Principiile televiziunii digitale - Caracteristici ale fluxului video

Principiile televiziunii digitale

Caracteristici ale fluxului video

Fluxul video (Frame rate) - exprima numarul de imagini afisate pe ecran succesiv intr-o secunda, Se exprima in fps ( frames/second

Valoarea acestuia depinde de standard, spre exemplu s-a adoptat un flux video:

pentru televiziune in sistem analogic de 25 fps in Europa si de 29,79 in America (NTSC);

pentru filme s-a adoptat 24 fps.

Intreteserea (interlaced)- consta in a folosi pentru afisare jumatate din liniile cadrului anterior. Astfel in cadrul par se folosesc liniile pare din cadrul curent si liniile impare ale cadrului anterior. Similar pentru cadrul impar.

Scanarea imaginii spunem ca este intretesuta (interlaced). Pentru a specifica intreteserea se foloseste litera "i".

Pentru fiecare cadru de imagine se vor transmite (si receptiona) numai jumatate din liniile cadrului TV (liniile pare si apoi cele impare), determinand o scadere a cantitatii de informatie transmisa.

Daca se transmit toate liniile in fiecare cadru spunem ca scanarea imaginii este progresiva (progressive) si debitul datelor este normal. Pentru a specifica faptul ca se folosesc toate liniile curente se foloseste litera "p" in cadrul standardelor americane.

Toate sistemele analogice de televiziune (NTSC, PAL si SECAM) folosesc intreteserea pentru transmiterea imaginilor de televiziune.

Nota: Pentru televizoarele cu plasma, videoproiectoare si televizoarele TFT sau LCD (cu leduri) se impune eliminarea intreteserii imaginii, ceea ce va determina o scadere a calitatii acesteia fata de imaginea originala.

Rezolutia imaginii - este data de numarul de linii ce pot fi afisate in cazul sistemelor analogice de televiziune si respectiv de numarul de pixeli in cazul televiziunii digitale.

Se foloseste o codificare din 3 cifre si o litera indicand numarul de coloane, numarul de linii, intreteserea si frecventa de transmitere & afisare a cadrelor (fluxul video).

In cazul sistemelor analogice de televiziune avem    720x576i50 pentru transmisia in codificare PAL , 640x480i60 pentru transmisia in codificare NTSC iar in cazul HDTV una din rezolutii este 1920x1080p60.

Numarul de pixeli, in cazul televiziunii digitale, se calculeaza ca produs dintre numarul coloanelor si al liniilor. Spre exemplu    in cazul standardului de rezolutie 1920x1080p60 se afiseaza 1920x1080= 2.073.600 pixeli=2 Mp.

De notat ca forma pixelului , in cazul imaginilor 2-D, poate fi patrata (daca suprafata de afisare are latimea egala cu lungimea) sau are forma dreptunghiulara (datorita formei dreptunghiulare a ecranului).

In cazul imaginilor 3-D se foloseste unitatea spatiala voxel (volume picture element) adaugand la codificare un numar care sa exprime adancimea (distanta la care se    afla elementul in raport cu suprafata).

Spre exemplu exista standardul 512x512x512 voxeli.

Aspectul ecranului - reprezinta raportul dintre latime si inaltime. In cazul televizoarelor clasice se foloseste raportul 4:3 (1,33) si in cazul celor mai noi se foloseste raportul 16:9 (1,78). Pentru filmul de 35 mm raportul dintre latime si inaltime este 1,37:1.

Numarul de culori - reprezinta numarul de culori distincte care poate fi afisat pe ecran. Depinde de numarul de biti (bpp - bits per pixel) cu care se transmite informatia de crominanta.

Sistemele de televiziune folosesc, pentru calcularea culorilor, informatia de luminanta "Y" si doua elemente care specifica crominanta (respectiv Y+I+Q la NTSC, Y+U+V la PAL, Y+Db+Dr la SECAM). Codarea informatiei de luminanta si crominanta se poate face cu mai multi sau mai putini biti. Astfel in sistemul denumit 4:4:4 se foloseste acelasi numar de biti pentru fiecare din cele trei componente , pe cand in sistemul 4:2:2 reduce la jumatate numarul de biti pentru reprezentarea informatiei de crominanta.

Daca luminanta se transmite prin 8 biti in cazul standardului 4:2:2 informatia de crominanta foloseste inca 8 biti (4 biti pentru U si 4 biti pentru V, la o codificare PAL).

Metoda de compresie - se refera la modalitatea prin care se micsoreaza numarul de biti alocati reprezentarii numerice a imaginilor. Pentru a micsora fluxul datelor care se transmit (sau care se memoreaza) se foloseste compresia MPEG - 2 pentru televiziunea prin satelit si pentru inregistrarea pe DVD si compresia cu standardul MPEG - 4 in cazul HV (home video).

Debitul de bit - indica, in cazul televiziunii digitale, debitul fluxului video exprimat in Mbps. Valorile mai mari ale debitului determina o mai buna calitate a imaginii afisate.

Spre exemplu se folosesc fluxuri de 1 Mbps pentru redarea imaginilor de pe CD, 5 Mbps pentru DVD, 10 Mbps pentru HDTV.

Streaming - este o tehnologie care permite vizionarea si ascultarea in timp real a informatiei multimedia fara un download complet.

Clasificare

Televiziunea digitala DTV (Digital television), in functie de carcteristicile imaginii, se poate calsifica astfel:

televiziunea de definitie standard SDTV (Standard definition), asigurand rezolutia televiziunii analogice;

televiziunea cu definitie imbunatatita EDTV (Enhanced definition);

televiziunea de inalta definitie HDTV High-definition television

SDTV pentru un format al imaginii de 4:3 asigura pentru fiecare din cele 480 linii ale unui cadru un numar de 640 pixeli / linie cu pixeli de forma patrata sau 704 pixeli / linie pentru pixeli dreptunghiulari (raport 10:11).

Pentru un formatul imaginii de 16:9 asigura pentru fiecare din cele 480 linii un numar de 704 pixeli / linie cu pixeli dreptunghiulari (raport 40:33).

Nota: NTSC asigura afisarea a 525 linii iar PAL si SECAM asigura afisarea a 625 linii pe fiecare cadru.

Numarul de cadre pe secunda ( numit si rata de refrisare) este de 24, 30, 60 fps imagini pe secunda in cazul televiziunii iar in cazul monitoarelor rata poate fi mai mare ( spre exemplu 100 fps).

Standarde pentru televiziunea difuzata

Standardele care pot difuza programe de televiziune la calitate SDTV si HDTV sunt:

DVB (Digital Video Broadcasting) pentru Europa;

ATSC (Advanced Television Systems Committee) pentru America si Canada,

ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting) pentru Japonia.

Sistemul DVB, folosit pentru transmisia SDTV si HDTV, de fapt are trei specificatii si anume:

DVB-T (Terrestrial), pentru transmisia terestra;

DVB-S (Satellite), pentru transmisia prin intermediul satelitilor;

DVB-C (Cable), pentru transmisia prin cablu.

Cele trei sisteme utilizeaza tehnici de modulatie diferite, astfel:

DVB-T utilizeaza 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) sau 64-QAM la care se adauga codarea canalului COFDM si modulatia ierarhica (hierarchical moculation) ;

DVB-S utilizeaza 8-PSK sau 16-QAM;

DVB-C utilizeaza 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM, sau

256-QAM

Nota: COFDM (Coded Orthogonal Frequency-Division Multiplexing este o tehnica de modulatie cu mai multe sub-purtatoare ortogonale ( se folosesc sau 8192 sub-purtatoare). Fiecare sub-putatoare este modulata ( 16-QAM sau 64-QAM) cu semnalul util - semnal in banda de baza, cu debitul normal (mic). Modificarea debitului de biti se face prin modificarea numarului de sub-purtatoare. Astfel pentru un debit mai mare se aloca unui canal de televiziune mai multe sub-putatoare, bineinteles informatia corespunzatoare canalului fiind impartita pe toate sub-putatoarele alocate.

Semnalul video si audio generat de o camera digitala (un canal de televiziune) este comprimat utilizand standardul MPEG-2 (Moving Picture Experts Group).

Camera furnizeaza 50 fps (59,94 fps pentru standardul american).

Pentru a scadea debitul datelor uneori se foloseste intreteserea transmitand in cadrele pare numai liniile pare si in cadrul urmator (impar) numai liniile impare. La receptie se folosesc liniile curente si liniile primite anterior

Fiecare pixel al unei linii este reprezentat de trei marimi YCbCr - una pentru luminanta (Y) si doua (CbCr) pentru crominanta.

Pentru reprezentarea digitala a celor trei marimi se pot folosi mai multi sau mai putini biti (spre exemplu cate 8 biti pentru fiecare marime).

Formatul 4:4:4 aloca acelasi numar de biti pentru fiecare marime. De fapt "4" semnifica o frecventa de esantionare de 13,5 MHz iar "2"     semnifica jumatatea frecventei (6,75 MHz).

Formatul 4:2:2 foloseste un numar dublu de esantioane pentru luminanta fata se semnalul de crominanta (pentru ca semnalul de luminanta se esantioneaza cu 13,5 MHz iar semnalul de crominanta se esantioneaza cu 6,75 MHz) . Exista si formatul 4:2:0 care este folosit in cadrul standardului MPEG-2, prin care dupa 4 esantioane de luminanta urmeaza semnalul de crominanta (2 pentru cele doua diferente de culoare).

In continuare este prezentata succesiunea prelucrarilor ce se efectueaza asupra imaginilor furnizate de camera pentru a putea fi transmise sau inregistrate.

O prima etapa consta in reducerea debitului de informatie prin comprimarea datelor.

Pentru comprimarea cadrelor se folosesc trei moduri de comprimare, cadrul preluand numele metodei, astfel avem cadre:

IF (intra-coded frames) codarea in interiorul cadrului curent, fara legatura cu alte cadre;

PF (predictive-coded frames), contine diferentele dintre valorile actuale (din cadrul curent) si valorile din cadrul anterior refacut;

BF bidirectionally-predictive-coded frames contine diferentele dintre valoarea actuala si valoarea din cadrul anterior

Cadrele IF se obtin din cadrul curent (care este de fapt o imagine statica) prin impartirea imaginii in blocuri patrate cu latura de 8 pixeli. Prin transformarea cosinusoidala discreta fiecare bloc este convertit intr-o matrice de coeficienti (ai dezvoltarii cosinusoidale) de 8x8 (se trece de la domeniul spatiului plan xy la domeniul frecventa).

Etapa urmatoare consta in cuantizarea elementelor matricii, care consta in alocarea unei valori digitale valorii elementului din matrice. Prin stabilirea adecvata a pragurilor de cuantizare o parte din elementele matricii vor fi zero si anume coeficientii corespunzatori frecventelor care nu contribuie prea mult la refacerea (ulterioara) a imaginii.

Elementele matricii sunt ordonate asa ca sa fie cat mai multe zerouri succesive.

In continuare se aplica o codare de tipul Huffman elementelor matricii ordonate. Se obtine un numar de biti mult mai mic decat cel alocat pixelilor din blocul prelucrat.

Pentru a construi un cadru PF se reface imagine anterioara care se imparte in blocuri patrate cu latura de 16 pixeli si fiecare bloc cauta sa fie identificat in imaginea curenta. Se calculeaza deplasamentul blocului curent fata de blocul din imaginea anterioara - deplasament care se numeste vector de miscare (motion vector) si, pentru ca blocul nu este chiar identic cu cel cautat, se calculeaza diferenta dintre blocuri. Cadrul PF va fi format din vectorii de miscare si diferentele dintre blocuri.

Cadrul BF se construieste similar cadrului PF, dar nu reface imaginea ci foloseste numai blocul din cadrul anterior.

Modul de formare a cadrelor face ca un cadru PF sa contina un numar de biti de 10% fata de un cadru IF, iar BP 2% fata de un cadru IF.

Succesiunea cadrelor comprimate, in fluxul datelor ce se formeaza, este impusa de debitul de informatie si de puterea de calcul a sistemului. In cele mai multe cazuri are 15 cadre in succesiunea IBBPBBPBBPBB ( un cadru IF in fiecare bloc).

Daca transmisia este in timp real se vor folosi mai multe cadre IF, pentru ca timpul de calcul al unui cadru BF este de trei ori mai mare decat pentru calcularea unui cadru IF.

O astfel de structura formeaza un grup GOP (Group Of Pictures) care este tratat de receptor ca o unitate si care se transmite insotit de un header.

In tabelul 1 sunt prezentate debitele pentru diferite formate ale imaginii.

Tabelul 1.

In tabelul 2 in functie de formatul imaginii se definesc diferite profiluri.

Tabelul 2.

Combinatia profil - format determina diferite domenii de aplicatii, prezentate in tabelul 3.

Tabelul 3.

Imaginile comprimate impreuna cu sunetul si eventualele date sunt multiplexate pentru a forma un bloc de date al programului PS (Programme Stream).

Mai multe PS-uri formeaza un bloc de transport MPEG-2 TS (Transport Stream), care de fapt este format din pachete de lungime fixa (188 octeti).

Cu alte cuvinte blocul de transport este impartit in blocuri (pachete) de lungime fixa si anume pachete de cate 188 octeti.

Pachetele de date provenind de la mai multe PS (adica de la mai multe programe de televiziune) sunt multiplexate, pentru ca intarzierile de propagare sa fie cam aceleasi pentru toate programele ce se vor transmite.

In scopul corectarii unor erori cei 188 octeti sunt transformati in 204 octeti pe baza unei codari Reed-Solomon. La receptie pot fi corectati maximum 8 octeti din cei 188 octeti informationali.

Codarea MPEG-2 determina rezolutia imaginilor.

Pentru SDTV sunt permise rezolutiile:

720, 640, 544, 480 sau 352 480 pixeli, 24/1.001, 24, 30/1.001 sau 30 cadre/s ;

352 240 pixeli, 24/1.001, 24, 30/1.001 or 30 cadre/s ;

720, 704, 544, 480 sau 352 576 pixeli, 25 cadre/s ;

352 288 pixeli, 25 cadre/s ;

Pentru HDTV sunt permise rezolutiile:

720 x 576 x 50 cadre/s in modul progresiv (576p50) ;

1280 x 720 x 25 or 50 cadre/s in modul progresiv (720p50);

1440 or 1920 x 1080 x 25 cadre/s in modul progresiv (1080p25 - pentru film);

1440 or 1920 x 1080 x 25 cadre/s in modul intretesut (1080i25);

1920 x 1080 x 50 cadre/s in modul progresiv (1080p50) ;

Comprimarea sunetului, in cazul televiziunii difuzate, se face pe

baza standardului MPEG-2 Audio Layer II (numit MP2 sau Musicam).

De notat ca in cazul calculatoarelor si a Internetului sunetul este comprimat in formatul MP3 (sau MP4 sau Dolby Digital), cu toate ca formatul MP2 functioneaza mai bine la debite mari (peste 192 kbps).

Etapele algoritmului sunt evidentiate in continuare.

Semnalul audio primar este impartit in 32 sub-benzi (din banda

audio 0,,20.000 Hz) si daca se constata ca semnalul in anumite benzi este de amplitudine foarte mica respectivele benzi nu se mai transmit.

Esantionarea se face cu frecvente de 16, 22.05, 24, 32, 44.1 sau

48 kHz, determinand debite din domeniul 8,, 384 kbps.

Standardul poate transmite 5+1 canale de sunet codate.

Dupa ce s-a efectuat codarea Reed-Solomon    se procedeaza la o

rearanjare    a datelor in scopul protectiei datelor, considerate mai importante, la erorile ce apar in transferul prin canalul de comunicatie. In acest mod chiar daca se pierd o parte din datele transmise, cu ceea ce s-a receptionat, se poate reface imaginea. Procesul este cunoscut sub numele de intretesere externa (External interleaving).

O a doua protectie este asigurata de codarea convolutionala (Internal

encoder cu debite de 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 sau 7/8.

Etapa urmatoare consta in modularea digitala a semnalului (QPSK,

16-QAM sau 64-QAM), proces numit mapare (Mapper).

Simbolurile sunt grupate in blocuri de 1512, 3024, 6048 simboluri.

Din 68 blocuri se realizeaza un cadru (frame) iar din 4 cadre se realizeaza un supercadru (superframe)

La blocul de date se adauga semnale pilot TPS (Transmission Parameters Signalling) cu ajutorul carora se identifica transmitatorul si proprietatile canalului de comunicatie.

Se continua cu modularea sub-purtatoarelor ( se folosesc 2048, 4096

sau 8192 sub-purtatoare).

Pentru a scadea complexitatea receptorului in fata blocului se introduce o copie a sfarsitului de bloc (prefix ciclic).

In final semnalul digital (construit ca mai sus) se aplica unui convertor

digital - analog.

Semnalul analogic va modula purtatoarea de radiofrecventa (VHF,

UHF). Banda canalului de radiofrecventa RF este de 6 MHz in America si de 8 MHz Europa.

La receptie etapele se parcurg in sens invers:

Conversia analog - digitala;

Identificarea inceputului de bloc;

Eliminarea prefixului ciclic;

Demodularea OFDM;

Egalizarea;

Eliminarea maparii;

Eliminarea intreteseii interne;

Decodarea interna (algoritmul Viterby);

Eliminarea intreteseii externe;

Decodarea externa;

Adaptarea multiplexorului (MUX adaptation);

Decodarea MPEG-2.

Se impun cateva precizari (si explicatii) privind cativa din termeni folositi in cadrul algoritmului de codare.

FEC (Forward Error Correction) este un sistem de control si corectie a erorilor care apaar la transmisia datelor prin canale de comunicatie. Se refera la faptul ca elementul transmitator al mesajului adauga la mesajul propriu-zis date redundante care sa permita receptorului sa corecteze erorile (o parte din erori) care apar datorita propagarii semnalului prin canalul de comunicatie.

Daca datele nu pot fi corectate receptorul cere (rareori) retransmiterea pachetului. De fapt sistemul a fost implementat tocmai ca sa evite retransmiterea (din motive de micsorare a ratei efective de transfer).

Sistemul este implementat inaintea blocului de conversie analog - digitala.

S-au impus trei tipuri de sisteme de corectie a erorilor FEC:

- codarea pe blocuri de lungime fixa;

- codarea convolutionala;

- turbocodarea.

Dintre codarile pe blocuri evidentiem codarea Reed-Solomon (aplicata la CD si DVD), codarea Hamming, codarea BCH si codarea Golay (aplicata in comunicatiile mobile).

Unul din sistemele FEC convolutionale actualmente utilizate este algoritmul Viterby (in CMDA, GSM, TV, recunoasterea vorbirii, prelucrarea imaginilor,     s.a.).

Turbocodul combina un cod convolutional cu o schema de intretesere pentru a obtine o codare pe bocuri (de lungime fixa). Spre exemplu se aplica in algoritmul de codare a sunetului (vezi, mai sus, algoritmul) si la sistemul de comunicatii mobile CMDA 2000.