Цифровое и аналоговое вещание. Пути развития. Стандарт сжатия MPEG. Часть II

В предыдущей публикации "Цифровое и аналоговое вещание. Пути развития. Стандарт сжатия MPEG. Часть I", опубликованной в журнале Broadcasting. Телевидение и радиовещание-№6, 2018 год, был представлен материал по стандарту сжатия MPEG, как одного из способов снижения скорости цифрового потока, находящегося в состоянии передачи движущихся фона и перемещающихся объектов в кадре. Основное внимание было уделено цифровому преобразованию аналогового цветного телевизионного сигнала и его компонентное кодирование. 

Напомним, что стандарты сжатия MPEG были разработаны Экспертной группой по движущимся изображениям в кинематографии (Moving Picture Experts Group – MPEG). Эта технология определяет стандарты сжатия как аудио, так и видеоинформации и делает ее удобной для передачи в вещании. Опишем последовательно типы стандартов. 

Стандарт сжатия MPEG-1 

Стандарт MPEG-1 предполагает переход от пространственного представления изображения к спектральному. Это позволяет избирательно обрабатывать многомерную структуру изображения, чтобы добиться ее более качественных характеристик. В стандарте MPEG-1 для этого используется метод дискретного косинусного образования (ДКП), который применяется к все тем же блокам 8х8, на которые разбивается изображение. Применение ДКП дает матрицу из 64 спектральных составляющих – коэффициентов. Последовательное добавление коэффициентов при восстановлении изображения, начиная с нулевого, определяемого усредненной яркостью исходного блока, приводит к восстановлению блока до удовлетворительного изображения. Опыт показывает, что для средних картинок изображения более чем 50% всех блоков 8х8 могут быть восстановлены до хорошего состояния добавлением порядка 20 коэффициентов - спектральных составляющих из 64. Это позволяет сократить число бит, необходимых для кодирования. Степень сжатия при этом достигает восьми. 

Стремление к более высоким степеням компрессии до сотен раз при использовании ДКМ-технологии (8х8) приводит к сильному искажению первоначальной картинки. А использование блоков 16х16 требует значительных вычислительных затрат. 

По стандарту MPEG-1 аудио и видео информация (потоки) передаются со скоростью 150 Кбайт/с. При управлении потоками выбираются ключевые видеокадры и заполняются только области, изменяющиеся между кадрами.  

Вкратце технология сжатия MPEG-1 включает в себя следующие этапы. 

Перед кодированием удаление временной избыточности, как мы ранее описывали, происходит по технологии временного сжатия на группе изображений из 12-ти кадров – GOP, в которой выбираются I-кадры (intra frame – кадры), которые сжимаются без изменений, кадры P (predirected frame), при кодировании которых часть информации удаляется, а при воспроизведении используется информация с предыдущих I- или P-кадров. Самым "сжимаемым" типом кадров являются B (bidirectional frame) – кадры, у которых при кодировании потери информации значительны, а при воспроизведении используется информация предыдущих I или P кадров. Если взять сформированную при кодировании наиболее типичную цепочку кадров IBBPBBPBBIBB, то "на лицо" процесс сжатия информации, так как в GOP цепочке соотношение между кадрами  (I:P:B) 2:2:8, т.е. превалирование самых сжимаемых кадров в 4 раза. 

После окончания разбивки на кадры I-кадры разбиваются на блоки 8х8 пикселей, а кадры P и B типа "сжимаются" через технологию "предсказания движения". В качестве обрабатываемой информации алгоритм "предсказания движения" получает блок текущего кадра (8х8 пикселей) и подобные блоки от предыдущих I или P кадров. 

После прохождения обработки в конечном итоге на этом этапе "сжатия" имеется следующая информация: 

• вектор движения текущего блока относительно предыдущих, 
• разница между настоящим и прошедшими блоками, подвергаемая кодированию в дальнейшем. 

Процесс кодирования проходит три этапа 

• ДКП (дискретное косинусное преобазование – DCT (discrete cosine transformation); 
• квантование (quantization) – перевод информации из аналоговой формы в дискретную; 
• перевод полученных блоков из матричной формы в линейную. 

Стандарт MPEG-1 в системе цветного телевещаания оказался малопригодным, так как в формате YUY (см. выражения (4) и (5) в Части I настоящей статьи) он оптимизирован для использования с параметрами: 

• 240 линий в кадре (line per frame – lpf); 
• 352 точки в линии (point per line – ppl); 
• 30-ти кадровая развертка (frame per second – fps); 

поэтому обеспечивает более низкое качество видеоизображения, нежели передаваемое с соблюдением цветного телевизионного стандарта. 

Тем не менее по мере развития формата MPEG-1 разрабатывались методы кодирования звука. Результат был представлен в виде серии звуковых кодеров Layer I, Layer II (Musicam), Layer III (MP3). Формат сжатия звуковой информации работает на принципе эффекта "маскировки" звуков. Чувствительность слуха для двух соседних частот неодинаков из-за последствия воздействия звука на частоте с более высокой мощностью воспроизведения и "затыкания" на время слуха для звука на соседней частоте. Таким образом, использование данного психоакустического эффекта в MPEG-1 заключается в разбивке всего частотного спектра на части, в которых уровень звука считается одинаковым и затем удаляются звуки, не воспринимаемые человеком из-за эффекта "маскировки". 

Синхронизация видео- и аудиоинформации осуществляется с помощью технологии потока данных System stream, смыкающего два потока информации системной с таймером на частоте 90 кГц и служебной информацией для синхронизации кадров с звуковым треком и сжатый с видео- и аудиопотоками. 

В целом можно подытожить, что результат разработки стандарта MPEG-1 свелся к следующему. Первый стандарт MPEG-1 используется для записи, просмотра и хранения видео- и аудиоинформации на CD дисках. На компакт CD диск помещается примерно 70 минут видео- и аудиоинформации при скорости записи 1,4 Мбит/с. 

Стандарт MPEG-1 не получил значительного развития, так как качество видеоизображения было не на много лучше, чем в VHS-стандарте. Однако MPEG-1 все еще используется для записи и хранения информации, архивированной с помощью компьютера. 

Стандарт сжатия MPEG-2 

Стандартом сжатия, используемый чаще всего в нынешнем телевещании оказался стандарт, разработанный в 1992 году под названием MPEG-2. Технологии кодирования в этом стандарте описаны в основном в предыдущей части статьи. Если подытожить вкратце, то сжатие в формате MPEG-2 сводится к тому, что более 90% цифровой информации видеосигнала избыточна и может быть удалена без особого ущерба качеству изображения. Применительно к видеокартинке мы рассматривали технологии устранения пространственной и временной избыточности таким образом, что после удаления "избыточности" в формате MPEG-2 обеспечивается качественное видеоизображение при низкой скорости передачи информации. 

Этапы кодирования в этом формате следующие: 

1. Аналого-цифровое преобразование и масштабирование кадра; 
2. Перевод цветного изображения из RGB формата в формат YUV с минимальными потерями; 
3. Устранение временной избыточности по технологии GOP-цепочек; 
4. Осуществление двумерного косинусного преобразования (ДКП) без потерь; 
5. Квантование Фурье-коэффициентов; 
6. Компрессия через метод эффективного кодирования по Хаффмену без потерь; 
7. Подсоединение к полученным закодированным кадрам заголовков и отличительных меток. 

При кодировании аудиосигналов в стандарте сжатия MPEG-2 поддерживается многоканальность формата 5+1 звуковых каналов и стандарт AAC (Advanced Audio Coding – продвинутое кодирование звука), который предполагает HiFi качество звука со скоростью цифрового потока в 64 Кбит/с на канал. 

Следующий формат сжатия MPEG-3, разработанный для телевидения высокой четкости HD с разрешением 19201080 точек при скорости потока 2040 Мбит/с и 30-ти кадрах в секунду, не дал принципиального улучшения картинки по сравнению со стандартом MPEG-2, поэтому не получил дальнейшего развития. 

В целом на данный момент повествования можно резюмировать, что стандарт MPEG-2 в своей первоначальной разработке имел в основе стандарт MPEG-1, но имеет несколько существенных изменений для поддержки таких приложений, как эффективная компрессия чересстрочного и прогрессивного видео, более гибкий синтаксис и более существенную системную часть стандарта. 

Стандарт оказался гибким и удобным для дальнейших разработок приложений. Он стал внедряться как основа широковещательной цифровой ТВ-трансляции, используя спутниковые каналы вещания, кабельные сети и наземное вещание. MPEG-2 с успехом используется для кодирования фильмов в формате DVD Video. DVD техника, при использовании полупроводникового лазера с длиной волны излучения почти в два раза меньше, чем в CD-устройствах, позволила увеличить рабочие объемы массивов информации и скорость записи и воспроизведения. Кодирование фильмов в формате DVD Video позволило вытеснить из бытового использования устройства VHS-стандарта. Однако следует заметить, что такое домашнее перевооружение произошло в пользу коммерческих структур, которые записывают и продают видеопродукцию, непозволительную в конечном итоге для пользователя. Совершенно исчезли из разработок и предложений на рынке устройства для DVD-записи информации (домашних фильмов) в быту. Тем самым вкус и желания рядовых зрителей просто игнорируются не только в масштабе отечественного рынка, но и в мировом культурном масштабе. Мы сейчас смотрим и воспринимаем информацию, диктуемую мировыми лидерами в производстве фильмов, передач и анимации.  

В повествовании о стандартах сжатия мы забыли упомянуть о таком понятии в передаче цифровой информации как битрейт. Битрейт – это основной параметр (уровень), который задается кодеру и определяется как объем выходного потока в битах за единицу времени. Понятно, что чем выше битрейт, тем выше качество картинки. Ставится условие, что, ориентируясь на заданный битрейт, кодер должен иметь возможность динамически подстраивать параметры алгоритмов, используемых на различных этапах обработки информации, чтобы битрейт выходного цифрового потока был как можно ближе к заданному значению с минимальными потерями качества. Конечно, задача полна противоречий, но производители кодеров решают ее, каждый по-своему. 

Стандарт сжатия MPEG-4 

Далее, чтобы было понятно более или менее с развитием стандартов сжатия, нужно отметить следующее. Группа MPEG, которая занимается разработкой стандартов для международной организации по стандартам (ISO), поработав весьма успешно при создании стандартов сжатия MPEG-1 и MPEG-2 для кодирования видео- и аудиоинформации, создала еще стандарты MPEG-7 и MPEG-21, которые имеют дело с представлением мультимедийного контента и мультимедийной среды, при разработке стандарта MPEG-4, который является самым последним стандартом, определяющим аудиовизуальное кодирование, разделила свои усилия с рабочей группой VCEG (Video Coding Experts Group), работающей в организации ITU (International Telecommunication Union).  Группа VCEG разработала в свое время первый рабочий стандарт для видеотелефонии H.261, в последствии H.263, и инициируя разработку стандарта H.26L, вписалась в совместную разработку с группой MPEG, создав совместную группу JVT (Joint Video Team) для придания стандарту H.26L статуса международного стандарта. JVT был создан стандарт H.264/MPEG-4.Part10, который был опубликован одновременно ISO/IEC (Electrotechnical Comission) и ITU-T в виде ITU-TH.264 в 2001 году. 

Такие метаморфозы случились из-за того, что в 1994 году стало ясно, что стандарт H.263 потенциально обеспечивает более производительную и перспективную технологию сжатия. Поэтому группа MPEG, пытаясь соблюсти свои интересы и решив охватить кодирование и функциональность на основе "объектов", сделав это существенной особенностью нового стандарта MPEG-4 Visual взяла новую разработку группы ITU-T под названием H.26L, (где "L"- Long Term) и положила ее в основу предложенного в 2003 году стандарта MPEG-4.Part10, обозначив его как H.264/ MPEG-4.Part10 Advanced Video Coding или короче H.264/ MPEG-4.Part10AVC. 

Для этого стандарта, который мы просто будем называть MPEG-4, в качестве базовой была выбрана технология кодирования видеоинформации на основе поблочной компенсации движения с последующим преобразованием и квантованием остаточных блоков. Позже этот стандарт впоследствии разделился на MPEG-4.Part2 и Part10/H.264, которые в настоящее время различаются по ряду параметров. 

Полное название первого формата дается в виде MPEG-4 Visual (Part2.ISO/IEC 14496, "кодирование аудиовизуальных объектов"). Стандарт ориентирован на определение принципов работы с видео и аудиоинформацией в области интерактивного мультимедиа через каналы различной пропускной способностью цифрового телевидения и работы с графическим цифровым контентом. Так в рамках формата возможна работа с натуральными и созданными компьютером 2D- и 3D-объектами, указывая их взаимодействие между собой и обеспечивая интерактивное взаимодействие с пользователем. 

Схема компрессии видеоинформации в стандарте MPEG-4 такой же, что и в предыдущих форматах MPEG. При кодировании выявляются и сохраняются ключевые кадры со сменой сюжета и прогнозируется с сохранением информация об изменениях в текущем кадре по отношению к предыдущему. Далее кодек может работать не только с квадратами, на которые разбивается изображение, но и с объектами произвольной формы. Конечно, в данном случае необходимы более значительные вычислительные ресурсы, однако это особенность формата, который дает возможность работать как с движущимися изображениями (прямоугольные кадры), видеообъектами произвольной формы, 2D- и 3D-объектами, синтезируемыми компьютером, анимационными объектами, так и с объектами неподвижного изображения. 

Формат MPEG-4 поддерживает стандарты: 

• цифрового телевещания, хранения видеоинформации; 
• потокового видео, передаваемого через Интернет и мобильную связь; 
• стандарты высококачественной видеопродукции, изготовляемой и распространяемой для студийного употребления; 
• представления компьютерной графики в 2D и 3D геометрии; 
• стандарты технологии анимационных изображений;  
  и т. д. 

Не следует думать, что за внешней многообразностью и большим охватом возможностей MPEG-4 является каким-то особым стандартом сжатия, так как в основе своей имеет простой механизм видеокодирования, использующий кодирование на основе блоков с компенсацией движения. Далее с последующим преобразованием ДКП, квантованием и энтропийным кодированием. Синтаксис базового кодирования с некоторыми ограничениями идентичен стандарту H.263. Большинство остальных функциональных возможностей получились добавлением некоторых деталей, которые разработаны отдельно. 

Звуковая часть MPEG-4 аналогично объектно ориентирована. Здесь используется описание звукового поля на языке BIFS, который позволяет располагать объекты-источники звука в трехмерном пространстве сцены в желаемое положение, менять характеристики звука и добавлять эффекты независимо каждому источнику, перемещая его вместе с визуальным объектом. 

При кодировании аудиообъектов в технологии MPEG-4 заложены два языка SAOL (Structured Audio Orchestra Language) и SASL (Structured Audio Score Language), с помощью которых можно запрограммировать любой инструмент и любую программу воспроизведения синтезированного звука. 

Особенность MPEG-4 в том, что окончательная сборка общей картины происходит в компьютере или другом приемном устройстве и пользователь может сам формировать получаемое изображение, как телережиссер. Команды пользователя могут обрабатываться в декодере или пересылаться источнику, осуществляя функцию интерактивности. 

Переход цифрового вещания в стране от стандарта MPEG-2 к MPEG-4 

Что касается перехода цифрового вещания в стране от стандарта сжатия MPEG-2 к стандарту MPEG-4, то у нас этот процесс проявился еще в 2015 году, когда операторы связи спутникового вещания "Триколор TV", "Орион" и "НТВ плюс" с 2016 года после предварительной подготовки начали постепенную замену оборудования как передающего, так и у пользователей. 

Этому процессу способствовал еще и приказ Минкомсвязи "Об утверждении Требований к качеству звука и (или) изображения обязательных общедоступных телеканалов и (или) радиоканалов" от 01.09.2015 года, который обязывал операторов связи обеспечить трансляцию цифровых сигналов первого и второго мультиплексов в цифровом формате не хуже, чем с использованием стандарта MPEG-4. 

Отметим, что у оператора Триколор ТВ в 2015 году 2 млн абонентов поменяли свое оборудование на новое. В 2016 году уже 75% абонентов совершили обмен. 

В мировом масштабе перехода с MPEG-2 на MPEG-4 ускорил процесс внедрения вещания HD – каналов. В 2016 году их составляло более сотни в сетке вещания. 

Аналогично сложилась ситуация и у остальных спутниковых операторов. Для ускорения процесса обмена оборудования "Орион" и "НТВ плюс" ввели даже новые правила продаж приемного оборудования MPEG-4 в рассрочку на два года и по сниженной цене. Хотя, конечно, переход от одного стандарта к другому делался постепенно с сохранением параллельного вещания в формате MPEG-2, все новые каналы транслируются в настоящее время в формате MPEG-4.