Декодер видеоинформации

В соответствии со стандартом в декодере (рис.21.4.) выполняется декодирование кодов переменной длины, деквантование, обратное ДКП, компенсация движения и восстанавливается исходная последовательность кадров.

Декодер содержит буферное запоминающее устройство (БЗУ); демультиплексор ДМп, декодеры кодов с переменной длиной кодовых слов ДКПДС, а также деквантователь Кв, блок обратного дискретного косинусного преобразования ДКП, предсказатель Пред и ЗУ, аналогичные соответствующим блокам кодера. Тактовая частота 27МГц восстанавливается с использованием данных из декодируемого потока.

Рис. 21.4. Структурная схема видеодекодера МРEG-2

БЗУ на входе декодера выполняет функцию согласования по­стоянной скорости передачи двоичных символов во входном пото­ке данных с процессами в декодере, при которых данные из БЗУ считываются неравномерно во времени. С выходов демультиплексора кодированные данные изображения и значения параметра квантования поступают на ДКПДС и далее на деквантователь, а векторы движения поступают на ДКПДС и далее на предсказатель.

Так же, как и в кодере, в декодере имеются два режима рабо­ты. При приеме I -кадров и передаваемых с внутрикадровым коди­рованием макроблоков Р -кадров и В -кадров на выходе блока об­ратного ДКП формируются блоки изображения. Переключатель на структурной схеме при этом находится в положении 1, и сигнал с блока обратного ДКП направляется на выход. При приеме макро­блоков Р -кадров и В -кадров, кодируемых в межкадровом режиме, переключатель находится в положении 2. В этом случае формиро­вание выходного сигнала происходит путем поэлементного сложе­ния поступающих с блока, обратного ДКП, значений разностей с предсказанным макроблоком, формируемым из элементов ранее декодированных изображений с использованием декодированных векторов движения.

Реализация декодера аппаратными, программными или аппаратно-программными средствами существенно проще, чем реали­зация кодера, так как в декодере не надо выполнять поиск соответ­ствующих областей в опорных изображениях, а именно этот поиск требует наибольшего количества вычислений.

Масштабируемость. Важной особенностью стандарта МРЕG-2 является масштабируемость, которая определяется как возможность получения изображения из части полного потока видеоданных. Последний в случае наличия масштабируемости состоит из двух или более слоев. Базовый слой дает возможность получить изображение с некоторыми начальными параметрами качества. Дополнительные слои потока данных позволяют получить изображение улучшенного качества. Стандарт МРЕG-2 предусматривает возможность организации потоков видеоданных как с масштабируемостью, так и без нее.

Стандартом МРЕG-2 предусмотрены следующие виды масштабируемости: по пространственному разрешению, по отношению сигнал/шум, по времени и по разделению данных. Каждый вид масштабируемости, взятый отдельно, предполагает наличие в потоке данных двух уровней. В случае использования одновременно двух или более видов масштабируемости число уровней в потоке данных может быть до трех.

Масштабируемость по пространственному разрешению заключается в получении от одного источника видеоинформации двух ТВ-сигналов с разными параметрами по разрешающей способности. Например, сигналов ТВ обычной четкости и ТВ высокой четкости. Базовый слой потока данных содержит информацию, достаточную для воспроизведения изображения обычной четкости. Дополнительный слой содержит данные, позволяющие дополнить воспроизводимое изображение до изображения высокой четкости. Важно отметить, что объем этих дополнительных данных меньше, чем полный объем данных об изображении высокой четкости, так как часть информации передается в базовом слое.

Пользователи, имеющие декодеры, способные декодировать оба слоя потока данных, и, следовательно, более сложные и дорогие, будут получать на экранах своих приемников изображение высокой четкости. Другие пользователи, имеющие более простые и дешевые декодеры для декодирования только базового слоя, также могут смотреть эти передачи, но в виде изображения обычной четкости.

Масштабируемость по отношению сигнал/шум дает возможность получать от одного источника видеоинформации изображения с двумя уровнями отношения сигнал/шум и, следовательно, с двумя уровнями качества. Под шумом понимаются ошибки, вносимые квантованием и кодированием. Базовый слой потока данных может содержать изображение с большей степенью сжатия и, следовательно, менее качественное. Дополнительный слой при этом будет содержать данные, позволяющие при их добавлении к данным базового слоя получить изображение с меньшей степе­нью сжатия, т. е. более качественное.

Масштабируемостъ по времени позволяет получать от одно­го источника видеоинформации телевизионные изображения с двумя уровнями разрешающей способности по времени. На­пример, базовый слой может содержать обычный ТВ-сигнал с частотой кадров 25 Гц и чересстрочной разверткой, а дополнительный слой — данные, позволяющие при их добавлении к данным базового слоя получить телевизионное изображение с частотой кадров 50 Гц и прогрессивной разверткой.

Масштабируемостъ по разделению данных позволяет ис­пользовать для передачи параллельно два канала связи. По одному из них, более помехозащищенному, передается базовый слой, со­держащий наиболее критичную к ошибкам информацию - заголов­ки, векторы движения, коэффициенты ДКП, соответствующие низ­ким пространственным частотам. По менее помехозащищенному каналу передаются менее критичные к ошибкам данные, например, коэффициенты ДКП, соответствующие высоким пространственным частотам.

Этот вид масштабируемости хорошо сочетается с предыду­щими тремя видами, при использовании каждого из которых базо­вый слой потока данных может передаваться по более помехоза­щищенному каналу связи, а дополнительный слой - по менее поме­хозащищенному. Тогда при хороших условиях приема пользователь, имеющий декодер для обоих слоев, сможет видеть изображение наивысшего качества, а при ухудшении этих условий, например, при удалении от передатчика, он сможет принимать ме­нее качественное изображение.

Следует отметить, что масштабируемость, заложенная в стандарте, пока редко встречается в практических реализациях цифровых телевизионных систем, однако она является важной предпосылкой их дальнейшего развития. Подход, основанный на масштабируемости, в последние годы стал характерным не только для цифрового телевидения, но и для многих других телекоммуни­кационных и информационных технологий.

Уровни и профили МРЕG-2. Вертикальные столбцы таблицы соответствуют новой градации цифровых телевизионных систем - профилям. С переходом на более высокие профили, т. е. при продвижении по таблице слева направо, увеличивается эффективность используемых методов кодирования, появляются новые свойства телевизионной системы, в том числе масштабируемость, но, естественно, усложняются аппаратура и алгоритмы обработки сигналов.

В клетках таблицы даны максимальные значения скорости передачи двоичных символов для вариантов стандарта. В трех нижних строках таблицы приведены дополнительные сведения о свойствах профилей, которые будут пояснены ниже.

Рассмотренный метод кодирования относится к главному профилю. Как видно из таблицы, на главном уровне, соответствующем телевидению обычного разрешения, «скорость передачи двоичных символов в канале связи достигает 15 Мбит/с. Сравнив это значение с исходным значением 216 Мбит/с, соответствующей параллельному стыку по Рекомендации 601 МККР, видим, что осуществляется сжатие потока информации примерно в 15 раз. На более высоких уровнях главного профиля, соответствующих телевидению высокого разрешения, скорость передачи двоичных символов в канале связи возрастает до 60 или 80 Мбит/с. Следует подчеркнуть, что для всех уровней разрешений данного профиля используют один и тот же набор методов кодирования. В этом заключается совместимость разных уровней. На более высоких уровнях кодеры и декодеры должны иметь большее быстродействие и больший объем ЗУ. Аппаратура более высоких уровней разрешения может работать на более низких уровнях разрешения.

Рассмотрим другие профили стандарта МРЕG-2. Простой профиль отличается от главного профиля отсутствием В-кадров, что дает упрощение аппаратуры, приводит к ухудшению качества изображения при той же скоростии передачи двоичных символов. Данный профиль может использоваться для записи изображений на магнитные или лазерные диски и для других целей.

Высшие профили стандарта МРЕG-2 характеризуются наличием масштабируемости. Кроме того, на высших профилях возможно применение компонентного кодирования сигналов цветного телевидения с передачей цветоразностных сигналов не только через строку (4:2:0), но и в каждой строке (4:2:2).

Таким образом, в стандарте МРЕG-2 даны параметры семейства цифровых телевизионных систем для разных применений и с разным качеством изображения, имеющих в своей основе сходные методы кодирования изображения. По этому стандарту могут создаваться не только системы ТВ-вещания, но и другие системы, предназначенные для передачи движущихся изображений в цифровой форме: телеконференции, интерактивный видеосервис и мультимедиа и т.д.

Отличия МРЕG-1 и МРЕG-2. Стандарт МРЕG-2 является развитием и расширением стандарта МРЕG-1. Поток видеоданных МРЕG-2 содержит составляющие, которых нет в МРЕG-1. По-видимому, наиболее важным отличием двух стандартов является наличие в МРЕG-2 масштабируемости и всех связанных с ней особенностей.

В стандарте МРЕG-1 нет принципиальных ограничений на размеры кодируемых изображений и на использование чересстрочной развертки по сравнению с МРЕG-2. Тем не менее, МРЕG-1 предназначен для сжатия движущихся изображений с прогрессивной разверткой, частотой кадров до 30 Гц, числом строк до 576 и элементов в строке до 720.

На практике же МРЕG-1 обычно используется для сжатия движущихся изображений размером 360х240 элементов с прогрессивной разверткой (формат SIF). Такое сжатие позволяет записывать видеопрограммы с некоторой потерей четкости на компакт-диски и воспроизводить их на ПК, выполняя декодирование в реальном времени чисто программными средствами.

По сравнению с MPEG 1, формат сжатия MPEG 2 обладает следующими преимуществами:

1. обеспечивает масштабируемость различных уровней качества изображения в одном видеопотоке.

2. точность векторов движения увеличена до 1/2 пикселя.

3. пользователь может выбрать произвольную точность дискретного косинусного преобразования.

4. включены дополнительные режимы прогнозирования.

MPEG4. использует технологию так называемого фрактального сжатия изображений. Фрактальное (контурно-основанное) сжатие подразумевает выделение из изображения контуров и текстур объектов. Контуры представляются в виде т.н. сплайнов (полиномиальных функций) и кодируются опорными точками. Текстуры могут быть представлены в качестве коэффициентов пространственного частотного преобразования (например, дискретного косинусного или вейвлет-преобразования).

Диапазон скоростей передачи данных, который поддерживает формат сжатия видео изображений MPEG 4, гораздо шире, чем в MPEG 1 и MPEG 2. Дальнейшие разработки специалистов направлены на полную замену методов обработки, используемых форматом MPEG 2. Формат сжатия видео изображений MPEG 4 поддерживает широкий набор стандартов и значений скорости передачи данных. MPEG 4 включает в себя методы прогрессивного и чересстрочного сканирования и поддерживает произвольные значения пространственного разрешения и скорости передачи данных в диапазоне от 5 кбит/с до 10 Мбит/с. В MPEG 4 усовершенствован алгоритм сжатия, качество и эффективность которого повышены при всех поддерживаемых значениях скорости передачи данных.

Дата добавления: 2014-01-06