SERWIS ELEKTRONIKI

Ci¹gi skompresowanych sygna³ów wideo i audio odpowiadaj¹cych
nadawanym programom s¹ multipleksowane i wykorzystane
do modulacji noœnej nadawanej przez nadajnik. Satelitarna
telewizja cyfrowa wykorzystuje czêstotliwoœci z zakresu
10700 ÷ 12750 MHz i metodê modulacji QFSK (Quadrature
Frequency Shift Keying).
Naziemna telewizja cyfrowa ogranicza siê do pasma UHF
z podzia³em na 8 MHz kana³y telewizyjne. W kanale 8 MHz
mo¿na zmieœciæ zmultipleksowany sygna³ dla 5 ÷ 10 ró¿nych
programów. Na rysunku 1 przedstawiono podstawowe elementy
systemu telewizji cyfrowej.
Program1
Program2
Program3
Analogowy
sygna³ fonii
Analogowy
sygna³ fonii
Wideo
Audio
Wideo
Audio
Przetwornik
AD
Przetwornik
AD
MPEG
enkoder
MPEG
enkoder
Pakietyzacja
Pakietyzacja
Pakiety
188 B
Pakiety
188 B
Rys.1. Elementy systemu telewizji cyfrowej
Sygna³y wideo i audio pochodz¹ce z kamery s¹ zamieniane
na postaæ cyfrow¹. Konwersja sygna³u obrazu na sygna³
cyfrowy polega na próbkowaniu sygna³u ramka po
ramce i linia po linii. Aby zachowaæ dobr¹ jakoœæ sygna³u,
iloœæ próbek musi byæ co najmniej równa iloœci pikseli w
linii obrazu.
Cyfrowe sygna³y wideo i audio s¹ nastêpnie poddawane
kompresji w koderze MPEG. Na wyjœciach koderów uzyskuje
siê pakiety sygna³ów cyfrowych. Pakiety s¹ dalej dzielone na
mniejsze pakiety zawieraj¹ce 188 bajtów, a nastêpnie podawane
s¹ do multipleksera. 188 bajtowe paczki sygna³ów pochodz¹ce
z czterech, piêciu lub wiêkszej liczby ró¿nych Ÿróde³
(ró¿nych programów) s¹ multipleksowane tworz¹c ci¹g sygna³ów
kana³u, który jest nastêpnie modulowany i transmitowany.
Dodatkowo pakiet sygna³ów nadawanych w danym kanale
telewizyjnym przechodzi przez uk³ad korekcji b³êdów -
Forward Error Correction. Korekcja b³êdów s³u¿y do korekcji
wad sygna³u po stronie odbiornika spowodowanych przez
medium transmisyjne.
Kompresja MPEG
Standardy MPEG nale¿¹ do metod nieodwracalnych tzn.
takich, których czêœæ informacji nieistotnych w odtwarzanym
obrazie jest bezpowrotnie tracona w procesie kodowania. Metoda
kompresji wykorzystuje:
• korelacjê przestrzenn¹ (wewn¹trz obrazow¹);
• korelacjê czasow¹;
• w³aœciwoœci ludzkiego oka;
• w³aœciwoœci statystyczne programu.
Celem kompresji jest usuniêcie nieistotnych czêœci sygna-
³u wideo i dokonanie redukcji bitów sygna³u wideo. Proces
kompresji sk³ada siê z trzech czêœci:
• przygotowania danych;
• kompresji danych;
Multiplekser
Uk³ad
korekcji
b³êdów
FEC Modulator
Telewizja HDTV
• kwantyzacji i transformacji danych.
Przygotowanie danych musi zapewniæ dobr¹ organizacjê danych
w sposób odpowiedni dla procesu kompresji. Proces przygotowania
polega na dzieleniu sygna³u wideo na czêœci. Na rysunku
2 przedstawiono sposób organizacji ci¹gu danych wideo
w grupy obrazów i organizacjê danych w obrêbie grupy.
…
Obraz
Sekwencja bitów wideo
Grupa obrazów
Rys.2. Organizacja danych obrazu
Sekwencja bitów wideo rozpoczyna siê nag³ówkiem sekwencji,
zawiera jedn¹ lub wiêcej grup obrazów i koñczy siê
kodem koñcowym.
Grupa obrazów z³o¿ona jest z obrazów i nag³ówka grupy.
Obraz to podstawowa jednostka kodowania sekwencji wideo.
Obraz zawiera trzy prostok¹tne matryce danych: pierwsza z
nich reprezentuje sygna³ luminancji Y, dwie nastêpne sygna³y
ró¿nicowe koloru Cr, Cb. Matryca Y zawiera parzyst¹
liczbê rzêdów i kolumn. Matryce Cb i Cr stanowi¹ po³owê
matrycy Y w ka¿dym kierunku (pionowym i poziomym).
Wycinek obrazu sk³ada siê z jednego lub wiêcej ci¹g³ych (wystêpuj¹cych
obok siebie w obrazie) makrobloków. Makrobloki
w wycinku obrazu u³o¿one s¹ w kolejnoœci od lewej
do prawej i od góry na dó³. Wycinki obrazu maj¹ bardzo
du¿e znaczenie przy korekcji b³êdów nadawania. Je¿eli ci¹g
sygna³ów wideo zawiera b³¹d, dekoder mo¿e opuœciæ wycinek
i zacz¹æ przetwarzaæ nastêpny wycinek obrazu. Im wiêcej
wycinków jest w sekwencji wideo, tym lepsza jest korekcja
b³êdów.
Makroblok jest podstawow¹ jednostk¹ w algorytmie MPEG.
Zawiera informacjê odpowiadaj¹c¹ segmentowi obrazu o
wymiarach 16×16 pikseli. W sk³ad makrobloku wchodz¹
cztery bloki informacji o sygnale Y i dwa bloki informacji o
sygna³ach Cr, Cb.
Najmniejszym elementem w algorytmie MPEG jest blok.
Zawiera on informacjê odpowiadaj¹c¹ segmentowi obrazu o
wymiarach 8×8 pikseli. Mo¿e on byæ blokiem informacji o
sygnale Y, lub o sygna³ach Cr, Cb.
Kompresja sygna³ów wideo i audio dokonywana jest wg
okreœlonych standardów:
• MPEG-2 w przypadku telewizji SDTV
• MPEG-4 (H624/AVC) w przypadku telewizji HDTV.
Standard MPEG-2
W standardzie MPEG-2 stosowane s¹ dwie metody redukcji
danych wykonywane w podanej kolejnoœci: czasowa (miêdzypolowa)
i przestrzenna (wewn¹trzobrazowa).
SERWIS ELEKTRONIKI 5/2007 57
…
Wycinek obrazu
Macroblok 16x16 pikseli Blok 8x8 pikseli
Makroblok
Y Cr, Cb
1 2 5
3 4 6
…