Digitalna kompresija TV signala

U ovom delu će biti reči o digitalnoj kompresiji, transportu i transmisiji TV signala u okviru kablovske televizije. I prvo pitanje na koje bi trebalo da damo odgovor jeste ZAŠTO se kablovska industrija usmerila ka digitalnoj kompresiji, ako uzmemo u obzir činjenicu da se sredinom '90ih intenzivno radilo na novim HFC mrežama, a već krajem '90ih veliki broj pobolšanja i nadogradnji, koje je ova tehnologija donela, implementiran.

Odgovor na ovo pitanje je HDTV(High-definition relevision). Ovakav signal sadrži 6 puta više informacija od standardnog TV signala (SDTV), i samim tim zauzima najmanje 12MHz spektra u analognom formatu. Zbog toga digitalna kompresija ovakvog signala je obavezna i neophodna. Nakon što su uloženi napori i sredstva da se ova tehnologija unapredi i učini finansiski pristupačnom, svoju prvu primenu je našla u DBS(direct broadcast satelite) sistemima. Ovi sitemi su bili ograničeni skupom opremom i ograničenim satelitskim kapacitetom za odašiljanje signala. Digitalno kompresovan signal je ove nedastatke otklonio, smanjio je odnos signal-šum, i samim tim omogućio korišćenje manjih satelitskih tanjira za krajnjeg korisnika. Kao još jedna od prednosti koju je donela digitalna kompresija jeste zaštita signala. Zaštita i skremblovanje andolgnih kanala nije baš bila efikasna, s obziron da je bilo prilično lako zaobići je, tako da je krađa signala bila relativno česta pojava, i veliki problem za analogne sisteme.

Kada se sve ovo uzme u obzir DBS sistemi su bili u mogućnost da korisniku ponude dovoljno mnogo kanala, i samim tim postanu konkurencija kablovskim sistemima, pogotovo onima koji nisu prešli na HFC mreže. Ubrzo nakon toga DBS industrija je počela i da reklamira “ digitalnu sliku i kvalitet zvuka“.

Vrlo brzo je kablovska televizija svoju pažnju usmerila ka novoj digitalnoj tehnologiji. A prelazak na digitalni signal i novonastala situacija je kablovskim operaterima omogućila da povećaju cene paketa zahvaljujući uvodjenju novih ponuda, tzv “premium paketa”, a ubrzo nakon toga HBO je kreirao tzv “pay-per-view“, što je u velikoj meri povećalo broj opcija krajnjeg korisnika. I konačno, digitalna kompresija je omogućala tzv. “video-on-demand“, tj. video na zahtev, nešto što DBS sistem nikako nije mogao da ponudi.

Emitovanje digitalne televizije

Televizijski sistemi su kreirani u periodu kada je elektronska oprema bila skupa, a obrada signala teska i ogranicena. Programa je bilo jako malo, bili su vrlo skupi za proizvodnju, a je publika bila malobrojna. Načinjeno je mnogo kompromisa kako bi se došlo do efikasnih i pristupačnih prijemnika, jer bez ovakvih prijemnika, ne bibilo svrhe truditi se da se postojeći spektar što bolje iskoristi. Dakle, cilj svega ovoga je bila brza penetracija na tržište, stvaranje programa, kao i potražnje za prijemnicima.

Danas je situacija potpuno obrnuta! Programa je veoma mnogo, njihova produkcija je relativno jeftina, elektronikska oprema je pristupačna i mnogo efikasnija, TV prijemnici takodje, potražnja za kvaltetnim programom raste iz dana u dan, publike ima u izobilju, a jedina stvar koja predstavlja problem je SPEKTAR! Pa je tako sada cilj stvaranje sistema koji će što efikasnije i što duže moguće iskoristiti postojeći spektar.

Interesovanje za digitalnu televiziju ide unazad nekoliko decenije. Mnogo pre komercijalne upotrebe, digitalna televizija je bila razmatrana kao nešto što bi koristilo vojsci i naučnim istraživanjima. Digitalni signal kao takav, ima nekiliko prednosti:

moguće je prenositi signal preko velikih razdaljina moguće je signal čuvati bez degradacije moguće je signal zaštiti moguće je ukloniti razne redundantnosti kako bi se olakšala transmisija i čuvanje

signala moguće je adekvatno modifikovati signal tako da mnogo lakše “preživi” transmisiju u

teškim uslovima

HDTV

HDTV je slika, tj video slika, koja ima duplo veću rezoluciju, kako vertikalno tako i horizontalno, u odnosu na standardnu televizijsku sliku, tj za razliku od stare 4:3 razmere, HDTV je u formatu 16:9. Pre bilo kakve obrade analogni signal dobijen iz HDTV kamere se sastoji od po 30MHz informacija o crvnoj, plavoj i zelenoj boji. Dakle skoro 100MHz analognih podataka, i da bi se preveli, tj konvertovali u digitalnu formu sempluju se na duplo većoj frekvenciji, a zatim se svaki uzorak(sample) predstavlja jednim bitom, a za transmisiju ovako dobijenog signala je potrebna brzina od skoro 1 Gb/s. Apsolutno je jasno da su morale biti pronađene metode koje će ovo smanjiti. Komercijalnu HDTV (High-definition Television) prvi je razvio japanski Nippon Hoso Kyokai 1969. godine. Oni su koristili anolgnu transmisionu tehnologiju u kombinaciji sa digitalnom obradom signala na oba kraja, tj i na predajniku i na prijemniku.

Međutim, sistem nije postao opšteprihvaćen sve do samog kraja prošlog veka, a početkom ovog stoleća standardi televizije visoke rezolucije takmiče se u globalnoj trci da postanu opšteprihvaćen vid prenosa televizijskog signala.

Internacionalna Telekomunikaciona Unija (ITU-R) je dokumentom sa oznakom BT.709 definisala tri HDTV standarda. Oni uključuju 1080i sa 1080 aktivno prepletenih (interlaced) linija, 1080p sa 1080 progresivno skeniranih linija, kao i 720p sa 720 progresivno skeniranih linija. Svi standardi koriste proporcije slike 16:9 navodeći mnoge korisnike na pogrešan zaključak izjednačavanja televizora širokih ekrana sa HDTV-om. Svi trenutni HDTV standardi emitovanja usaglašeni su sa specifikacijama ATSC (Advanced Television Systems Committee) i DVB (Digital Video Broadcasting) , američkim i evropskim specifikacijama za digitalnu televiziju.

Kada je i FCC prihvatila HDTV kao opciju, postavili je nekoliko uslova koji su morali biti ispunjeni pre nego što je bilo moguće implementirati HDTV signal. Prvi uslov je bio da novi HDTV sistemi ne učine već postojeće NTSC prijemnike nepotrbnim i suvišnim. Drugi uslov je bio da se stari NTSC i novi HDTV signali budu ograničeni na ne više od dva 6MHz široka signala u okviru televizijskog spektra. Dalji zahtevi su se odnosili na to da nova transmisija HDTV signala ni na koji način ne ometa i bespotrebno kvari već postojeću NTSC transmisiju. Nakon svega ovoga bilo je mnogo pokušaja, razvijeni su mnogi pristupi koji su uklučivali kako anoalognu tako i digitalnu tehnologiju obrade signala. Međutim kablovska i satelitska televizija su imale potpuno drugačije zahteve, i nijedno od ovih rešenja nije bilo prihvatljivo za njih. Nedostatak bilo kakvog isključivo digitalnog

rešenja je doveo do toga da se odeljenje kompanije General Instrumet, DigiCipher, lati posla i razvije rešenje koje će se u potpunosti oslanjati na digitalnu tehnologiju. Ovaj pristup je bio zagovaran i u okviru kablovske televizije. Ubrzo je General Instrument predložio isključivo digitalno rešenje za zemaljsko emitovanje HDTV-a. Nedugo posle toga su svi ozbiljniji predlagači, sa izuzetkom Japana, prihvatili i prebacili se na projektovanje isključivo digitalnih rešenja. S obzirom da je problema bilo u izobilju. što političkih, što ekonomskih, pa i tehničkih, došlo je do dogovora da se stvori telo koje će izneti jedinstven stadard za audio-video kompresiju i transmisiju. I 1988 godine je stvorena radna grupa pod imenom Moving Picture Experts Group, ili skraćeno i mnogo poznatije MPEG. Prvi sastanak grupe je održan u maju 1988 godine.

1993. godine na svetlost dana izlazi standard MPEG-1, a nedugo posle njega, 1995. i standard MPEG-2, koji je našao svoju primenu u emitovanju TV signala. Ovaj standard za video kompresiju nudi mnoštvo različitih alata koji mogu biti korišćeni sve u zavisnosti od toga kakva je primena potrebna. Ovaj standard takođe definiše kako se više audio i video kanala može zajedno multipleksirati u jedan digitalni bitstream. Razumljuvo je da je kablovska televizija morala da razvije posebne modulacione i transmisione standarde u okviru MPEG-2, koji će garantovati sigurno emitovanje i dostavu digitalno toka (bitstream).

Zahvaljujući ovom standardu, sada je bilo moguće emitovati program HDTV-a u okviru jednog analognog TV kanala, širine 6MHz, šti je duplo manje u odnosu na najbolje kombinovano rešenje. U slučaju kablovske televizije, ako se uzme u obzir stabilniji spektar, u okviru ovih 6MHz je moguće spakovati 2 do 3 HDTV signala.Ova tehnologija koja je omogućila HDTV, je takođe mnogo doprinela SDTV(standardnoj televiziji). Naime, koristeći ovaj standard, uz činjenicu da je u okviru onih 6MHz brzina protoka oko 38Mb/s, u taj jedan kanal je moguće spakovati 12 do 18 prgrama, za razliku od jednog, koliko je ranije bilo moguće!

Digitalna obrada signala

Ljudski sitem čula i sluha je prilično nesavršen, i kao takav detektuje samo analogne signale, pa se tako svaka slika i zvuk moraju na kraju konvertovati u analogne. Nažalost analogni signali se jako često prenose preko velikih razdaljina i po svojoj prirodi su pri transportu podložni raznim šumovima, distorziji, mešaju se sa drugim signalima i na taj način se kvalitet slike i zvuka značajno smanjuje, a neretko se desi da slika bude neupotrbljiva. Ako bi se analgni signal konvertovao u digitalni, mnoge od ovih smetnji bi bile izbegnute iako se pri samoj konverziji unosi mali stepen šuma, i sve ovo se postiže praktičnim i dobro poznatim tehnikama.

Dakle, prednost digitalnog signala je u tome što se u potpunosti može regenerisati i što se na taj način izbegava akumulisanje šuma i distorzije. Još jedna od prednosti je to što je moguće koristiti razne tehnike kako bi se detektovale i ispravile razne greške koje nastaju, zatim moguće je smanjivanje redundantnih podataka što za posledicu ima povećanje kapaciteta za slanje i čuvanje podataka. U suštini sve ovo je moguće zbog jednostavnosti osnove ovog, digitalnog sistema, a osnova svega jeste binarni skup brojeva, tj nula i jedan. Tako kola koja obrađuju analogni signal moraju što vernije da ga reprodukuju i pritom da unesu minimalnu količinu šuma i distorzije, dok kola koja obrađuju digitalni signal imaju da preopoznaju samo dva stanja u kojima signal može da se nađe, a to je 0 i 1. Međutim čak i ovakva situacija ne isključuje pojavu šuma i distorziju signala, ali kako bi se ovako nešto izbeglo upetrebljava se nešto što se zove “repeater”. Uloga ripitera je da signal osveži i na taj način preventuje moguće greške koje bi se desile

pri prenosu signala na velikim razdaljinama. Ovako nešto je nemoguće uraditi sa analognim signalom.

Još jedna u nizu prednosti digitalnog signala je cena tehnologije koja je u konstantnom padu, a koja se ujedno i razvija konstantnim tempom. Gordon Mur, jedan od osnivača kompanije Intel, je primetio da se otprilike svakih 12-18 meseci da se broj digitalnih tranzistora, koji se mogu priuštiti po istoj ceni, duplira. Ovaj proces smanjenja cene/povećanja procesorske moći se odvija već nekoliko decenija, i ne pokazuje tendeciju da se promeni, bar ne u skorije vreme.

I kao poslednju prednost digitalnog signala navešćemo mogućnost da se ovim signalom može manipulisati veoma kompleksnim matematičkim principima, što omogućava da se izračunaju greške ukoliko je do njih došlo, pa i da se isprave. Ovu činjenicu i nije tako teško objacniti s obzirom da su moguće samo dve greške, tj da se 0 detektuje kao 1, odnosno da se 1 detektuje kao 0. Kao jedan od primera za detekciju ovih grešaka navešćemo određivanje pariteta. U skladu sa tim pomenućemo FEC (Forward error corection) algoritam, koji je u stanju da detektuje višestruke greški i da čak izračuna originalni, prvobitni signal.

Digitalna video kompresija

Dakle, na osnovu teksta smo shvatili da nekompresovani digitalni signal zahteva neverovatno veliki protok podataka, toliko veliki da je apsolutno nezamislivo da se ovakav signal emituje ili eventualno negde memoriše i čuva. Međutim, pri kompresiji je nemoguće sačuvati prvobitni kvalitet slike jer se neki podaci odbacuju kao suvišni, ali se došlo do izvesnog ekvilibrijuma između kvaliteta slike i brzine protoka podataka, kao i memorije potrebne za čuvanje ovakvog zapisa, tj dolazi se do tzv “prihvatljivog kvalilteta”. Jasno je da se sa gledišta operatora i programera zagovaral “agresivnija” kompresija, jer što je kompresija veća, to se stvara viće prostora za emitovanje više programa u okviru postojećeg opsega. Ovakav pristup je u suštini bio uspešan, s obziron na činjenicu da su televizijski gledaoci bili relativno tolerantni na slabiju sliku, tj manju rezoluciju, sve dok je ona bili stabilna, odnosno dok šum nije bio prisutam. Ipak da sve nije baš tako, dokazala je neverovatna popularnost i uspeh DVD-a. Zahvaljujući ovome krenulo se ka razvijanju boljih standarda i tehnologija što je dovelo do stvaranja već pomenutog HDTV-a.

Svoju prvu primenu u većoj razmeri, digitalna video kompresija je našla u okviru televizijskih servisa(najpre u emitovanju satelitske televizije, zatim u kablovskoj i na kraju zemaljskoj). Ova primena je zahtevala standardni mehanizam kodovanja koji će moći da razumeju svi dekoderi na tržištu, i tako dolazimo do jednog od najzastupljenih standarda trenutno, tj MPEG-2 standarda.

Drugu primenu digialne video kompresije smo već pomenuli, i to kao veoma uspešnu, a to je DVD. I još jednom moramo pomenuti MPEG-2 standard koji je i ovde primenjen i sveopšte prihvaćen.

Konačno dolazimo do “videa na zahtev” VOD(video on demand), koji trenutno prilično agresivno promoviše veliki broj kablovskih operatera. I naravno, opet se koristi MPEG-2 standard.

Kao nešto novo bi mogli da spomenemo streaming medije, ili streaming video, koji se pojavio u okviru Interneta. Ovo bi mogli da poistovetimo sa VOD-om, međutim postoje neke značajne razlike. Interenet kao okruženje kakvo jeste, pruža mogućnost raličitih formata kodovanja za svaku transakciju, a ujedno je i moguće skinuti softverski dekoder neposredno pre nego što je potreban. A ako uzmemo u obzir i sve prisutnije personalne

računare sa dovoljno velikom procesorskom snagom otvaraju se mogućnosti za sve složenije i efikasnije načine kompresije.

Principi video kompresije

Digitalnom video kompresijom je moguće značajno umanjiti neophodnu brzinu prenosa podataka, a ujedno i postići zadovoljavajući kvalitet slike u okviru komercijalne upotrebe. Postoje dva glavna razloga za ovo:

1. Tipičan video signal sadrži neverovano veliku količinu prostornih i vremenskih redundantnosti

2. Ljudsko oko je relativno neosetljivo na određene nedostatke koji su prisutni kod videa koji se emituje.

Obe ove činjenice su obilato korišćene još od samih početaka televizije. Pa ćete se tako setiti osvežavanja slike 60 puta u sekundi (NTSC), odnosno 50 (PAL), zatim fokusiranje na luminiscenciju, a zanemarivanje apsolutno tačnog i verodostojnog prenosa boja itd.

Kodovanje slike

Prvo ćemo reći nešto malo o kodovanju slike, a onda ćemo proširiti priču na kodovanje videa. Razlog za ovo je taj što se video na neki način može definisati kao niz mirnih slika, iliti frejmova. Čak šta više, ovakav pristup je obavezan, i svaki frejm se mora periodično kodovati kao nepokretna slika, a ovako kodovan frejm se naziva itrakodovan, ili skraćeno I frejm. Ovaj pristup omogućava opciju nasumičnog pristupa frejmovima, što je jako važno pri emitovanju TV programa, jer pri promeni kanala kodovanje nove slike moa početi brzo i neprimento za gledaoca, tj taj period mora biti kraći od jedne sekunde.

Kodovanje slike, pa i videa se uglavnom odvaja u nekoliko koraka:

semplovanje i obrada formiranje blokova transformaciono kodovanje kvantizacija kodovanje dužine nizova entropijsko kodovanje

Semplovanje podrazumeva deljenje talasne forma analognog signala na niz impulsa koji mogu uzeti vrednosti od 0V do na primer 1 V. Naučnik Hari Nikvist je dokazao da ako se signal sempluje na duplo većoj frekvenciji, od one maksimalne koju taj signal ima, onda se isti signal može rekonstruisati bez ikakvih gubitaka informacija. Ovakav princip je dobio naziv po ovom naučniku, tj Nikvistu, i poznat je kao Nikvistova teorema. Semplovani signal je još uvek analogni signal, jer impulsi mogu biti različitih vrednosti, kao što smo rekli od 0V-1V.

Semplovanje analognog signala

Nikvist je dokazao da ako se ovakav semplovani sistem propusti kroz fileter niske učestanosti da se vrlo lako može ponovo rekonstruisati.

Reprodukcija semplovanog analognog talasa

Međutim ako bi na izlazu umesto filtera niske učestanosti postavili digitalni voltmetar, signal bi mogli da predstavimo nizom podataka, tj brojeva.

Merenje vrednosti impulsa

Prikazivanje signala na ovaj način ima ograničenu preciznost koja se merri brojem decimala. Ovakav način prikazivanja unosi vrstu greške koja spada u šum, i naziva se kvantizacioni šum. Ova greška se može smanjiti korišćenjem više decimala, ali se nikad ne može ukloniti.

Video se može semplovati na mnogo različitih načina. Međutim, ako bi hteli da posle semplovanja postignemo visoki kavalitet slike suočili bi se sa velikom količinom podataka, i ne bi bili u stanju da efikasno i kvalitetno kompresujemo tako dobijeni video signal.

Kompresija video signala uz kompenzaciju pokreta

S obzirom da između susednih slika u sekvenci postoji velika sličnost, razvijene su mnogetehnike kompresije koje koriste ovu osobinu. Najstarija i najjednostavnija tehnika ove vrste je tzv. uslovno obnavljanje, gde se svaka slika deli na promenjeni i nepromenjeni deo u odnosu naprethodnu sliku. Nepromenjeni deo se preuzima iz prethodne slike, a prenosi se samo promenjeni deo. Radi povećanja stepena kompresije promenjeni deo slike se prenosi uz pomoćDPCM metoda kompresije. Tehnika uslovnog obnavljanja je kasnije poboljšana smanjenjem vremenske redundanse, tako što se pomoću DPCM vrši kodovanje razlike intenziteta piksela koji pripadaju promenjenom delu slike.

Međutim, značajno povećanje stepena kompresije se može ostvariti tek primenom metoda estimacije i kompenzacijom pokreta u slici pre formiranja razlike susednih slika, i kasnijim kodovanjem tako dobijene razlike slika. Kodovanje kompenzovane razlike slika (engl. displaced frame difference) može se izvršiti primenom nekog od metoda za kompresiju mirnih slika. U tu svrhu se najčešće koristi transformaciono kodovanje primenom DCT. Estimacija pokreta u slici predstavlja ključni deo ove grupe algoritama za kompresiju. Zbog značaja postupka estimacije pokreta za ostvarenje velikog stepena kompresije, u literaturi je predložen vrlo veliki broj algoritama, koji se mogu svrstati u nekoliko grupa: metode određivanja optičkog protoka, metode kretanja blokova, rekurzivne metode, probabilističke metode, itd.

Brojnost i raznovrsnost metoda za određivanje estimacije pokreta svedoči o složenosti problema estimacije pokreta. Naime, estimacija pokreta pripada klasi loše postavljenih problema, jer ne zadovoljava uslove egzistencije, jedinstvenosti i kontinuiteta rešenja. Problem egzistencije rešenja postoji zbog toga što se prilikom kretanja objekta u slici deo pozadine otkriva, a deo prekriva, tako da se za te dve oblasti ne može odrediti korespondencija u dve susedne slike. Problem jedinstvenosti rešenja postoji zbog toga što je broj nepoznatih koji određuju pokret

svakog piksela dva puta veći od broja jednačina. Naime, broj jednačina je jednak broju piksela, a za pomeraj svakog piksela treba odrediti pomeraj po obe koordinate. I na kraju, estimirani pokret u slici jako zavisi od šuma u slici, koji može izazvati velike devijacije u estimaciji pokreta susednih piksela, što se odražava na kontinuitet rešenja. Među metodima za estimaciju pokreta najveći značaj imaju metode bazirane na kretanju blokova. Razlog za to je mala računska složenost ove grupe metoda, kao i pogodnost za hardversku implementaciju. Sve blokovske metode su zasnovane na pretpostavci da se slika sastoji iz pokretnih blokova. Jednostavnije metode pretpostavljaju da je kretanje blokova translatorno, dok složenije metode dozvoljavaju i rotaciono kretanje i deformaciju blokova.

Od blokovskih metoda estimacije pokreta posebno je interesantna grupa metoda usklađivanja blokova (engl. block matching methods), koje su, zbog svoje jednostavnosti, postale sastavni deo većine internacionalnih standarda.

Razlike u slici i kompenzacija pokreta

U uzastopnim frejmovima jednog videa, razlike između susednih frejmova su relativno male, tako da bi za primer mogli da uzmemo nepokretnu sliku, recimo pejzaž koji se nakon prvog slanja ne menja bitno. U ovom slučaju, sledeći frejm bi umesto ponovnog slanja/primanja mogli da zamenimo već postojećim frejmom iz memorije prijemnika. Način na koji se ovo ostvaruje je prikazan na sledećoj slici.

Interfrejm enkoder

Dakle kada se ova oprema uključi memorija je prazna, i u tom trenutku prvi frejm biva semplovan, DCT procesor ga obrađuje i šalje IDCT dekoderu, koji zatim proizvodi sliku koja će biti prikazana na prijemniku. Ova slika se zatim upoređuje sa prethodno memorisanim slikama, a pošto je reč o prvoj slici jasno je da nije bilo prethodnih, pa se slika šalje prijemniku, i ujedno memoriše. Sa sledećim frejmom se ponavlja isti postupak, ali se sada slika upoređuje sa prethodno memorisanom, računaju se razlike i ukoliko se utvrdi da rzlike na postije, umesto novog frejma, na prijemnik se šalje prethodno memorisana slika.

Diferencijalna transmisija. (a)Prvobitna slika;(b)Modifikona slika;(c)Razlika

Ali gledanje mirne, nepromenljive slike na TV-u i nije baš interesanto. Pa recimo da se, kao na gore pokazanoj slici, u nepokretan pejzaž uvede avion u letu. Tada će interfrejm enkoder da ponovo uporedi razlike, tj uporediće frejm gde se pojavljuje avion sa prethodnim, u kojem aviona nema, pronaći će razlike, tj kada “oduzme” prethodnu od trenutne slike, ka razlika će se pojaviti samo blokovi koji sadrže detalje o avionu. Ovi se blokivi zatim dekodiraju kao novi detalji, stvara se nova matrica koja se zatim šalje prijemniku.

Dakle u ovom našem slučaju su poslate dve matrice. Prva je bila kompletna slika, kija se još naziva i intrafrejm, ili skraćeno I frejm. Ova slika je bila intrakodovana. Sledeći frejm je sadržao informacije o promenama koje su se dogodile, i on se naziva P frejm.

U savršenoj situaciji bio bi nam potreban samo jedan I frejm, a svi ostali bi bili P frejmovi, međutim u realnosti ovako nešto nije moguće. Prvi problem se javlja pri menjanju kanala, i ako u tom trenutku gledalac propusti I frejm, videće samo promenu, tj u našem primeru gledalac će videti samo avion. Drugi problem se javlja zbog nesavršenosti i distorzije, koje se vremenom akumuliraju. Pa je preporučljivo da se ceo proces resetuje relativno često kako bi se ograniči pojavljivanje novih grešaka. Tako se I rejmovi šalju nekoliko puta u sekundi, pa samim tim gledalac koji menja kanale će imati početni I frejm, i videće kompletnu sliku, a ne samo razliki.

A sada razmotrimo sledću situaciju prikazanu na slici. U ovoj situaciji se vidi pet različitih pozicija aviona. Kada se avion kreće, on svojim pomeranjem otkriva deo neba koji je odmah vidljiv na sledećem frejmu. Sad, ako bi recimo imali neku od slika koje slede, deo neba koji se otkriva bi mogli da preuzmemo sa te “buduće” slike. Mogli bi na ovaj način da “predviđamo unazad”. Ovako nešto je moguće izvesti ako bi uveli blago kašnjenje i ako dodamo dodatnu memoriju prijemniku, koji će biti u stanju da zapamti više od jednog frejma videa. Frejmovi koji dozvoljavaju ovakvo bidirekciono predviđanje se nazivaju B frejmovi. Korišćenje ovih frejmova povećava cenu ali ujedno i efikasnost transmisije. Međutim, kako vreme prolazi cena memorije koja je potrebna se konstantno smanjuje, a njen kapacitet povećava, tako da se u ovaj način isplati svako ulaganje,

jer na kraju krajeva sve što štedi dostupni spektar vredi unapređivati i usavršavati, jer jedini resurs koji je spektar jedini resurs koji je ograničen.

Dakle definisali smo tri vrste frejma, I, P, B. Oni su združeni u grupu slika iliti GOP (grup of pictures), koja je prikazana na sledećoj slici.

Na slici pod (a) imamo redosled frejmova u trenutku kada se prikazuju. Međuti da bi se smanjila kompleksnost prijema njihov redosled se menja, kao što je prikazano na slici pod (b).

Promene redolseda ovih frejmova se vrši u trenutku promena scena, kada se emituje I frejm. Ovaj frejm zahteva mnogo više podatak od druga dva frejma, tačnije odnos je 5:3:1 za I:P:B. Posledica ovoga je da je protok podataka prilično neravnomeran i dekoder mora imati dovoljno velik bafer kako bi ovo kompenzovao.

(a)Vrste frejma i redosled prikazivanja (b) Vrste frejma i redosled transmisije

MPEG standardi

MPEG-1 je dobio ime po nazivu radne grupe koja ga je pripremila (Motion Photographic Experts Group). MPEG-1 je tzv. generički standard što znači da je nezavisan od bilo kakve aplikacije. S obzirom na raznolikost multimedijalnih sistema pri formulaciji standarda postavljeno je nekoliko važnih zahteva:

• Slučajni pristup. Pod ovim terminom se podrazumeva da komprimovani niz podataka bude

istupačan iznutra i da se svaka slika može dekodovati u ograničenom intervalu vremena.• Brzo pretraživanje unapred i unazad. U sistemima za skladištenje treba

omogućiti brzopretraživanje unapred ili unazad korišćenjem posebnih pristupnih tačaka u

sekvencu iomogućavanjem prikaza odabranih slika.

• Reprodukcija unazad. Ova mogućnost je ponekad potrebna u interaktivnim sistemima, čak i po cenu smanjenog kvaliteta slike.

• Audiovizuelna sinhronizacija. Standard treba da omogući sinhronizaciju slike i zvuka i u

slučaju kada su video i audio signal generisani u sistemima čiji je takt različit.• Otpornost na greške. I pored primene sistema za zaštitno kodovanje, sistem

treba da bude otporan na eventualne zaostale greške koje ne smeju da imaju katastrofalne posledice.

• Kašnjenje pri kodovanju i dekodovanju. Za razliku od sistema za videokonferencije gde se ne toleriše kašnjenje pri kodovanju i dekodovanju veće od 150 ms, standard treba da dozvoli i veća kašnjenja (do 1 s), ukoliko se time postiže bolji kvalitet slike.

• Mogućnost editovanja. Iako se zbog kompresije u vremenu svaka slika iz sekvence nekomprimuje nezavisno, treba omogućiti prikaz i editovanje svake slike u kratkom intervaluvremena.

• Fleksibilnost formata. Ova opcija se odnosi na raznovrsnost formata slike (broj piksela po horizontali i vertikali) i broj slika u sekundi.

Veliki stepen kompresije kod MPEG-1 standarda se postiže trostepenom kompresijom.U prvom stepenu, koji se naziva redukcija frekvencijskog opsega signala, vrši se usklađivanje rezolucije izvornog signala sa traženim bitskim protokom i smanjenje rezolucije hrominentnih signala na subjektivno zadovoljavajući nivo. U drugom stepenu se eliminišu prostorna i vremenska redundansa primenom kompenzacije pokreta, diskretne kosinusne transformacije i kvantizacionih tehnika. Na kraju, u trećem stepenu se vrši entropijsko kodovanje bez gubitaka.

Implementacija MPEG-1 standarda

S obzirom da je MPEG-1 standard namenjen za multimedijalne aplikacije, uglavnom jeimplementiran na personalnim računarima i radnim stanicama. Neposredno posle usvajanjastandarda, jedan broj proizvođača složenih integrisanih kola je izneo na tržište integrisana kola koja podržavaju kodovanje i dekodovanje video signala po MPEG-1 standardu. Najznačajnijiproizvođači i kola na tržištu su:

1. C-Cube ima u programu dva integrisana kola. Prvo kolo, CL-450, namenjeno jekodovanju i dekodovanju SIF video signala po MPEG-1 standardu. Drugo kolo, CL-4000, je znatno univerzalnije jer može kodovati i dekodovati video signal po MPEG-1, H.261 i JPEG standardu.

2. SGS-Thomson proizvodi kolo STi-3400, koje koduje i dekoduje SIF video signal.

3. Motorola proizvodi kolo MCD250, koje koduje i dekoduje SIF video signal.

U poslednje dve godine, s obzirom na veliki napredak u brzini rada personalnih računara, u praksi se sreću i softverske implementacije dekodera, koje mogu dekodovati MPEG-1 kodovanisigna nižih rezolucija. Za neke od softverskih implementacija, namenjenih istraživanju, javno jedostupan i izvorni kod. Jedna od takvih softverskih implementacija je PVRG-MPEG, koju je napravila Portable Video Research Group sa Stanford univerziteta u SAD. Druga javno dostupnasoftverska implementacija je Berkeley Plateau Research Group MPEG encoder, sa Berkeley univerziteta u SAD. Najnovije informacije o MPEG-1 standardu, kao i o novijim hardverskim i softverskim implementacijama, mogu se naći na Internet adresama: http://www.faqs.org/faqs/compression-faq, http://www.faqs.org/faqs/mpeg-faq, http://drogo.cselt.stet.it/mpeg/, i http://bs.hhi.de/mpeg-video/.

MPEG-2 STANDARD

U toku izrade MPEG-1 standarda uočeno je da se mnogi važni aspekti prenosa i zapisasekvenci slika ne mogu obuhvatiti jednim standardom. Stoga se istovremeno započelo sa radom na MPEG-2 standardu koji predstavlja ekstenziju MPEG-1 standarda sa ciljem da pokrije niz primena i širok spektar rezolucija počev od 352×288×30 do 1920×1152×60. MPEG-2 standard je prvenstveno namenjen za distribuciju digitalnog televizijskog signala, CCIR-601 ili HDTV, u opsegu bitskih protoka od 2 Mb/s do 20 Mb/s. Osnovne novine kod MPEG-2 standarda su: povećan bitski protok, formati slike sa i bez proreda, skalabilnost po kvalitetu i vremenu, poboljšani postupci kvantovanja i kodovanja, itd.

Tipovi slika u MPEG-2 standardu

Pošto je prvenstveno namenjen kompresiji TV signala, MPEG-2 standard dozvoljavakorišćenje oba načina skeniranja slike: progresivno skeniranje i skeniranje sa proredom.Struktura slika sa progresivnim skeniranjem ista je kao u MPEG-1 standardu, samo što suopsezi rezolucija i učestanosti slika veći. Uvođenje mogućnosti kompresije slika skeniranih sa proredom dovelo je do definicije dva nova tipa slika u MPEG-2 standardu. Kompozitna slika se dobija kada se neparne i parne slike učešljaju i dobijena slika tretira kao celina. Takve slike su pogodne za kompresiju relativno mirnih sekvenci, tj. sekvenci sa malo pokreta. Drugi tip slike kod analize sa proredom se dobija kada se poluslike tretiraju kao zasebne slike. U postupku kompresije, sva tri tipa slika se mogu kodovati kao I, P ili B slike.

Hijerarhija podataka u MPEG-2 standardu

Hijerarhijska struktura podataka u MPEG-2 standardu je vrlo slična strukturi iz MPEG-1 standarda. Na najvišem stupnju hijerarhije je sekvenca, koja se sastoji od grupa slika. Grupa slika se može sastojati od proizvoljne mešavine sva tri tipa slika. Ako se koriste poluslike, one se uvek moraju pojaviti u paru. Ako je neparna poluslika P (B) tipa, onda i parna poluslika mora biti istog tipa. Ako je neparna poluslika I tipa, onda parna poluslika može biti I ili P tipa. Slika se sastoji od makroblokova. Na najnižem stupnju hijerarhije je blok od 8×8 piksela. Jedan MPEG-2 makroblok se sastoji od četiri bloka luminentne komponente video signala i odgovarajućeg broja blokova hrominentnih komponenata. MPEG-2 standard dozvoljava tri formata hrominentnih komponenata, Cb i Cr. U 4:1:1 formatu, u jedan makroblok ulazi po jedan 8×8 blok od svake hrominentne komponente, kao i kod MPEG-1 standarda. U 4:2:2 formatu, u jedan makroblok ulaze po dva 8×8 bloka od svake hrominentne komponente, dok u 4:4:4 formatu u jedan makroblok ulaze po četiri 8×8 bloka od svake hrominentne komponente. Dakle, u MPEG-2 standardu jedan makroblok se sastoji od 6, 8 ili 12 blokova od 8×8 piksela.

Kompenzacija pokreta

Kompenzacija pokreta se vrši na sličan način kao u prethodno opisanim standardima i vrši

se na nivou makroblokova. Međutim, zbog uvođenja slika sa skeniranjem sa proredom, uvedene su i neke nove mogućnosti za estimaciju pokreta. Kod slika dobijenih progresivnim skeniranjem, estimacija pokreta se vrši na isti način kao u MPEG-1 standardu, tj. poređenjem sa prethodnom ili narednom referentnom slikom, ili poređenjem sa obe referentne slike. Kod slika dobijenih skeniranjem sa proredom sa razdvojenim poluslikama, estimacija pokreta se vrši nezavisno za svaku vrstu poluslika. Dakle, u estimaciji pokreta neparnih poluslika koriste se samo referentne eparne poluslike, a isto važi i za parne poluslike. Koriste se sva tri opisana načina estimacija pokreta, estimacija unapred, estimacija unazad i bidirekciona estimacija. Najinteresantnija je estimacija pokreta kod kompozitnih slika dobijenih skeniranjem sa proredom, gde su dozvoljene obe mogućnosti. Estimacija pokreta se može vršiti na osnovu kompozitnog signala ili signala poluslika. Izbor najboljeg načina estimacije se vrši na nivou makrobloka, a zavisi od količine pokreta u makrobloku. Ako je u okviru makrobloka izražen pokret, bolje je estimaciju vršiti na osnovu poluslika, jer se korišćenjem kompozitnog signala dobijaju pogrešni vektori pomeraja. S druge strane, ako je pokret u makrobloku mali, bolje je koristiti estimaciju na bazi kompozitnog signala, jer estimacija na bazi poluslika ne koristi sve raspoložive informacije.

Implementacija MPEG-2 standarda

MPEG-2 standard je suviše kompleksan za softversku implementaciju, s obzirom da jenamenjen za kompresiju i dekompresiju video signala koja treba da se obavi u realnom vremenu. Zato se u praksi sreću isključivo hardverske implementacije u vidu jednog ili skupa integrisanih kola. Najznačajniji proizvođači i integrisana kola koja implementiraju MPEG-2 standard su:

1. SGS-Thomson je proizveo prvo integrisano kolo za MPEG-2 standard, STi-3500.

2. C-Cube proizvodi integrisano kolo CL-950.

Najnovije informacije o MPEG-2 standardu, kao i o novim hardverskim implementacijama,mogu se naći na Internet adresama: http://cselt.stet.it/mpeg/ i http://bs.hhi.de/mpeg-video/.

MPEG-4 STANDARD

Početkom devedesetih godina započet je rad i na MPEG-4 standardu, koji je trebalo da definiše prenos slike kanalima malog kapaciteta, zaključno sa 64 Kb/s, a prvenstveno u opsegu od 8 Kb/s do 32 Kb/s. Kasnije je cilj MPEG-4 standarda proširen tako da je to sada generički standard za kodovanje audiovizuelnih informacija, koji dozvoljava interaktivnost, veliki stepen kompresije, univerzalni pristup, i ima visok stepen fleksibilnosti i mogućnosti proširenja. S obzirom da je MPEG-4 standard za multimedijalne aplikacije, algoritmi koji su primenjeni u MPEG-4 standardu predstavljaju scenu kao skup audiovizuelnih objekata, između kojih postoje

neke hijerarhijske relacije u prostoru i vremenu. Na najnižem hijerarhijskom nivou nalaze se primitivni medijski objekti, kao što su, na primer, mirne slike (fiksna pozadina scene), vizuelniobjekti (ličnost koja govori, bez pozadine), audio objekti (glas govornika), itd. Ovakav pristupdonosi povećanje stepena kompresije, povećanu interaktivnost i omogućava integraciju objekatarazličite prirode, kao što su: prirodna slika ili video, grafika, tekst, zvuk, itd. MPEG-4 standard nudi osam novih funkcija, koje ne podržavaju ostali slični standardi, a koje se mogu podeliti u tri klase:a) Interaktivnost na bazi sadržaja:

1. Manipulacije sekvencom bita na bazi sadržaja i editovanje.2. Alati za pristup multimedijalnim objektima na bazi sadržaja.3. Slučajni pristup objektima.4. Hibridno prirodno i sintetičko kodovanje podataka.

b) Kompresija:5. Poboljšana efikasnost kodovanja video signala.

c) Univerzalni pristup:6. Robustnost na greške i gubitke informacija u šumnim sredinama.7. Skalabilnost objekata (dodavanje i odstranjivanje video objekata).8. Skalabilnost prostorne i vremenske rezolucije objekata.

Digitalna transmisija

Pošto smo opisali MPEG-2 standard, sad je na redu da malo pojasnimo kako se on prenosi putem analognih kablovskih sistema. MPEG-2 transportni tok pretpostavlja da su greške prilikom transmisije nemoguće, pa da bi se ovo kompenzovalo dodaje se FEC (forward error correction) pri multipleksiranju, pre same modulacije.

Modulacija

Poenta modulacije kod je ista kao i kod analognih. Iako se vremenska modulacija kod digitalni signala pokazala kao vrlo efikasna i uspešna, frekvencijska modulacija ipak ostaje važan deo priče. Naime digitalna kola su ograničene brzine, pa stoga ne mogu da podrže TDM(time division multiplexing) strukturu u okviru spektra kabla koji je širine 1GHz. Tako deobom spektra na delove od po 6MHz, značajno smanjuje zahteve za brzim digitalnim kolima, u okviru kojih se TDM koristi i gde dolazi do izražaja.

Dodatni razlog za dalje korišćenje FDM(frequency division multiplaexing), je taj što u okviru nje postoje dobri ulovi za prelazak sa analogne na digitalnu televiziju. Mnogo kablovski sistemi u okviru svoje ponude imaju digitalne programe, kao i opciju da se pređe na digitalnu televiziju za zahtevnije korisnike. Prisustvo i analognog i digitalnog signala je moguće zahvaljujući STT-u(Set-Top terminalu), i ovim deljenjem spektra, na jedan predviđen za analogn kanale a drugi za digitalne stvorena je osnova za prelazak sa analogne na digitalnu televiziju.

FEC

Jedna od najvažnijih osobina digitalnog signala je ta što se na njega mogu dodati (“nakačiti”) razni dodaci(redundantnosti) koje će se koristiti za detekciju i korekciju grešaka. Kao što smo već ponemuli, kod digitalnog signal može doći samo do dve vrste grešaka, tj konverzija 0 u 1, odnosno 1 u 0. Takođe smo pomenuli i jedan od najednostavnijh načina za detekciju ove greške, a to je provera pariteta.

Neophodni kalitet signala

Digitalni sistemi imaju takozvani “efekat litice”. Naime slike će biti savršena, ili skoro savršena sve do određene granice, koja je određena kvalitetom signala. Kada se ta granica pređe, slike se u potpunosti gubi. Ovo nije slučaj kod analogne televizije, tj tamo se kvalitet slike degradira proprcionalno sa slabljenjem signala usled prisustva šuma koji se na slici detektuje kao sneg. Dakle tamo “litica” ne postoji, ali kod digitalne slike prisutsvo šuma je isključeno. Tzv. duhovi koji se javljaju kod analogne televizije, kod digitalne su takođe nemoguči, tj ukoliko dođe do ditorzije te vrste, jednostavno ćemo ostati bez slike. Na osnovu ovoga, jasno se može zaključiti da se kvalitet analogne slike ne može uporediti sa digitalnom, ali da je u graničnim slučajevima moguće gledati analognu sliku, dok se digitalna u potpunosti gubi.

Međutim, terenska ispitivanja u Severnoj Karolini su nedvosmisleno pokazala da je emitovanje digitalnog signala mnogo bolje i da u predelima gde je kvalitet analogne slike bio na granici prihvatljivog, digitalna slika je bila savršena. Čak šta više u mnogim slučajevima, analognu sliku je bilo nemoguće gledati, ali je zato digitalna imala isti kvalitet.

Kvalitet slike

Iako eksperti mogu vrlo lako da primete nedostatke u digitalnom videu koji je trenutno dostupan, ima jako malo ili skoro da nema žalbi od strane običnih gledalaca. Standardna slika koja se dobija kompresijom videa na 3Mbps korišćenjem MPEG-2 @ML kodera je sasvim zadovoljavajućeg kvaliteta, Još bolji rezultati se postiži kodovanjem pri 4Mbps, čime se dobija DVD kvalitet slike. Filmovi se kodiraju na brzini od 12Mb/s korišćenje MPEG-2 @HL, čime se gotovo uopšte ne gubi na kvalitetu slike.

Standardi digitalne televizije

Standardi su od vitalnog značaj za razvoj digitalne televizije. Proizvodnja uređaja potrebnih za njenu implementaciju je veoma skupa i isplativa jedino u okviru masovne proizvodnje. Ovi standardi ujedno i podržavaju dalji razvoj ove tehnologije.

U emitovanju zemaljskog signala standardizovan format digitalne televizije mora da postoji kako bi bio prihvatlji(razumljiv) za sve vrste prijemnika.

U okviru kablovske, pa i satelitske televizije slični standardi su bili odmah u startu razvijeni, ali se čak i tom slučaju sveopšte prihvaćeni MPEG-2 standard pokazao kao prihvatljivije i ekonomičnije rešenje.

ATSC (Advanced Television System Committee) je razvio standard za digitalnu televiziju koja se emituje preko zemaljskih stanica. Definiše sledeće stvari:

Izvorno kodovanje i kompresija: MPEG-2(video) AC3(audio)

Multipleksiranje i transport: Sloj MPEG-2 sistema predviđen za multipleksiranje i transport

RF transmisija: 8-VSB ( zemaljsko emitovanje); 16-VSB(za veće brzine protoka podataka)

Navigacia kroz programski sadržaj u okviru servisa multipleksiranja je definisana programom i sistemskim informacionim protokolom.

Najnovije informacije o MPEG-2 standardu, kao i o novim hardverskim implementacijama, mogu se naći na Internet adresama: http://www.atsc.org

SCTE

SCTE ( Societe of Cable Telecommunications Engeneers) je akreditovano telo Američkog Nacionalnog instituta za standarde. Ono se bavi uspostavljanjem standarda u okviru kablovske televizije.

DVSCS ( Digital Video Systems Characteristics Standars) određuje skup MPEG-2 video kompresija prihvaćenih u okviru kablovske televizije.

Digital Video Transmission Standard za kablovsku televiziju opsiuje strukturu frejmova, kodovanje kanala, i modulaciju kanala za realizaciju digitalnog multiservisnog distribucionog sistema. Standard se odnosi i na signale koji se distribuiraju putem satelita do kablovskih sistema i njime je pokrivena i 64-QAM i 256-QAM.

OpenCable

OpenCable je projekat CableLabs kompanije, i sastoji se od seta specifikacija koje se odnose na razvoj hardveskih i softverskih rešenja koja će definisati sledeću generaciju korisničkih uređaja. OpenCable korist SCTE standarde za video i transportne zahteve. Cilj ovog projekta je da stvori okruženje za u kojem će se razvijati hardver i softver za kablovsku televiziju, kao i da se razvije standarde za proizvodnju set-top terminala. Ovaj projekat je započeo tako što je vodečim kompjterskim i kompanijama koje se broizvodnjom elektronske opreme, upućen poziv da dostave što više korisnih informacija koje se odnose na standarde. Na ovaj poziv se odazvalo 23 kompanija.

Ključni OpenCable interfejsi uključuju formate za digitalnu televiziju, sistem za zaštitu privatnosti korisnika, sistem za zaštitu autorskih prava, interfejs za brzu konekciju sa Internetom.

Kao naslednik OpenCable se pojavljuje servis pod nazivom Tru2way. Ovo je interaktivni digitalni servis koji se promoviše u okviru kablovske televizije. On podrazumeva interaktivne programe, reklame, igre, čet, surfovanje Internetom itd. Veliki američki kablovski operatori su ovaj sistem počeli da uvode od 2009. godine.

Kompatibilnost digitalne kablovske

Bilo je uloženo mnogo napora da se stvore standardi za kompatibilne uređaje za kablovsku televiziju, koji će biti dostupni kupcima. Kablovski operatori i proizvođači elektronske opreme za digitalnu televiziju su da će usaglašavanjem između sebe i jedni i drugi imati koristi.

Memorandum o razumevanju (MOU) koji je postignut između 8 najveći kablovskih operatera i 14 proizvođača elektronske opreme je poslat predsedavajućem odborniku u FCC-u, 19 decembra 2002. godine. Iako ovaj memorandum nije pokrio sve aspekte kao što se očekivalo, ipa se saglasio sa većinom standarda koji su se odnosili na uspešna podešavanja, demodulacije, skremblovanja i deskremblovanja, i dekodiranja digitalnog programa. Na kraju krajeva, ipak moramo uzeti u obzir da je ovo tek prvi korak ka postizanju isključivo digitalne kablovske televizije, i važno je da naglasimo da se zagovara pristup sve ili ništa, odnosno digitalna kablovska televiija mora biti savršena ili je neće biti.

Ovo su neki od SCTE standarda koje je neophodno ispuniti kako bi se omogućila plug-and-play kompatibilnost:

Specifikacije o mrežno kablovskom interfejsu (Cable Network Interface) definišu interfejs pri povezivanju između kablovske stanice i kompatibilnog prijemnika. U okviru ovih specifikacija uključeni su detalji o RF transmisiji, video i audio kompresiji, uslovnom pristupu, EAS- sistem hitne uzbune, itd.

“Digital Video Service Multyplex” i “Transport System for Digital Cable” specifikacija uključuju razne operacione parametre koji se odnose na transportni sloj MPEG-2 standarda, kao i niz ograničenja koja će osigurati kompatibilnost

“The Service Information Delivered Out-of-Band for Digital Cable Television” je specifikacija koja opisuje način slanja navigacionih informacija koja, nakon što se prikažu na prijemniku, korisniku omogućavaju lako pretraživanje i odabir kanala.

“The Host-POD(point-of-deployment) Interface” specifikacija definiše obaveze kabloskih operatora prema korisniku, ukoliko on želi da gleda premijum kanala. U tom slučaju operator je u obavezi da korisniku dostavi tzv. POD module.

“The POD Copy Protection System” specifikacija se odnosi na zaštitu od kopiranja i piraterije signala koji prođe kroz POD module.