Compresie video digitală
Această intrare sau secțiune privind telecomunicațiile nu menționează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . |
În tehnologia informației , electronică și telecomunicații , compresia video digitală este o tehnică de procesare a datelor, aparținând tehnicilor de compresie a datelor , care permite reducerea dimensiunii (chiar și multă) a unui conținut video sau a lățimii de bandă necesare pentru transmiterea acestuia, prin utilizarea un codec video .
Istorie
Digitalizarea semnalului video are o istorie mai veche decât cea a sistemului MPEG. Deja în 1982 CCIR (Comité consultatif international pour la radio), un organism consultativ internațional care este înlocuit acum de secțiunea de recomandări a UIT numită ITU-R, a definit CCIR-ul specific 601 „Parametrii de codificare a televiziunii digitale pentru studiouri” (a se vedea legături externe ). În cea mai recentă ediție din 1990, CCIR 601-2, există bazele sistemului de televiziune digital actual și această specificație este astăzi punctul de referință constant pentru oricine lucrează în domeniul digitalizării video. CCIR 601 a permis introducerea video-ului digital în studiourile de producție de televiziune, de fapt pentru o lungă perioadă de timp în aparatele de înregistrare video difuzate în format digital au fost utilizate. Abia mai târziu, odată cu compresia DVB și video, tehnicile digitale au fost aplicate difuzării de televiziune și astăzi reprezintă evoluția sistemului de televiziune în toate extensiile sale: prin cablu , prin satelit și prin terestră .
Motive
Un semnal TV transformat în format digital reprezintă o cantitate mare de date care urmează să fie procesate, care depășește capacitățile sistemelor actuale de difuzare, inclusiv transponderele prin satelit. Această cantitate enormă de date care trebuie exploatată de exemplu în transmisiile TV prin satelit necesită un tratament de „compresie” care ia forma aplicării standardului MPEG-2 . Chiar dacă semnalul nu trebuie transmis, totuși, sunt deseori necesare tehnici de compresie pentru a-l putea înregistra sau procesa.
Linii TV, pixeli și mostre
O imagine TV analogică este de obicei descrisă ca rezultatul unei scanări de la stânga la dreapta, de sus în jos. Fiecare scanare completă este alcătuită din 625 de linii și, conform standardului adoptat în Europa, se repetă de 25 de ori într-o secundă, la fel cum într-o proiecție cinematografică există 24 de cadre într-o secundă.
625 de linii TV nu sunt utilizate pe deplin pentru a descrie imaginea. De fapt, pe lângă informațiile privind conținutul de luminanță și cromanță al imaginii, sunt necesare alte informații pentru transmiterea cărora necesită o perioadă de pauză egală cu timpul de transmisie de până la 49 de linii. Prin urmare, liniile active ale imaginii sunt 576.
Pe de altă parte, în domeniul televiziunii digitale, se utilizează o altă metodă de descriere a imaginii prin împărțirea acesteia în pixeli . Prin urmare, pentru fiecare linie TV, sunt luați în considerare 720 pixeli, prin urmare, o imagine TV întreagă este formată din 720 × 576 pixeli.
Fiecare pixel este asociat cu valorile informațiilor luminoase ale imaginii, luminanța (Y) și valorile referitoare la culoare, crominanță (C). Prin urmare, fiecare pixel este alcătuit din probe de luminanță și crominanță într-un număr variabil în funcție de nivelul de calitate care urmează să fie obținut, descris în recomandarea CCIR 601 (vezi și televizorul ).
De la analog la digital 4.2.2
Specificațiile CCIR 601-2 au avut marele rol de a normaliza condițiile de digitalizare a semnalului video pentru a facilita interoperabilitatea între mașini și pentru a facilita schimbul de programe de televiziune. O altă specificație, CCIR 656, pe de altă parte, a stabilit condițiile de interfață dintre sisteme și echipamente destinate procesării semnalelor video digitale.
Conform CCIR 601-2, semnalul video digital standardizat constă din date referitoare la eșantionarea a trei componente ale semnalului video: componenta de luminanță Y și două componente de diferență de culoare Cb și Cr. Aceste trei componente sunt eșantionate pentru a produce un semnal digital format din probe de luminanță 864 Y și probe de crominanță 432 pentru fiecare semnal de diferență de culoare Cb și Cr. Aceste valori se referă la o imagine completă a televiziunii cu 625 de linii și 50 de jumătăți pătrate. Imaginea reală, așa cum am văzut, pe de altă parte lasă unele zone neutilizate, prin urmare eșantioanele folosite sunt mai puține, deoarece pixelii utili pentru descrierea imaginii sunt 720 pe orizontală și 576 pe verticală.
Relația dintre probele de luminanță și crominanță din cadrul imaginii este determinată de schema de subeșantionare cromatică . Cele mai frecvent utilizate scheme sunt trei: 4: 2: 2 , 4: 1: 1 și 4: 2: 0 .
Schema 4: 2: 2 este indicată de specificația CCIR 601-2 ca standard de facto pentru schimbul de programe și difuzarea TV.
Schemele 4: 2: 0 și 4: 1: 1 sunt utilizate de unele codecuri, cum ar fi Digital Video , pentru a reduce în continuare lățimea de bandă ocupată de semnal. Aceste două scheme necesită aceeași lățime de bandă, dar ordinea eșantioanelor este diferită.
Într-o imagine video transmisă în formatul 4: 2: 2, orizontal pentru fiecare linie există două probe de crominanță Cb și Cr la fiecare patru probe de luminanță, în timp ce pe verticală există o succesiune de linii identice. Aceasta înseamnă că sub-eșantionarea orizontală are loc în timp ce pe verticală nu.
Reduceți cantitatea de date
Dacă încercăm să calculăm rata de biți necesară pentru transmiterea unui semnal video eșantionat în 4: 2: 2 la 8 biți, vom avea câteva surprize amare, deoarece ne vom confrunta cu o viteză de biți necesară de 216 Mb / s, o valoare foarte mare . Evident, dacă excludem părțile nesemnificative ale imaginii, adică intervalele de ștergere a liniei și cadrelor, putem avea o economie în ceea ce privește rata de biți de la 216 Mbit / s la 166 Mbit / s.
Rata de biți este strâns legată de lățimea de bandă necesară pentru efectuarea transmisiei radio . Prin urmare, pentru a transmite un semnal digital, este necesar să se adapteze rata de biți la lățimea canalului satelit. Luând, de exemplu, un canal satelit cu o lățime de 33 MHz , acesta acceptă o rată de simbol de 24,4 Ms / s, care este echivalentă, în QPSK , cu o rată de biți de 48,8 Mbit / s (în afara Reed-Solomon și codificarea convoluțională). În prezent este tolerată o anumită degradare a calității care menține rata de eroare în valori acceptabile, prin urmare se folosește frecvent o rată de simbol de 27,5 Ms / s, care este echivalentă cu obținerea unui bitrate maxim de 55 Mbit / s. Această rată de biți este redusă prin utilizarea codificării convoluționale și, prin urmare, se obțin diferite valori convenabile ale vitezei de biți, în funcție de FEC utilizat. Cu un FEC de 1/2 obțineți o rată de biți de 25,43 Mbit / s în timp ce cu un FEC de ⅞ obțineți o rată de biți de 44,35 Mbit / s. În prezent, este utilizat pe scară largă un FEC de with cu care se obține un bitrate de 38 Mbit / s pentru un canal ca cel utilizat pe Hot Bird lățime de 33 MHz și cu o rată de simbol de 27,5 Ms / s. Valorile obținute sunt mai favorabile decât cele indicate de standardul ETS 300 421 „Sisteme de difuzare digitală pentru servicii de televiziune, sunet și date” și raportate în tabelul 1.
În ciuda posibilităților sistemului de transmisie, 38 Mbit / s sunt încă puține pentru a sprijini transmiterea unui semnal video digital. Din acest motiv intră în joc sistemul de compresie MPEG-2 adoptat de DVB . Prin utilizarea compresiei, se obține o reducere puternică a cantității de date care trebuie transmise, permițând astfel exploatarea unui singur canal de satelit pentru transmiterea mai multor programe de televiziune.
Gândiți-vă doar la faptul că, în prezent, cea mai bună calitate a transmisiilor directe către utilizatori necesită un bitrate de aproximativ 8 Mbit / s pentru fiecare program TV. Prin urmare, acest lucru sugerează că prin combinarea MPEG-2 cu tehnici de multiplexare digitală, pot fi transmise cantități mari de date. De fapt, acest lucru se întâmplă cu transmisiile digitale actuale, unde combinația de programe cu o rată de biți diferită între ele poate fi găsită pe un singur transponder de 33 MHz . La baza acestui principiu se află o aplicație importantă, referitoare la tehnicile de compresie, care este în prezent testată de emisiunile RAI . Aceste transmisii utilizează de fapt tehnica „compresiei dinamice” prin care rata de biți a programelor individuale care partajează același buchet nu este fixă, dar poate varia în funcție de cerințele instantanee de calitate și, prin urmare, de rata de biți a imaginilor individuale. De exemplu: un program sportiv cu imagini în mișcare puternică poate avea un bitrate instant foarte mare disponibil exploatând o compresie mai mare decât celelalte programe prezente în același buchet.
MPEG-2 , esențial pentru DVB
Televiziunea digitală DVB ( Digital Video Broadcasting ) adoptă compresia video numită MPEG-2 . Acronimul MPEG derivă din numele unui grup de lucru numit Moving Pictures Expert Group care reunește experți internaționali din sector cu scopul de a standardiza procedurile de compresie pentru serviciile de televiziune și multimedia. Este de fapt un grup de lucru ISO / IEC cu codul de identificare complicat JTC1 / SC29 / WG11, care funcționează împreună cu grupul 15, al secțiunii ITU de telecomunicații, care se ocupă în schimb cu codificarea video ATM. Grupul MPEG colaborează, de asemenea, cu secțiunea de recomandări a ITU, SMPTE și comunitatea americană HDTV .
MPEG-2 grupează specificațiile care au devenit standarde din toate punctele de vedere și stabilite la cea de-a 29-a reuniune ISO / IEC de la Singapore în noiembrie 1994. Aceste specificații sunt colectate în dosarul ISO / IEC 13813 în trei părți: 13183-1 pentru sistem; 13183-2 pentru video și 13183-3 pentru audio.
Există și alte specificații MPEG și anume: MPEG-1 , MPEG-3 și MPEG-4 ; primul nu este diferit din punct de vedere conceptual de MPEG-2, dar are caracteristici inferioare, în timp ce MPEG-3 a fost un standard pentru aplicațiile cu imagini HDTV de înaltă definiție care au fost ulterior abandonate. MPEG-4 este o sumă a standardelor anterioare, este foarte flexibil și acceptă multe moduri de compresie cu rate de biți care pot fi extrem de mici sau foarte mari.
Elemente conexe
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre compresia video digitală
linkuri externe
- Parametrii de codificare a televiziunii digitale pentru studiouri , la www-inst.eecs.berkeley.edu .