MPEG-2 В ТЕЛЕВИДЕНИИ.

Стратегия и технология использования сквозного MPEG-2-кодирования сигналов в инфраструктуре телевещания

Попов А.А.
© Журнал "Техника кино и телевидения"

Система кодирования MPEG-2 представляет собой наилучшую предпосылку для создания будущих способов кодирования сигналов на телевидении. В настоящей статье описаны преимущества и возможности, возникающие в том случае, если система кодирования MPEG-2 работает насквозь во всем процессе — от ТВ-съемки сигналов, передачи их в студию, обработки и вывода в эфир до архивирования. Подробно обсуждены технические и потребительские аспекты применения системы MPEG-2 на всех ступенях инфраструктуры телевещания.

Введение

Система кодирования MPEG-2 дает множество возможностей найти подходящий способ уменьшения скорости передачи данных для любых применений в профессиональной видеотехнике. Наряду с профилем MPEG-2 MP@ML (Main Profile at Main Level) для съемки и передачи ТВ-сигналов, универсальный способ кодирования для съемки и обработки в телестудии представляет профиль 422Р@ML (профиль 4:2:2 на основном уровне, Main Level). Если MPEG-2 используется по всему ТВ-тракту, то сокращаются расходы, гарантируются высокое качество изображения для данной полосы частот и гибкость при выборе средств накопления информации.
Уже сегодня для многих звеньев телевизионного тракта MPEG стандартизирована как система не только кодирования, но и передачи. Для цифрового телевидения во всем мире принят профиль MPEG-2 MP@ML.

Система MPEG-2 — больше, чем просто «цифровая наследница PAL». Она делает возможной сквозную обработку компонентов сигнала от камеры до ТВ-экрана и открывает перед телевидением совершенно новые применения, всего двумя примерами которых стали документальное вещание и Pay-TV.

Полностью цифровая инфраструктура вещания

В настоящее время приняты самые различные способы кодирования аудио- и видеосигналов. До сих пор большинство систем связывается в единую инфраструктуру сигналов аналоговыми и цифровыми интерфейсами. Системы кодирования большей частью используются в процессах внутренней обработки сигналов и отвечают, соответственно, специальным требованиям каждого применения. Внутри комплексной цепи обработки сигналов, от производства до трансляции полной программы ТВ, существует множество систем кодирования. Следствием этого является ухудшение сигнала.
Но получение сигнала высокого качества — это только один аспект, который должна обеспечить будущая полностью цифровая система. Преимущества цифровых ТВ-систем представлены ниже.

Основные особенности цифровых ТВ-систем

На рис.1 показаны основные аспекты кодирования MPEG-2 при обработке изображений.

Рис.1. Основные аспекты кодирования MPEG-2 для обработки сигналов

Вещательная цепь сигналов от производства до приема на дому

Цепь обработки сигналов телевидения можно грубо разделить на следующие ступени: ТВ-съемка, производство, контрибуция (сбор материалов и передача на ТВ-центр) и распределение, последующая обработка и архивирование. На рис.2 эти ступени представлены для тракта телевещания.

Рис.2. Ступени прохождения сигналов в телевещании

В отличие от способов, основанных на системах M-JPEG и DV, в системе MPEG из оценки движения получают дополнительные параметры для определения избыточности, что обеспечивает одинаковое качество сигнала при существенно более низкой скорости передачи данных. Для пояснения кодирования по MPEG целесообразно привести известную сводку возможных профилей и уровней MPEG (рис.3) в ее расширенной версии, предусматривающей наряду с SDTV- и ТВЧ-кодирование (SDTV — стандартное ТВ).

Рис.3. Профили и уровни MPEG

Иерархию внутри семейства MPEG, с одной стороны, можно понимать как совместимые друг с другом плоскости, а с другой, — как систему со свободно выбираемой скоростью передачи данных от примерно 1,5 Мбит/с для MPEG-1 до 300 Мбит/с для ТВЧ с хорошим качеством сигнала (рис.4).

Рис.4. Совместимость кодирующих систем MPEG

Различные растры отсчетов 4:2:2/4:2:0/4:1:1

MPEG поддерживает разные растры отсчетов (соотношения частот дискретизации яркостного и цветоразностных сигналов) и форматы ТВ-изображения, что, в частности, важно для рынка США, где наряду с введением цифрового ТВ предусматриваются различные форматы для SDTV и ТВЧ. Обсуждаются и прогрессивные способы дискретизации. Для SDTV в США введен стандарт MPEG-2 MP@ML с отсчетами 4:2:0. Это интересно тем, что потребительские DV-форматы в США работают с отсчетами 4:1:1, а сочетание отсчетных растров 4:2:0 и 4:1:1 может вызвать потери сигнала при каскадировании. В Европе в системах SDTV в настоящее время применяются три вида отсчетных растров:

•отсчеты 4:2:2 для D-1, MPEG-2 4:2:2P@ML, D5, Digital Betacam, DVCPro50, Betacam SX, Digital S;
• отсчеты 4:2:0 для MPEG-2 МP@ML, DV (625/50), DVCam, DVB, DVD;
• отсчеты 4:1:1 для DV (525/50), DVCPro25.

Особенно отчетливо потеря разрешения заметна при каскадировании систем 4:2:0 и 4:1:1 (рис.5, а—в). В реальных условиях не удается избежать каскадирования каналов 4:2:0, поскольку с такими растрами отсчетов работают цифровые контрибуционные линии и DVВ-каналы с MPEG-2 МР@ML.
На рис. 5, б и в показана реальная потеря разрешения при каскадировании 4:2:0/4:1:1 из-за H-Sweep-сигналов в Сb-канале (в канале цветоразностного B-Y-сигнала) и разностных изображениях тест-сигнала Flower Garden («Цветочный сад»). Отчетливо видно снижение частотной характеристики из-за sweep-сигнала.

Рис.5, а. Растры отсчетов и эффекты каскадирования

Рис.5, б. Горизонтальная потеря разрешения при каскадировании 4:1:1 с 4:2:0

Рис.5, в. Двухмерная потеря цветового разрешения при каскадировании 4:1:1 с 4:2:0

Технология

Потоки сигналов
Система MPEG — это больше, чем просто система кодирования, наследующая PAL. Она позволяет осуществить интеграцию всех возможностей распределения и обработки сигналов.

Интерфейсы
Для необходимой при построении системы совместимости интерфейсов разработаны стандарты на интерфейсы, по которым происходит перенос определенных потоков данных. На рис.6 поясняются понятия ES (Elementary Stream — «Элементарный поток») и ТS (Transport Stream — «Транспортный поток»).

Рис.6. Транспортные потоки MPEG

Интерфейсы для передачи различных потоков данных стандартизируются, и их внедрение в аппаратуру уже начато. Использование
ES в студии имеет преимущество, поскольку интерфейс-процессы просты и не вызывают никаких задержек, стоящих упоминания, а управление Slow/Fast Motion (замедленным/ускоренным движением) легко осуществляется через выход сервера ВМ.

SDTI
Интерфейсы SDTI-CP (SDTI Content Package), нормированные SMPTE, особенно удобны для передачи
ES между аппаратами в студии.

DVB-ASI
Интерфейсы, разработанные для систем DVB-кодирования/мультиплексирования, могут использоваться и для студийных применений, поскольку физические параметры соединений (75 Ом коаксиальный, BNC) идентичны параметрам студийного кабеля на 270 Мбит/с.

IEEE-1394
Так называемый FireWire-интерфейс для передачи данных, нормированный стандартом IEEE-1394, первоначально создавался как серийный цифровой интерфейс для универсальных потребительских применений. Было рассмотрено два варианта штеккера (4- и 6-штырьковый). Более надежный 6-штырьковый штеккер предназначен для профессионального применения.

АТМ
Asynchrone Transfer Modus («Асинхронный режим передачи») предложен несколько лет назад как универсальный высокоскоростной способ передачи данных для почти любых применений в студии и области WAN. В настоящее время он широко используется, но не в той форме, в какой был задуман. АТМ — это способ передачи по цепям дальней связи, прежде всего для телекоммуникационных применений.

Выводы по интерфейсам
Очень возможно, что в будущем для телевизионных студий введут новые стандарты интерфейсов и сетей. Окончательное решение будет основываться на экономических соображениях. При этом у интерфейса SDTI-CP для передачи кодированных сигналов в студиях лучшие перспективы, так как он позволяет использовать существующие коммутирующие и распределительные устройства. Возможность передачи кодированных сигналов между системами посредством SDTI имеет важное значение, поскольку обеспечивает единое MPEG-2-кодирование внутри всей цепи студийной обработки данных.

Транскодирование
Понятие «транскодирование» часто употребляют в различных значениях, поэтому сначала требуется дать ему необходимое определение. Под транскодированием понимают возможность производить без потерь или с минимальными потерями переходы между различными ступенями кодирования в пределах системы кодирования MPEG. Соответственно этому определению, переход от DV-системы к системе MPEG — это не транскодирование, а декодирование или новое кодирование. Возможна интеграция обоих процессов в одном чипе. Транскодирование в пределах семейства MPEG позволяет получить почти без потерь переходы между ступенями кодирования с различными скоростями данных. Технология транскодирования уже много лет разрабатывается в проекте Atlantic, входящем в Европейскую программу ACTS.
Рис.7 поясняет различие переходов между системами кодирования. Верхняя схема показывает «простой» переход между любыми способами кодирования. Средний рисунок демонстрирует способы транскодирования. В нижней части рисунка приведен прозрачный процесс преобразования потока данных Betacam SX для переноса в MPEG-ES.

Рис.7. Переходы между кодированиями

В семействе кодирования MPEG имеются четыре основных процесса, определяющие процесс кодирования: DCT, компенсация движения, квантование, энтропийное кодирование (кодер Хуфмана).
Основные элементы кодера сигналов представлены на рис.8.

Рис.8. Элементы кодера MPEG

При транскодировании происходит «синхронизация» кодеров, чтобы все кодируемые данные можно было свести в одном канале и представить для нового кодирования. Для этого требуется следующее:

•DCT/макроблок синхронизации в следующих одна за другой генерациях,
• растры отсчетов входного сигнала (4:2:2, 4:2:0 и 4:1:1),
• упорядоченные последовательности I-, P- и В-Frame (GoP),
• точное получение вектора движения, построения и разрешения,
• знание потерь квантования,
• таблица кодирования Хуфмана,
• способы адаптивного управления кодером.

На рис.9 представлены практические примеры преобразования потоков сигналов MPEG. На левой половине рисунка показан переход от структуры 2-GoP к структуре I-Frame-only, на правой стороне рисунка проиллюстрирован переход между потоками сигналов с длинными GoP.

Рис.9. Переходы между стадиями кодирования MPEG для транскодирования

Улучшение качества сигнала при транскодировании
Возможность «синхронизации» кодеров и декодеров очень разносторонняя. При реальной обработке телевизионных сигналов часто происходят переходы между участками цепи передачи и ступенями обработки. На рис.10 такие переходы представлены как каскадированные ступени кодирования. Сравниваются две цепи сигналов.

Рис.10. Сопоставление транскодирования и каскадирования

Для оценки качества сигнала следует рассматривать многие параметры; наиболее важный из них — отношение сигнал/шум (С/Ш). На рис.11 представлено изменение С/Ш при каскадировании. Видно, что во второй генерации при переходе от 15 Мбит/с к 50 Мбит/с отношение С/Ш падает из-за потерь в квантователе. В третьей генерации (15 Мбит/с) идентичный квантователь приводит отношение С/Ш к 1-ой генерации, С/Ш улучшается [2]. После 7-ой генерации дальнейшим ухудшением отношения С/Ш можно пренебречь.

Рис.11. Изменения отношения сигнал/шум при каскадировании ступеней кодирования 15/50 Мбит/с

MPEG: предубеждения и непонимание

MPEG не позволяет точно смонтировать изображение

Система MPEG-1 была разработана для компьютерных применений, MPEG-2 — для цифровой обработки и распределения телевизионных сигналов. Расширение системы профилем 4:2:2 реализовано позднее. Предубеждение, что посредством MPEG-2 нельзя смонтировать изображение с точностью до кадра, происходит, вероятно, из условий, существовавших в первоначальной фазе применения, когда естественно предполагалась ограниченная способность к монтажу длинных GoP и I/B/P-кадров. В профиле 4:2:2 обеспечивается свободный выбор GoP и прежде всего чистое I-Frame-кодирование. При only-I-Frame-кодировании монтаж с точностью до кадра гарантируется по определению.

Betacam SX — это не MPEG

Betacam SX разрабатывался как цифровой ВМ, способный воспроизводить аналоговые изображения, записанные с помощью ВМ Betacam и Betacam SP на кассетах типа Betacam, что гарантирует бесшовную интеграцию с аналоговым миром Betacam SP. Кодирование в системе — MPEG-2 4:2:2Р@ML для видео с B/I-Frame GoP. Звук записывается на четырех каналах без компрессии.
Цифровая запись должна обеспечивать эффективную коррекцию ошибок и очень хорошее качество изображения как в режиме Shuttle, так и при обычном воспроизведении. Данные требования удовлетворяют посредством Shuffling-процесса, который упорядочивает последовательность битов в потоке данных, записываемых на ленту. Shuffling-процесс применяется в каждом цифровом видеомагнитофоне, поэтому последовательность битов в потоке данных на ленте Betacam SX другая, чем в потоке MPEG. Особенно интересна возможность применения стандартных кассет формата 1/2 дюйма для конвергенции современных и будущих форматов записи, как показано на рис.12.

Рис.12. Конвергенция 1/2-дюймового семейства Betacam

Аппараты и системы

С помощью вышеуказанных технологий в будущем появится возможность сквозного использования сигналов, кодированных по MPEG, в одной общей инфраструктуре. Уже сегодня реализованы комплексные системы с кодированием MPEG-2 4:2:2Р@ML.

Новостийные системы
Интегрированные серверные системы (рис.13) для записи, обработки и воспроизведения новостей уже находятся в эксплуатации и допускают безленточное производство от Feed-записи и обработки до воспроизведения информации.

Рис.13. Интегрированная система новостийного производства и воспроизведения

Системы передачи-воспроизведения
К наиболее удобным для серверных систем MPEG относятся системы трансляции с необходимым для них обслуживанием и управлением. Выбор скорости передачи данных «в эфир» — одна из возможностей системы трансляции. Требуемое управление и воспроизведение сигнала показаны на рис.14.

Рис. 14. Многоканальная система передачи с серверами MPEG

Архивные системы
Автоматические архивы делают ненужным оборудование складов с полками кассет. Автоматический доступ и интеграция в локальные и мировые сети (например, Интернет) открывают совершенно новые возможности для пользования и маркетинга. Особенно важным для архива как с финансовой точки зрения, так и исходя из экономии места, является эффективное использование накопителей. Большое значение приобретает возможность масштабирования системы MPEG. Сервер-броузер со шлюзом для Интернета обеспечивает всемирный доступ для поиска и предоставляет, например, для редакторов полностью новый способ подготовки обзоров.

Заключение

Система видео- и аудиокодирования MPEG-2 допускает стандартизацию интерфейсов и может быть внедрена во всю инфраструктуру телевещания. Методы оптимального применения в настоящее время разрабатываются и будут реализованы в реальных аппаратах и системах. В будущем возможно появление системы, которая обеспечит все преимущества, описанные в настоящей статье. Выбор оптимальной скорости данных при конкретной ширине полосы частот и переходы без потерь между различными скоростями данных с помощью стандартизированных интерфейсов представляют собой предпосылки, что будущие системы смогут быть оптимизированы как с финансовой, так и с операционной точек зрения.