В последних выпусках международного журнала "CCTV Focus" было опубликовано немало статей по цифровому видео, однако еще ни разу не было проведено такого детального анализа различных технологий и тенденций, как в предлагаемой вашему вниманию статье, написанной Бытом Мейером (Beat Meier), дипломированным инженером, директором Fast media integration AG.
Цифровые средства информации приобретают сегодня небывалую важность. Эта тенденция поддерживается, прежде всего, стремительным развитием наземных и мобильных телекоммуникаций, сетевых технологий и средств хранения информации.
Через контролируемые сети и сигнальные центры, мощность которых постоянно растет, передаются аварийные сигналы, фотографические (статические) изображения, видео в реальном масштабе времени, данные о таких физических характеристиках, как температура, атмосферное давление, уровень воды, географическое положение объекта и т.д. . д.
ВИДЕО-И АУДИОСЖАТИЕ
Несжатое видео в режиме реального времени
Цифровая обработка видеосигнала многократно ускоряет передачу данных. В режиме реального времени видеоизображения с 720×576 пикселей при 24-битном кодировании цвета передается как гигантский поток данных — 248 мегабит в секунду. Это равно объему информации примерно 22 дискет, который нужно было бы передавать каждую секунду!
Сеть FAST Ethernet (100 Мбит / с) не позволяет передавать даже один несжатый поток видеоданных в реальном времени.
На таком носителе данных, как перезаписываемый CD, есть место не более чем для 20 секунд видео.
Несмотря на это, чтобы уменьшить размер цифрового файла посредством удаления или реструктуризации данных, потребность в сжатии видеосигнала неизбежна.
Метод сжатия
Стандартный формат MPEG
Аббревиатура MPEG расшифровывается как "Motion Pictures Experts Group" — "Экспертная группа по вопросам движущегося изображения". Это международная организация, которая разрабатывает стандарты для кодирования фильмов. Чтобы гарантировать максимально широкий диапазон его применения, стандарт MPEG устанавливает только одну модель данных для сжатия фильмов и звуковых сигналов. Благодаря этому MPEG остается независимым от самых разных компьютерных платформ. В настоящее время различают пять стандартов: MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7 и MPEG-21. Стандарты MPEG-XX постоянно пересматриваются и служат базой для технологического прогресса в сжатии видео-и аудиосигналов. Среди профессионалов форматы MPEG пользуются наибольшей популярностью и получили очень широкое распространение.
MPEG-1
MPEG-1 принят в 1993 г. с целью обеспечения передачи движущихся изображений и сопровождающего их звукового сигнала для средств информации с малой полосой пропускания (от 1 до 1,5 мегабит в секунду) с приемлемой частотой регенерации и наилучшим возможным качеством изображения. Цель MPEG-1 — произвольный доступ к последовательности изображений в пределах половины секунды без заметной потери качества. В большинстве случаев бытового применения (оцифровки записи, сделанной во время отпуска) и применения в бизнесе (видеозапись, документация) качество MPEG-1 приемлемо-но для применения в области систем безопасности качество изображения в большинстве случаев нельзя признать пригодным.
MPEG-2 (ISO / IEC 13818)
MPEG-2 существует с 1995 г. — его основная структура аналогична структуре формата MPEG-1. Позволяет передавать данные со скоростью от 1 до 100 мегабит в секунду и используется для цифрового телевидения (DF1), видеофильмов на DVD и в профессиональных видеосистемах записи изображений. Разрешение и скорость передачи данных в формате MPEG-2 поддаются изменению в широких пределах таким образом, чтобы этот формат максимально подходил для передачи и видеозаписи. Начиная со скорости передачи данных около 2 Мбит / с, качество видеоизображения заметно лучше, чем в MPEG-1.
По сети FAST Ethernet (100 Мбит / с) в режиме реального времени может быть передано более 50 видеопотоков данных, сжатых в формате MPEG-2.
На перезаписываемые CD в режиме реального времени и при сохранении хорошего качества изображения помещается примерно 36 минут видеоинформации в формате MPEG-2.
MPEG-2 можно использовать также для сжатия отдельных изображений (образец MJPEG) — для воспроизведения качества изображения, аналогичного MJPEG, он потребует примерно на 12% меньшего объема памяти, чем MJPEG.
MPEG-4 (ISO / IEC 14496)
MPEG-4 — один из новейших видеоформатов. В настоящее время еще не существует аппаратных средств сжатия, а доступные программные средства кодирования и декодирования работают очень медленно. В результ
ате, данный алгоритм сжатия в настоящее время в системах видеозаписи не используется.
MPEG-7 "Интерфейс описания содержания мультимедиа"
Это самый последний проект в семействе MPEG. Он представляет собой стандарт для описания данных мультимедиа, которые могут использоваться независимо от других стандартов MPEG. (Подробнее об этом стандарте читайте во втором номере журнала "CCTV Фокус".)
MPEG-21 "Структура мультимедиа"
Над разработкой этого нового стандарта MPEG-21 эксперты начали работать в июне 2000 г.
Различия между MPEG-1 и MPEG-2
К важнейшим относятся следующие видоизменения:
— масштабируемость различных уровней качества изображения в одном видеопотоке-
— увеличения точности векторов движения до половины пиксела-
— расширенная избыточность ошибки через специальные векторы для I-кадров-
— выбираемая точность дискретного косинусного преобразования-
— дополнительные режимы прогнозирования и связанные макроблоки.
Wavelet
Вейвлет обработка видеосигналов учитывает широкополосный характер видеоизображений и обрабатывает их как единое целое — всегда как полноценный видеокадр. Полученная информация фильтруется с разделением на 42 полосы частот (по 14 для каждой из двух цветных компонент и 14 для яркости). Затем с помощью адаптивного квантования каждая полоса оптимизируется для частот, которые можно распознать невооруженным глазом, после чего производится кодирование длин серий.
Это интеллектуальное квантования выполняется потому, что человеческий глаз (подобно уху) не распознает как высоких, так и низких частот.
Эта процедура особенно хорошо подходит для передачи видео в режиме реального времени.
Формат MJPEG
MJPEG расшифровывается как Motion-JPEG, где motion — движение. MJPEG — это процедура сжатия, которая применяется к каждому отдельному изображению.
Поток данных с видеокамеры, при хорошем качестве изображения, может быть уменьшен примерно с 33 Мбит / с до 6 Мбит / с, что соответствует среднему размеру изображения в 30 килобайт. Коэффициент компрессии регулируется. Однако формат MJPEG не предусматривает стандарта для синхронизации звукового и видеоряда при записи и воспроизведения данных, поэтому производители цифровых систем видеозаписи должны использовать, если необходимо, собственные средства.
Сеть FAST Ethernet 100 Мбит / с в режиме реального времени способна передавать до 12 видеопотоков, сжатых с помощью MJPEG (72 Мбит / с).
JPEG 2000
Название стандарта JPEG 2000 указывает на год его появления. Его предшественник — формат JPEG — позволяет уменьшить размеры файла почти на 95% по сравнению с другими форматами изображения, поддерживая полную насыщенность цвета в 24 бита. В то же самое время этот формат имеет нежелательными свойствами: при высоких коэффициентах сжатия этот формат, принятый Объединенной группой экспертов по обработке фотоизображений, создает явно видимые артефакты.
Устранить этот недостаток позволяет появление формата изображения JPEG 2000 (j2k). Он предусматривает увеличение коэффициента сжатия еще на 30%, благодаря чему блочные искажения, характерные для JPEG, уйдут в прошлое. Когда применяется вейвлет-технология сжатия (со слишком высоким коэффициентом сжатия), изображения кажутся пористыми или нерезкими.
Более трех лет специалисты занимались разработкой JPEG 2000, поставив цель создать новый отраслевой стандарт для кодирования цветных и черно-белых фотографий. Особое внимание уделялось следующим критериям:
— высокое качество изображения — как субъективное, так и оцениваемое количественно-
— высокий коэффициент сжатия-
— небольшое время кодирования и декодирования-
— низкие требования к объему памяти для выполнения компрессии и декомпрессии.
Точные спецификации формата JPEG 2000 известны только членам комитета и пока официально не объявлены, но об общих особенностях JPEG 2000 можно судить по информации, полученной от представителей оптической индустрии (например, SPIE), в ходе сетевых телеконференций и из публикаций DIG.
В будущем JPEG 2000 будет играть важную роль в передаче и хранении видеоинформации в системах безопасности.
Стандарты H.261/H.263
H.261 — это стандарт для видеоконференций и видеотелефонии в сети ISDN. H.261 позволяет адаптировать качество изображения к пропускной способности линии передачи. Кроме того, для получения лучшего качества изображения при воспроизведении могут быть пропущены отдельные изображения. Передача может вестись при скорости 64 кбит / с или 128 кбит / с (содержит два ISDN канала). В дальнейшей разработке, H.263, используетс
я большая точность компенсации движения, чем в H.261. Стандарты H.261 и H.263 особенно хорошо подходят для передачи видеоизображений в режиме реального времени и используются некоторыми производителями оборудования, предназначенного для передачи и хранения видеоизображений. Видеозапись, в которой была использована компрессия H.261 или H.263, в качестве доказательства в суде не принимается.
Стандарты H.261/H.263 подходят для цифровой передачи видеоизображений по сетям в режиме реального времени, так как сжатие и распаковку происходят относительно быстро. Эти процедуры не завоевали популярности для хранения изображения, тем не менее некоторые производители используют H.261/H.263 для видеозаписи.
Использование H.261, H.263 или H.320 позволяет осуществлять передачу видеоисточника в формате QCIF (180х121) или CIF (360х243).
МОБИЛЬНАЯ СВЯЗЬ
Введение
Существующий стандарт GSM позволяет передавать данные со скоростью в 9600 бит в секунду. Лучше, чего можно добиться на этой полосе частот — это передача отдельных изображений среднего качества. Сотовый мобильная радиосвязь является, вероятно, одной из наиболее стремительно развивающихся технологий 21-го века.
GPRS
GPRS (General Packet Radio Services — Пакетный Радиосервис общего назначения) — это новая технология мобильной радиосвязи, основана на существующих средствах GSM (Global System for Mobile communications — глобальная система мобильной связи (стандарте сотовой связи в Европе и России) ). Она позволяет передавать данные почти так же быстро, как по сети ISDN (Integrated services digital network — Цифровой сети интегрированных услуг).
В отличие от существующего стандарта GSM, в течение всего времени связи между мобильным телефоном и базовой станцией канал не резервируется. Вместо этого данные группируются в пакеты, которые передаются получателю в соответствии с потребностью и пропускной способностью. На конце получателя эти пакеты вновь собираются. Так называемая передача данных с коммутацией пакетов позволяет осуществлять не только более высокоскоростную передачу данных (до 115 Кбит / с с помощью GPRS), но также и работу в режиме AoA ("Always on Air" — "Всегда в эфире").
GPRS обеспечивает скорость передачи в 12 раз выше, чем GSM (9,6 кбит / с).
Поскольку, в отличие от стандарта GSM, канал не резервируется постоянно, установленную связь разрывать нужно. Данные передаются только по мере необходимости. Операторы технически способны указывать стоимость только в соответствии с объемом фактически передаваемых данных (а не за время передачи). Посредством GPRS можно добиться серьезного прорыва в использовании сотовой связи для Интернета, поскольку этот стандарт делает связь быстрее, удобнее, эффективнее и, главное, дешевле. В Швейцарии DIAX уже сегодня предлагает услуги GPRS. По всей Германии стандарт GPRS предлагают T-D1 (www.td1.de), а также Viag Intercom (www.viag-interkom.de), в России это Билайн (www.beelinegsm.ru) и МТС (www.mts.ru ). Портал сотовой связи www.xonio.com предлагает критический взгляд на новый стандарт и объявляет о диапазоне цен на его услуги. На сайте www.skywire.de можно найти информацию о сотовых телефонах GPRS.
С помощью GPRS видеосигнал можно передавать, например, в форматах H.263, CIF или Q-CIF.
UMTS
UMTS расшифровывается как "Universal Mobile Telecommunications Systems" — "Универсальные системы мобильной телефонной связи". Это 3-е поколение сотовой радиосвязи, которое призвано заменить нынешнюю систему GSM. UMTS включает два основных компонента: радиосеть и несущую сеть. Радиосеть состоит из сотового оборудования и базовой станции, между которыми осуществляется передача данных. Несущая сеть, в свою очередь, соединяет базовые станции друг с другом.
Благодаря значительно более широкой полосе частот (5 МГц), чем в GSM (200 кГц), и использование такого метода передачи, как CDMA (Code Division Multiple Access — множественный [Многостанционный] доступ с кодовым разделением каналов), можно передать данные любого типа (мультимедийные приложения, скачанную из Интернета видео-и аудиоинформацию) на высокой скорости (2 Мбит / с).
Это делает UMTS почти в 30 раз быстрее ISDN (64 кбит / с) и в 200 раз быстрее GSM (9,6 кбит / с).
В режиме реального времени и при полном разрешении с приемлемым качеством изображения можно осуществлять передачу от 1 до 2 видеоисточников.
Интересной особенностью UMTS, однако, является не только высокая скорость передачи, но и поддержка различных транспортных протоколов типа TCP / IP в сочетании с мобильной связью.
4G-технология
Как заявляет технический руководитель Nortel Эл Джейвд (Al Javed), 4G-технология, внедрение которой ожидается через несколько лет, возможно, будет в десять раз