для натуральных

изображений. Однако эффективнее использовать их параметрическое описание.

В стандарте MPEG-4 используются модель человеческого лица,

построенная на основе сетки из треугольных ячеек, которые заполняются

текстурой, и трехмерная модель человеческого тела в виде трехмерной сетки.

Двумерные изображения человека получаются с помощью построения

проекции трехмерной модели на нужную плоскость.

Форма, текстура и выражение лица в статистике описываются

параметрами FDP (Facial Definition Parameters) и в динамике – параметрами

FAP (Facial Animation Parameters). Для тела в статике задаются параметры BDP

(Body Definition Parameters), а в динамике BAP (Body Animation Parameters).

Статические параметры FDP и BDP обычно передаются в начале сеанса связи.

Для воспроизведения мимики лица и движения тела в процессе разговора

передаются параметры FAP и BAP.

Синтетические изображения могут использоваться в системах видеосвязи

в место настоящих изображений, при этом скорость передачи становится

меньше, чем скорость передачи реального изображения.

В некоторых случаях можно в приемной части системы получить

информацию об изменениях изображения объекта на основе другой

информации. Например, передача изображения лица говорящего человека.

Движения рта и мимика во многом определяется произносимыми словами и

могут быть синтезированы на основе принятого звукового сигнала,

содержащего голос собеседника. В этом случае требуемая скорость цифровой

передачи для осуществления видеосвязи еще уменьшается.

Помимо лица и тела могут синтезироваться произвольные двумерные

изображения в виде сеток с треугольными ячейками, заполняемыми текстурой.

Для кодирования звуковой информации в MPEG-4 предусмотрено три

уровня кодирования.

1. Кодирование музыки с обеспечением высокого и среднего качества

выполняется также методами, что и в стандарте MPEG-2. При этом

обеспечивается передача восьми каналов звука при скорости 16÷64 кбит/с на

канал.

2. Для передачи речи с высоким и средним качеством применяется метод

– кодирование возбуждений с линейным предсказанием, который обеспечивает

скорости передачи 6÷24 кбит/с при частотах дискретизации 8 кГц или 16 кГц.

3. Параметрическое кодирование речи, которое обеспечивает сжатие при

сохранении разборчивости до скоростей 2÷4 кбит/с при частоте дискретизации

8 кГц.

Самые низкие скорости передачи 0,2 ÷1,2 кбит/с используются для

искусственно синтезированной речи и синтезированной в соответствии со

стандартом MIDI музыки.

Кодирование аудиообъектов также обладает свойством масштаби-

руемости. Например, на основном уровне потока данных может использоваться

метод кодирования CELP, а дополнительный уровень обеспечивает качество

звука, соответствующее кодированию по MPEG-4.

Передачу данных в стандарте MPEG-4 рассмотрим с помощью

структурной схемы приведенной на рис. 3.3.

Элементарные потоки ES с видео- и аудиодекодеров поступают на

уровень синхронизации (SL – Syns Layer) и блоках SL преобразуются в

пакетизированные SL- потоки, в которые введены метки времени и данные о

тактовых частотах для привязке к единой шкале времени различных видео- и

аудиообъектов. Далее пакетизированные SL- потоки поступают на уровень

DMIF. DMIF (Delivery Multimedia Integration Framework – интегрированная

система доставки мультимедиа) – это протокол, обеспечивающий управление

потоками данных для мультимедиа. Протокол DMIF обеспечивает посылку

запросов от пользователя к источнику информации и пересылку запрошенных

данных пользователю. Кроме того, DMIF дает пользователю средства

управления в виде интерфейса пользователя DMIF – Application Interface (DAI),

позволяя подавать команды для выбора информации ( например фильма) и

формируя сообщения о получении доступа к этой информации или о

возникших при этом трудностях.

Рис. 3.3. Формирование передаваемых потоков данных MPEG-4

DMIF охватывает три основные сферы применения MPEG-4: передачу по

интерактивным сетям (Интернет), передачу по обычным вещательным каналам

и видеозапись программ на компакт диски.

На уровне DMIF возможно объединение в блоках FlexMUX

пакетизированных SL-потоков во FlexMUX-потоки. Эта операция является не

обязательной, так как под управлением DMIF могут передаваться и

пакетизированные SL-потоки.

Далее данные переходят на уровень TransMUX, где SL- или FlexMUX-

потоки объединяются и преобразуются в транспортный поток (TransMUX-

поток). В стандарте MPEG-4 этот поток не определен. В качестве его можно

использовать, например, транспортный поток (TS) MPEG-2. Еще один вариант

FlexMUX

Файл

MPEG TS

TransMUX потоки

Sync уровень

DMIF уровень

TransMUX уровень

потоки

FlexMUX

потоки

Элементарные потоки ES

образования TransMUX- потока это запись его в файл. Возможны и другие

транспортные протоколы.

Для реализации интерактивного телевидения и различных видов

мультимедийного сервиса необходима передача информации от зрителя на

головную станцию системы. Для этой цели используется обратный канал,

скорость передачи для которого обычно значительно меньше, чем в прямом

канале связи.

Декодирование информации по стандарту MPEG-4 можно пояснить с

помощью структурной схемы декодирующей части приведенной на рис. 3.4. На

схеме показаны демультиплексор DMUX, буферные запоминающие устройства

БЗУ1, БЗУ2, декодеры ДК и блок объединения БО.

Рис. 3.4. Структурная схема декодирующей части устройства по стандарту

MPEG-4

На вход устройства поступает транспортный поток, из которого в

демультиплексоре выделяются элементарные потоки (ES), данные каждого ES

записываются в соответствующие БЗУ1. Назначение БЗУ1 – накапливать

неравномерно поступающие по каналам связи данные и по мере необходимости

передавать их на декодер.

Декодирование элементарных потоков происходит в декодерах,

получаемые при этом данные видео- и аудиообъектов записываются в БЗУ2.

Элементарные потоки относящиеся к одному объекту могут декодироваться

DMUX

БО

БЗУ1

ДК

БЗУ2

Вход

Trans

MUX

потока

Выход

совместно.

При демультиплексировании из общего потока данных выделяются также

описание сцены и метки времени, поступающие на блок объединения. Данные

от отдельных объектов считываются из соответствующих БЗУ2 и из них в

блоке объединения формируются цифровые сигналы изображения и звука

программы, поступающие далее на воспроизводящие устройства. При этом

обеспечивается синхронизация всех видео- и аудиообъектов.

Вопросы

1. Что такое видео- и аудиообъекты в стандарте MPEG-4?

2. Какие методы используются в MPEG-4 при кодировании натуральных

изображений?

3. Какие методы применяются при кодировании синтетических

видеообразов?

4. Расскажите о назначении основных блоков структурной схемы

видеодекодера.

5. Опишите процесс декодирования потока данных MPEG-4.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Словарь терминов и сокращений используемых в цифровом и

аналоговом телевидении.

Адаптивное распределение битов ( англ. adaptive bit allocation) –

распределение битов при квантовании, например, по частотным поддиапа-

зонам, выполняемое в зависимости от параметров кодируемого фрагмента сиг-

нала.

АДИКМ – адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция

(англ. ADPCM). Разновидность ДИКМ, в которой шаг квантования и параметры

предсказания изменяются в зависимости от текущих свойств кодируемого

сигнала.

Амплитудная манипуляция (АМн) – один из видов модуляции, приме-

няемый при передачи цифровых сигналов. Заключается в дискретном измене-

нии амплитуды несущей.

Арифметическое кодирование – один из видов кодирования с перемен-

ной длиной кодовых слов. Теоретически обеспечивает достижение наибольшей

эффективности кодирования без потерь.

АЦП – аналого-цифровой преобразователь.

БИХ-фильтр – фильтр с бесконечной импульсной характеристикой. То

же, что рекурсивный цифровой фильтр.

БПФ – быстрое преобразование Фурье. Так называются алгоритмы уско-

ренного выполнения ДПФ.

Вектор движения ( Вектор смещения) – пара чисел, выражающих най-

денные в результате оценки движения смещения блока изображения по двум

пространственным координатам.

Векторное квантование – замена группы отсчетов сигнала или группы

элементов изображения на наиболее близкую по заданному критерию группу

отсчетов ( элементов), называемую эталонным вектором. Все эталонные

векторы предварительно занесены в кодовую книгу.

Видеоконференцсвязь – система видеосвязи, обеспечивающая обмен в

реальном времени видеоинформацией и звуком между несколькими абонен-

тами.

Видео по заказу (англ. Video-on-Demand) – один из новых видов систем

ТВ-вещания, в которых абонент может заказать передаваемую программу.

Видеопоследовательность (video sequence) – самая крупная структурная

единица потока видеоданных MPEG-1, MPEG-2. Встречается также название

"видеоряд".

Видеосервер – устройство на базе компьютера для хранения и воспроиз-

ведения аудиовизуальной информации. С видеосервера производится передача

ТВ-программ.

Видеостык – название интерфейсов для передачи цифровых ТВ-сигналов

в соответствии о Рекомендацией ITU-R ВТ 601, в которой определены

параллельный видеостык и последовательный видеостык.

Видеотелефон – один из видов видеосвязи, обеспечивающий обмен в

реальном времени видеоинформацией и звуком между двумя абонентами.

Внутрикадровое кодирование ( англ. intraframe) – сжатие видеоинфор-

мации в одном отдельно взятом кадре, основанное на уменьшение

внутрикадровой избыточности.

Вэйвлет-преобразование – ортогональное одномерное или двумерное

преобразование, в результате которого исходный сигнал разделяется на

составляющую с низкой разрешающей способностью и составляющую с

высокой разрешающей способностью.

Гамма-коррекция – нелинейное преобразование телевизионных сигна-

лов, выполняемое с целью коррекции нелинейностей передаточных ха-

рактеристик различных узлов телевизионной системы, например, кинескопа.

Одновременно гамма-коррекция способствует уменьшению влияния

квантования на качество изображения.

Гибридное кодирование – метод кодирования движущихся изображе-

ний, используемый в MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 и сочетающий внутри-

кадровое и межкадровое кодирование.

Головная станция – станция, с которой ведется вещание в системах

кабельного ТВ, интерактивного ТВ и т. д.

Деквантование – операция, обратная квантованию. В результате

деквантования увеличивается число уровней квантования, которыми представ-

ляются значения отсчетов цифрового сигнала или другой информации.

Декодер – устройство, в котором выполняется декодирование.

Декодирование – операция, обратная кодированию. В результате декоди-

рования информация преобразуется к виду, который она имела до

соответствующего кодирования.

Декомпрессия – операция, обратная компрессии.

Дематрицирование – операция, обратная матрицированию. Исходные

сигналы вычисляются как суммы взятых с определенными коэффициентами

сигналов, полученных при матрицировании.

Демодуляция – операция, обратная модуляции. В результате демодуля-

ции ( часто называемой детектированием) восстанавливается модулирующий

сигнал.

Дескремблирование – операция, обратная скремблированию. Восстанов-

ление исходного порядка следования информации.

Децимация – см. Прореживание.

ДИКМ – дифференциальная импульсно-кодовая модуляция ( англ.

DPCM). Также называют « Кодирование с предсказанием». Вид ИКМ, в

котором на основе значений одного или нескольких предшествующих отсчетов

сигнала формируется предсказанное значение текущего отсчета, а по каналу

связи передается ошибка предсказания - разность истинного и предсказанного

значений текущего отсчета сигнала.

Дискретизация – представление непрерывного сигнала последователь-

ностью его значений (отсчетов или выборок), следующих через определенные

интервалы времени. В случае дискретизации изображения, последнее

представляется матрицей отсчетов, заданным образом расположенных в

плоскости изображения.

Дискретная частота – частота дискретного сигнала, измеряемая в долях

частоты дискретизации.

ДКП – дискретное косинусное преобразование.

ДПФ – дискретное преобразование Фурье.

Заголовок (англ. header) – начальная часть структурной единицы потока

данных. Как правило содержит синхрогруппу - один или более символов, по

которым начало заголовка можно распознать в потоке данных.

Иерархическая модуляция – способ модуляции, применяемый в DVB-T.

Более важная для получения устойчивого изображения информация передастся

с более высокой помехозащищенностью.

Избыточность изображения – наличие в изображении составляющих,

которые могут быть отброшены без существенного ухудшения визуально

воспринимаемого качества воспроизводимого изображения.

ИКМ – импульсно-кодовая модуляция ( англ. РСМ), Способ передачи

информации в цифровой форме. Цифровой код каждого отсчета сигнала

передается по каналу связи в виде последовательности импульсов.

Интерактивное телевидение – ТВ-системы, в которых зритель может

воздействовать на получаемую им программу, передавая сигналы по обратному

каналу на головную станцию.

Интерполяция – 1) преобразование дискретного сигнала в непрерывный,

путем заполнения по определенному правилу промежутков времени ( или в

случае изображений – пространства) между отсчетами дискретного сигнала; 2)

увеличение количества отсчетов дискретного сигнала путем введения между

отсчетами исходного дискретного сигнала дополнительных отсчетов, значения

которых определяются по заданным правилам.

Кабельный модем – модем, с помощью которого компьютер подключа-

ется к сети кабельного ТВ, что обеспечивает высокую скорость передачи

данных.

Кадр – 1) в телевидении кадрами называются передаваемые и воспроиз-

водимые одно за другим неподвижные изображения. Если частота передачи

кадров достаточно велика, зритель воспринимает наблюдаемое изображение

как непрерывно движущееся. При передаче кадры раскладываются на строки;

2) во многих случаях кадрами называют структурные единицы потока данных,

например, звуковые кадры.

Кадровое кодирование – один из режимов кодирования видеоинформа-

ции с чересстрочной разверткой в стандартах MPEG-1, MPEG-2. В этом режиме

в каждый макроблок входят элементы изображения из обоих полей кадра.

Канальное кодирование – кодирование, выполняемое непосредственно

перед передачей информации по каналу связи, часто совмещаемое с модуля-

цией. Обычно имеет целью повышение помехоустойчивости, исключение

идущих слишком много раз подряд символов "1" или "0" и т. д.

Квадратурная амплитудная манипуляция ( КАМн) – один из видов

модуляции, применяемый при передачи цифровых сигналов. Дискретно

изменяются амплитуды двух квадратурных составляющих (cos и sin) несущей.

Квантование – 1) преобразование непрерывного или дискретного сигна-

ла путем округления каждого его значения до ближайшего уровня квантования;

2) при квантовании сигнала, уже представленного в цифровой форме, может

уменьшаться количество битов на каждый отсчет сигнала.

КЗФ – квадратурные зеркальные фильтры (англ. - QMF). Пара цифровых

фильтров, имеющих взаимно-зеркальные АЧХ. Пара КЗФ позволяет разделить

исходный цифровой сигнал на два сигнала частотных поддиапазонов,

соответствующих нижней и верхней половинам его полосы частот, а пара

обратных фильтров позволяет восстановить исходный сигнал по двум сигналам