1.5. Характеристики лцф с постоянными параметрами

К характеристикам ЛЦФ с постоянными параметрами относятся:

– системная (передаточная) функция в Z-форме (СФ);

– импульсная и переходная характеристики (ИХ и ПХ, соответственно);

– комплексно-частотная, амплитудно-частотная и фазочастотная харак-

теристики (КЧХ, АЧХ и ФЧХ, соответственно);

– групповое время запаздывания (ГВЗ);

– точностные характеристики (ТХ).

1.5.1. Системная (передаточная) функция фильтра в z-форме

Системной (передаточной) функцией H(z) фильтра называют отношение Z-образа выходного сигнала Y(z) к Z-образу входного сигнала фильтра X(z) при нулевых начальных условиях, т.е.

H(z)  ^Y(z) X(z)

при y(-T) = y(-2T) = ... = y(-NT) ≡ 0;

x(nT) ≡ 0 при n<0.

Применяя прямое Z-преобразование к левой и правой частям разностно-

го уравнения, получим:

В разностном уравнении и системной функции используются одни и те же коэффициенты, поэтому весьма просто выполнить переход от разностного уравнения к передаточной функции и структуре фильтра.

Разностное уравнение позволяет рассчитывать выходной сигнал фильтра лишь рекуррентно, т.е. для вычисления y(nT) предварительно необходимо рассчитать y(nT–T), ..., y(nT–NT).

Зная системную функцию фильтра и входной сигнал (его Z-образ) при нулевых начальных условиях, можно получить в явном виде выражение для y(nT) и его величину для любого наперед заданного значения n = n₁ без вы- числения предыдущих отсчетов сигнала. Для этого:

Преимуществами цифровых фильтров перед аналоговыми являются:

• Высокая точность (точность аналоговых фильтров ограничена допусками на элементы).

• В отличие от аналогового фильтра передаточная функция не зависит от дрейфа характеристик элементов.

• Гибкость настройки, лёгкость изменения.

• компактность — аналоговый фильтр на очень низкую частоту (доли герца, например) потребовал бы чрезвычайно громоздких конденсаторов или индуктивностей.

Недостатками цифровых фильтров по сравнению с аналоговыми являются:

• Трудность работы с высокочастотными сигналами. Полоса частот ограничена частотой Найквиста, равной половине частоты дискретизации сигнала. Поэтому для высокочастотных сигналов применяют аналоговые фильтры, либо, если на высоких частотах нет полезного сигнала, сначала подавляют высокочастотные составляющие с помощью аналогового фильтра, затем обрабатывают сигнал цифровым фильтром.

• Трудность работы в реальном времени — вычисления должны быть завершены в течение периода дискретизации.

• Для большой точности и высокой скорости обработки сигналов требуется не только мощный процессор, но и дополнительное, возможно дорогостоящее, аппаратное обеспечение в виде высокоточных и быстрых ЦАП и АЦП.\

• Основным недостатком цифровых фильтров, выполненных аппаратурно, является их относительно высокая стои­мость.

9. Основные положения системы сжатия видеосигнала MPEG2

22.      MPEG-2: принципы сжатия информации.

Motion JPEG (M-JPEG)

Этот алгоритм является тем же самым алгоритмом  JPEG только применяемый к видеоизображению. А процесс компрессии ничем особенным не отличается, кроме того, что весь видеопоток разбивается на отдельные кадры, над которыми и происходит преобразования в формат JPEG. Стоит отметить, что при использовании этого формата средний коэффициент сжатия достигает значения 1:5. Скорость передачи видеопотока в режиме 720х576 составляет 5 Мбит/с.

MPEG-1 кодирование

Формат MPEG-1 вышел в свет в 1993 году. Для своего времени (486 процессор, зарождение массового использования компьютерных CD дисков) стандарт был очень прогрессивный. Поскольку в качестве носителя информации был выбран CD диск, а на момент выхода стандарта CD-ROM приводы были односкоростными, получилось, что скорость видеопотока в формате MPEG-1 ограничена 150 Килобайт в секунду.

В реальной жизни это вылилось в формат NTSC 352х240, 30 кадров в секунду и формат PAL/SECAM 352х288, 25 кадров в секунду.

На первый взгляд очень мало, однако если Вы вспомните предыдущие статьи – как раз получится стандартное VHS качество изображения.

Теперь собственно об алгоритме. Алгоритм подразумевает использование трех типов кадров (frame): 1) Ключевые кадры. Кадры типа I – Intra frame (вводный кадр). Кадры, которые сжимаются без изменений и особых потерь информации. 2) Кадры типа P – Predirected frame(кадр, использующий предыдущий). При кодировании этих кадров часть информации, которая наличествует в I кадре (или предыдущем P кадре) из P кадра удаляется. При воспроизведении P кадра используется информация из предыдущего I или P кадра. 3) Кадры типа В – Bidirectional frame(двунаправленный кадр). При кодировании этих кадров потери информации более значительны. При воспроизведении В кадра используется информация уже от двух предыдущих I или P кадров.

При кодировании MPEG-1 формируется цепочка кадров,типичная последовательность которых выглядит следующим образом: IPBBPBBPBBIPBBPBBPBB...

После того, как алгоритм определился с разбиением видеопотока на разные типы кадров, происходит собственно кодирование кадров.

I кадр

Здесь все просто – кадр разбивается на блоки 8х8, которые и обрабатываются кодеком.

P и B кадры

Здесь несколько сложнее.  Для увеличения степени сжатия используется алгоритм предсказания движения, который в качестве входной информации получает блок 8х8 текущего кадра и аналогичные блоки от предыдущих кадров. На выходе данного алгоритма имеем следующую информацию о блоке:  1) вектор движения текущего блока относительно предыдущих 2) разницу между текущим и предыдущими блоками, которая и будет в дальнейшем кодироваться

В результате при использовании данного алгоритма можно получить приблизительно следующий коэффициент сжатия I:P:B - 1:3:2.5

Затем идет собственно кодирование, проходящее в три стадии: 1) Дискретное косинусное преобразование (Discrete Cosine Transformation, DTC) (Ау JPEG :-)) 2) Квантование (Quantization). Перевод сигнала из непрерывной формы представления в дискретную 3) Преобразование из матричной формы хранения в линейную (храним – то в потоке с последовательной выборкой)

Помимо видео происходит кодирование аудио потока. Принципы схожие, останавливаться на аудио кодировании я не стану. Используются один из трех звуковых кодеков этого семейства – MPEG-1 Layer I, Layer II или Layer 3 (MP3).

Кодеки.

У большинства видеокарт с функцией TV -in и TV Tunerов (если не реализовано в железе) в состав программного обеспечения, входящего в комплект устройств входит и MPEG-1 кодек. Реализация может быть от терпимой до безобразной.

Наиболее распространенные кодеки семейства MPEG-1:

Рекомендации по использованию. Не рекомендую. Единственное разумное применение – запись телевизионных передач для однократного просмотра и дальнейшего безжалостного уничтожения. Да и то это имеет смысл только на маломощных компьютерах.

MPEG-2 кодирование

Дальнейшее развитие стандарта MPEG-1. На его возникновение и массовое распространение повлияло три вещи – DVD, цифровое спутниковое телевидение и телевидение высокого разрешения – HDTV

Что же нового появилось в MPEG-2?

Помимо выросшего разрешения видеоизображения (размер кадра до 16383х16383 ), появилась возможность работать с блоками 8х8, 16х8 и 16х16, новые алгоритмы сжатия и удаления избыточной информации, изменяемая точность квантования сигнала.

Точность квантования – теперь можно использовать 8, 9, 10 и 11 бит на элемент. Для чего это надо? в статических сценах можно использовать низкий поток данных, для динамических сцен – увеличить точность квантования и, как следствие, потеряв в степени сжатия данных, улучшить качество изображения.

Добавился новый алгоритм удаления избыточной информации. Его суть в том, что в P кадре остается только та часть изображения, которая отличается от предыдущего кадра.

Далее – введено понятие – слои изображения. Поток видеоданных делится на три слоя – base, middle и high. Наиболее приоритетный на данный момент слой кодируется в большим битрейтом, остальные – с меньшим.

И так далее и тому подобное. Стандарт MPEG-2 очень сильно отличается от своего предшественника. Возможностей в нем заложено очень много, реализаций кодеков – так же хватает, причем не всегда полностью совместимых.  Добавлен новый стандарт кодирования звука – MPEG-2 AAC (Advanced Audio Coding). Который помимо новых частот дискретизации сигнала поддерживает стандарт Dolby Surround 5.1.

MPEG-2 датируется как стандарт 1994 годом. Он был создан для высококачественного цифрового видео формата DVD, а также высококачественного цифрового телевидения HDTV, цифрового радиовещательного видео DBV, кабельного ТВ CATV и интерактивных информационных носителей ISM. MPEG-2 основывался на функциях и возможностях MPEG-1 и был направлен на улучшение качества сжатия. Целью его создания была возможность обработки больших изображений с минимальными потерями в качестве (то есть понижением степени сжатия при столь же высокой скорости передачи данных). Блоки для дискретно-косинусного преобразования видеоинформации тут составляют 16 на 16 пикселей. Скорость передачи видеосигнала точно такая же, как и в стандарте MPEG-1.

Технические аспекты стандарта MPEG-2

Рабочая группа MPEG описала общие принципы компрессии аудио и видео информации, а разработку деталей оставила для изготовителей кодеков. В основу алгоритма сжатия была положена модель восприятия человеческим глазом видеоизображений и особенности строения человеческого глаза - его способность воспринимать вариации цвета и градации яркости. Так, например, человеческий глаз способен лучше воспринимать градации яркости, чем цветности.

Задача сводится к определению на экране неподвижного фона и движущихся объектов, на основании этого можно выделить и передать информацию о базовом кадре, а потом уже передавать кадры с информацией о движущихся объектах. В процессе передачи данных происходит отбрасывание малозначимой информации, аналогичной принципам, которые используются в графическом формате JPEG. Реализуется процесс путем разбивки потока видеоинформации на группы видеоизображений, каждая группа состоит из 3-х типов видеокадров. Обычно используются потоки из 30 кадров в секунду.

Благодаря постоянному совершенствованию видео кодеков формата MPEG-2 операторы спутникового и кабельного вещания получили возможность передавать в 2 раза больший объем информации при той же пропускной способности канала, чем когда то, на заре эволюции цифрового вещания. Стало появляться все большее количество разных видео кодеков, но они уже не соответствовали существующему формату MPEG-2. Назрела необходимость дальнейшей унификации стандарта.

Стандарт MPEG-2 состоит из трех основных частей: системной, видео и звуковой.

Системная часть описывает форматы кодирования для мультиплексирова­ния звуковой, видео и другой информации, рассматривает вопросы комби­нирования одного или более потоков данных в один или множество потоков, пригодных для хранения или передачи.

Системное кодирование в соответствии с синтаксическими и семантически­ми правилами, налагаемыми данным стандартом, обеспечивает необходимую и достаточную информацию, чтобы синхронизировать декодирование без переполнения или «недополнения» буферов декодера при различных условиях приема или восстановления потоков.

Таким образом, системный уровень выполняет пять основных функций:

• Синхронизация нескольких сжатых потоков при воспроизведении

• Объединение нескольких сжатых потоков в единый поток

• Инициализация для начала воспроизведения

• Обслуживание буфера

• Определение временной шкалы

Видеочасть стандарта описывает кодированный битовый поток для высо­кокачественного цифрового видео.MPEG-2 является совместимым расши­рением MPEG-1, он поддерживает чересстрочный видеоформат и содержит средства для поддержки ТВЧ.

Стандарт MPEG-2 определяется в терминах расширяемых профилей, каждый из которых, являясь частным случаем стандарта, имеет черты, необходимые всем классам приложений.

Иерархические масштабируемые профили могут поддерживать такие при­ложения, как совместимое наземное многопрограммное ТВ (ТВЧ), пакетные сетевые видеосистемы, обратную совместимость с другими стандартами (MPEG-1 и Н.261) и приложениями, использующими многоуровневое коди­рование.

Такая система позволит потребителю использовать приемник для декодиро­вания как стандартного телевизионного сигнала, так и сигнала ТВЧ из того же вещательного канала.

Звуковая часть стандарта MPEG-2 определяет кодирование многоканального звука. MPEG-2 поддерживает до пяти полных широкополосных каналов плюс дополнительный низкочастотный канал и (или) до семи многоязычных ком­ментаторских каналов. Он также расширяет возможности кодирования моно и стереозвуковых сигналов в MPEG-1 за счет использования половинных частот дискретизации (16; 22,05 и 24 кГц) для улучшения качества при скоро­стях передачи 64 Кбит/с и ниже.

Применение стандарта MPEG-2 в вещательном телевидении позволяет зна­чительно снизить скорость передачи видео- и звуковых данных и за счет это­го передавать несколько цифровых программ в стандартной полосе частот радиоканалов эфирного, кабельного и спутникового телевизионного веща­ния. Например, большие преимуществаMPEG-2 дает в системах спутниково­го телевизионного вещания. Сжатие позволяет передать по одному стандар­тному каналу от одного до пяти цифровых каналов при профессиональном уровне качества видеосигнала. Важно и то, что цифровые каналы по сравне­нию с аналоговыми предоставляют более широкие возможности для переда­чи дополнительной информации.

Пропускная способность стандартного спутникового канала при полосе 32 МГц составляет 55 Мбит/с. Для вещания с профессиональным качеством необхо­дима скорость цифрового потока 5 — 8 Мбит/с. Таким образом, один стандар­тный спутниковый канал позволяет транслировать 4 — 5 телевизионных про­грамм. Возможно использование цифровых каналов с более высокими коэффициентами сжатия. При этом в одном стандартном канале передает­ся до десяти видеопрограмм. Однако в этих случаях заметна потеря каче­ства изображения.

В общем случае переход к цифровому многопрограммному ТВ вещанию пред­полагает постепенный вывод из эксплуатации аналоговых систем вещания: SECAM, PAL, NTSC, освобождение за счет этого существующих радиоканалов и линий связи, а также их перепрофилирование для цифрового ТВ вещания. При этом система многопрограммного ТВ вещания должны быть встроена в существующий частотный план распределения ТВ каналов, который пре­дусматривает полосу пропускания 8 МГц для эфирного и кабельного ТВ ве­щания, 27 МГц — для спутниковых систем непосредственного ТВ вещания и 30, 33, 36, 40, 46, 54, 72 МГц — для фиксированных служб спутниковой связи. Необходимо также учитывать сложившуюся взаимосвязь между спутнико­выми и наземными системами телевещания, предполагающую использова­ние ТВ каналов кабельных и эфирных сетей вещания также для доведения спутниковых программ до телезрителей.

При цифровом вещании взаимный обмен телепрограммами между наземны­ми и спутниковыми вещательными службами существенно упрощается, если число цифровых ТВ программ в каждом стандартном по полосе пропускания спутниковом, кабельном и эфирном радиоканале будет одинаковым. Это тре­бование было учтено при разработке международных стандартов на методы модуляции и канального кодирования в цифровых спутниковых и наземных каналах связи — DVB-S, DVB-C и DVB-T (Digital Video Broadcasting — Satellite, Cable, Terrestrial) — путем применения для более узкополосных радиокана­лов более сложных и эффективных по плотности передачи информации ме­тодов модуляции.

При организации многопрограммного цифрового ТВ вещания весьма важно правильно выбрать скорость передачи, поскольку от этого непосредственно зависит качество изображения и звукового сопровождения.

Согласно экспертным оценкам, для получения изображения студийного каче­ства, соответствующего Рекомендации 601 МККР, необходимо передавать ви­деоданные со скоростью около 9 Мбит/с. При этом декодированный видеосиг­нал будет пригоден для последующей цифровой обработки. Для получения изображения с качеством, соответствующим качеству изображения на экране бытового телевизора, будет достаточна скорость передачи около 6 Мбит/с. В этом случае декодированный видеосигнал будет малопригоден для последую­щей обработки и повторного кодирования с информационным сжатием.

Необходимо отметить, что качество ТВ изображения при одинаковой скорости передачи видеоданных в системах телевидения с частотой развертки полей 50 Гц будет выше, чем в системах телевидения с частотой развертки полей 60 Гц.

Несколько слов о скорости передачи звуковых данных. В настоящее время общепринятым эталоном высшего качества звука является качество, получа­емое при воспроизведении компакт-дисков. Поэтому в стандарте MPEG-2 предполагается, что в системах цифрового ТВ вещания качество звукового стереосопровождения субъективно не должно отличаться от звука с компакт-диска. Это условие выполняется для принятой в стандарте MPEG-2 системы информационного сжатия звуковых данных MUSICAM при скорости пере­дачи по 128 Кбит/с на каждый моноканал звукового сопровождения. Таким образом, для самого низкого уровня — двухканального стереофонического звукового сопровождения — потребуется скорость передачи цифровых дан­ных, равная 128 Кбит/с х 2 = 256 Кбит/с.

Цифровой поток для передачи дополнительной информации (ДИ) выбирается в зависимости от ее предполагаемого объема. Скорость передачи обычно выби­рается кратной скорости цифрового потока телефонного канала — 64 Кбит/с. Для унификации каналов цифровой передачи данных звукового сопровождения и дополнительной информации обычно скорость передачи ДИ выбирается рав­ной 128 Кбит/с.

В связи с большой сложностью построения стандарта MPEG-2 стоимость циф­рового приемного оборудования выше аналогового. Именно по этой причине аналоговое вещание пока будет существовать наряду с цифровым.

10. Основные положения системы сжатия видеосигнала MPEG4

MPEG-4 — это международный стандарт, используемый преимущественно для сжатия цифрового аудио и видео. Он появился в 1998 году и включает в себя группу стандартов сжатия аудио и видео и смежные технологии, одобренные ISO — Международной организацией по стандартизации/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG). Стандарт MPEG-4 в основном используется для вещания (потоковое видео), записи фильмов на компакт-диск и в видеотелефонии (видеотелефон) и широковещании, в которых активно используется сжатие цифровых видео и звука.

MPEG-4 включает в себя многие функции MPEG-1, MPEG-2 и других подобных стандартов, добавляя такие функции, как поддержка языка виртуальной разметки VRML для показа 3D объектов, объектно-ориентированные файлы, поддержка управления правами и разные типы интерактивного медиа. AAC (Advanced Audio Codec — или Улучшенный Аудио Кодек) был стандартизован как дополнение к MPEG-2 (уровень 3), был также расширен и включен в MPEG-4.

MPEG-4 делится на несколько частей. Ключевыми частями стандарта MPEG-4 являются часть 2 (MPEG-4 part 2, включая Advanced Simple Profile, используемый такимикодеками как DivX, Xvid, Nero Digital и 3ivx, а также Quicktime 6) и часть 10 (MPEG-4 part 10/MPEG-4 AVC/H.264 или Advanced Video Coding, используемый такими кодеками, какx264, Nero Digital AVC, Quicktime 7 а также используемый в цифровых дисках следующего поколения, таких, как HD DVD и Blu-ray Disc).

MPEG-4 предоставляет комплект технологий для разработчиков, для различных поставщиков услуг и для конечных пользователей.

• MPEG-4 позволяет различным разработчикам создавать объекты услуг и технологий, например, цифровое телевидение и мультипликацию, WWW и их расширения, обладающие лучшей адаптивностью и гибкостью при улучшении качества. Этот стандарт позволяет разработчикам более эффективно управлять контентом и более эффективно бороться против пиратства.

• Различные сетевые провайдеры могут использовать MPEG-4 для обеспечения прозрачности данных. С помощью стандартных процедур любые данные могут быть интерпретированы и преобразованы в различные сигналы, которые можно передать по любой существующей сети.

• Формат MPEG-4 предоставляет конечным пользователям широкий спектр возможностей, позволяющих взаимодействовать с различными анимированными объектами.

Формат MPEG-4 может позволить выполнять различные функции, среди которых следующие:

• Аудио потоки, видео и аудиовизуальные данные могут быть как естественными, так и искусственно созданными. Это означает, что они могут быть как записаны на видеокамеру или микрофон, так и созданы с помощью компьютера и специального программного обеспечения.

• Мультиплексирование и синхронизация данных, связанных с медийным объектом, в том смысле, что они могут быть переданы через сетевые каналы.

• Взаимодействие с аудиовизуальной сценой, которая формируется на стороне приемника.

К 1998 году был разработан новый стандарт сжатия на основе MPEG-2 - MPEG-4. В 1999 году окончательно доработанный стандарт был утвержден ISO/IEC.  MPEG-4 создавался в качестве стандарта кодирования видеоданных универсального характера. Этот стандарт был призван с равной степенью успешности сжимать как аудио- и видеоданные естественного происхождения (записанные на микрофон или видеокамеру), так и искусственного (созданного на компьютере) происхождения. В предыдущих форматах MPEG-1 и MPEG-2 эффективно можно было обработать лишь данные естественного происхождения.  MPEG-4 фиксирует взаиморасположение элементов и объектов сцены в пространстве, позволяя описать их максимально удобно для последующего воспроизведения. То есть для этого применяется функция распознавания отдельных элементов и объектов сцены, для которого нужен очень непростой алгоритм. Также отличительной особенностью стандарта MPEG-4 стало воспроизведение отдельных элементов сцены, учитывая изменяющиеся значения пропускной способности различных сетей передачи данных. Этот формат разрешает «универсальный доступ» к любого типамультимедийным данным, учитывая изменения пропускной способности сети любого происхождения. Таким образом, любой видео- илиаудиофрагмент в различных условиях пропуска данных будет представлен со своим в каждом отдельно взятом случае качеством.

 MPEG-4 кодирование

Стандарт MPEG-4 является, так сказать, шагом в сторону. Его основное предназначение (по мнению разработчиков стандарта) – передача достаточно качественного видео в средах (сетях) с относительно малой пропускной способностью. В общем, если переводить на человеческий язык – вещание потокового видео в Интернет (Нечего улыбаться – в Америке в крупных городах канал 2 мегабита в квартиру – нормальное явление).

Основное нововведение в стандарте MPEG-4 – в отличие от предыдущих стандартов, которые делили изображение при обработке на прямоугольники, MPEG-4 оперирует объектами с произвольной формой. Это позволяет достичь большей степени компрессии при сопоставимом качестве, однако взамен требует заведомо более мощного процессора (что-то типа celeron 600 – 700).