Описание стандарта MPEG-2

         Работы над стандартом MPEG-2 начались в 1990г. Разработанный специально для кодирования ТВ сигналов вещательного телевидения, он позволяет получить высокую четкость ТВ изображения, соответствующую Рекомендации 601 МККР: 576 активных строк в кадре и 720 отсчетов в активной части строки. Стандарт предназначен для каналов связи, обеспечивающих скорость передачи данных 3-10 Мбит/с для обычного телевизионного стандарта и 15-30 Мбит/с для телевидения высокой четкости (ТВЧ). Проект стандарта MPEG-2 вышел в начале 1994г., а в 1995г. были выпущены последние документы. В стандарте обеспечивается совместимость "вперед", т.е. MPEG-2 декодер может декодировать поток данных формата MPEG-1.

    Общие положения

   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.

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

Видео часть 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.

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 преимущества MPEG-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/c. 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.

Совместимость стандартов MPEG-1 и MPEG-2

      MPEG-2 совместим с предыдущим стандартом MPEG-1 "вперед" и "вверх" по видеопотоку. Вообще говоря, при переходе к новому стандарту возможны следующие виды совместимости:

  • Совместимость "вперед" - декодер нового поколения должен уметь декодировать потоки декодера предыдущего поколения
  • Совместимость "назад" - декодер предыдущего поколения должен уметь декодировать потоки или часть потока кодера нового поколения
  • Совместимость "вверх" - декодер нового поколения с более высоким разрешением должен уметь декодировать потоки предыдущего поколения с низким разрешением
  • Совместимость "вниз" - декодер предыдущего поколения с низким разрешением должен уметь декодировать потоки нового поколения с более высоким разрешением

       Совместимость кодеров предыдущего (MPEG-1) и последующего (MPEG-2) поколений достигается за счет введения синтаксиса расширений заголовков. Декодер предыдущего поколения игнорирует дополнительную информацию, содержащуюся в расширениях заголовков, зарезервированных в предыдущем поколении стандарта, и способен восстанавливать данные, содержащиеся в битовом потоке. Таким образом можно обеспечить совместимость "вперед" и "вверх". Совместимость "назад" и "вниз" может быть гарантирована лишь дополнительным аппаратным обеспечением декодера предыдущего поколения.

Сжатие видеосигнала

       Стандарт MPEG-2 не регламентирует методы сжатия видеосигнала, а только определяет, как должен выглядеть битовый поток кодированного видеосигнала, поэтому конкретные алгоритмы являются коммерческой тайной фирм - производителей оборудования. Однако существуют общие принципы, и процесс сжатия цифрового видеосигнала может быть разбит на ряд последовательных операций: преобразование аналогового сигнала в цифровую форму, предварительная обработка, дискретное косинусное преобразование, квантование, кодирование.

      В заключении отметим, что качество кодирования и декодирования видеосигналов по стандарту MPEG-2 определяется не только возможностями аппаратных средств, но и уровнем проработки специализированного программного обеспечения.