Технические аспекты стандарта MPEG-2

Рабочая группа MPEG описала общие принципы компрессии аудио и видео информации, а разработку деталей оставила для изготовителей кодеков. В основу алгоритма сжатия была положена модель восприятия человеческим глазом видеоизображений и особенности строения человеческого глаза - его способность воспринимать вариации цвета и градации яркости. Так, например, человеческий глаз способен лучше воспринимать градации яркости, чем цветности.

Задача сводится к определению на экране неподвижного фона и движущихся объектов, на основании этого можно выделить и передать информацию о базовом кадре, а потом уже передавать кадры с информацией о движущихся объектах. В процессе передачи данных происходит отбрасывание малозначимой информации, аналогичной принципам, которые используются в графическом формате JPEG. Реализуется процесс путем разбивки потока видеоинформации на группы видеоизображений, каждая группа состоит из 3-х типов видеокадров. Обычно используются потоки из 30 кадров в секунду.

Благодаря постоянному совершенствованию видео кодеков формата MPEG-2 операторы спутникового и кабельного вещания получили возможность передавать в 2 раза больший объем информации при той же пропускной способности канала, чем когда то, на заре эволюции цифрового вещания. Стало появляться все большее количество разных видео кодеков, но они уже не соответствовали существующему формату MPEG-2. Назрела необходимость дальнейшей унификации стандарта.

Стандарт MPEG-2 состоит из трех основных частей: системной, видео и звуковой.

Системная часть описывает форматы кодирования для мультиплексирова­ния звуковой, видео и другой информации, рассматривает вопросы комби­нирования одного или более потоков данных в один или множество потоков, пригодных для хранения или передачи.

Системное кодирование в соответствии с синтаксическими и семантически­ми правилами, налагаемыми данным стандартом, обеспечивает необходимую и достаточную информацию, чтобы синхронизировать декодирование без переполнения или «недополнения» буферов декодера при различных условиях приема или восстановления потоков.

Таким образом, системный уровень выполняет пять основных функций:

· Синхронизация нескольких сжатых потоков при воспроизведении

· Объединение нескольких сжатых потоков в единый поток

· Инициализация для начала воспроизведения

· Обслуживание буфера

· Определение временной шкалы

Видеочасть стандарта описывает кодированный битовый поток для высо­кокачественного цифрового видео.MPEG-2 является совместимым расши­рением MPEG-1, он поддерживает чересстрочный видеоформат и содержит средства для поддержки ТВЧ.

Стандарт MPEG-2 определяется в терминах расширяемых профилей, каждый из которых, являясь частным случаем стандарта, имеет черты, необходимые всем классам приложений.

Иерархические масштабируемые профили могут поддерживать такие при­ложения, как совместимое наземное многопрограммное ТВ (ТВЧ), пакетные сетевые видеосистемы, обратную совместимость с другими стандартами (MPEG-1 и Н.261) и приложениями, использующими многоуровневое коди­рование.

Такая система позволит потребителю использовать приемник для декодиро­вания как стандартного телевизионного сигнала, так и сигнала ТВЧ из того же вещательного канала.

Звуковая часть стандарта MPEG-2 определяет кодирование многоканального звука. MPEG-2 поддерживает до пяти полных широкополосных каналов плюс дополнительный низкочастотный канал и (или) до семи многоязычных ком­ментаторских каналов. Он также расширяет возможности кодирования моно и стереозвуковых сигналов в MPEG-1 за счет использования половинных частот дискретизации (16; 22,05 и 24 кГц) для улучшения качества при скоро­стях передачи 64 Кбит/с и ниже.

Применение стандарта MPEG-2 в вещательном телевидении позволяет зна­чительно снизить скорость передачи видео- и звуковых данных и за счет это­го передавать несколько цифровых программ в стандартной полосе частот радиоканалов эфирного, кабельного и спутникового телевизионного веща­ния. Например, большие преимуществаMPEG-2 дает в системах спутниково­го телевизионного вещания. Сжатие позволяет передать по одному стандар­тному каналу от одного до пяти цифровых каналов при профессиональном уровне качества видеосигнала. Важно и то, что цифровые каналы по сравне­нию с аналоговыми предоставляют более широкие возможности для переда­чи дополнительной информации.

Пропускная способность стандартного спутникового канала при полосе 32 МГц составляет 55 Мбит/с. Для вещания с профессиональным качеством необхо­дима скорость цифрового потока 5 — 8 Мбит/с. Таким образом, один стандар­тный спутниковый канал позволяет транслировать 4 — 5 телевизионных про­грамм. Возможно использование цифровых каналов с более высокими коэффициентами сжатия. При этом в одном стандартном канале передает­ся до десяти видеопрограмм. Однако в этих случаях заметна потеря каче­ства изображения.

В общем случае переход к цифровому многопрограммному ТВ вещанию пред­полагает постепенный вывод из эксплуатации аналоговых систем вещания: SECAM, PAL, NTSC, освобождение за счет этого существующих радиоканалов и линий связи, а также их перепрофилирование для цифрового ТВ вещания. При этом система многопрограммного ТВ вещания должны быть встроена в существующий частотный план распределения ТВ каналов, который пре­дусматривает полосу пропускания 8 МГц для эфирного и кабельного ТВ ве­щания, 27 МГц — для спутниковых систем непосредственного ТВ вещания и 30, 33, 36, 40, 46, 54, 72 МГц — для фиксированных служб спутниковой связи. Необходимо также учитывать сложившуюся взаимосвязь между спутнико­выми и наземными системами телевещания, предполагающую использова­ние ТВ каналов кабельных и эфирных сетей вещания также для доведения спутниковых программ до телезрителей.

При цифровом вещании взаимный обмен телепрограммами между наземны­ми и спутниковыми вещательными службами существенно упрощается, если число цифровых ТВ программ в каждом стандартном по полосе пропускания спутниковом, кабельном и эфирном радиоканале будет одинаковым. Это тре­бование было учтено при разработке международных стандартов на методы модуляции и канального кодирования в цифровых спутниковых и наземных каналах связи — DVB-S, DVB-C и DVB-T (Digital Video Broadcasting — Satellite, Cable, Terrestrial) — путем применения для более узкополосных радиокана­лов более сложных и эффективных по плотности передачи информации ме­тодов модуляции.

При организации многопрограммного цифрового ТВ вещания весьма важно правильно выбрать скорость передачи, поскольку от этого непосредственно зависит качество изображения и звукового сопровождения.

Согласно экспертным оценкам, для получения изображения студийного каче­ства, соответствующего Рекомендации 601 МККР, необходимо передавать ви­деоданные со скоростью около 9 Мбит/с. При этом декодированный видеосиг­нал будет пригоден для последующей цифровой обработки. Для получения изображения с качеством, соответствующим качеству изображения на экране бытового телевизора, будет достаточна скорость передачи около 6 Мбит/с. В этом случае декодированный видеосигнал будет малопригоден для последую­щей обработки и повторного кодирования с информационным сжатием.

Необходимо отметить, что качество ТВ изображения
при одинаковой скорости передачи видеоданных в
системах телевидения с частотой развертки полей
50 Гц будет выше, чем в системах телевидения с частотой развертки полей 60 Гц.

Несколько слов о скорости передачи звуковых данных. В настоящее время общепринятым эталоном высшего качества звука является качество, получа­емое при воспроизведении компакт-дисков. Поэтому в стандарте MPEG-2 предполагается, что в системах цифрового ТВ вещания качество звукового стереосопровождения субъективно не должно отличаться от звука с компакт-диска. Это условие выполняется для принятой в стандарте MPEG-2 системы информационного сжатия звуковых данных MUSICAM при скорости пере­дачи по 128 Кбит/с на каждый моноканал звукового сопровождения. Таким образом, для самого низкого уровня — двухканального стереофонического звукового сопровождения — потребуется скорость передачи цифровых дан­ных, равная 128 Кбит/с х 2 = 256 Кбит/с.

Цифровой поток для передачи дополнительной информации (ДИ) выбирается в зависимости от ее предполагаемого объема. Скорость передачи обычно выби­рается кратной скорости цифрового потока телефонного канала — 64 Кбит/с. Для унификации каналов цифровой передачи данных звукового сопровождения и дополнительной информации обычно скорость передачи ДИ выбирается рав­ной 128 Кбит/с.

В связи с большой сложностью построения стандарта MPEG-2 стоимость циф­рового приемного оборудования выше аналогового. Именно по этой причине аналоговое вещание пока будет существовать наряду с цифровым.