Цифровое телевидение
Информация - Компьютеры, программирование
Другие материалы по предмету Компьютеры, программирование
?же на стадии подготовки к кодированию.
Дальше начинается само кодирование. Процесс кодирования содержит в себе 3 стадии:
преобразование Фурье (дискретное косинусное преобразование - Discrete Cosine Transformation - DTC);
квантование (Quantization) - перевод данных из непрерывной формы в дискретную;
преобразование полученных блоков данных в их последовательность (преобразование из матричной формы в линейную).
Кодирование звука осуществляется отдельным звуковым кодером. По мере развития формата MPEG-1, звуковые кодеры неоднократно переделывались, становясь все эффективнее. К моменту окончательной стандартизации формата MPEG-1 было создано три звуковых кодера этого семейства: Layer I, Layer II (иногда называют Musicam по названию стандарта, послужившего прообразом) и Layer III. Принципы кодирования основаны на том, что для человеческого уха в несжатом звуке (CD-audio) передается много избыточной информации. Принцип сжатия работает на "эффектах маскировки" некоторых звуков (например, если идет сильный звук на частоте 1000 Гц, то более слабый звук на частоте 1100 Гц человек уже не слышит, чувствительность слуха падает примерно на 100 мс после окончания сильного звука). Психоакустическая модель (Psycoacustic), используемая в MPEG-1, разбивает весь частотный спектр на части, в которых уровень звука iитается одинаковым, а затем удаляет звуки, не воспринимаемые человеком из-за эффектов маскировки.
Синхронизация аудио- и видеоданных осуществляется с помощью специально выделенного потока данных под названием System stream. Этот поток содержит встроенный таймер, который работает iастотой 90 кГц и содержит 2 слоя: системный с таймером и служебной информацией для синхронизации кадров с аудиотреком и компрессионный с видео- и аудиопотоками.
В современном цифровом телевидении используется стандарт MPEG-2, разработанный в 1992 г. Компрессия по стандарту MPEG-2 основана на том, что более 97% цифровых данных, представляющих видеосигнал, дублируются, т.е. являются избыточными и могут быть удалены без особого ущерба качеству изображения.
Применительно к видео избыточность бывает двух видов: пространственная (дублирование информации в пределах одного кадра) и временная (дублирование в последовательно расположенных кадрах). Алгоритм MPEG-2 анализирует видеоизображение в поисках повторений и избавляется от них. После удаления избыточности в формате MPEG-2 обеспечивается качественное видеоизображение при более низкой скорости передачи данных.
Вкратце этапы кодирования таковы:
оцифровка видео, если оно было в аналоговом виде, и масштабирование до нужного размера кадра;
перевод изображения из цветового пространства RGB в YCbCr. На этом этапе может происходить некоторая потеря информации, связанная с разным цветовым охватом RGB и YCbCr и с округлением результатов, но на глаз она обычно незаметна;
анализ близкорасположенных кадров на предмет совпадений iелью устранения временной избыточности (потерь информации не происходит);
двумерное дискретное косинусное преобразование (DCT) (потерь тоже почти нет);
адаптивная квантизация этих коэффициентов (происходит наибольшая потеря информации и вносятся наибольшие искажения);
дальнейшее сжатие с помощью RLE и кодов Хаффмана (без потерь);
к полученным закодированным кадрам добавляются служебные заголовки, и получается PES (Packetized Elementary Stream).
Основным параметром, который задается MPEG-2-кодеру, является битрейт (объем выходного потока в битах за единицу времени). Чем он больше, тем более качественной получается картинка, хотя, конечно, неумелым кодированием можно все испортить. Ориентируясь на заданный битрейт, кодер должен динамически подстраивать параметры алгоритмов, используемых на разных этапах, чтобы битрейт выходного потока был как можно ближе к этому значению, но при этом минимально теряя в качестве. Задача однозначного решения не имеет, производители кодеров решают ее по-разному.
При кодировании аудиосигналов обеспечивается поддержка многоканальности (5+1 каналов - left, center, right, left surround, right surround + sub-woofer), и появился стандарт AAC (Advanced Audio Coding - прогрессивное кодирование звука) с очень высоким качеством звука (скоростью 64 Кбит/с на канал).
Разработанный следом формат MPEG-3 для телевидения высокой четкости (HDTV) с максимальным разрешением 1920x1080 точек при 30 кадрах/с и скоростью потока 20...40 Мбит/с не давал принципиальных улучшений по сравнению с MPEG-2 и благополучно "вымер".
Спецификации стандарта MPEG-4 были установлены в 1998 г. и приняты в качестве международного стандарта в 2000 г. Стандарт MPEG-4 задает принципы работы с изображением и звуком для трех областей: интерактивного мультимедиа (включая продукты, распространяемые на оптических дисках и через сеть), графических приложений (синтетического контента) и цифрового телевидения. Помимо аудио и видео, формат позволяет работать с естественными и синтезированными компьютером 2D- и 3D-объектами, производить привязку их взаимного расположения и синхронизацию друг относительно друга, а также указывать их интерактивное взаимодействие с пользователем. Кроме того, формат обеспечивает доступ к мультимедийной информации через каналы различной пропускной способности.
Алгоритм компрессии видео в MPEG-4 работает по той же схеме, что и в предыдущих форматах. При кодировании исходного изображения кодек ищет и сохраняет ключевые кадры, на которых происходит смена сюжета. А вместо сохранения промежуточных кадров прогнозирует и сохраняет лишь информацию об изменениях в текущем кадре по от?/p>