Принципы кодирования

Параметры кодирования в системе записи Digital Betacam (табл. 7) соответствуют Рекомендации 601. В канале видеосигнала используется 10-разрядное квантование при частоте дискретизации яркостной составляющей - 13, 5 МГц, а цветоразностных - 6, 75 МГц. В четырех звуковых каналах при частоте дискретизации 48 кГц квантование выполняется при 20 битах на отсчет.

В канале видеосигнала используется компрессия. Кодирование с целью сокращения избыточности телевизионного сигнала и уменьшения скорости цифрового потока построено по схеме с дискретным косинусным преобразованием. При этом последовательно выполняются следующие три операции: собственно дискретное косинусное преобразование (ДКП), квантование, кодирование словами переменной длины (энтропийное кодирование).

Применение дискретного косинусного преобразования к массиву (блоку) отсчетов изображения является средством декорреляции и приводит к концентрации энергии в области постоянной составляющей и низкочастотных компонентов изображения. Размеры блока выбираются на основе компромисса между степенью декорреляции, сложностью практической реализации и заметностью артефактов при возникновении неисправленных ошибок. В Digital Betacam блок образован прямоугольной матрицей из восьми элементов по горизонтали и четырех по вертикали. Квантование позволяет еще больше сократить объем данных путем деления коэффициентов дискретного косинусного преобразования на числа, установленные на основе модели зрительного восприятия (известно, что зрительное восприятие менее чувствительно к искажениям квантования высокочастотных компонентов изображения). В результате квантования (в системе видеокомпрессии) сокращается число уровней квантования для высокочастотных компонентов видеосигнала, что и является способом уменьшения потока данных. Блок квантованных коэффициентов сканируется в определенном порядке, начиная с постоянной составляющей. Полученные последовательности подвергаются энтропийному кодированию, то есть кодируются словами переменной длины, причем эта длина определяется распределением вероятности, основанным на оценках большого числа типичных изображений. Частовстречающиеся последовательности кодируются словами малой длины, длинные кодовые слова соответствуют редко встречающимся последовательностям. Энтропийное кодирование также уменьшает объем данных, необходимых для описания изображения.

Коэффициент компрессии, равный 2: 1, является сравнительно небольшим (общая скорость цифрового потока записываемых данных для стандарта 625/50 равна 125, 6 Мбит/с). Производится лишь минимальное сокращение избыточности, которое, тем не менее, обеспечивает формату ряд важных преимуществ: большее время записи, лучшую взаимозаменяемость записей, меньшие эксплуатационные расходы. Сокращается только пространственная избыточность ТВ-сигнала, обусловленная сильными (для типичных изображений) корреляционными связями в пределах телевизионного поля. Это исключает появление заметных артефактов при записи динамичных изображений, упрощает осуществление замедленного и ускоренного воспроизведений, снимает ограничения на выбор монтажных точек.

Применение компрессии на базе косинусного преобразования и кодирования с переменной длиной слова вступает в некоторое противоречие со структурой видеофонограммы и требованием постоянства скорости записываемого потока данных. Блок косинусного преобразования, взятый с участка изображения с маломеняющейся яркостью, может быть передан с помощью сравнительно небольшого количества данных, описывающих постоянную составляющую яркости и несколько низкочастотных коэффициентов косинусного преобразования. А для описания блока, содержащего мелкие детали, потребуется большее количество данных, включающих высокочастотные коэффициенты. Поэтому необходимо управлять потоком данных так, чтобы поддерживать его скорость на некотором фиксированном среднем уровне. Например, надо добиваться, чтобы кадр телевизионного изображения всегда был записан на шести строчках видеофонограммы в виде пакетов данных фиксированного объема независимо от наличия или отсутствия мелких и высоко-частотных деталей. Управление скоростью потока данных достигается в процессе квантования. Если, например, кадр телевизионного изображения содержит большое количество мелких деталей и его не удается представить в виде пакета данных заданного объема, квантование делается более грубым (число уровней квантования должно быть уменьшено для большинства высокочастотных компонентов). Более грубое квантование сопряжено с появлением артефактов компрессии, но, с другой стороны, эти артефакты менее заметны на таком изображении благодаря свойствам зрения. Для кадров с малым количеством мелких деталей число значимых высокочастотных компонентов в блоках косинусного преобразования сокращается, но число уровней квантования для оставшихся низкочастотных компонентов делается большим и кадр упаковывается в блок данных того же фиксированного объема.

Важным является выбор размера блока входных данных системы видеокомпрессии, который будет упакован в пакет фиксированного объема (в описании формата Digital Betacam такой блок назван энтропийным). Энтропийный блок должен быть большим для достижения высокой эффективности кодирования и снижения заметности артефактов компрессии. Но для обеспечения работы видеомагнитофона в специальных режимах (например, для просмотра при ускоренном воспроизведении) длина энтропийного блока должна быть малой. В качестве компромисса выбрана величина энтропийного блока, равная 20 блокам дискретного косинусного преобразования, в каждом из которых по 32 отсчета яркостного или цветоразностных компонентов изображения.

В результате компрессии энтропийный блок должен быть сжат до двух синхроблоков (рис.47), содержащих по 162 байта записываемых видеоданных. Это достигается следующим образом: на вход системы компрессии подается 20 блоков косинусного преобразования, причем в квантователе сначала используется задаваемая по умолчанию исходная таблица квантования, определяющая интервал квантования для каждой пространственной частоты в блоке косинусного преобразования. Затем находится длина упакованного блока на выходе системы компрессии (после энтропийного кодирования). Если длина упакованного блока превышает заданную длину полезной нагрузки двух синхроблоков, то есть 324 байта, то в таблицу квантования вносится поправка, увеличивающая интервалы квантования косинусных коэффициентов, и снова находится длина упакованного блока на выходе системы компрессии. Процесс обычно завершается за 6-7 этапов.

Структура синхроблока

В системе кодирования, обнаруживающего и исправляющего ошибки в канале записи-воспроизведения, используется код Рида-Соломона и для внешнего и для внутреннего кодов. Принцип обнаружения и исправления ошибок в магнитофонах формата Digital Betacam такой же, как и аппаратах формата D-1, но параметры системы обладают более высокой степенью защиты от ошибок. К 162 байтам видеоданных и 2 байтам слова-опознавания добавляются 14 проверочных байтов внутреннего кода. Это позволяет исправлять в каждом слове внутреннего кода до семи ошибок. Внутренний код может обнаружить в кодовом слове до четырнадцати ошибок, которые затем могут быть исправлены с помощью внешнего кодирования. Кодовое слово внешнего кода длиной 126 байтов включает в себя 12 байтов проверочных данных, что позволяет исправлять до двенадцати ошибочных строк матрицы при использовании информации об ошибках, обнаруженных с помощью внутреннего кода. Матрица кода-произведения объемом 22680 байтов (126 синхроблоков), составляющая одну двенадцатую часть телевизионного поля, дополняется преамбулой и постамбулой и записывается в одном видеосекторе программной дорожки (рис. 48).

Даже при мощном кодировании возможны случаи, когда длинные пакетные ошибки, возникшие, например, из-за выпадений или отказа головки, не могут быть исправлены. Поэтому в магнитофоне формата Digital Betacam используется перемешивание данных. Блоки размером 8 на 4 пиксела, сформированные для выполнения дискретного косинусного преобразования, перераспределяются в пределах телевизионного поля. Используется также маскирование обнаруженных, но не исправленных ошибок. Уменьшение скорости цифрового потока в принципе сужает возможности маскирования ошибочных отсчетов в изображении. Однако сравнительно небольшая степень сокращения пространственной избыточности в сочетании с соответствующим распределением данных между головками позволяет осуществлять эффективную пространственную и временную интерполяции даже в случае отказа одной головки.

Система кодирования формата Digital Betacam

При обработке звуковых и видеоданных используется общее внутреннее кодирование, но внешнее кодирование в звуковом канале является более мощным. Это обусловлено тем, что возможности маскирования ошибок в сигнале звука более ограничены, чем в видеосигнале. К 9 байтам звуковых данных добавляется 9 проверочных байтов внешнего кода, что позволяет исправлять до девяти ошибочных строк матрицы, то есть до половины общего количества записываемых на ленту данных. В каждом канале звука на шести строчках одного телевизионного поля записываются две матрицы кода-произведения объемом в 18 синхроблоков, то есть в одном звуковом секторе программной дорожки находится 6 синхроблоков. При обработке звуковых данных также используется перемешивание. Звуковые данные каждого канала накапливаются в буферной памяти, объем которой равен двум вертикальным столбцам матрицы кода-произведения, и затем перемешиваются на интервале времени, определяемом размерами этой памяти. После внешнего кодирования звуковые данные еще раз перемешиваются на интервале одного телевизионного поля (на этот раз перемешиваются синхроблоки).

В качестве канального кода в магнитофонах формата Digital Betacam использован усовершенствованный код, до тех пор не применявшийся в промышленных аппаратах из-за сложности технической реализации, - это скремблированный код без возвращения к нулю (БВНМ) в сочетании с парциальным кодированием класса IV. При воспроизведении используется процедура декодирования Витерби. Спектральная характеристика кода имеет явно выраженный полосовой характер и хорошо соответствует частотной характеристике канала магнитной записи-воспроизведения. Такой код обеспечивает повышение отношения сигнал/шум и лучшее подавление азимутальных помех от соседних дорожек благодаря очень низкому уровню низкочастотных компонентов.

Теория методов кодирования, примененных в аппаратах Digital Betacam, давно и хорошо разработана. Однако их практическое воплощение в реальном масштабе времени (при частотах порядка 100 МГц) стало возможным лишь с использованием субмикронной полупроводниковой технологии. Это дало возможность разместить на одной плате, встроенной в корпус лентопротяжного механизма, все устройства обработки сигнала в каналах записи и воспроизведения. Найденные решения в области обработки сигналов и сокращения избыточности в сочетании с достижениями полупроводниковой технологии позволили фирме Sony создать не только студийный видеомагнитофон Digital Betacam с размерами и энергопотреблением, близкими таким же параметрам аналоговых аппаратов Betacam SP, но и цифровую компонентную видеокамеру, что, несомненно, ускорило продвижение к полностью цифровому производству телевизионных программ.

HDV (англ. High Definition Video) — это стандарт записи видео высокой чёткости на магнитную ленту шириной 0, 25 дюйма. При этом видео записывается на обычную miniDV кассету со сжатием MPEG-2 с битрейтом 25 Мбит/c. Необходимость обеспечить такой битрейт для видео обусловила возможности записи только одной стереодорожки аудио (в отличие от DV, где есть возможность записать две 12-битные стереодорожки). Степень межкадровой компрессии такого видео ниже, чем, например, у формата H.264. Разрешение HDV составляет 1440х1080 пикселей, но с соотношением 16: 9. Такое соотношение достигается «растягиванием пикселей» по горизонтали, с 1440 до 1920. Поэтому для полноценного просмотра HDV также требуется телевизор FullHD, с разрешением экрана 1920х1080.

Полупрофессиональная HDV-камера

Также в последнее время стали очень популярны сайты с HD видео.

Разумеется, качество видео в формате HDV ниже, чем HD 1080 (размер кадра 1920х1080 пикселей), но тем не менее формат HDV сейчас широко распространён среди пользователей. Причина заключается в том, что формат HDV был изобретён раньше, и было разработано и выпущено много видеотехники, поддерживающей только 1440х1080. Кроме того, сыграла немалую роль и распространённость носителей, ранее использовавшихся для записи видео стандартного разрешения. Первые фильмы высокого разрешения, записанные на диски HD DVD и Blu-Ray имели такое же разрешение, как и HDV — 1440х1080.

Видеоформат HDV (High Definition Video / Видео высокого разрешения)

HDV формат был впервые представлен 30 сентября 2003 году компаниями JVC, Sony, Canon и Sharp. Формат использует разрешение 1080i или 720p с компрессией MPEG-2 Transport Stream. Протокол 720p - прогрессивный, поддерживает разрешение 1280x720. Протокол 1080i - чересстрочный, разрешение 1440х1080 для цифрового широкополосного вещания. HDV позволяет сжимать данные в MPEG-2 налету во время записи, поток данных составляет 25Мбит/сек для 1080i и примерно 19Мбит/с для 720p - для записи на стандартные DV кассеты.

На самом деле стандарт HDV не дает возможности записать всю ту информацию, которую несет в себе видеосигнал высокой четкости HD т.к. размер кадра HD видео - 1920х1080, а размер кадра составляет 1440х1080. Несмотря на сжатие и меньший размер кадра, HDV передает высочайшее качество изображения высокого разрешения.

Отличие от стандартного разрешения 720 x 576, HD обладает существенно большим размером кадра, согласно стандарту SMPTE 279, - 1920х1080 пикселей. Форматы высокой чёткости уже довольно давно вошли в жизнь профессионалов в области теле и кинопроизводства. В отдельных странах, например, в Японии и США, уже развернуто массовое HDTV (ТВЧ) вещание. Однако из-за весьма высокой стоимости оборудования работа с форматами высокой чёткости доступна только большим телекомпаниям, поэтому эти форматы не получили повсеместного распространения. Кроме того, с точки зрения вещателей, помимо цены собственно оборудования, при использовании ТВЧ резко возрастают расходы на доставку контента потребителю. Ведь по сравнению со стандартным разрешением, HD сигнал несёт в несколько раз больше информации и, следовательно, во столько же раз возрастает нагрузка на каналы доставки. По этим и некоторым другим причинам оборудование HD остаётся пока альтернативой только дорогим киносъёмкам. Тут ситуация обратная – количество информации в HD материалах в разы меньше, чем при оцифровке киноплёнки, благодаря чему их значительно быстрее (и дешевле) можно обрабатывать, кроме того, материал доступен сразу после окончания съёмки, минуя проявочный цикл. Никто также не будет оспаривать большее удобство работы с цифровой кассетой по сравнению с громоздкой бобиной киноплёнки. Конечно, по многим причинам заменить полностью плёнку при съёмке «серьёзного» кино, HD-форматы не могут. Однако удешевить производство рекламы, а также значительно повысить качество авторских программ и многих сериалов, до этого снимавшихся чуть ли не на DV, им вполне по силам.

Видеосигнал стандартного разрешения (SD или Standart Definition).Для записи видео используются лишь 575 линий, а остальные 50 отводятся для записи служебной информации. Обозначение HD сигнала 720p означает, что для записи видео используются именно 720 линий (30 линий предназначены для служебной информации, итого - 750 линий). В сигнале стандартной четкости записываются 575 линий. Каждый кадр на выходе матрицы состоит из двух полей. Каждая линия поля получается в результате комбинации двух (из 576) строк пикселей в результате получается что каждое поле состоит из 288 линий.

Преимущества данного метода сканирования матрицы – устраняется мерцание изображения и на 3дБ увеличивается чувствительность камеры.
Теперь рассмотрим как будет считано изображение, когда на фоне четырех черных полос имеется одна белая в прогрессиве и в чересстрочном режиме.

Таким образом при чересстрочном сканировании эффективное вертикальное разрешение ограничено так называемым Kell-фактором и составляет приблизительно 70%. Это означает, что в формате стандартной четкости у нас остается около 405 твл вместо 576 линий (это уже существенно меньше, чем 720p High Definition). И, соответственно, в формате 1080i эффективное разрешение по грубым прикидкам составляет 750 линий, что не сильно больше, чем в 720p.

PAL

[править]

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Эта версия страницы ожидает проверки и может отличаться от последней подтверждённой, проверенной 3 июня 2010.

У этого термина существуют и другие значения, см. PAL (значения).

PAL (англ. Phase-alternating by line — построчное изменение фазы) — система аналогового цветного телевидения, разработана инженером немецкой компании «Telefunken» Вальтером Брухом и представленная как стандарт телевизионного вещания в 1967 году.