Форум проекта ProTV.UA

Возникновение стандартов MPEG

Активная разработка методов и стандартов сжатия видеоданных началась с появлением цифровых видеосистем. Ведь для качественной оцифровки телевизионного сигнала с граничной частотой 6 МГц необходимо делать как минимум 12 млн. отсчетов в секунду. Поэтому при восьмибитном кодировании сигнала создается поток 100-120 Мбит/с. Для компьютерных систем - это трудно перевариваемый поток (если учесть уровень компьютерной техники 80-х). Поэтому многие фирмы и организации взялись за разработку стандартов сжатия цифрового видео. Так были созданы и H.263, и M-JPEG, и многие другие. Но когда речь идет о cовременном цифровом телевидении, то здесь подразумевается стандарт MPEG-2, который позволяет при высоком коэффициенте сжатия передавать качественное изображение и звук.
Стандарты MPEG созданы и продолжают создаваться одноименной организацией Motion Picture Expert Group (далее в тексте MPEG означает и название стандартов, и название организации). MPEG входит в подкомитет Международной организации по стандартизации (ISO). Эта группа, как и большинство других современных мировых институтов стандартизации, весьма виртуальна. Работу над стандартами проводят эксперты, находящиеся в самых разных странах, и повседневным средством общения служит электронная почта. Основные решения и постановка новых задач проводятся на заседаниях (уже реальных) MPEG, на которые эксперты собираются обычно три раза в год (иногда чаще).
В 80-х годах шли активные дебаты по принятию стандарта аналогового телевидения высокой четкости (ТВЧ, HDTV), который, хотя и был принят, распространения не получил. Одна из главных причин этого заключалась в том, что разработчики не могли отказаться от совместимости с обычным телевидением и не хотели переходить к цифровым технологиям.
Тем временем, интересы многих компаний стали сосредотачиваться вокруг цифровых видеотехнологий. И малоизвестный, но напористый итальянец по фамилии Черильоне убедил Хироси Ясуду, возглавлявшего тогда JPEG (Joint Photographic Experts Group, входящая в тот же подкомитет ISO, что и MPEG), помочь в создании группы, которая бы занималась разработкой стандартов сжатия подвижного изображения.
JPEG к этому моменту уже приняла одноименный стандарт сжатия неподвижных изображений и собиралась распространить его на подвижные изображения. Сделать это предполагалось очевидным образом: сжимать "по JPEG" каждый отдельный кадр видео. Так появился стандарт M-JPEG (Motion JPEG). Но два его существенных недостатка - невысокий коэффициент сжатия (не более 40:1) и отсутствие стандарта для компрессии звука - не дали ему получить широкое распространение.
Итак, группа Черильони под эгидой ISO была сформирована в 1988 году. В 1990 году на нее была возложена официальная миссия разработки стандартов для кодирования подвижного видеоизображения и сопутствующей информации для записи и считывания с цифровых носителей. С этого же времени она получила название MPEG, в котором подчеркивались и общность, и противоположность с родственной JPEG. Отметим, что MPEG во многом опиралась на разработки JPEG. Так, метод кодирования I-кадров в MPEG-1 и 2 практически совпадает с методом сжатия JPEG. (Пояснения см. в пункте "Анатомия стандартов MPEG-1 и MPEG-2".)
Почему же MPEG смогла победить конкурентов и утвердить свой стандарт? Ведь в то время кроме M-JPEG параллельно продвигались еще не менее интересные методы компрессии видео. Скорее всего, своей победой стандарты MPEG обязаны грамотной политике руководства группы и личным качествам самого Черильоне. Во-первых, MPEG сразу начала искать альянсы с крупнейшими мировыми компаниями, которые могли бы поддержать будущие стандарты. Во-вторых, MPEG взяла курс на создание независимых стандартов.
На первый взгляд, эти два стремления несколько противоречат друг другу, но их сочетание дало свои плоды. Так, к моменту окончательного утверждения MPEG-1 ряд производителей уже предлагали на рынке программные и аппаратные средства для его реализации. Другой пример: уже в начале 1998 года японская Toshiba объявила о выпуске чипа-кодека для еще не утвержденного (!) MPEG-4.Кстати, еще одним секретом успешной деятельности MPEG является строгое следование графикам работы над стандартом. Но вернемся к началу.
В 1988 году молодая и немногочисленная группа экспертов взялась за разработку формата хранения видеоинформации на CD-ROM и ее воспроизведения со скоростью около 1,5 Мбит/c. Поддержку оказала голландская фирма Philips (создавшая ранее технологию цифровых оптических дисков), которая и впоследствии играла в деятельности MPEG немалую роль. Постепенно MPEG из небольшой группы экспертов стала влиятельной организацией, в которой были представлены интересы десятков компаний. Среди них - производители телевизоров, компьютеров и микросхем, телевизионные и телекоммуникационные компании. Принятие MPEG-1 прошло успешно. В 1996 году стандарт получил престижную премию "Эмми". В том же году в Китае было продано 2 млн. декодеров MPEG, в следующем - 4 миллиона.
Вслед за MPEG-1 группа приступает к работе над MPEG-2, который задумывался как стандарт для передачи (а не хранения и воспроизведения, как MPEG-1) в цифровом виде телевизионного изображения. Примерно в это же время начинает прорабатываться и MPEG-3, который предназначался для кодирования сигналов HDTV. Позже он вошел в MPEG-2.
MPEG-2 в основном сформировался в 1992-1993 годах. Очень важной оказалась победа, которую одержал MPEG-2 над разработкой, предложенной AT&T. По признанию экспертов, хотя качество варианта AT&T в чем-то даже превосходило MPEG-2, все-таки последний был более прост и дешев в реализации. Отчасти, победе группы MPEG сопутствовал тот факт, что некоторые ее члены участвовали и в проекте AT&T. Поэтому наиболее рациональные идеи американского проекта перекочевывали в MPEG. Если до 1994 года MPEG имела влияние в основном в Европе и Азии, то победа над AT&T, а также над интересными разработками отдельных изобретателей (Woo Paik из General Instrument, Jae Lim из Массачусетса) открыла для MPEG богатый американский рынок. Немаловажным фактором стало и удачное подключение MPEG-2 к созревавшей технологии DVD. Хотя весьма странным может показаться тот факт, что для кодирования звукового сопровождения в DVD-ROM предпочтение почему-то отдается Dolby AC-3 вместо популярного MPEG Layer 3.
Анатомия стандарта MPEG
Несмотря на то, что большинство форматов кодирования цифрового видео основано на формате JPEG (Joint Photographic Experts Group), за последние три года формат MPEG (Moving Picture Experts Group) получил всеобщее признание благодаря тому, что он дает большую степень сжатия, нежели любой другой стандарт. JPEG форматы (M-JPEG? CinePack) основаны на сжатии каждого кадра из видеопоследовательности. Этот подход получил название "itraframe compression" (внутрикадровое сжатие). Стандарт MPEG использует как "itraframe", так и "iterframe compression" (межкадровое сжатие). При межкадровом сжатии задаются опорные кадры, а последующие и предыдущие вычисляются на их основе. Поэтому межкадровая схема позволяет достичь большего сжатия - не надо хранить каждый кадр, запоминаются только отличия между кадрами.
MPEG как стандарт сжатия аудио и видео данных был принят Международным Союзом Телекоммуникаций (ITU) и Международной организацией стандартизации (ISO). Поток MPEG состоит из трёх компонентов: видео, аудио и системного. Системный компонент содержит информацию о синхронизации видео и аудио, о доступе к видеоданным, о временных метках для каждого кадра и т.п. Эти компоненты можно кодировать все сразу, либо по отдельности с последующим объединением с помощью процесса мультиплексирования. MPEG поток состоит из кадров трёх типов: I (intraframe), P (predicted) - предсказанные, B (bidirectional) - двунаправленные. I-кадр - полный кадр, сжатый аналогично формату JPEG. Его можно использовать в качестве точки входа в поток при произвольном доступе. I-кадры имеют самый большой размер. P-кадры предсказаны на основе предыдущих кадров из потока и применяются как опорные для последующих предсказанных кадров. Их размер определяется степенью различия двух соседних кадров. B-кадры используют в качестве опорных как предыдущие, так и последующие кадры. Их степень сжатия максимальна. Поскольку они наименее информативны, они не используются в качестве опорных для других кадров MPEG потока. Алгоритм работает примерно по следующей схеме. Чтобы создать I-кадр сначала через М кадров вычисляется опорный кадр Р (допустим М=3) по разности между этим Р кадром и I кадром. Затем вычисляются разности кадров, находящихся между I и Р в последовательности IBBP. Далее В-кадры сравниваются с I-кадром и с Р-кадром, и используется та разность, которая оказалась меньше. Таким образом MPEG предсказывает несколько В-кадров, используя "будущий" кадр Р, и работает хорошо, когда разность невелика. Этот факт означает, что при декодировании MPEG порядок кадров в потоке отличается от обычного. Последовательность IBBP передаётся как IPBB. Поэтому необходимо иметь буферы памяти для хранения I и Р опорных кадров и разностей для В-кадров, по которым будет восстановлена нормальная последовательность. По разности с первым Р-кадром вычисляется второй Р-кадр и ещё два В-кадра. Из всего этого получается последовательность IBBPBBP. Ошибки, содержащиеся в Р-кадре, могут накапливаться до следующего I-кадра, качество MPEG картинки значительно ухудшиться.
Следует также знать ещё одно важное понятие, характеризующее MPEG файл - GOP (Group Of Pictures) - группа кадров, состоящая из одного I-кадра и последовательности, связанных с ним чередующихся Р- и В- кадров. GOP является минимальным фрагментом потока, который может быть декодирован. Обычно GOP содержит четыре Р-кадра между двумя последовательными I-кадрами. Число кадров N в GOP при М=3 получается равным 15. Это записывается в виде IBBPBBPBBPBBPBBI. В стандарте Video CD максимальное число I-кадров в GOP равно четырём (2 секунды реального времени). Большинство профессиональных MPEG кодеров позволяют задавать параметры М (расстояние между опорными кадрами), N (расстояние между I-кадрами) и число кадров GOP.
Следует упомянуть ещё две характеристики MPEG алгоритма. Это Motion Estimation (МЕ, в свободном переводе - оценка перемещений) и Spatial Redundancy (SR - пространственная избыточность). МЕ - метод, по которому реализуется вычисление Р- и В- кадров по опорным кадрам. Первым шагом в МЕ является разбиение кадров на блоки 16х16 пикселов. Далее блоки одного кадра сравниваются с соответствующими блоками другого кадра и, если они изменяют положение от кадра к кадру, их перемещение описывается векторами движения, которые и записываются в MPEG поток. На следующем этапе кодирования применяется метод пространственной избыточности, позволяющей ещё больше сократить объём данных, описывая разность между соответствующими блоками. Используя дискретное косинус-преобразование, блоки подразделяются на субблоки 8х8 для отслеживания изменения цвета и яркости.
Всем известно, что чем больше коэффициент сжатия, тем хуже качество. Коэффициент сжатия - это цифровое выражение соотношения между объемом сжатого и исходного видеоматериала. Для MPEG сейчас стандартом считается соотношение 200:1, при этом сохраняется неплохое качество видео. Различные варианты Motion- JPEG работают с коэффициентами от 5:1 до 100:1, хотя даже при уровне в 20:1 уже трудно добиться нормального качества изображения. Кроме того, качество видео зависит не только от алгоритма сжатия (MPEG или Motion-JPEG), но и от параметров цифровой видео-платы, конфигурации компьютера и даже от программного обеспечения.
В настоящее время существует две основные спецификации MPEG стандарта: MPEG-1 и MPEG-2. Спецификация MPEG-3, которая разрабатывалась для телевидения высокой чёткости, была упразднена, в связи с тем, что в этой области стал использоваться MPEG-2. Над стандартом MPEG-4 сейчас ведутся работы и его принятие запланировано на 1998 год. Он предназначен для передачи данных по сетям со сверхнизкими потоками от 4800 до 64000 бод.
Наиболее широкое распространение сейчас получил стандарт MPEG-1. Он был принят в 1992 году как ISO 11172. С точки зрения получаемого качества видеосигнала его можно назвать цифровым аналогом видеоформата VHS. Размер кадра в MPEG-1 325х288 при оцифровке сигналов PAL и SECAM, и 352х240 - для NTSC. Характерные значения потоков лежат в диапазоне от 0,5 до 3 мБит/с. Области применения стандарта MPEG-1: производство Video CD дисков, архивация данных на CD ROM, корпоративные отчёты, обучающие фильмы, презентации; системы видеонаблюдения, промышленный мониторинг, медицина, интернет, видеокиоски, виде по запросу, а также музыка.
Стандарт MPEG-2, принятый в 1994 году, предназначен для получения более качественного изображения при более высокой скорости передачи. MPEG-2 не всегда лучше MPEG-1: картинка MPEG-2 при скоростях передачи MPEG-1 выглядит хуже по сравнению с MPEG-1. Однако при рекомендованных потоках 3-10 мБит/с с полным разрешением CCIR-601, составляющем 720х576 для PAL и 720х480 для NTSC, качество картинки сопоставимо видеофильмам формата S-VHS и Hi-8. Ещё одним плюсом MPEG-2 является совместимость сверху вниз с MPEG-1: файлы MPEG-1 можно проигрывать на декодирующих устройствах MPEG-2. В последнее время популярность MPEG-2 растёт в связи с тем, что он был принят стандартом для DVD. Основные области применения MPEG-2 на сегодняшний день - спутниковое и кабельное телевидение. Однако, в отличие от MPEG-1 кодеров, цены на которые стали доступны для владельцев персональных компьютеров, оборудование стандарта MPEG-2 стоит несколько десятков тысяч долларов и предназначено для фирм, специализирующихся на производстве видео продукции вещательного качества.
Передача телевидения по цифровым каналам Е1
Несмотря на развитие систем наземного и спутникового непосредственного вещания массовому российскому потребителю эти технологии, к сожалению, станут доступны не скоро из-за необходимости оснащения абонентских приемников цифровыми ресиверами. Учитывая огромный парк аналоговых телевизионных приемников, реально перспектива полностью цифрового спутникового или наземного вещания отодвигается на годы.
Решение для настоящего времени это использование сложившейся структуры телекоммуникаций и аналоговых абонентских телевизионных приемников для увеличения числа передаваемых программ и создания инфраструктуры передачи цифрового телевизионного вещания от студий к аналоговым телевизионным передатчикам.
На сегодняшний день наиболее распространенными в СНГ каналами наземной передачи цифровой информации являются ВОЛС (преимущественно SDH), радиорелейные линии (преимущественно PDH или аналоговые). Оборудование SDH и PDH которое в большинстве своем используется для организации ВОЛС, как и большинство цифровых радиорелейных линий имеют стыки Е1 G.703 2048 Кбит/с. Для передачи цифрового телевизионного сигнала используются стандарт MPEG-2, скорость цифрового потока которого, рекомендованная для организации каналов вторичного распределения программ визуальной и звуковой информации коллективным и индивидуальным пользователям составляет 6-10Мбит/с.
Для решения проблемы передачи цифрового телевизионного сигнала через существующие линии связи ЗАО Радиан были разработаны кодер КТВМ-200 и декодер ДТВМ-200, обеспечивающие кроме сжатия телевизионного сигнала по стандарту MPEG-2 функции инверсного мультиплексирования. Инверсный мультиплексор, входящий в состав кодера КТВМ-200 и декодера ДТВМ-200 обеспечивает следующие параметры: интерфейс: до 4-х каналов G.703 2048 Кбит/с;

входное сопротивление: 120 ом балансное;
структура входного потока: G.704, на приемной стороне процедура CRC4 выключена;
структура выходного потока: G.704 с выключенным CRC4.
информация пользователя занимает 31 канальный интервал каждого потока.
При передаче сигналов по цифровым линиям образуется джиттер, для компенсации которого на входе каждого канала включен джиттер-аттенюатор с буфером 128бит, кроме того, обеспечивается взаимное выравнивание расхождения между каналами - до 512 тактовых интервалов (250 микросекунд или около 75 км).
Инверсный мультиплексор обеспечивает две схемы подключения - с тактированием от внутреннего генератора модуля и с тактированием от сети передачи.
В стандартном потоке Е1 без разрушения его структуры возможно использовать 31 временную позицию по 64 Кбит/с. Т.е. суммарная полезная скорость потока составит 1984кбит/с. Оборудование КТВМ-200 и ДТВМ-200 позволяет передавать сигнал в 3-х или 4-х потоках. В случае использования 4-х потоков Е1 дает суммарную скорость транспортного потока видео и аудио данных 7936Кбит/с, а в случае использования 3-х потоков Е1 5952Кбит/с. Использование 5 потоков Е1 не предусматривается, т.к. это не дает выигрыша в качестве передаваемого сигнала и приводит к значительному усложнению оборудования инверсного мультиплексора, а использование 2-х потоков Е1 для передачи телевизионного сигнала не обеспечивает необходимого качества.
В конце июля 2001 года были проведены успешные испытания кодера КТВМ-200 и декодера ДТВМ-200 по передаче телевизионного сигнала вещательного качества со скоростью 7936Кбит/с в 4-х стандартных потоках Е1 (2048Кбит/с) на расстояние 40 км по оптическому SDH кольцу города Алматы и на расстояние 250 км от города Алматы до города Талдыкурган (Республика Казахстан) по оптическому волокну системы SDH. Данные испытания подтвердили принципиальную возможность передачи телевизионных сигналов в существующих системах передачи с использованием принципа инверсного мультиплексирования, обеспечивающего передачу высокоскоростных потоков через стандартные потоки G.703 Е1 (2048Кбит/с).
В конце августа 2001 года были проведены успешные испытания по передаче цифрового телевизионного сигнала вещательного качества по аналоговой радиорелейной линии в Одесском ОРТПЦ концерна РРТ на аппаратуре “ГТТ-8000/300” и “Курс-4” протяженностью 188 км (6 пролетов). Один ствол этой аналоговой РРЛ был ранее оцифрован оконечными устройствами АЦТ-34 производства ЗАО “Радиан” обеспечивающими передачу 16 потоков Е1 (2048Кбит/с). Во время испытаний 4 из 16 потоков были задействованы для передачи цифрового телевизионного сигнала, а остальные 12 использовались для передачи пользовательской цифровой информации.
С нашей точки зрения оборудование КТВМ-200 и ДТВМ-200 найдет применение для передачи телевизионного сигнала от студии к аналоговым передатчикам по системам ВОЛС (SDH) или ЦРРЛ(SDH или PDH). Либо, что актуально для местных и областных телецентров с расположением кодера MPEG-2 на студии с последующей раздачей телевизионного сигнала по многопролетной радиорелейной линии, где на каждой переприемной станции установлен декодер и вещательный аналоговый передатчик. Успешные результаты испытаний открывают новые возможности для получения дохода организациями эксплуатирующими аналоговые радиорелейные линии, которые после цифровизации оборудованием ЗАО “Радиан” смогут передавать в стволе не только телевизионный сигнал качество которого не зависит от числа пролетов, но и получат дополнительно до 12 потоков Е1, которые могут быть сданы в аренду сторонним потребителям
DV - ДЛЯ ПРОФЕССИОНАЛОВ
Прямая запись видео в цифру была достигнута только с приходом формата Digital Video (цифровое видео). Это было настоящим прорывом в качестве, так как отпала необходимость транскодирования аналог-цифра и появилась возможность многократного копирования без потерь. Стандарт IEEE 1394 был разработан фирмой Apple и нацелен на высокоскоростную мультимедиа-периферию.
Помимо "одомашнивания" видео, этим форматом пользуются профессионалы во всем мире. По спецификации ITU-R (международного профессионального ТВ-сообщества) кадр в DV стандарта PAL содержит 720 элементов по горизонтали и 576 строк. Пиксел имеет прямоугольное соотношение 1,067 (в отличие от M-JPEG с квадратным пикселем) и персональные значения YUV (яркость и 2 цветоразностных сигнала U и V). Каждому отводится по 1 байту. При равном числе независимых значений обозначается как 4:4:4, что довольно расточительно с точки зрения ресурсов. Обычно в работе используется соотношение 4:2:2 (в 1 строке в 2 раза меньше пикселов). В DV для камер субформата DVCAM, поддерживаемого фирмой SONY, уменьшают еще и цветовое разрешение. В итоге формат работы - 4:2:0, а цветовая матрица - 360х288 пикселов. Физическое разрешение формата при матрице CCD - от 500 линий. DV-формат является альтернативой более дорогому и профессиональному аналоговому формату Betacam SP.
Хотя шкала представления графики в компьютере по RGB измеряется от 0,0,0 до 255,255,255 для каждой точки, что в совокупности и дает 16,7 млн. цветов, в DV используется ограничение. Любое изображение стандарта DV усекается в части динамического диапазона значений от 8,8,8 (черный) до 235,235,235 (белый).
Материал в DV обычно 25 Мбит/с или 3,6 Мбайт/с с несжатым стереозвуком 48 кГц и 16 бит на канал. Существует формат записи, позволяющий записать 4 аудиоканала с частотой 32 кГц и глубиной 12 бит. Достигается такая плотность записи с помощью DCT (дискретно-косинусного преобразования). Компрессия по видео имеет постоянную величину (5:1), минута DV занимает 200 Мбайт, а на стандартную видеокассету mini-DV помещается 60 минут. При использовании субформатов DVCam и DVCPro изменяется только сам способ кодирования. При записи в любом из этих субформатов DV на ленту пишется до 1/3 избыточной информации для восстановления (маскирования ошибок) исходников в случае повреждения ленты, что никак не влияет на формат представления DV в компьютере. Фактически для перегона DV в компьютеl8; не используются никакие платы для оцифровки сигнала, происходит прямое копирование с помощью системного устройства (его цена от 20 долларов).
ПРИМЕНЕНИЕ
На сегодняшний день многие видеокамеры пишут либо в формате DV, либо в формате MPEG-2. К примеру, серия видеокамер MV (диск mini DVD) позволяет писать в формате MPEG-2 с фиксированным потоком 12 Мбит/с. Имея в своем распоряжении видеокассету MV размером со спичечный коробок, ты сможешь записать до 60 (!) минут.
Вещание со спутников также идет в формате MPEG-2, что позволяет на одну полосу стандартного аналогового сигнала уместить 4 цифровых с улучшенными характеристиками и возможной встроенной защитой от несанкционированного просмотра. Наземное вещание цифрового ТВ планируется в России в 2010 году, в Европе это действо запланировано на 2006 год, что, несомненно, увеличит число транслируемых каналов и значительно улучшит качество картинки. А интерактивные возможности будут многократно превосходить возможности устаревающего телетекста.
Формат DV поддерживается консорциумом 60 производителей, в числе которых Canon, JVC, Panasonic, Sharp и Sony. Три основных варианта DV - потребительский DV, DVCAM фирмы Sony и DVCPRO фирмы Panasonic - имеют некоторые различия, которые, однако, не влияют на качество изображения. Во всех трех вариантах записи стандартное качество картинки абсолютно одинаково. Именно поэтому данный формат представляется доминирующим на рынке персо 085;альных компьютеров, как минимум в ближайшее десятилетие. Вероятно, появится формат DV-2 для записи видео повышенного качества сразу в цифру.
Текущее поколение DVD плавно сменится Blue-ray DVD (или AOD, а может их жестокой помесью - прим. ред.), перезаписываемыми дисками, способными вмещать по 23 Гб в версии 1.0 и доступными уже сегодня по цене 25 евро. Эра подобных супер-DVD продолжит свое развитие. Уже сейчас Blue-ray-диск способен вместить до 2 часов видео высокой четкости, а скорость передачи данных составляеm0; 36 Мб/с.
Что до интернета, то с увеличением повсеместной скорости доступа до 100 Мбит/с, проблема объема данных исчезнет сама собой. С удешевлением трафика появится реальное ТВ через интернет. И через несколько лет цифровые форматы будут доминировать, окончательно вытеснив все аналоговые.

спер тут - http://www.pskovsat.ru/standarts/evalytion.html<br> <BR> <br> <hr> <small> <small> <B>Spam Filter </b>: 0.5 </small> </small>