В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Алгоритмы сжатия видеопотока или (по-другому) средства компрессии видеопотока являются одной из основных стадий развития всех телекоммуникационных технологий, так как качество получаемого при декодировании изображения напрямую зависит от степени сжатия и метода кодировки. Чем больше ширина канала, тем меньше необходимая степень сжатия и тем качественнее получаемое изображение. Поэтому, с одной стороны, необходимо увеличивать пропускную способность канала, с другой стороны, потребительские требования к реалистичности изображения опережают возможности передачи несжатого изображения, заставляя поставщиков видеоконтента использовать средства компрессии.
Увеличение пропускной способности канала в настоящее время достигается за счет внедрения новых физических принципов передачи информации или за счет оптимизации и сбалансированности доставки по существующим технологиям.
С точки зрения физических принципов передачи информации все системы абонентского доступа (САД) можно подразделить на две группы: проводные и беспроводные [5, 6]. К проводным системам относятся: телефонный кабель, витая пара, коаксиальный кабель (СКТВ — система кабельного телевидения), оптоволокно (ВОЛС), электросети (технология PLC) и их различные гибридные типы. А к беспроводным сетям — наземные (эфирные) сети (DVB-Т2/Н [7], LTE, WiMax, Wi-Fi...), спутниковые (космические) сети (DVD-S1/S2 [8] и т.д.) и гибридные спутниковые (DVB-SH...) беспроводные сети. При анализе этих систем для доставки современного видеоконтента (HDTV, UHD и т.д.), несмотря на очевидное удобство беспроводных сетей, лидирующую позицию занимает оптоволоконный сегмент проводных технологий. Это связано в первую очередь с высокой скоростью передачи данных и низкими потерями в трактах передачи.
Необходимость обеспечения высоких скоростей передачи данных связана с быстротой передачи значительных объемов передаваемого видеоконтента, то есть с увеличением числа пикселей одного кадра. Усредненные данные скорости передачи цифровых TV-сигналов цветного телевидения без сжатия информации для HDTV, UHDTV и голографического изображения представлены в таблице.
Для доставки видеоконтента к пользователям, находящимся в разных условиях приема, необходимо обеспечить одновременно как мобильный, так и стационарный доступ к телекоммуникационным сетям. С этой точки зрения наиболее реалистической выглядит существующая концепция развития универсальной персональной связи — UPT (Universal Personal Telecommunication), которая базируется на принципе единой интегрированной системы стандартов и устройств, обеспечивающих одновременно как мобильный, так и стационарный доступ пользователей к телекоммуникационной и информационной сети в любой точке Земли. В настоящее время для передачи больших объемов контента по беспроводной технологии существует только один эффективный путь развития — увеличение несущей частоты передачи сигналов. Самым существенным недостатком данного пути развития является физический предел допустимых частот (~1013 Гц). Поэтому для эффективного внедрения полноценных голографических систем, по-видимому, потребуются новые физические принципы передачи информационных потоков основанные, например, на базе нейросетей, квантовых эффектов [9, 10] и т.д., или глубокая модернизация существующих технологий. Поиском путей решения этой проблемы занимаются многие ведущие научные коллективы во всем мире.
Но задача увеличения плотности потока данных (в том числе и цифрового видеоконтента) является комплексной и практически недостижима без использования средств компрессии (сжатия) информации. Так как только использование прогрессивной (построчной) развертки цифровых видеопотоков (в отличие от стандартной чересстрочной аналоговой развертки) потребовало увеличение скорости передачи потока в два раза.
Известно, что любой современный метод кодировки, уменьшающий в 10÷100 раз объем видеопотока, сопровождается и частичной потерей информации. При использовании слишком большой степени сжатия и одного метода компрессии искажения становятся заметными и зачастую неприемлемыми для зрительного восприятия. Поэтому разработка методов восстановления информации на основе алгоритма работы кодирующих устройств является одной из наиболее актуальных задач. В настоящее время ведущими телекоммуникационными корпорациями выделяются значительные средства на разработку высокоэффективных алгоритмов сжатия видеоинформации для их использования в тракте передачи вещательных TV-программ.
К наиболее известным существующим алгоритмам сжатия данных (до 100:1) для доставки HDTV относятся: MPEG-2, SMPTEVC-1 и H.264/MPEG-4AVC. К последнему стандарту видеокомпрессии уже выпущены два дополнения, позволяющие осуществлять как многоракурсное видеокодирование (multiview video coding — MVC), так и масштабируемое видеокодирование (scalable view coding — SVC) [11, 12]. Профиль MVC позволяет кодировать два изображения стереопары в системах 3D TV, а также кодирует несколько изображений, снятых с разных ракурсов в системах с произвольной точкой просмотра (free viewpoint television — FTV). Это позволяет зрителю самостоятельно выбирать точку наблюдения интересующей его сцены. Профиль SVC кодирует несколько видеопотоков в разном масштабе (с различными битрейтами) для возможности их передачи в едином транспортном потоке для так называемой "динамической адаптации" изображения. То есть для возможности бесперебойного транслирования индивидуального видеоконтента конечному пользователю вне зависимости от СОИ, находящегося у него в активном состоянии (iPhone, iPad, ноутбук, нетбук, стационарный компьютер и т.д.).
Одной из последних разработок (ВВС и японской корпорации NHK), для передачи разрешения UHD-2 (8К), является компрессор HEVC (High Efficiency Video Coding), позволяющий сжимать видеопоток до 450:1 (100-350 Мбит/с). Он успешно прошел тестовые испытания в Лондоне во время Олимпиады 2012 года, при трансляции спортивных эфирных ТВ-передач в реальном времени. Предполагается, что стандарт будет готов для широкого внедрения в 2013 году.
Развивая концепцию универсальной персональной связи — UPT (Universal Personal Telecommunication) в настоящее время все большую популярность приобретает новая технология OTTV (Over-the-Top Television). Данная технология позволяет адаптировать передаваемый видеоконтент к пропускной способности сети (Adaptive Bit Rating — ABR) и организовывать вещание одного контента на различные типы оконечных устройств (Multiscreen Delivery) с помощью стандарта (формата) MPEG-DASH (dynamic adaptive streaming over HTTP) [13—15]. Этот стандарт, поддерживающий профили MVC и SVC, позволяет передавать одинаковые видеопотоки с разными битрейтами от провайдеров к зрителю на различные оконечные средства отображения информации. Конкурирующим стандартом для MPEG-DASH является формат TS26.247 [16], разрабатываемый консорциумом 3GPP (Third generation partnership project). Эти стандарты не являются совместимыми, однако предполагается, что MPEG-DASH станет частью стандарта 3GPP (одним из его профилей). Кто победит в очередной "войне видеостандартов", покажет время...
Следующей эволюционной ступенью развития ТВ-вещания четко прослеживается необходимость формирования реалистичного объемного изображения. Современные ЗD-телевизоры обладают одним существенным недостатком — головные и глазные боли зрителей, что связано с особенностью восприятия человеческим мозгом ЗD-кадра. Мозг пытается воспринять картинку в объеме, a 3D кадр — это стереопара (левый и правый ракурс). Качественно решить данную задачу возможно только с помощью голографической технологии, создающей при помощи лазерной техники и микроэлектромеханического дисплея реалистичные объемные изображения [17], не требующие применения специальных очков.
Один из самых существенных недостатков, сдерживающих широкое внедрение голографической техники, — огромный объем воспроизведения информации динамических объектов, достигающих десятки, и даже сотни терабайт. Поэтому для реализации транспортировки видеопотоков данного вида просто необходимы средства компрессии данных хотя бы на уровне 1000:1. В настоящее время такая технология компрессии отсутствует. Поэтому в настоящее время любые устройства голографических телевизоров, по сути, являются мониторами (экранами) мощных стационарных графических станций (компьютеров) при разрешении не более 1280x1024, но способных уже демонстрировать динамические изображения с частотой смена кадра до 20—25 кадр/с [18, 19].
1. Проведенный анализ современных технологий по доставке пользователям различного видеоконтента показал устойчивую тенденцию роста разрешающей способности средств отображения информации, а следовательно, и плотности передаваемого потока данных, вплоть до голографической технологии на уровне 16К. При этом комплексная задача доставки видеоконтента такого разрешения невозможна без внедрения принципиально новых алгоритмов сжатия (кодирования) информации и создания новых сетей по доставке данного контента.
2. Для формирования цветных изображений высоких разрешений (4К и выше), содержащих более 8 млн пикселей, необходимо решить проблему снижения энергопотребления устройств и их массогабаритных характеристик. Одним из наиболее эффективных путей решения данной задачи является внедрение светодиодных матриц на базе органических светодиодов (OLED, PLED и т.д.).
3. Все существующие ЗD-системы формирования изображения являются лишь вынужденным шагом к переходу от плоского (двумерного) ТВ-контента к объемному изображению на базе голографической технологии.
Литература
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #2, 2013
Посещений: 17856
Статьи по теме
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
