Цифровая передача изображений

Появление компьютерных технологий позволило улучшить способы воспроизведения видеоизображений на компьютерах и в телевизорах. В настоящее время цифровые видеоизображения широко распространены в Интернете, где имеются видеофайлы всех типов.

В области телевидения Федеральная комиссия связи (FCC) работает над тем, чтобы большинство коммерческих телекомпаний перешли с аналогового вещания на цифровое приблизительно к 2006 году. Цифровое изображение можно передавать на большее расстояние, при этом картинка получается четче. Это стало возможным благодаря тому, что ошибки передачи, вызванные радио и электромагнитными помехами, можно скорректировать с помощью контрольной информации, передаваемой вместе с цифровым сигналом. Коды исправления ошибок позволяют телевизору мгновенно обнаруживать и исправлять искажения, вызванные перекрестными помехами. Сигнал может передаваться (без необходимости преобразования из аналогового представления в цифровое) со скоростью 20 Мбит/с и выше.

Совет

Дополнительную информацию о планах перехода от аналогового вещания к

цифровому телевидению можно найти на веб-сайте FCC по адресу

www.fcc.gov/dtv.

Цифровое телевидение и передача видеоизображений в сети являются близкими родственниками, поскольку они используют оцифрованные изображения. Важным различием между ними является то, что для сетевых передач видео применяются несколько технологий, а в цифровом телевидении, по сути, используется только одна технология (MPEG-2). На компьютерах и сетях распространены три технологии сжатия видеоизображений:

• Audio Video Interleave (AVI);

• Motion Pictures Experts Group (MPEG);

• фрактальное сжатие изображений.

Каждая из технологий подробно рассматривается в следующих разделах.

Audio Video Interleave (AVI)

Audio Video Interleave (AVI) это метод форматирования комбинирования аудио- и видеофайлов, предложенный компанией Microsoft для использования в системах Windows версии 3.1 и выше. AVI на самом деле является подмножеством формата Resource Interchange File Format (RIFF) (Формат файлов для обмена ресурсами), разработанного совместно компаниями Microsoft и для воспроизведения коротких аудио- и видеоклипов. В файлах этого формата видео- и аудиоданные чередуются: сначала идет видеоклип, затем сопровождающий его аудиоклип, затем снова видеоклип и т. д. Стандарт AVI имеет недостатки, относящиеся к качеству воспроизведения и транспортировке по ceти. Кроме того, файлы получаются относительно большими.

Motion Pictures Experts Group (MPEG)

Motion Pictures Experts Group – это группа в составе ISO, разработавшая стандарт сжатия Motion Pictures Experts Group (MPEG), который часто применяется на компьютерах, в средствах мультимедиа и Интернете. MPEG версий

(MPEG-2) предусматривает также методы доставки комбинированных аудио- и видеосигналов в системах цифрового телевидения. Цифровой телевизор воспроизводит передаваемый сигнал MPEG-2 так, как это происходит на компьютере.

Согласно стандарту MPEG-2, существуют три уровня разрешения:

1. 704 х 480 пикселов с построчной разверткой (также обозначается 480р);

2. 1280 х 720 пикселов с построчной разверткой (также обозначается

720р);

3. 1920 х 1080 пикселов с чересстрочной разверткой (также обозначается

I080р)

Примечание

На экране компьютерного монитора или цифрового телевизора пиксель (pixel) представляет собой маленькую точку света. Построчная (progressive) развертка означает, что за секунду передается до 60 кадров, а при чересстрочной,(interlaced) развертке за секунду передается до 30 кадров. Уровни 720р и 1080р относятся к высококачественному воспроизведению, отсюда и идет название цифровое телевидение высокой четкости (High-definition digital TV (HDTV). Для сжатия видеоизображений стандарт MPEG использует комбинацию трех методов:

1. сжатие с потерями (как в изображениях JPEG), прогностическое кодирование и двунаправленную интерполяцию.

2. Сжатие с потерями (lossy compression) учитывает тот факт, что человеческий глаз не различает небольших изменений цвета. Таким образом, при сжатии некоторые разряды в кадрах отбрасываются. При распаковке получается изображение, близкое к оригиналу, при этом некоторые изменения цветов не заметны для человеческого глаза. Недостаток сжатия с потерями заключается в следующем: чем больше удаляется разрядов, тем более заметными становятся изменения цветов при распаковке кадра. При использовании этого метода существует предел приемлемого сжатия, приблизительно равный 24:1.

Метод сжатия с потерями, примененный в MPEG, первоначально использовался в распространенном стандарте сжатия Joint Photographic Experts Group (JPEG), созданном ISO и ITUT. В этом стандарте для сжатия также задействуется кодирование по методу Хаффмана, которое чаще всего встречающиеся фрагменты изображения представляет короткими двоичными последовательностями, а реже встречающиеся – более длинными последовательностями. В результате этого сокращается общее число использованных двоичных разрядов. Сжатие JPEG предназначается для неподвижных изображений и не обеспечивает такой коэффициент сжатия, который требуется для передачи последовательности кадров через сеть или модемы. Поэтому MPEG объединяет сжатие JPEG с прогностическим кодированием и двунаправленной интерполяцией. При такой комбинации методов достигается больший коэффициент сжатия, чем тот, который возможен при использовании одного сжатия JPEG.

3. При прогностическом кодировании (predicted encoding) предполагается, что часть кадра содержит некоторый фрагмент, который присутствует также и в предыдущем кадре. Вместо того чтобы использовать сжатие JPEG для всего кадра, создаются указатели на блоки пикселов из предыдущего кадра. Это позволяет избежать дублирования той части изображения, которое не менялось. При прогностическом кодировании кадр делится на блоки размером 16 х 16 пикселов и на их основе создаются указатели на соответствующие блоки (рис. 1).

4. Двунаправленная интерполяция (bidirectional interpolation) напоминает прогностическое кодирование, однако указатели строятся на идентичные блоки пикселов, которые располагаются как в предыдущем, так и в последующем кадрах (рис. 2). В стандарте MPEG применение всех рассмотренных методов сжатия кадров видеоизображения позволяет достигнуть скорости передачи 1,5 Мбит/с. Это довольно впечатляющая скорость, если учесть сложность передаваемой информации и сложность математических алгоритмов, использованных при сжатии и распаковке.

Нa момент написания книги существовали различные уровни MPEG, которые уже были утверждены или находились в разработке. Перечень этих ровней содержится в табл. 1.

Таблица 1. Уровни MPEG