Система сжатия подвижных изображений MPEG-2 (стр. 2 из 3)

Если запись компрессионного потока производится не в условиях реального времени, то можно использовать и другие способы управления скоростью. Например, выполнять компрессию в два прохода. На первом подбираются параметры, обеспечивающие максимальное качество; на втором – производится компрессия с найденными параметрами. Есть и другие способы: возможно выделение заранее кадров с большим количеством детальных быстродвижущихся объектов и поместить их для принудительного кодирования типа I – используется в DVD.

Т.к. стандарт MPEG не регламентирует сам процесс кодирования, а изображения (блоки представления) рассматриваются как результат декодирования блоков доступа, то декодер может приступить к декодированию изображения типа В только после того, как получены предыдущие и последующие блоки. Во избежание установки буферов, кодирование изображений выстраивается в порядке декодирования, т.е. вместо I-B-B-P формируют I-Р-В-В, что и было продемонстрировано на Рис 1.1.

2.3 Профили MPEG-2

Для наибольшей эффективности применения на практике и совместимости оборудования стандарта MPEG-2 от разных производителей, выделено несколько подмножеств синтаксиса и семантики, называемые профилями. Профиль – это подмножество стандарта для специализированного применения, задающее алгоритмы и средства компрессии. Уровни внутри каждого профиля связаны с параметрами компрессии изображения (табл. 1). Профили MPEG-2: Simple – простой; Main – основной; SNR (Signal to Noise Ratio) – с масштабируемым квантованием; Spatial – с масштабируемым пространственным разрешением; High – высокий; 422 – студийный.

Таблица 1. Профили стандарта MPEG-2

Уровень	Simple	Main	SNR	Spatial	High	422
Профиль	Изображения	I и P	I, P и B	I, P и B	I, P и B	I, P и B	I, P и B
	Формат	4:2:0	4:2:0	4:2:0	4:2:0	4:2:0 4:2:2	4:2:2
High	Отсч. в стр. Стр. в кадре Кадров в сек Vmax, Мбит/с	–	1920 1152 60 80	–	–	1920 1152 60 100	–
High – 1440	Отсч. в стр. Стр. в кадре Кадров в сек Vmax, Мбит/с	–	1440 1152 60 60	–	1440 1152 60 60	1440 1152 60 80	–
Main	Отсч. в стр. Стр. в кадре Кадров в сек Vmax, Мбит/с	720 576 30 15	720 576 30 15	720 576 30 15	–	720 576 30 20	720 608 30 50
Low	Отсч. в стр. Стр. в кадре Кадров в сек Vmax, Мбит/с	–	352 288 30 4	352 288 30 4	–	–	–

Например, профиль SNR, как и Spatial, поддерживают все типы изображений, используя обычное кодирование на основе предсказания с компенсацией движения; 422 обеспечивает полное разрешение, соответствующее рекомендации ITU-R 601, монтаж с точностью до кадра, допускает многократную перезапись.

2.4 Особенности стандарта MPEG-2

Стандарт MPEG-2 не определяет защиту от ошибок, но предусматривает такую возможность. Важной особенностью стандарта является масштабируемость, которая определяется как возможность получения изображения из части полного потока данных. Предусмотрены следующие виды масштабируемости [1]:

· масштабируемость по пространственному разрешению заключается в получении от одного источника видеоинформации двух телевизионных сигналов с разными параметрами по разрешающей способности. Базовый слой содержит достаточно информации для воспроизведения обычной четкости, а дополнительный слой содержит данные для воспроизведения изображения в высокой четкости;

· масштабируемость по отношению сигнал/шум дает возможность получить от одного источника информации изображения с двумя уровнями отношения сигнал/шум, фактически с двумя уровнями качества, как это было рассмотрено в 2.2;

· масштабируемость по времени позволяет получать от одного источника видеоинформации с двумя уровнями разрешающей способности по времени – чересстрочной разверткой 25 Гц, или прогрессивной 50 Гц;

· масштабируемость по разделению данных позволяет использовать для передачи два канала связи. По одному из них (более помехозащищенному) передается базовый слой, по другому (соответственно, менее защищенному) менее критичные к ошибкам данные.

Стоит отметить, что в данный момент на практике, к сожалению, масштабируемость практически не используется.

3. Поток видеоданных MPEG-2.

3.1 Общие сведения о потоке данных. Программный поток

Упрощенная структура потока данных на выходе кодера MPEG-2 показана на
Рис 3.1.

Рис 3.1 Структура потока данных

Регламентированы две возможные формы единого потока – программный и транспортный.

Первый шаг на пути получения единого потока – формирование пакетного элементарного PES-потока. PES-пакеты состоят из заголовка и данных пользователя. Можно установить фиксированную длину всех пакетов, а можно согласовать начало проекта с началом блока доступа.

В начале заголовка идет 32 битный код старта, состоящий из стартового префикса и идентификатора. Спецификация определяет разрешенные значения чисел в поле идентификатора для 32 элементов потока звука и 16 элементов потока видеоданных. Особую значимость имеют биты Р и D флага 2, указывающие на наличие полей с метками времени представления и времени декодирования, обеспечивающие синхронизацию данных в декодере.

Для программного потока характерно все выше сказанное, только с условием, что заголовки блока должны появляться не реже, чем через 0,7 сек. Это связано с тем, что заголовки содержат опорное системное время, а также информацию о характере потока для декодера. Он предназначен для использования в условиях окружения, не вносящего ошибки. Искажения могут означать потерю целого кадра, т.к. длина блоков переменна и ошибка в определении его длины (длины PES-пакета) приведет к потере синхронизации. Преимущество в том, что при отсутствии ошибок, процедура демультиплексирования проста.

3.2 Транспортный поток

Этот поток может объединять пакетные элементарные потоки, переносящие данные нескольких программ с независимыми временными базами. Один транспортный поток может переносить до 8175 элементарных потоков. Он состоит из коротких пакетов фиксированной длины. Процесс объединения подчиняется ряду ограничений:

· первый байт каждого PES-пакета должен быть первым байтом полезной нагрузки;

· каждый транспортный пакет может содержать данные лишь одного PES-пакета;

· если PES-пакет не имеет длину, кратную 184 байтам, то один из транспортных пакетов не заполняется полностью, а оставляет место для адаптации.

Структура транспортного потока оптимизирована для условий передачи данных в каналах связи с шумами: для разрешения проблем, связанных с действием шума, добавляются 16 проверочных байтов кода Рида–Соломона, что позволяет исправить 8 битов. Пакет начинается 4байтного заголовка, который не является уникальным, однако в купе с определенной длиной пакета 188 байт, упрощает определение. Для опознавания пакетов, принадлежащих одному элементарному потоку, используется 13 битный идентификатор. Важный компонент структуры – счетчик непрерывности, который инкрементирует последовательности элементарных пакетов, принадлежащих одному потоку. Это позволяет определить потерю одного из пакетов и маскировать ошибки

Идентификатором принадлежности транспортного пакета к определенному потоку является значение PID, а для распознавания элементарных потоков и объединения их в телевизионную программу служит PSI, который должен передаваться в потоке. Определено четыре вида таблиц с программной информацией:

· таблица соединения программ PAT (сообщает список номеров всех программ);

· таблица плана программ PMT (сведения о программе и её элементарные потоки);

· таблица условного доступа CAT.

Все вместе таблицы образуют иерархический индексный механизм. Принципы мультиплексирования элементарного и транспортного потоков, из которых складывается телевизионная программа, указаны в приложении А. Благодаря небольшой длине пакета транспортный поток может переносить несколько телевизионных программ с разными временными базисами, но за это приходится платить более сложной схемой мультиплексирования.