Кодеки, используемые в IPTV

Кодеками, используемыми в IPTV являются:

- MPEG1 – использует полное кодирование, требует высокоскоростных каналов;

- MPEG 2 – использует двунаправленное предсказание, кодирует полностью кадр;

- MPEG 4 – использует раздельное кодирование для разных типов видеоинформации;

- MPEG 7 – представляет собой медиа-интерфейс для описания содержимого, стандартизирует элементы, ориентированные на поддержку мультимедиа. Использует понятие «уровня абстракции», виды информации о файле: форма, условия доступа, классификация, локализация, связи и др.

Все форматы сжатия семейства MPEG (MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, MPEG 7) используют высокую избыточность информации в изображениях, разделенных малым интервалом времени. Между двумя соседними кадрами обычно изменяется только малая часть сцены – например, происходит плавное смещение небольшого объекта на фоне фиксированного заднего плана. В этом случае полная информация о сцене сохраняется выборочно – только для опорных изображений. Для остальных кадров достаточно передавать разностную информацию: о положении объекта, направлении и величине его смещения, о новых элементах фона, открывающихся за объектом по мере его движения. Причем эти разности можно формировать не только по сравнению с предыдущими изображениями, но и с последующими (поскольку именно в них по мере движения объекта открывается ранее скрытая часть фона).

Форматы сжатия семейства MPEG сокращают объем информации следующим образом[6]:

- устраняется временная избыточность видео (учитывается только разностная информация);

- устраняется пространственная избыточность изображений путем подавления мелких деталей сцены;

- устраняется часть информации о цветности;

- повышается информационная плотность результирующего цифрового потока путем выбора оптимального математического кода для его описания.

Форматы сжатия MPEG сжимают только опорные кадры – I-кадры (Intraframe – внутренний кадр). В промежутки между ними включаются кадры, содержащие только изменения между двумя соседними I-кадрами – P-кадры (Predictedframe – прогнозируемый кадр). Для того чтобы сократить потери информации между I-кадром и P-кадром, вводятся так называемые B-кадры (Bidirectionalframe – двунаправленный кадр). В них содержится информация, которая берется из предшествующего и последующего кадров. При кодировании в форматах сжатия MPEG формируется цепочка кадров разных типов. Типичная последовательность кадров выглядит следующим образом: IBBPBBIBBPBBIBB… Соответственно, последовательность кадров в соответствии с их номерами будет воспроизводиться в следующем порядке: 1423765…

На рисунке 1.4 показано формирование кадров в MPEG 2.

В качестве начального шага обработки изображения форматы сжатия MPEG 1 и MPEG 2 разбивают опорные кадры на несколько равных блоков, над которыми затем производится дискетное косинусное преобразование (DCT). По сравнению с MPEG 1, формат сжатия MPEG 2 обеспечивает лучшее разрешение изображения при более высокой скорости передачи видео данных за счет использования новых алгоритмов сжатия и удаления избыточной информации, а также кодирования выходного потока данных. Также формат сжатия MPEG 2 дает возможность выбора уровня сжатия за счет точности квантования. Для видео с разрешением 352х288 пикселей формат сжатия MPEG 1 обеспечивает скорость передачи 1, 2 – 3 Мбит/с, а MPEG 2 – до 4 Мбит/с (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Формирование кадров в MPEG 2

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

- формат сжатия MPEG 2 обеспечивает масштабируемость различных уровней качества изображения в одном видеопотоке.

- в формате сжатия MPEG 2 точность векторов движения увеличена до 1/2 пикселя;

- пользователь может выбрать произвольную точность дискретного косинусного преобразования;

- в формат сжатия MPEG 2 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.

В октябре 1996 года группа MPEG приступила к разработке формата сжатия MPEG 7, призванным определить универсальные механизмы описания аудио и видео информации. Этот формат получил название MultimediaContentDescriptionInterface. В отличие от предыдущих форматов сжатия семейства MPEG, MPEG 7 описывает информацию, представленную в любой форме (в том числе ваналоговой) и не зависит от среды передачи данных. Как и его предшественники, формат сжатия MPEG 7 генерирует масштабируемую информацию в рамках одного описания.

Формат сжатия MPEG 7 использует многоуровневую структуру описания аудио и видео информации. На высшем уровне прописываются свойства файла, такие как название, имя создателя, дата создания и т.д. На следующем уровне описания формат сжатия MPEG 7 указывает особенности сжимаемой аудио или видео информации – цвет, текстура, тон или скорость. Одной из отличительных особенностей MPEG 7 является его способность к определению типа сжимаемой информации. Если это аудио или видео файл, то он сначала сжимается с помощью алгоритмов MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, а затем описывается при помощи MPEG 7. Такая гибкость в выборе методов сжатия значительно снижает объем информации и ускоряет процесс сжатия. Основное преимущество формата сжатия MPEG 7 над его предшественниками состоит в применении уникальных дескрипторов и схем описания, которые, помимо всего прочего, делают возможным автоматическое выделение информации как по общим, так и по семантическим признакам, связанным с восприятием информации человеком.

Цифровая передача аудиовизуальной информации предполагает проводить все телевизионные операции при помощи последовательности нулей и единиц.

На рисунке 1.5 приведена общая для всех систем интернет телевещания принципиальная схема.

Рисунок 1.5 – Общая схема интернет телевещания

Идущий из студии или предварительно записанный телевизионный сигнал сначала поступает на соответствующий интерфейс сервера кодирования видео и аудио. Специальная программа кодировщик (кодек) преобразует аналоговую информацию в цифровую, при этом сжимая ее в соответствии со стандартами MPEG2 или MPEG4. Перечислимтакжеосновныетипыпротоколовсжатиядляаудиовизуальногоряда, это H.261, H.263 от ITU-T (International Telecommunication Union) и MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 (Moving Pictures Experts Group) от ISO/IEC (International Organization for Standardization / International Engineering Consortium). Имеются также объединенные стандарты H.262/MPEG-2 и H.264/MPEG-4.

Однако закодированная информация не приспособлена для передачи по пакетным сетям, ярким представителем которых является сеть протокола TCP/IP. Поэтому полученные в результате кодирования данные должны быть разбиты на отдельные пакеты и к этим пакетам необходимо добавить заголовки, определяющие их поведение в сети.

Закодированная информация с телевизионными передачами может быть сохранена и в дальнейшем быть использована для организации трансляции. Для хранения цифровых аудиовизуальных данных разработаны специальные типы файлов. В настоящее время существует целый ряд конкретных реализаций общей схемы интернет телевещания. Здесь бы хотелось перечислить наиболее распространенные из них:

- формат FLV, разработанный фирмой Macromedia, поглощенной в последствии Adobe;

- формат WMV, созданный Microsoft;

- форматы RV, RMVB, созданные одним из пионеров интернет видео корпорацией Real.

Интернет ТВ предполагает распространение сигнала без ограничений в глобальной сети, при этом достаточно трудно внести какие либо общие настройки и значительно улучшить передачу телевизионного изображения. Кроме того, видео трафик достаточно сильно загружает существующие магистральные сети и, с ростом качества передаваемого видео, такие нагрузки могут стать критическими. Как правило, прием видео сюжетов Интернет ТВ осуществляется на компьютерные мониторы.

Существует два основных типа доставки аудиовизуальной информации:

- потоковое видео;

- прогрессивный формат доставки.

Потоковое видео используется в первую очередь для доставки видео в рамках прямых трансляций или эфирно-кабельного телевидения. Оно предполагает постоянный поток видео данных от сервера видео трансляции. Если скорость такого потока (иначе битрейт) постоянно превышает доступную ширину канала в используемой сети, то полученное изображение не будет отличаться от того, что передает сервер трансляции. Если же пропускной способности сети не достаточно, то картинка будет временами исчезать или вообще не отражаться.

В условиях ограниченности скорости подключения используется прогрессивный способ доставки видео. Он предполагает выделение внутри исходного видео файла небольших по объему независимых фрагментов, которые могут воспроизводиться на приемной стороне по мере их передачи, не дожидаясь пока будет скачан весь файл. При небольшой скорости подключения к сети показ будет происходить отрывками, со значительными перерывами между ними. Если же канал широкий, то показ будет идти не только непрерывно, но и файл будет скачен в опережающем режиме, до завершения трансляции, так что сеть будет незагруженной значительное количество времени. Этот способ интернет видео трансляций используется преимущественно для организации видеоархивов, работающих в режиме видео по требованию.

Важнейшая особенность интернет телевещания это многоадресная (мультикастинговая) доставка видео контента. В отсутствии этой опции при прямой трансляции каждый пользователь будет получать свою картинку отдельно, а это десятки килобайт в секунду даже для изображения низкого качества. Такой режим работы быстро переполняет магистральные каналы, подобно тому, как коммутируемый выход в Интернет перегружал телефонные сети. Мультикастинговая рассылка предполагает передачу единого потока видеоданных на тех участках маршрута, которые совпадают для нескольких пользователей. В тех точках, где происходит разветвление маршрута, пакеты дублируются. Внедрение принципа мультикастинговой рассылки позволяет перейти от оплаты по трафику к абонентской или повременной оплате, что является неотъемлемой частью Интернет телевидения.

Следующий вопрос, возникающий при организации Интернет-телевидения, состоит в выборе параметров телевещания. Таких параметров несколько, к ним относятся: скорость аудиовизуального потока в Кбит/с, размер изображения, тип протокола сжатия и частота смены кадров. Разрешение видеоизображения, характеризует возможность различать близко расположенные линии в получаемом изображении, измеряется в количестве точек (pixels) по вертикали и диагонали. Например, протокол H.263 предусматривает передачу видео изображений в следующих форматах: SQCIF (128x96), QCIF (176x144), CIF (352x288), 4CIF (704x576), and 16CIF (1408x1152), CIF это CommonIntermediateFormat.

Различные типы вещания предполагают разные скорости аудиовизульных потоков и для IPTV (кабельного ТВ) они гораздо выше. Скорость потока зависит во многом от типа применяемого оборудования, для передачи стандартной телевизионной картинки (720x576) она варьируется от 3 до 6 Mbps (Мегабит в секунду), хотя может достигать и 1, 5 Mbps. Для телевидения высокой четности (1920x1080) необходима доступная полоса в районе 10 Mbps, хотя лидирующие производители достигли 4 Mbps.

1.11 Передача видео в сетях протокола TCP/IP