Т ема 2. Применение цифрового сжатия

При заданном качестве сжатие обеспечивает уменьшение цифрового потока, отсюда альтернативный термин "сокращение цифрового потока" (СЦП). В системах вещания для сокращенного цифрового потока требуется меньшая ширина полосы частот, или меньшая мощность радиопередатчика, или то и другое одновременно, что собственно и дает экономический эффект. При наличии фактора все возрастающей загрузки радиоспектра другими подвижными службами типа телефонии и т.п., такие нововведения, как ЦРВ (цифровое радиовещание) и ЦТВ (цифровое телевизионное вещание), без сжатия не смогут стать жизнеспособными. В кабельных системах связи сокращение цифрового потока снижает стоимость услуг. В системах записи использование цифрового сжатия обеспечивает снижение требуемого объема носителя записи прямо пропорционально коэффициенту сжатия, При архивировании это дает уменьшение стоимости фондовых видеофонограмм и архива в целом. Для ВЖ (видеожурналистики) сжатие означает снижение габаритов и массы видеомагнитофона. В аппаратуре и серверах видеомонтажа на основе дисков, предназначенных для систем "видео-по-требованию" (ВПТ), текущая высокая стоимость дисковых накопителей частично компенсируется применением сжатия. В некоторых форматах записи на магнитную ленту и жесткие носители сокращение цифрового потока позволяет ослабить допуски на механические параметры. Использование более широких дорожек и увеличенных длин волн записи означает, что накопитель сможет успешно работать в менее благоприятных условиях или с меньшим объемом технического обслуживания.

Практическоя работа № 2

Тема 1. Технология цифрового сжатия

При переходе от аналоговой формы представления сигнала к цифровой можно выделить три наиболее существенных преобразования: дискретизацию (по времени), квантование (по уровню) и собственно кодирование (цифровое представление отобранных уровней). Во всех обычных цифровых звуковых и видеосистемах частота дискретизации, длина кодового слова и цифровой поток являются фиксированными параметрами. Хотя такой поток устанавливает верхний предел информационной скорости, большая часть реального программного материала не достигает этого предела. Как сказал в свое время Шеннон, любой сигнал, который можно предсказать, вообще не содержит информации. Примером может служить синусоида: любой ее период выглядит так же, как и следующий, поэтому синусоида не содержит информации. Это утверждение согласуется с тем фактом, что ширина полосы частот такого сигнала равна нулю. В видеотехнике наличие в изображении узнаваемых объектов означает наличие группы элементов с близкими значениями. При передаче испытательной таблицы все видеокадры одинаковы, т.е. информационный поток падает до нуля после передачи первого же кадра. Цель кодера сжатия состоит в том, чтобы идентифицировать и передать полезную часть входного сигнала, которая известна как энтропия. Остающаяся часть входного сигнала называется избыточностью. Она избыточна, поскольку ее можно предсказать на основе того, что уже было послано декодеру. При использовании сжатия требуется определённая осторожность поскольку избыточность может оказаться полезной для восстановления тех частей сигнала, которые были утрачены из-за ошибок передачи. Очевидно, что при устранении избыточности в кодере сжатия помехоустойчивость результирующего сигнала снизится, если только не будет применен надлежащий метод защиты от ошибок. Известно, что если кодек передает энтропию входного сигнала полностью, и она принимается без ошибок, результирующее изображение не отличается от исходного. Однако в случае частичной потери энтропии декодированный сигнал искажается и отличается от исходного. Весьма важно, что нельзя увеличивать коэффициент сжатия до бесконечности. После устранения избыточности любое дальнейшее увеличение степени сжатия вызывает разрушение информации, что иллюстрирует рис. 2. Таким образом, бессмысленно рассуждать о пользе или вреде сжатия. Вопрос следует ставить так: какой коэффициент сжатия подходит для данного материала и для данной аудитории?

Рис. 2. Варианты сжатия

Поскольку энтропия является функцией входного сигнала, цифровой поток на выходе идеального кодера сжатия не может быть постоянным. Однако не всегда возможно или удобно иметь канал с переменным цифровым потоком, поэтому во многих системах сжатия на обоих сторонах канала с постоянным цифровым потоком устанавливаются дополнительные буферные запоминающие устройства. Буферное ЗУ усредняет поток данных, однако вызывает, увеличение задержки сигнала. В некоторых применениях, например при проведении видеоконференций, задержка неприемлема, поэтому используется сжатие с постоянным цифровым потоком, что позволяет отказаться от буферного ЗУ.

До сих пор мы рассматривали только идеальный кодер сжатия, который способен безошибочно отделять энтропию от избыточности. К сожалению, такой кодер бесконечно сложен и вносит бесконечно большую задержку. На практике мы вынуждены пользоваться декодерами сжатия, которые невозможно отличаются от идеального па некоторую пороговую величину. В результате коэффициенты сжатия становятся не столь высокими, поскольку в том случае, когда кодер не может решить, является ли сигнал энтропией или нет, этот сигнал передает напрямую, "на всякий случай". На рисунке показано, что область энтропии окружена "серой зоной", которая может быть энтропией, а может и нет. Чем кодер сжатия проще и дешевле и чем меньше вносимая им задержка, тем больше эта зона. Однако декодер сжатия обязан работать во всех случаях одинаково хорошо. Поэтому методы цифрового сжатия разрабатываются таким образом, что все решения принимаются на кодирующей стороне. При этом декодер с максимальной пользой использует всю получаемую информацию. Таким образом, фактическое назначение передаваемого цифрового потока определяется кодером, а в декодере не требуется что-либо перестраивать.

Из сказанного ясно, что идеальный кодер сжатия не существует. Для достижения весьма малых скоростей цифрового потока требуется сложный и поэтому дорогой кодер. Если согласиться на некоторое увеличение потока, то может справиться и кодер попроще. Таким образом, в реальной жизни необходимо иметь различные кодеры сжатия. Именно поэтому стандарт МРЕG не определяет какой-то один тип сжатия и даже не совокупность вариантов сжатия. MPEG — это набор описаний ряда цифровых потоков, которые должны восприниматься декодером, соответствующим стандарту. Важно, что МРЕG не специфицирует способ формирования этих цифровых потоков. Такой подход имеет ряд преимуществ. Самые различные кодеры сжатия, в том числе использующие различные запатентованные методы, могут формировать цифровые потоки, пригодные для подачи на любой декодер, соответствующий стандарту. Появляется возможность создания целого семейства кодеров сжатия, соответствующих различным точкам шкалы "цена-качественные показатели". Поставщики аппаратуры могут свободно конкурировать между собой. Исследователи получают возможность искать улучшенные способы кодирования цифровых потоков, которые позволяют повысить качество, не требуя замены "морально устаревших" декодеров. При испытаниях кодека МРЕG следует иметь в виду два аспекта. Во-первых, он должен соответствовать стандарту. Такая проверка дает результат типа "да/нет". Во-вторых, требуется оценить качество изображения и/или звука. Это испытание намного сложнее, поскольку качество всегда субъективное.