Совместимость и масштабируемость систем цифрового телевидения

При переходе к новым системам телевидения – от черно–белого телевидения к цветному и от аналогового телевидения к цифровому – приходится решать проблему совместимости старой и новой систем. Проблема эта в первую очередь заключается в следующем: можно ли будет принимать передачи новой системы на телевизионные приемники старой системы, хотя бы теряя при этом какие–то свойства новой системы, или же для приема передач новой системы необходим совершенно новый приемник.

Напомним, что при переходе от черно–белого телевидения к цветному по системам NTSC, SECAM и PAL была обеспечена полная совместимость новых систем со старой. Передачи цветного телевидения можно принимать на черно–белые телевизионные приемники, получая нормальное черно– белое изображение, черно–белые передачи, в свою очередь, принимаются на приемники цветного телевидения, также давая нормальное черно–белое изображение, параметры канала связи остались неизменными.

Выше уже указывалось, что новые системы телевидения MAC и MUSE несовместимы с обычным телевидением ни по параметрам сигнала, ни по параметрам канала телевизионного вещания. Упоминались также проекты совместимых или частично совместимых аналоговых систем телевидения повышенного и высокого разрешения.

Создаваемые полностью цифровые телевизионные системы совместимы с аналоговыми системами цветного телевидения NTSC, SECAM и PAL по ширине полосы частот канала наземного и кабельного телевизионного вещания. Это очень важное достоинство, так как оно позволяет сохранить существующую сеть телевизионного вешания и параллельно вести передачи как старой, так и новой систем телевидения (табл.7.1). Принимать передачи цифрового телевидения непосредственно на обычный телевизионный приемник, конечно нельзя. Но можно дополнить такой приемник декодером, вход которого подключается к выходу селектора каналов, а выходы ко входам оконечных видеоусилителей и усилителя низкой частоты старого телевизионного приемника, получая при этом высококачественное цветное изображение и высококачественный звук. Таким образом, можно говорить о частичной совместимости нового телевидения с традиционным.

Табл.7.1

В таблице 7.1 показаны различные варианты телевизионных систем и методов кодирования телевизионных сигналов, предусмотренные стандартом MPEG–2. Четыре строки таблицы соответствуют четырем уровням пространственного разрешения: - Low (352×280 элементов) – уровень телевидения пониженной четкости, используемый в видеотелефоне и технике телеконференций; - Main (720×576 элементов) – уровень телевидения обычного разрешения; - High–1440 (1440×1152 элементов) – уровень телевидения высокого разрешения с форматом экрана 4:3; - High (1920×1152 элементов) – уровень телевидения высокого разрешения с форматом экрана 16:9.

Вертикальные столбцы таблицы соответствуют новой градации цифровых телевизионных систем – профилям. С переходом на более высокие профили, то есть при продвижении по таблице направо, увеличивается количество используемых методов кодирования, появляются новые свойства телевизионной системы, но, естественно, усложняется аппаратура и алгоритмы обработки сигналов. В трех нижних строках таблицы приведены дополнительные сведения о свойствах профилей, которые будут пояснены ниже. Увеличивается количество используемых методов кодирования, появляются новые свойства телевизионной системы, но, естественно, усложняется аппаратура и алгоритмы обработки сигналов. В трех нижних строках таблицы приведены дополнительные сведения о свойствах профилей, которые будут пояснены ниже. Рассматривавшаяся до сих пор совокупность методов внутрикадрового и межкадрового кодирования относится к главному профилю (MainProfile). Этот профиль предназначен для наземного(эфирного) и кабельного телевизионного вещания. Как видно из таблицы, на главном уровне, соответствующем телевидению обычного разрешения, скорость передачи двоичных символов в канале связи достигает 15 Мбит/с. Сравнив эту величину с исходной величиной 216 Мбит/с, видим, что осуществляется сжатие потока информации почти в 15 раз. На более высоких уровнях главного профиля, соответствующих телевидению высокого разрешения, скорость передачи двоичных символов в канале связи возрастает до 60 или 80 Мбит/с. Следует особо подчеркнуть, что для всех уровней разрешения данного профиля используются один и тот же набор методов кодирования. В этом заключается совместимость разных уровней. На более высоких уровнях кодеры и декодеры должны иметь большее быстродействие и больший объем ЗУ. Очевидно, аппаратура более высоких уровней разрешения может работать на более низких уровнях разрешения. Использование декодеров более низких уровней для декодирования сигналов более высоких уровней с потерей части содержащейся в них информации требует наличия нового свойства – масштабируемости, которая на главном профиле не предусмотрена, и о которой пойдет речь в дальнейшем. Сигналы системы цифрового телевидения всех уровней должны передаваться по стандартным каналам связи с шириной полосы частот 6 МГц -для США, 8МГц – для Европы. Для передачи данных с большей скоростью по каналу связи с той же полосой частот необходимо повышать эффективность использования полосы частот. Если для главного уровня, то есть телевидения обычного разрешения, достаточна эффективность 2,5 – 3 бит/с/Гц, то для передачи сигналов телевидения высокого разрешения (Highlevel) необходима эффективность 12 – 15 бит/с/Гц. Для достижения такой эффективности использования полосы частот должна использоваться модуляция несущей частоты с большим количеством позиций, например, 64–позиционная квадратурная амплитудная манипуляция. Качественный прием таких сигналов в свою очередь требует повышения отношения сигнал/шум в канале связи и применения более сложных методов помехоустойчивого кодирования. Перейдем к рассмотрению других профилей стандарта MPEG–2. Простой профиль (SimpleProfile) отличается от главного отсутствием В–кадров, что дает упрощение аппаратуры, но приводит к ухудшению качества изображения при той же скорости передачи двоичных символов. Данный профиль может использоваться для записи изображений на магнитные или лазерные диски и для других целей. На более высоких уровнях появляется новое свойство – масштабируемость (Scalability). Это свойство заключается в том, что можно принимать с помощью более простой декодирующей аппаратуры часть потока данных, получая при этом изображение с меньшим пространственным разрешением или с более грубым квантованием. Пусть по каналу связи передается сигнал с наивысшим качеством изображения. Пользователи, имеющие декодеры более высокого уровня сложности и, следовательно, большей стоимости, будут получать на экранах своих приемников изображение наивысшего качества. Другие пользователи, имеющие более простые и дешевые декодеры, также смогут смотреть эти передачи, но с менее качественным изображением, например, не с высокой, а с обычной четкостью. Таким образом, при наличии масштабируемости улучшается совместимость разных уровней телевизионных систем. Стандартом MPEG–2 предусмотрены два вида масштабируемости: по пространственному разрешению (SpatialScalableProfile) и по отношению сигнал/шум (SNR ScalableProfile), причем имеется в виду шум квантования и кодирования. Масштабируемость по пространственному разрешению может обеспечиваться применением кодирования в пространственно–частотных поддиапазонах. При этом исходное изображение с помощью цифровых пространственных фильтров разделяется на НЧ и ВЧ составляющие по пространственным частотам. На рис. 7.6 показано разделение диапазона пространственных частот изображения на 4 поддиапазона. Для выполнения такого разделения достаточно иметь один фильтр НЧ и один фильтр ВЧ по каждой пространственной координате. Телевидению обычного разрешения соответствует поддиапазон НЧ по обеим пространственным координатам X и Y. Для получения высокого пространственного разрешения необходимо принимать и декодировать все 4 поддиапазона. Кодирование пространственно–частотных поддиапазонов осуществляется раздельно, после чего данные объединяются в общий поток, организованный таким образом, что для извлечения из него данных НЧ–поддиапазона необходим более простой декодер. Возможны и другие пути обеспечения масштабируемости по пространственному разрешению, которые, как и методы получения масштабируемости по отношению сигнал/шум, здесь не рассматриваются. Еще одно отличие высших профилей стандарта MPEG–2 – это применение компонентного кодирования сигнала цветного телевидения не только с передачей цветоразностных сигналов через строку (4:2:0), но и в каждой строке (4:2:2).

Рис.7.6. Разделение диапазона пространственных частот на поддиапазоны

Таким образом, в стандарте MPEG–2 даны параметры целого семейства цифровых телевизионных систем для разных применений и с разным качеством изображения, имеющих в своей основе сходные методы кодирования изображения. По этому стандарту должны строиться не только телевизионные системы, но и все остальные системы, предназначенные для передачи движущихся изображений в цифровой форме – видеотелефон и телеконференции, интерактивный видеосервис и мультимедиа и т. д.