10.7. Профили и уровни стандарта mpeg-2

Нормы стандарта МРЕG-2 для кодирования ТВ-сигнала образуют семейство систем с упорядоченными свойствами унифицированности и совместимости. Каждому семейству систем соответствуют различные сочетания параметров кодированного сигнала. Такие группы параметров, объединяющие показатели качества сжатого сигнала и требуемых скоростей передачи, получили название профилей и уровней МРЕG-2.

Профиль – это определённый поднабор полного синтаксиса МРЕG-2, или инструментальный набор (например, формат цветовой дискретизации 4:2:2; использование только I/P-кадров при предсказании; дискретно-косинусное преобразование – ДКП).

Каждый более высокий профиль является более сложным и последовательно добавляет дополнительные возможности к предыдущему профилю. Однако для пользователя это улучшение качества влечёт определённую плату за сложность декодера.

Каждый профиль МРЕG-2 предлагает набор инструментальных средств для сжатия, которые все вместе составляют определённую систему кодирования.

Простой профиль – это профиль, в котором используется наименьшее число функциональных операций по компрессии видеоданных. В нём при компрессии используется компенсация движения изображения и гибридное дискретно-косинусное преобразование.

Основной профиль содержит все инструментальные средства простого профиля плюс ещё одно, называемое двунаправленным предсказанием. Для той же самой скорости передачи он обеспечивает максимальное качество по сравнению с простым профилем, но требует больших аппаратных затрат. Декодер основного профиля декодирует изображения, кодированные с параметрами основного и простого профилей. Аналогично обратная совместимость имеет место для всех профилей.

Масштабируемые профили добавляют инструментальные средства, которые позволяют улучшать или шумовые параметры (масштабируемость по соотношению сигнал/шум), или разрешающую способность (пространственная масштабируемость) за счёт обмена одних показателей на другие. Основной смысл этого профиля – повышение устойчивости цифрового телевидения и сохранение работоспособности при неблагоприятных условиях приёма. Операция масштабирования позволяет в рассматриваемом случае повысить устойчивость системы за счёт некоторого снижения требований к допустимому уровню отношения сигнал/шум в воспроизводимом ТВ-изображении.

При масштабировании поток видеоданных разделяют на две части. Одна из них несёт наиболее значимую часть информации – её называют основным сигналом. Вторую часть, несущую менее значимую информацию, называют дополнительным сигналом. Декодирование только одного основного сигнала позволяет получить ТВ-изображение с пониженным отношением синал/шум. Одновременное декодирование основного и дополнительного сигналов повышает отношение сигнал/шум до исходного значения. Помехоустойчивое кодирование требует введения дополнительных бит, что увеличивает общий поток информации. Задача упрощается, когда более мощная защита применяется только к части информации и тем самым соблюдается баланс между уровнем потока видеоданных и степенью их защиты. При неблагоприятных условиях приёма (например, при низкой напряжённости электромагнитного поля, при приёме на комнатную антенну и т.п.) сохраняется возможность устойчивого декодирования более защищённого основного сигнала, а неустойчиво воспринимаемый дополнительный сигнал просто отключается. Это ведёт к некоторому росту уровня шума, зато система остается работоспособной.

Высокий профиль включает все инструментальные средства более низких профилей плюс способность одновременного кодирования цветоразностных сигналов.

Профессиональный профиль является разновидностью высокого профиля и специально предназначен для оптимизации видеомонтажных операций в студийных центрах за счёт сокращения времени задержки из-за прохождения больших групп кадров.

Характеристики профилей МРЕG-2 приведены в табл.10.2.

Таблица 10.2.

Характеристики профилей МРЕG-2

Профиль	Характеристика	Формат цветовой дискретизации
Простой	Без двунаправленных кадров	Только 4:2:0
Основной	Без масштабируемости	Только 4:2:0
Масштабируемый по соотношению сигнал/шум	Масштабируемый по соотношению сигнал/шум	Только 4:2:0
Пространственно- -масштабируемый	Пространственно- -масштабируемый	Только 4:2:0
Высокий 4:2:2 (профессиональный 4:2:2)	Масштабируемый в пространстве и времени	4:2:2 и 4:2:0

Уровень – это определённый набор ограничений, накладываемых на параметры сигнала изображения и соответствующего ему передаваемого потока битов в пределах конкретного профиля (например, максимальный размер изображения, частота кадров, максимальная скорость битов, максимальный размер буфера декодера). Уровни связаны с исходным форматом сигнала изображения, обеспечивая ряд значений его потенциального качества – от низкой (ограниченной) чёткости до высокой чёткости.

Низкий уровень определяет формат изображения, составляющий четверть обычного формата, определённого рекомендацией МСЭ (Международного Союза Электросвязи). Низкому уровню соответствует новый класс качества ТВ-изображения, которое вводится в стандарте MPEG-2, – телевидение ограниченной чёткости. В этом случае в кадре ТВ-изображения содержится 288 активных строк (в два раза меньше, чем в телевидении обычной чёткости)

на 352 отсчёта в строке.

Основной уровень соответствует формату кадра 576 активных строк на 720 отсчётов в строке. Это соответствует кодированию сигналов телевидения обычной чёткости.

Высокий-1440 уровень имеет формат высокой чёткости с 1440 отсчётами в строке.

Высокий уровень имеет формат высокой чёткости с 1920 отсчётами в строке.

В обоих «высоких» уровнях кадр ТВ-изображения содержит 1152 активные строки (вдвое больше, чем в телевидении обычной чёткости).

Численные характеристики уровней MPEG-2 приведены в табл.10.3.

Таблица 10.3.

Численные характеристики уровней MPEG-2

Уровень	Формат кадра	Скорость битов в потоке на выходе кодера, не более Мбит/с
Низкий	352 × 288	4
Основной	720 × 576	15
Высокий -1440	1440 × 1152	60
Высокий	1920 × 1152	80

Комплект инструментальных средств МРЕG-2 принято подразделять на ряд комбинаций (согласованных точек) профилей и уровней. В настоящее время в стандарте МРЕG-2 пять профилей и четыре уровня. Качество изображения и сложность его обработки характеризуются сочетанием профиля и уровня, что обычно отражается в виде таблицы (табл.10.4).

Таблица 10.4.

Профили и уровни стандарта МРЕG-2

Уровни	Простой (SP) (основной без В-кадров) 4:2:0	Основной (МР) (В-кадры) 4:2:0	Масштаби- руемый по с/ш (SNR) 4:2:0	Простран- ственно масштабируемый (Spatial) 4:2:0	Профессиональный (НР) 4:2:2
Высокий (HL) 1920×1152	×	80 Мбит/с	×	×	100 Мбит/с
Высокий- -1440 (H-14) 1440×1152	×	60 Мбит/с	60 Мбит/с	60 Мбит/с	80 Мбит/с
Основной (МL) 720×576	15 Мбит/с	15 Мбит/с	15 Мбит/с	15 Мбит/с	20 Мбит/с
Низкий (LL) 352×288	×	15 Мбит/с	4 Мбит/с	4 Мбит/с	×

Примечание: × - недопустимая комбинация.

Форматы цветовой дискретизации.

Известно, что телевизионный цветовой сигнал изображения представляет собой совокупность сигнала яркости Е_Y и двух цветоразностных сигналов

Е_{R – Y} и E_{B – Y} . (В международной системе стандартизации эти сигналы обозначаются соответственно Y,U и V). Вариации их значений допускают 256 градаций (от 0 до 255 для Y, и от –128 до +127 для каждого сигнала U и V), что в двоичном исчислении соответствует 8 битам, или 1 байту. Теоретически каждый элемент кадра имеет собственные значения YUV, т.е. требует для представления в виде электрического сигнала трёх байт. Такое представление, когда и сигналы яркости, и сигналы цветности имеют равное число независимых значений, обычно обозначают как 4:4:4. Однако зрительная система человека менее чувствительна к цветовым пространственным изменениям, чем к яркостным. Установлено, что без видимой потери качества число цветовых отсчётов в каждой строке можно уменьшить вдвое. Именно такое представление, обозначаемое как 4:2:2, было принято в вещательном телевидении. При этом для передачи полного значения телевизионного сигнала изображения в каждом отсчёте кадра вполне достаточно 2 байт (если делать отсчёты независимых значений сигналов U и V поочерёдно). Более того, для целей потребительского видео признано допустимым уменьшение вдвое и вертикального цветового разрешения, т.е. перейти к представлению 4:2:0. Это уменьшает приведенное число байт на отсчёт одного кадра до 1,5.

Таким образом, формат 4:2:2 означает, что частота горизонтальных отсчётов цветоразностных сигналов сокращена в два раза по сравнению с отсчётами сигналов яркости, а формат 4:2:0 означает, что частота как горизонтальных, так и вертикальных отсчётов цветоразностных сигналов сокращена в два раза по сравнению с отсчётами сигналов яркости.