Сжатие сигналов в цифровом телевидении

Реферат по основам телевидения

на тему:

«Сжатие сигналов в цифровом телевидении»

Омск 2011

Содержание

Введение……………………………………………………………………...…………………..2

1 Способы сжатия видеосигналов……………………………………...……………………….3

1.1 Необходимость и возможность сжатия видеосигналов…………………………………...3

1.2 Кодирование с предсказанием…………………………………………...………………….5

1.3 Межкадровое кодирование с предсказанием……………………………………….…..….7

1.4 Групповое кодирование с преобразованием…………………………………………….....8

1.5 Компенсация движения…………………………………………………...………………..10

2  Сжатие видеосигнала по стандарту MPEG-2.……….……………………………………..11

2.1 Стандарты сжатия видеосигналов…………………………………………………………11

2.2 Профили и уровни MPEG-2………………………………………………………………..13

2.3 Особенности стандарта MPEG-4…………………………………………………………..15

2.4 Стандарт описания метаданных МРЕG-7……………………………………………...….17

Заключение…………………...…………………………………………………………………22

Библиографический список……………………………………...……………………….……23

Введение

Цифровое телевидение – это отрасль телевизионной техники, в которой передача, обработка и хранение телевизионного сигнала осуществляются в цифровой форме.

Применение методов и средств цифрового телевидения обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с аналоговым телевидением:

- повышение помехоустойчивости трактов передачи и записи телевизионных сигналов;

- уменьшение мощности передатчиков ТВ-вещания;

- существенное увеличение числа телевизионных программ, передаваемых в том же частотном диапазоне;

- повышение качества изображения и звука в телевизионных приёмниках с обычным стандартом разложения;

- создания телевизионных систем с новыми стандартами разложения изображения (телевидение высокой чёткости – ТВЧ);

- расширение функциональных возможностей студийной аппаратуры, используемой при подготовке и проведении телевизионных передач;

- передача в телевизионном сигнале различной дополнительной информации, превращение телевизионного приёмника в многофункциональную информационную систему;

- создание интерактивных телевизионных систем, при пользовании которыми зритель получает возможность воздействовать на передаваемую программу.

Переход к цифровому телевидению даёт значительное увеличение числа телевизионных каналов, повышение качества изображения и звука, расширение функциональных возможностей телевизионных систем. Цифровое телевидение в течение двух десятилетий нового века займёт ведущее положение в телевизионном вещании развитых стран.

Вещание  в  цифровом  виде  стало  возможным  после разработки  эффективных  методов  сжатия  передаваемого  объема  информации. Отказ от принципа  совместимости  с  аналоговым  телевидением  позволяет перейти  к  совершенно  новому  качеству  вещания,  например,  осуществить телевидение  высокой  четкости (ТВЧ).

1 Способы сжатия видеосигналов

1.1 Необходимость и возможность сжатия видеосигналов

Цифровой ТВ сигнал в современной аппаратуре передается в компонентной форме с использованием 10-ти битовых кодовых слов. Рассчитаем максимальную  скорость  символов при использовании ИКМ. Частота дискретизации  сигнала  яркости  равна 13,5 МГц,  значит,  скорость   цифрового потока  составит 13,5⋅106×10 = 135 Мбит/с.  Кроме  этого,  необходимо  передавать два  цветоразностных  сигнала  с  частотой  дискретизации  не  более 6,75 МГц. Цифровой  поток  для  этих  сигналов  имеет  скорость 2×6,75⋅106×10 = 135 Мбит/с. Таким  образом,  скорость  передачи  символов  компонентного  сигнала  равна 270 Мбит/с,  что  является  очень  большой  величиной  для  любого  радиоканала.

Поэтому  цифровой  поток  видеосигналов  необходимо  сжимать.  Отношение скорости  передачи  несжатого  цифрового  потока  к  скорости  передачи  сжатого потока  называется  коэффициентом  сжатия  kсж.  Реальные  цифровые  потоки могут  сжиматься  в  несколько  десятков  раз.  Возможность  сжатия  видеосигнала основана  на  его  большой  информационной  избыточности.  Условно  ее  делят  на статическую и физиологическую. 

Статическая избыточность заключается в том, что между распределениями яркостей  на  изображении  и,  следовательно,  между  напряжениями  видеосигнала существуют  определенные  связи.  Например,  внутри  кадра  большая  часть изображения  обычно  приходится  на  поля,  имеющие  мало  меняющуюся  в пространстве  яркость,  а  резкие  световые  переходы  занимают  малую  долю площади изображения. Это значит, что большую часть сигнала можно с большой вероятностью предсказать, основываясь на предыдущем поведении сигнала. Еще большие  связи  существуют  между  соседними  кадрами.  При  передаче неподвижных  изображений,  например,  заставок,  различия вовсе  нет.  В большинстве  сюжетов  с  подвижными  объектами,  как  правило,  остается неподвижным фон, да и сигналы от подвижных объектов в соседних кадрах очень похожи друг на друга и лишь сдвинуты немного во времени. Физиологическая  избыточность  обусловлена  ограниченностью  зрительного аппарата человека. Использовать ограничения зрения — значит, не передавать ту часть  информации,  которая  не  будет  воспринята  человеческим  зрением. Например,  высокочастотный  шум  менее  заметен,  поэтому  быстро  меняющиеся компоненты  сигнала  можно  квантовать  на  меньшее  число  уровней,  увеличивая, тем самым, шум квантования. 

Сжимать  видеосигнал  без  существенного  его  ухудшения  можно  лишь  в определенных пределах, которые зависят от назначения конечного продукта. Для целей вещания с качеством, примерно равным качеству аналоговой системы PAL (в благоприятных условиях), можно использовать цифровой поток  со  скоростью 4–6 Мбит/с. Однако последующая цифровая обработка такого сигнала, например, вторичная оцифровка и сжатие, уже недопустимы. Сигналы с цифровым потоком 9 Мбит/с и более допускают многократные преобразования формы сигнала.

Сжатие  сигналов  предполагает  более  эффективные,  чем ИКМ, методы  кодирования  цифрового  сигнала.  Их  можно  разделить  на  внутрикадровые  и межкадровые.  В  процессе  исследования  методов  сжатия  видеосигналов  были разработаны ряд методов кодирования.

1.2. Кодирование с предсказанием

Различают  внутрикадровое и межкадровое  кодирование  с предсказанием. Но поскольку  в  межкадровом  кодировании  необходимо  учитывать  особенности внутрикадрового кодирования, то его целесообразно рассмотреть отдельно.  Наличие  сильных  корреляционных  связей  между  отдельными  элементами разрешения  позволяет  передавать  полную  информацию  только  об  одном элементе, а информацию о других элементах на приемном конце линии передачи можно рассчитать (предсказать). Такое предсказание неизбежно будет содержать ошибку.  Принцип  кодирования  с  предсказанием  заключается  в  том,  чтобы передавать  не  абсолютные  значения  сигнала,  а  разности  между  ним  и предсказанным  значением  сигнала.  Эта  разность  носит  название  ошибки предсказания. Обобщенная структурная схема кодека представлена на рис. 1.

Рисунок 1 – Структурная схема кодирования с предсказанием

На вход кодера поступает отсчет u(nT) исходного сигнала, а в предсказателе П рассчитывается  предсказанное  значение  этого  отсчета  ũ(nT)  на  основании предыдущих  отсчетов.  В  сумматоре  Σ  происходит  вычисление  ошибки  предсказания: е(nT) = u(nT) – ũ(nT), которая передается по каналу связи. В декодере на основании  предыдущих  декодированных  отсчетов  вычисляется  предсказанный отсчет  ũ′(nT)  по  тому же  самому  алгоритму,  что  и  в  кодере.  Если  в  кодере  и  в декодере  используются  одни  и  те  же  алгоритмы  и  предыдущие  отсчеты декодированы  верно,  то  предсказанные  отсчеты  совпадут:  ũ(nT) = ũ′(nT).

Следовательно, после сложения ũ(nT) и ошибки предсказания е(nT), принятой по линии связи, можно получить исходное значение отсчета u(nT).  В самом простом случае предсказатель — это линия задержки на один такт Т∗. Кодирование  в  этом  варианте  носит  название  дифференциальной  импульсно-кодовой  модуляции (ДИКМ).  Ее  легко  можно  проиллюстрировать  на  простом примере,  показанном  на  рис. 2. Пусть  входной  сигнал  представляет собой ступенчатую функцию,  как  показано  на  рис. 2, а.

Такая  форма  имитирует  дискретизированный  и  квантованный сигнал.  На  рис. 2, б  показан предсказанный  сигнал  ũ(nT).  Это просто  сдвинутый  на  один  такт исходный  сигнал.  Его  начальное значение  в  первом  такте  принято равным  нулю.  В  результате  вычитания  предсказанного  сигнала  из исходного получится ошибка предсказания, показанная на рис. 2, в.

Рисунок 2 – Пример ДИКМ

Она имеет как положительные, так и  отрицательные  значения.  В декодере  во  время  первого  такта предсказатель  формирует  сигнал нулевого  уровня,  к  которому  суммируется  сигнал  ошибки  е = 1,  в результате   на   выходе   декодера  появляется  сигнал  с  уровнем 1.  Этот  сигнал  запоминается  в  линии  задержки  и является предсказанным сигналом для второго такта. Последовательно применяя данную процедуру можно  точно восстановить исходный сигнал. Таким образом, форма выходного сигнала декодера совпадает с графиком на рис. 2, а, а форма сигнала предсказателя декодера — с графиком на рис. 2, б.

Из рассмотренного примера видно, что динамический диапазон разностного сигнала сократился и для него требуется меньшее число уровней квантования. На этом  и  основывается  сокращение  статической  избыточности  кодирования  с предсказанием,  в  котором  для  кодирования  разностного  сигнала  используется меньшее  число  разрядов  кодового  слова.  Но  исходный  сигнал  точно восстанавливается  только  при  его  плавных  изменениях.  Если  имеются  резкие переходы яркости изображения, где изменение сигнала превышает динамический диапазон  сигнала  ошибки,  возникают  искажения.  Границы  крупных  деталей изображения оформляются за несколько тактов, а в мелких деталях снижается их средняя  яркость.  Однако  если  учесть,  что  зрительный  аппарат  при  различении мелких  деталей  сосредотачивается  на  их  контуре,  а  общая  фоновая  яркость подавляется (это  явления  носит  название  латерального  торможения),  то искажения,  вызванные  грубым  квантованием,  оказываются  не  столь  уж заметными.  При  этом  снижается  только  средняя  яркость,  четкость  остается прежней, поскольку она задается частотой дискретизации. 

1.3. Межкадровое кодирование с предсказанием

Межкадровое  кодирование  дает  особенно  эффективное  сжатие  цифрового потока,  так  как  для  большинства  сюжетов  изображения  соседних  кадров  очень похожи.  Для  реализации  межкадрового  кодирования  достаточно  в  схеме  на рис. 1.  в  качестве  предсказателя  использовать  запоминающее  устройство (ЗУ) емкостью на один кадр (линия задержки на время передачи одного кадра). Однако в  реальной  аппаратуре  межкадровое  кодирование  всегда  сочетают  с внутрикадровым  кодированием.  Поэтому  обработку  сигнала  следует  делать  по схеме, приведенной на рис. 3. 

Рисунок 3 – Структурная схема межкадрового кодирования с предсказанием

Исходный сигнал u сначала подвергается межкадровому кодированию, в результате чего вычисляется разностный сигнал ошибки е, пропорциональный разности между сигналами одних и тех же элементов разрешения в соседних кадрах. В этом сигнале сохраняются корреляционные связи между соседними элементами разрешения, поэтому для него можно применить внутрикадровое кодирование. Например, можно использовать ДИКМ или дискретно-косинусное преобразование, о котором пойдет речь ниже. Эту задачу выполняет внутрикадровый кодер ВКК. Сжатый за два этапа сигнал передается по линии связи в декодер приемника. Здесь, прежде всего, должны быть восстановлены разностные сигналы е′, которые необходимы для работы межкадрового декодера. Вместе с тем, как выяснилось, декодер ДИКМ может в отдельных случаях не совсем точно восстанавливать исходный сигнал. То же самое можно сказать и о декодере дискретно-косинусного преобразования. Таким образом, сигнал ошибки е′ на входе ВКД может не совпадать с сигналом ошибки е, вырабатываемым при межкадровом кодировании на передающей стороне. Отсюда следуют ошибки в восстановлении исходного сигнала и. При корректном внутрикадровом кодировании искажения сигнала ошибки  незначительны, но они накапливаются с течением времени. Поэтому как в кодере, так и в декодере желательно для предсказателя обеспечить одинаковые условия. Это можно сделать с помощью схемы межкадрового кодирования, показанной на рис. 4.