Цифровое телевидение и проблемы передачи видеоинформации по сотовым сетям связи. Автор студент гр Андреев С.А. Телевидение нового стандарта качества (ТНСК) включает в себя системы телевидения высокой четкости (ТВЧ - набор стандартов телевизионного вещания повышенного качества посредством каналов связи: кабельные, спутниковые сети, цифровые носители). Передача видеосигнала ТВЧ расстоянии (от вещательной станции до приёмника конечного пользователя) осуществляется в сжатом цифровом виде. Сжатие видео на порядки снижает требования к ширине канала передачи (с 1,485 Гбит/с до 825 Мбит/с), при этом качество изображения остаётся приемлемым. Для кодирования видеосигнала в ТВЧ наиболее часто используются форматы MPEG-2 и MPEG-4/AVC. Логотип HDTV (High Definition Television) MPEG (Moving Picture Experts Group) - название группы стандартов цифрового кодирования видео и аудио сигналов, организации транспортных потоков видео и аудио информации, передачи сопутствующей информации. H.264, MPEG-4 Part 10 или AVC (Advanced Video Coding) - лицензируемый стандарт сжатия видео, предназначенный для достижения высокой степени сжатия видеопотока при сохранении высокого качества. Для передачи сигнала ТВЧ в основном используются технологии цифрового телевещания (DVB).

Так как вещание ТВЧ в настоящее время осуществляется в цифровом виде, то для передачи годится практически любой цифровой канал с достаточным уровнем качества (QoS), то есть достаточной ширины (15 25 Мбит/с для MPEG-2 или 812 Мбит/с для MPEG-4 в зависимости от степени сжатия). DVB - семейство стандартов цифрового телевидения, разработанных консорциумом DVB и стандартизированных Европейским институтом телекоммуникационных стандартов. Некоторые стандарты DVB в высокой степени связаны со стандартами MPEG1, MPEG2 и ITUH.264, которые определяют тип используемого транспорта и способ компрессии изображений в цифровом телевидении. Существуют другие варианты систем телевидения с высоким качеством изображения: Advanced Compatible TV (ACTV), Advanced TV (ATV). Таким образом, важно знать при использовании ТНСК способ доставки сигналов в телевизоры, одним из которых является сужение спектра частот видеосигнала системы ТНСК до 6..8 МГц для передачи по линии связи, а также создание возможности сжать видеосигнал во времени и уметь восстанавливать их в реальном времени в телевизоре, создание приемного экрана является важным технологическим новшеством. Видеокодек программа/алгоритм сжатия видеоданных (видеопотока). Кодек - файл-формула, которая определяет, каким образом можно «упаковать» видеоконтент и, соответственно, проиграть видео. Каждый кодируемый кадр видеопотока состоит из точек (пикселей), образующих матрицу. Кодек может отслеживать похожие массивы точек (например, синее небо на фоне) и, вместо того, чтобы запоминать информацию о каждой точке (яркость и цвет) отдельно, записывает лишь первую (ключевую) точку и счётчик с количеством повторений этой точки. То есть вместо описания, например, 1000 точек, может оказаться достаточно описать всего 1 точку + счётчик повторения. Это самый простой из методов сжатия. Комплексами интернет-телевидения - IPTV -принято называть системы, в которых протоколы IP сети Internet используются для трансляции телевизионных программ, и применяется пакетная передача видеоданных. Цифровое телевидение в сетях передачи данных по протоколу IP, новое поколение стандарта телевидения.

Название группыОписание DVB-S Передача компрессированного видео и аудио, а также дополнительной информации через ИСЗ (спутники Земли). DVB-S2 То же, что DVB-S, с возможностью использовать дополнительные типы модуляции с увеличением пропускной способности канала связи в несколько раз, а также иными усовершенствованиями. DVB-SH Спутниковое/наземное вещание, с возможностью мобильного приёма. Возможность совместного использования спутниковых и наземных систем связи (так называемые гибридные сети). DVB-C Передача компрессированного видео и аудио, а также дополнительной информации через кабельные сети. DVB-C2 Цифровое кабельное телевидение «второго поколения» DVB-T Передача компрессированного видео и аудио, а также дополнительной информации через сети наземного эфирного телевидения (стационарный приём). DVB-T2 То же, что DVB-T, с использованием новых режимов модуляции и канального кодирования, что увеличивает пропускную способность канала связи по сравнению с DVB-T в два раза. Данный стандарт не совместим с DVB-T. DVB-H То же, что DVB-T, только для подвижного приёма. DVB-IPDC Способ представления информации для мобильного телевидения DVB-H (в общем случае для передачи по сетям IP). Основные группы стандартов DVB по сфере применения

Стандарт мобильного TВ DVB-H В системах цифрового телевидения для эфирного приема программы транслируются в цифровом виде на частотах эфирного телевидения МГц. Принятый транспортный поток поступает на мультиплексор, где из него извлекается информация, относящаяся к отдельным телепрограммам. Восстановление компрессированных данных при передаче сигналов звука и изображения осуществляется декодерами MPEG-2 и MPEG-4. Большая по сравнению с сетями GSM скорость передачи данных позволяет получить вполне качественное изображение. Для телевизионного вещания по сотовым сетям требуется значительно большая емкость каналов, чем для обычной телефонии. Это чревато перегрузкой сетей и как следствие - зависанием и кратковременной потерей связи. Кроме того, трубки- телевизоры очень прожорливы, ведь процесс обработки высокоскоростного видео весьма энергоемок. В конце 2004 г. был принят стандарт DVB H (Digital Video Broadcasting Handheld), предназначенный для цифрового мультимедийного вещания на портативные ручные устройства. Спектр мощности радиосигнала OFDM Существенное значение оказывает применение OFDM - ортогонального частотного разделения каналов с мультиплексированием. Суть метода состоит в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно на всех этих подканалах. При этом общая скорость передачи получается выше, чем если бы использовался один широкополосный канал, несмотря на то, что скорость в подканалах довольно низкая.

Преобразование данных и сигналов в передатчике DVB-H

Для возможности выбора компромиссного варианта приёма в обобщенной структурной схеме стандарта DVB-H добавлены режим модуляции 4k, 2k и 8k. Введение нескольких режимов в стандарт DVB-H предоставило дополнительную степень свободы в плане обмена максимальной скорости передвижения приемника на радиус охвата одной соты. В системе вся информация должна передаваться в форме IP дейтаграмм, инкапсулируемых в транспортные пакеты (блок информации, посланный как пакет сетевого уровня через передающую среду без предварительного установления соединения и создания виртуального канала). Главное отличие от DVB-T заложены в канальном уровне (т.е. уровне, выше физического уровня). Прежде всего – это квантование по времени (Time Slicing) и введение упреждающей коррекции ошибок (MPE-FEC), что позволило резко увеличить вероятность приема в сравнении с DVB-T. Инкапсуляция (encapsulation) - это механизм, который объединяет данные и код, манипулирующий этими данными, а также защищает и то, и другое от внешнего вмешательства или неправильного использования. Тип приемникаУровень H.264/AVCРазрешение видео Макс. скорость, кбит/с Типичное применение A1QCIF = 176 x 144, 15 Гц128Телефон UMTS B1.2CIF = 352 x 288, 15 Гц384Телефон UMTS, КПК C2CIF = 352 x 288, 30 Гц2.000Карманный приемник D3SDTV = 720 x 576, 25 Гц10.000Телевизор E4HDTV = 1920 x1080, 25 Гц20.000Телевизор Условные рекомендации по использованию режима: Режим 8k – для использования SFN сетях любого размера, допускает наличие допплеровского сдвига по частоте при высокоскоростном приеме (т.е. прием осуществляется в движении). Режим 4k – для мало-и средних SFN сетей при значительных Допплеровских частотных сдвигах (при очень высоких скоростях). Режим 2k - для малоразмерных SFN сетей, гарантирует уверенный мобильный прием при самых высоких скоростях в движении (т.е при весьма значительных Допплеровских сдвигах по частоте). Наиболее пригодной модуляционной схемой для DVB-H является формат 16 QAM.

Структурная схема устройства цифровой обработки сигнала ДМ – демультиплексор, который понижает тактовую частоту цифрового потока путем его распределения по нескольким параллельным каналам, что необходимо для согласования темпа поступления информации со скоростью ее обработки в каналах цифрового процесса. Запоминающее устройство ЗУ и арифметическое устройство АУ управляются по заданной программе сигналом управляющего устройства, реализуя подходящий алгоритм обработки. Канальные сигналы объединяются в единый цифровой поток в мультиплексоре М. Цифровая обработка сигналов Возможность реализации сложных нелинейных и логических преобразований, а также аппаратуры на основе больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС) Функциональная схема АЦП. Быстродействующие АЦП строят по схеме параллельного преобразования. В основе работы лежит принцип одновременного сравнения входного сигнала с системой опорных напряжений, отображающих шкалу квантования, которые выбираются набором пороговых устройств-компараторов К.

Главной особенностью современного этапа развития систем сотовой связи является переход к системам третьего поколения 3G. Основным отличием систем 3G от эксплуатируемых сейчас сетей второго поколения (2G) является возможность передачи больших объемов информации с высокими скоростями. В системах третьего поколения появляются возможности для предоставления так называемых мультимедийных услуг: передачи изображений, в том числе и организация видеоконференций, мобильной электронной коммерции, обеспечения безопасности абонентов и услуг, связанных с определением местоположения абонента. Термин 4G используется для краткого обозначения технологии беспроводного доступа четвертого поколения (Fourth-Generation), являющихся преемниками 3G. Концепция 4G описывается двумя идеями: 1) Высокоскоростной мобильный беспроводной доступ с очень высокой скоростью передачи данных, того же самого порядка как подключение по медленным локальным сетям - до 20 мегабит в секунду. 2)Всепроникающие сети (Pervasive networks). Аморфное и сегодня полностью гипотетическое концепция, где пользователь может быть одновременно связан с несколькими технологиями беспроводного доступа и может «бесшовно» перемещаться между ними.

100 Скорость передачи (Mбит/с) Автомобили 2G GSM FWA Уровень мобильности Фиксированная связь Пешеходы Переносимые телефоны DECT UMTS FDD Развертывание в гг. GPRS EDGE 2,5G Bluetooth Будущие системы BRAN BWA UMTS TDD 4G и после MMAC WLAN Эволюция мобильных стандартов

В чем основные проблемы передачи аудио- и видеоинформации? Их две. Первая проблема состоит в том, что канал связи, по которому передается информация, должен быть достаточно скоростным, т.е. обладать высокой пропускной способностью. Обычные телефонные каналы вполне подходят для передачи аудиосигнала, но качественную передачу видеопотока они не обеспечивают (существуют системы уплотнения каналов, но они применимы далеко не всегда). Вторая проблема - это проблема скорости обработки аудио- и видеопотока, т.е. кодирования передаваемых и декодирования получаемых данных. Дело в том, что в видеоконференциях используются специальные и весьма эффективные алгоритмы сжатия потока в десятки ( или сотни!) раз. Можно сказать, что передаются не сами аудио- и видеосигналы, а только их важнейшие параметры, которые позволяют восстанавливать сигнал на приемном конце с приемлемым качеством. Если компьютер не успевает обрабатывать поток, то появляются пропущенные кадры, сбои в речевом канале, и т.п. Одной из важных проблем при передаче изображений по низкоскоростному каналу системы ПМР является защита от ошибок, возникающих в радиоканале. Данная задача может решаться путем применения помехоустойчивого кодирования, однако при этом требуется передача дополнительных битов, которые снижают информационную скорость и увеличивают степень сжатия исходного видеопотока, что в свою очередь приводит к ухудшению качества изображения (или уменьшению кадровой скорости).

Проблема подавления шума Структурная схема подавителя шумов Фильтрация сигналов, представленных в цифровой форме, является одной из основных операций при цифровой обработке видеоинформации. Принцип действия цифровых подавителей шума основан на использовании фильтрации сигнала с помощью гребенчатого фильтра. Ослабление действия помех на выходе фильтра обусловлено сильной межкаскадной и межстрочной корреляцией цифрового сигнала и отсутствием ее у шумов на элементах изображения, принадлежащих соседним кадрам и строкам. В петле обратной связи, образованной АУ и ЗУ, сигналы складываются арифметически, накапливаясь в ячейках памяти ЗУ процессора, а шумы среднеквадратически. Получаемый выигрыш зависит от числа суммируемых сигналов. Структурная схема гребенчатого фильтра При сжатии видеоизображений наличие шума приводит к увеличению межкадровой разницы, понижая, таким образом, степень сжатия, и отрицательно влияет на точность работы алгоритма компенсации движения. Оценка подавления шума: PSNR (peak signal-to-noise ratio - пиковое соотношение сигнал/шум),оценивает лишь среднеквадратичную разницу. где x i, y i - i-е пиксели двух сравниваемых изображений, N - общее число пикселей на каждом изображении, а d(x i, y i ) - разность между цветами соответствующих пикселей

Можно выделить следующие базовые подходы к пространственному шумоподавлению: -Линейное усреднение пикселей по соседям -Медианная фильтрация -Математическая морфология -Гауссовское размытие -Методы на основе вейвлет-преобразования -Метод главных компонент -Анизотропная диффузия -Фильтры Винера Сравнение результатов работы нового поколения MPEG4-кодеков (H.264) кодекпроизводительверсияобозначение на графиках Mpegable AVCdicas0.10AVC MoonLight H.264MoonLight MoonLight Main Concept H.264Main Concept MainConcept MPEG-4 / AVCFraunhofer IISот Fraunhofer Ateme MPEG-4 AVC / H.264Ateme Ateme Videosoft H.264 codec mainVideosoft VSS_main DivX ProDivXNetworks5.1.1DivX 5.1.1

На графике изображена зависимость показателя метрики параметра PSNR от среднего размера кадра. Чем выше находится ветвь – тем выше в среднем качество последовательности, сжатой данным кодеком. На вышеприведенном в качестве примера рисунке видно, что на высоком уровне Videosoft сжал последовательность с меньшими потерями качества по сравнению с другими кодеками. Уровень качества в зависимости от среднего размера кадра. Видео средней интенсивности движения. DVPack 2 ® обладает такими важными характеристиками как: -высокое качество -высочайшая степень сжатия -высокий уровень быстродействия

Оценка рекомендаций Н.26х с точки зрения сжатия видеоинформации Анализируя указанные рекомендации с точки зрения сжатия видеоинформации, можно выделить общий алгоритм сжатия: видеопоследовательность разбивается на кадры, каждый кадр разбивается на блоки размером 8х8 пикселей (или меньше), с блоками производится преобразование из временной области в частотную (например, с помощью дискретно-косинусного преобразования), затем полученные коэффициенты квантуются, кодируются и упаковываются в битовый поток специальной структуры, а затем передаются по каналу связи. Дополнительно для повышения сжатия и качества используются: -внутрикадровое кодирование, техника сжимает похожие цвета в сложных для кодирования сценах с быстрым движением. Благодаря этой возможности подобные фрагменты кодируются с меньшей битовой скоростью; -адаптивный фильтр для уменьшения блочности (Adaptive Deblocking Filter).

Сотовые телефоны с приемом DVB Список используемой литературы: 1)С.В.Новаковский, А.В.Котельников Новые системы телевидения, Москва 1992 г. 2) М.Птачек Цифровое телевидение, теория и техника, Москва 1990 г.