Файл: Мультимедиа технологии.pdf

133
Рис. 6.4 Структурна схема цифровой телевизионной системы
На рисунке 6.5 показан пример:
1. Сначала формируется сигнал на федеральном уровне. На этом этапе задействуется Мультиплексор, Шлюз и Передатчик.
Передатчик подключен к спутниковой антенне.
2. Через систему спутников сигнал ЦТВ передается на вещания сигналов цифрового телевидения региональный сегмент.
Антенны регионального сегмента получают сигнал от спутников и транслирую его через наземный сегмент, используя либо проводные
(оптические кабели) или беспроводные технологии.

134
Рич. 6.5 Схема вещания сигналов цифрового телевидения
Особенности передачи телевизионного сигнала
Международный союз электросвязи (МСЭ, ITU) – международная организация, определяющая рекомендации в области телекоммуникаций и радио, а также регулирующая вопросы международного использования радиочастот (распределение радиочастот по назначениям и по странам).
Основан как Международный телеграфный союз в 1865 году, с 1947 года является специализированным учреждением ООН.
В МСЭ входит 193 страны и более 700 членов по секторам и ассоциациям (научно-промышленных предприятий, государственных и частных операторов связи, радиовещательных компаний, региональных и международных организаций).
Подразделения МСЭ
 ITU-T (МСЭ-Т) – Сектор стандартизации электросвязи.
 ITU-R (МСЭ-Р) – Сектор радиосвязи.

135
 ITU-D (МСЭ-Д) – Сектор развития электросвязи
 класс A: национальные министерства и ведомства связи;
 класс B: крупные частные корпорации, занимающиеся связью;
 класс C: научные организации и предприятия, производящие оборудование связи;
 класс D: международные организации, в том числе международная организация по стандартизации (ISO).
«Рекомендации» ITU-R:
1. «Кодируемые параметры цифрового телевидения для студий»
2. «Формат для цифровых раздельных сигналов в 525- и 625-строчных телевизионных системах, действующих на уровне 4:2:2 рекомендации ITU-R
ВТ. 601-1».
3. Базовая частота иерархии цифровых стандартов – 3,375 МГц.
4. Частота дискретизации для яркостного сигнала – 3,375 х 4 = 13,5
МГц.
5. Частота дискретизации для цветоразностных сигналов – 3,375 х 2 =
6,75 МГц.
6.8 Модели кодирования сигналов
Рассмотрим некоторые модели кодирования сигналов: 4:2:2, 4:4:4,
4:1:1, 4:1:0
Рис.6.6 Модель кодирования сигналов

136
Первая цифра показывает, какое количество сигналов советует яркостной составляющей – сигналу Y. Две последних цифры –
цветоразностным составляющим – сигналам Cr, Cb.
Модель дискретизации 4:2:2 (2:1:1)
Рис. 6.7 Модель дискретизации 4:2:2 (2:1:1)
Частота дискретизации цветоразностных сигналов (6,75 МГц) в два раза ниже частоты дискретизации яркостного сигнала (пропуск каждого четного отсчета).
Кодирование компонентного видеосигнала
Рис. 6.8 Кодирование компонентного видеосигнала (4:2:2)
Скорость передачи данных С= n х Fd, где n – длины кодового слова, Fd
– частота дискретизации.
Скорость передачи цифрового компонентного видеосигнала:

137
С=10 х 13,5 + 10 х 6,75 + 10 х 6,75 = 270 Мбит/с.
Модель дискретизации 4:4:4 (1:1:1)
Рис. 6.9 Модель дискретизации 4:4:4 (1:1:1)
Частоты дискретизации яркостного и цветоразностных сигналов равны
(13,5 МГц).
Кодирование компонентного видеосигнала
Рис. 6.10 Кодирование компонентного видеосигнала (4:4:4)
Скорость передачи цифрового компонентного видеосигнала:
С=10 х 13,5 + 10 х 13,5 + 10 х 13,5 = 405 Мбит/с.

138
Модель дискретизации 4:1:1
Рис. 6.11 Модель дискретизации 4:1:1
Частота дискретизации цветоразностных сигналов (3,375 МГц) в четыре раза ниже частоты дискретизации яркостного сигнала (выборка на каждый четвертый отсчет).
Кодирование компонентного видеосигнала
Рис. 6.12 Кодирование компонентного видеосигнала (4:1:1)
Скорость передачи цифрового компонентного видеосигнала:
С=10 х 13,5 + 10 х 3,375 + 10 х 3,375 = 202,5 Мбит/с.
Модель дискретизации 4:2:0

139
Рис. 6.13 Модель дискретизации 4:2:0
Число отсчетов сигналов цветности уменьшено в два раза не только в горизонтальном, но и в вертикальном направлениях
Кодирование компонентного видеосигнала
Рис. 6.14 Кодирование компонентного видеосигнала (4:2:0)
Скорость передачи цифрового компонентного видеосигнала:
С=10 х 13,5 + 10 х 6,75 + 10 х 0 = 202,5 Мбит/с.
6.9 Стандартизация
Главный в мировом масштабе орган, принимающий и утверждающий стандарты в различных областях деятельности людей – ISO (International
Standart Organization, Международная организация по стандартизации), объединяющая национальные комитеты по стандартизации более 100 стран мира. Стандарты в области информационных технологий принимаются созданным ISO и Международной Электротехнической Комиссией

140
(International Electrotechnical Comission, IEC) совместным комитетом ISO/IEC
JTS1.
Еще один международный орган, занимающийся стандартизацией в области телекоммуникаций – Международный Союз Электросвязи
(International Telecommunication Union, ITU). Стандартизацией в телевидении занимается сектор ITU-R (R – radio).
Системы компрессии
MPEG – Moving Picture Experts Group (группа экспертов по кодированию движущихся изображений).
Стандарт MPEG -1 (1993 год) – Кодирование изображения и звука при скоростях цифрового потока компрессированных данных до 1,5Мбит/с.
Международный стандарт MPEG-2 (ISO/IES 13818) – 1994 год.
Особенности нового поколения телевизионных систем
Существенное сужение полосы частот цифрового телевизионного сигнала, достигаемое с помощью эффективного кодирования, то есть сокращения избыточности изображений, и возможность передавать 4 и более программ телевидения обычной четкости или 1 – 2 программы ТВЧ по стандартному телевизионному каналу с шириной полосы частот 6…8 Мгц.
Единый подход к кодированию и передаче телевизионных сигналов с различной четкостью изображения: видеотелефон и другие системы с уменьшенной четкостью, телевидение обычной четкости.
Интеграция с другими видами информации при передаче по цифровым сетям.
Обеспечение защиты передаваемых телевизионных программ и другой информации от несанкционированного доступа, что дает возможность создавать системы платного ТВ – вещания.
Краткие итоги лекции 6
Цифровое телевидение в своем развитие прошло несколько этапов.
В настоящее время существуют следующие основные стандарты:

DVB (Digital Video Broadcasting, Цифровое Телевизионное Вещание)
– европейский стандарт цифрового телевидения.

141

ATSC
(Advanced
Television
Systems
Committee,
Комитет
Усовершенствованных Телевизионных Систем) – американский стандарт цифрового телевидения.

ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting, Встроенные Сервисы
Телевизионного Вещания) – японский стандарт цифрового телевидения;

DTMB (Digital Terrestrial Multimedia Broadcast, Цифровое Наземное
Мультимедийное Вещание) DMB-T/H – эфирное/мобильное – китайский стандарт цифрового телевидения.
Уровни качества цифрового телевизионного вещания:
TV стандартного разрешения (SDTV) – базовый уровень с разрешением, аналогичным аналоговому. Передачи SDTV могут идти в обычном (4:3) или широком (16:9) формате.
TV повышенного разрешения (EDTV) – это шаг вперед по сравнению с аналоговым телевидением. Вещание EDTV ведется широком формате 480p (16:9) или обычном (4:3) и обеспечивает лучшее качество изображения, чем SDTV, но не столь высокое, как HDTV.

142 6. Рассказать про стандарт ATSC.
7. Рассказать про стандарт DVB.
8. Рассказать про стандарт ISDB.
9. Описать уровень качества Цифрового телевидения HDTV.
10.
Назовите дату начала работы по внедрению цифрового телевидения в нашей стране.
11.
Опишите принципы передачи при аналоговом и цифровом способе вещания.
12.
Описать основные положения стандарта DVB.
13.
Представить и пояснитьструктурную схему цифровой телевизионной системы.
14.
Привести пример кодирования компонентного видеосигнала
(4:2:2) и модели дискретизации (4:2:2).
15.
Привести пример кодирования компонентного видеосигнала
(4:2:2) и модели дискретизации (4:2:0).

143
Лекция 7. Стандарты сжатия движущихся изображений и MPEG-1 и
MPEG-2
Краткая аннотация лекции: Рассматриваются стандарты сжатия MPEG-1 и MPEG-2.
Цель лекции: изучить основы стандартов сжатия движущихся изображений и MPEG-1 и
MPEG-2.
В 1988 г. в рамках Международной организации по стандартизации
(ISO) начала работу группа MPEG (Moving Pictures Experts Group) –
Экспертная группа по движущимся изображениям. Группа работала в направлениях, которые можно условно назвать MPEG-Vide – сжатие видеосигнала в поток со скоростью до 1.5 Мбит/с, MPEG-Audio – сжатие звука до 64, 128 или 192 Кбит/с на канал и MPEG-System – синхронизация видео- и аудиопотоков. Как алгоритм MPEG имеет несколько предшественников. Самый известный из них – это универсальный алгоритм
JPEG (универсальный – показывает неплохие результаты на широком классе изображений).
Стандарты:
MPEG-1, используется при записи видеопрограмм на CD-диски, утвержден в1993 г.
MPEG-2 для ТВ-вещания – а ноябре 1994 г.
Видеоизображение стандарта
PAL или
SECAM
– это последовательность картинок, отображаемая с частотой 25 кадров в секунду.
В одном цифровом кадре содержится 720х576 точек, то есть 414 тыс. 720 элементов (пикселей). Каждая точка может иметь один из 16,7 млн. цветов и занимать 3 байта в компьютере. Следовательно, один кадр занимает порядка
1,2 Мб. При стандартной частоте получаем цифру около 30 Мб в секунду, то есть хранение одного лишь часа видео (вместе со звуком) без компрессии обойдется в 107 Гб. Для HDTV этот формат подразумевает разрешение
1920х1080 точек, то есть, при прочих равных условиях, серия кадров, рассчитанных на одну секунду, уже займет 148 Мб (521 Гб в час).

144
Кодирование видео – это процесс преобразования цифровых видео- файлов из одного формата в другой. Кодирование также известно, как
«перекодирование» или «преобразование видео». Во время записи устройство предоставляет видео-файл в определенном формате и других спецификациях.
Кодирование видеоизображений основано на разложении видеоряда в виде последовательности отдельных изображений (кадров). На этом, в частности, основано телевидение (25 кадров в секунду для Европы и 30 кадров с секунду для Японии и США) и кинотехника (24 кадра в секунду). То есть кодирование видеоряда заключается в кодировании каждого из составляющих его кадров как отдельного изображения, с последующей записью последовательности кадров.
Цифровая запись видеоизображений имеет две особенности:
1. Кодирование данных и их запись рассматриваются порознь и определяются разными стандартами.
2. Запись видеоизображений обычно сопровождается записью звука, то есть речь идет о синхронной записи как минимум двух потоков данных.
Контейнер – основополагающий файл, служащий для сохранения в цифровом виде преобразованной аналоговой информации (т.е. то, что мы видим и слышим в реальной жизни). Как правило, такая сохраненная аудио и видеоинформация занимает большой объем, поэтому ее сжимают, используя различные аудио и видео кодеки.
Кодек – сокращение от английского coder/decoder – программа, позволяющая преобразовать записанную информацию так, чтобы она занимала меньше места. При этом расширение файла может не меняться, т.е. основная структура контейнера не изменится, изменится представление в нем аудио и видеоданных, но, чтобы воспроизвести такой файл,
«зашифрованный» при помощи какого-либо кодека, необходимо, чтобы он был установлен на компьютере.

145
Рис. 7.1 Структура контейнера
Примеры контейнеров: AVI, MP4, 3GP, FLV, Matroska (Матрешка) и др.
7.1 Стандарты сжатия MPEG
Слово MPEG является сокращением от Moving Picture Expert Group – названия экспертной группы ISO (международной организации по стандартизации) по кодированию и сжатию видео- и аудиоинформации. Так же называются и стандарты, разработанные этой группой.
MPEG
1 предназначен для записи синхронизированных видеоизображений (обычно в формате SIF 352x288) и звукового сопровождения на CD-ROM (VideoCD) со скоростью считывания до 1,5
Мбит/с. Качество MPEG 1 примерно соответствует обычному VHS-видео.
MPEG 2 поддерживает более высокие разрешения, поскольку поток данных в этом стандарте намного больше (до 40 Мбит/с), транслируется через телевизионные спутники.
Формат MPEG 4 первоначально создавался для использования в мультимедийных приложениях, использующих узкие каналы связи, например, видеоконференции, проводимые через Интернет, и не предназначался для хранения видео. По качеству изображения он занимает промежуточное место между MPEG 1 и MPEG 2. За счет этого достигается высокая степень сжатия информации. Работа с MPEG 4 требует достаточно большой вычислительной мощности от всех компонентов компьютера.
Неожиданное применение алгоритм сжатия MPEG 4 получил в качестве средства преобразования DVD-фильмов (формата MPEG 2) с целью