Розробка електронного засобу декодування відеоданих в форматі MPEG-4

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ модулятор телевізійний цифровий

Життя сучасного суспільства немислиме без широко розгалужених систем передачі інформації. Без неї не змогли б функціонувати промисловість сільське господарство, транспорт.

Подальший розвиток усіх сторін діяльності нашого суспільство немислиме без найширшого впровадження автоматизованих систем управління, найважливішою частиною яких є система зв'язку для обміну інформацією, а також пристрої її зберігання і обробки.

Передача, зберігання і обробка інформації мають місце не тільки при використанні технічних пристроїв. Звичайна розмова являє собою обмін інформацією. Існує безліч всіляких форм представлення і зберігання інформації, такі як: книги, дискети, вінчестери і т.д.

Впровадження в Україні цифрового телерадіомовлення відбувається відповідно до затвердженої Регіональною конференцією радіозв'язку РКР-2006 Регіональної угоди Женева-2006 та розробленими цифровим та аналоговим Планами. В Україні застосовуються такі стандарти цифрового радіомовлення: ефірне телебачення - DVB-T, DVB-H, HDTV, супутникове телебачення - DVB-S, DVB-S2, кабельне телебачення - DVB-C, DVB-C2.

Відповідно до Плану розвитку телерадіол інформаційного простору України, встановлено етапи впровадження стандарту DVB-T, як соціального стандарту, який повинен замінити діючий аналоговий спосіб розповсюдження телепрограм. Інші стандарти DVB-H, HDTV, DVB-S, DVB-S2, DVB-C, DVB-C2 є або додатковими опціями, чи впроваджуються у сегменті комерційної телевізійної послуги, а отже мають запроваджуватися за рахунок позабюджетних коштів. З огляду на це, у смугах частот 174 - 230 МГц та 470 - 862 МГц в першу чергу передбачається впровадження радіотехнології цифрового телевізійного мовлення стандарту DVB-T, як соціальної технології, здатної забезпечити доступ усіх верств населення до телебачення. Тому Державна програма передбачає розгортання саме цієї радіотехнології.

Створення загальнонаціональної системи цифрового телерадіомовлення у стандарті DVB-T включає будівництво 65 веж та іншої інфраструктури, розбудову одного загальнонаціонального покриття (мультиплексу) мережі цифрового телерадіомовлення і запуск її в експлуатацію, на що передбачається виділити 265866,9 тис.грн. з Державного бюджету та семи загальнонаціональних покриттів (мультиплексів) мережі цифрового телерадіомовлення і запуск ї в експлуатацію, на що передбачається виділити 1861068,9 тис.грн. з інших джерел фінансування.

У даному дипломному проекті розробляється пристрій, що поєднує в собі функціональні можливості супутникового аналогового, супутникового цифрового приймачів і приймача наземного віщання. Можливо, розроблювальний пристрій у чомусь програє окремим компонентам, що виконують аналогічні функції, але його універсальність є тим фактором, що дозволяє зробити припущення про його конкурентноздатність на ринку.

1. Теоретична частина

Модулятор (рос. модулятор, англ. modulator, нім. Modler m, Modulator m) - пристрій, що здійснює модуляцію сигналів. Складова частина передавача в каналах електрозв'язку, оптичного та звукового зв'язку, оптичних звукозаписуючих, оптоелектронних та ін. пристроїв, за допомогою якої здійснюється управління параметрами гармонічних електромагнітних коливань, тобто модуляція коливань. При гармонічній несівній залежно від виду модуляції розрізняють амплітудні, частотні й фазові модулятори. Аналогічно при імпульсній несівній, коли модулятор здійснює імпульсну модуляцію, розрізняють амплітудно-, широтно-, частотно- та фазоімпульсні модулятори.

Модулятори широко застосовують у різних галузях техніки, пов'язаних з передаванням чи перетворюванням сигналів (повідомлень), зокрема, в техніці зв'язку та автоматичного регулювання, вимірювальній техніці тощо. Приклад застосування модуляторів у гірничій справі - в диспетчерських системах дистанційного контролю включеного-виключеного стану апаратів та механізмів.

Рисунок 1.1 - Схема кільцевого модулятора

1.1 Стандарти цифрового телебачення

DVB (англ. Digital Video Broadcasting) - сімейство стандартів цифрового телебачення, розроблених консорціумом DVB і стандартизованих Європейським інститутом телекомунікаційних стандартів. Доступ до текстів більшості стандартів є відкритим.

Стандарти охоплюють всі рівні моделі взаємодії відкритих систем OSI з різним ступенем деталізації для різних способів передачі цифрового сигналу: наземного (фіксованого та мобільного), супутникового, кабельного (як класичного, так і IPTV). На більш високих рівнях OSI стандартизуються системи умовного доступу, способи організації інформації для передачі в середовищі IP, різні метадані та ін.

В основі стандартів DVB лежить стандарт кодування відео та аудіо MPEG-2. В стандартах DVB, окрім параметрів стандартизованих MPEG-2, визначено також методи стійкого до перешкод кодування, канального кодування, модуляції несучих частот, передачі додаткової інформації, захисту інформації від несанкціонованого доступу, та інші методи, необхідні для організації цифрового телевізійного мовлення.

Синтаксис транспортного потоку DVB розширено в порівнянні з MPEG2. Передбачено нові типи пакетів з особливими ідентифікаторами (PID, англ. packet identifier). Серед них типу SI (англ. service information -- сервісна інформація), в яких передається інформація про джерело ТБ-програми, параметри каналу зв'язку, класифікація вмісту програми, тощо.

Стандарти DVB забезпечують умовний доступ (CA, англ. conditional access), що дозволяє створювати системи платного телебачення. При цьому стандартизовано лише загальні елементи системи умовного доступу, а конкретна реалізація залежить від фірми-постачальника обладнання та мовника.

Стандарти DVB дозволяють можливість введення додаткових, не описаних стандартом, пакетів даних. В цих пакетах мовник може передавати інформацію для елекронної програми передач, та іншу інформацію. Тому для різних постачальників послуг ТБ мовлення можуть знадобитись різні декодери.

1.2 Стандарти сигналів супутникового телевізійного мовлення

Стандартом телевізійного сигналу називають сукупність визначальних його основних характеристк, таких як спосіб розкладання зображення, число рядків і кадрів, тривалість і форма синхронізуючих і затухабчих імпульсів, полярність сигналу, рознос між несущими частотами зображення і звукового супроводу і метод модуляції останньої, параметри кола звукового сигналу і ін.

По способу передачі сигналів кольоровості розрізняють три системи кольорового телебачення: SECAM, NTSC і РAL.

Ці системи були розроблені для наземних ТВ мереж, що використовують амплітудну модуляцію (АМ) несучої зображення, і не придатні для супутникових каналів, де основний є частотна модуляція (ЧМ). При проходженні ЧМ сигналу через тракти з нерівномірною амплітудною і нелінійною фазовою характеристикою виникають перехресні спотворення сигналів яскравості і кольоровості, що погіршують якість зображення. до того ж через трикутний спектр демодульованого шуму при ЧМ сигнали кольоровості виявляються в області підвищеної спектральної щільності потужності шуму, що знижує завадостійкість прийому цих сигналів.

У багатьох країнах проводилися пошуки нових методів формування ТВ сигналу, вільних від зазначених недоліків. Однак для передачі кольорового ТВ зображення з високою якістю швидкість цифрового потоку повинна складати більш 200 Мбіт/с, що значно перевищує пропускну здатність типового ствола супутникового ретранслятора зі смугою пропускання 27...36 МГц як компроміс для першого покоління європейських систем безпосереднього телевізійного мовлення був розроблений і прийнятий комбінований цифроаналоговий стандарт із почерговою передачею на періоді активної частини рядка стиснутих у часі аналогових сигналів яскравості і кольоровості, що одержав назву МАС (Multiplexing Analogue Components - ущільнення аналогових компонентів). Сигнали звукового супроводу, синхронізації, службова і додаткова інформація передаються в цифровій формі. У залежності від обраного способу передачі звуку і даних розрізняють стандарти В-МАС, С-МАС, D- і D2-MAC.

Наприкінці 80-х рр. був створений алгоритм цифрового стиску, що дозволяв передати високоякісне зображення зі швидкістю 7...9 Мбіт/с, зображення мовної якості - зі швидкістю 3,5...5,5 Мбіт/с і кінофільм зі швидкістю не більш 1,5 Мбіт/с. На основі цього алгоритму Міжнародна організація стандартизації прийняла два стандарти обробки ТВ зображення: MPEG-1 для телебачення з невисокою дозволеною здатністю і прогресивною розгорткою (компакт-диски, комп'ютерні ігри, мультимедіа) і MPEG-2 для мовного телебачення з черезрядковою розгорткою. Подальшим розвитком MPEG-2 став європейський стандарт цифрового ТВ мовлення (DVB), що містить норми на параметри модуляції, кодування і передачі по каналах зв'язку.

1.3 Телевізійний сигнал з тимчасовим поділом компонентів

Аналогові сигнали яскравості і кольоровості у системах типу МАС стискуються в часі і передаються по черзі, це дозволяє уникнути перехресних перекручувань цих сигналів, підвищити здатність зображення, знизити шуми в каналі кольоровості завдяки перекладу його в область низьких частот, що дозволяється, за рахунок більш широкої смуги частот сигналів яскравості і кольоровості. Стиск аналогового сигналу здійснюється стробіруванням сигналу з деякою тактовою частотою, перетворенням відліків у цифрову форму, нагромадженням їх у буферній пам'яті, прискореним зчитуванням з нової, більш високою тактовою частотою і зворотним перетворенням в аналогову форму. Для каналів з цифровою передачею звуку рекомендовано використовувати передспотворюючі контури. Вважається, що передспотворення зменшують суб'єктивне сприйняття шумів квантування і запобігають погіршенню якості при низьких відношеннях сигнал/шум.

Звукові сигнали перетворюються в цифрову форму і передаються в інтервалі зворотного ходу. Швидкість цифрового потоку в різних варіантах складає від 352 до 608 Кбіт/с. Вища частота в спектрі звукового сигнала складає 15 кГц частота струбірування обрана рівної 32 кГц, у залежності від вимог до якості звучання використовується лінійне аналогово-цифрове перетворення з точністю 14 біт/відлік або майже миттєве компандування з точністю 10 біт/відлік, завадостійке дворівневе кодування забезпечує ефективний захист від помилок.

Сформовані тим чи іншим способом цифрові сигнали окремих каналів, імпульси синхронізації, корекції помилок і інші дискретні сигнали зводяться в загальний цифровий потік.

Рисунок 1.2 - Структура рядка сигналу системи D2-MAC

Передача цього цифрового потоку разом із сигналом зображення в системах типу МАС може здійснюватися одним із трьох способів:

- з поділом по частоті, як у японській системі BS-3 ( система А);

- з поділом за часом на відеочастоті ( система В);

- з поділом за часом на несущій частоті ( система С).

Перша буква, що входить у повне позначення стандарту сімейства МАС (наприклад, С-МАС), означає спосіб передачі цифрового сигналу.

Для сполучення по смузі частот відеосигналу з мережами кабельного телебачення розроблені стандарти D-MAC і D2-MAC. У системі D2-MAC аналогові сигнали яскравості і кольоровості передаються протягом активної частини рядка в стиснутому в часі виді. Цифрова частина сигналу, що відповідає звуку, синхронізації, телетексту й іншим даним, об'єднана в пакети, передані протягом зворотного ходу по рядку і по кадрі.

У стандарті D-MAC бінарний (двійковий) цифровий потік перетвориться в дуобінарный (трьохрівневий), у якому логічному 0 відповідає імпульс нульової амплітуди, а логічної 1- імпульс позитивної чи негативної полярності. Об'єднання відеосигналу і дискретної послідовності здійснюється по відеочастоті.

Поява останнім часом стандартів цифрового стиску привело до того, що стандарт D/D2-MAC утратив свою роль переважного методу передачі в діапазоні 11,7...12,5 ГГц і уступає її цифровим методам. У цьому стандарті пока ще працюють несколько супутникових систем Франції і Скандинавських країн, передаються окремі програми Голландії, Бельгії, Великобританії, але область его застосування помітно скорочується.

1.4 Формати колірності

Стандартом кодування відеосигналу MPEG-2 рекомендовано використання таких форматів колірності: 4:2:0, 4:2:2, 4:4:4.

Формат 4:2:0 передбачає, що на кожні 4 відліки яскравісного сигналу припадає один відлік CR та один відлік CB. (Цей формат можна було б назвати 4:1:1). Для цього випадку б = 0,25. Просторове розташування відліків таке, що в режимі черезрядкової розгортки відліки колірності одержують як результат інтерполяції відліків у суміжних рядках суміжних полів.

Цей формат забезпечує однакову колірнісну роздільну здатність у горизонтальному та вертикальному напрямках і широко використовується у разі передавання телевізійних зображень стандартної чіткості та системах зниженої чіткості (наприклад, відеотелефон).

Формат 4:2:2 передбачає, що на кожні 4 відліки яскравісного сигналу припадає 2 відліки CR та два відліки CB. Тому у цьому разі б = 0,5. Просторове розташування відліків показує, що частота дискретизації кольорорізницевих сигналів удвічі нижча за частоту дискретизації яскравісного сигналу. Відліки кольорорізницевих сигналів просторово співпадають з кожним другим відліком яскравісного сигналу у кожному рядку. Тому цей формат забезпечує колірнісну роздільну здатність у вертикальному напрямку вдвічі більшу, ніж у горизонтальному.

Цей формат використовують для студійного “професійного” кодування під час виготовлення телевізійних програм.

Формат 4:4:4 передбачає однакову кількість відліків яскравісного та кольорорізницевих сигналів за їх повного просторового суміщення. (Для кожного елементу беруть відлік Y, відлік CR та відлік CB). Для цього випадку б = 1.

Цей формат дає дуже високі швидкості цифрового потоку, і у теперішній час його не використовують. Його призначено для комп'ютерних систем та майбутніх ТВ систем з високою колірнісною роздільною здатністю.

1.5 Структура цифрового потоку

Відеодані у цифровому потоці організовано у вигляді багатошарової ієрархічної структури: відеопослідовність, група зображень, зображення, зріз, макроблок, блок (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Ілюстрація структури цифрового потоку

В елементарному цифровому потоці усі шари, крім блоку, забезпечено заголовками.

Відеопослідовність є верхнім шаром ієрархії кодування і складається з заголовку та деякої кількості груп зображень. Заголовок послідовності ініціалізує стан декодеру. Це дозволяє декодеру декодувати будь-яку послідовність без впливу передісторії процесу.

Група зображень є точкою довільного доступу, тобто вона є найменшою одиницею кодування, яку може бути незалежно декодовано в межах послідовності, й складається з заголовка і деякого числа зображень. Заголовок групи зображень містить інформацію про час і процес редагування.

Зображення відповідає одному кадру відео або одному кадру кінофільму. Зображення містить заголовок і один чи більше зрізів. Заголовок зображення містить час, тип зображення й інформацію про кодування.

Зрізи забезпечують деякий захист від спотворення даних. Якщо цифровий потік стає таким, що його неможливо зчитувати в межах зображення, декодер має бути здатним до його відновлення, використовуючи наступний зріз, без утрати всього зображення.

Зрізи містять заголовок і один чи більшу кількість макроблоків. На початку кожного зрізу усі передбачення для значень dc-коефіцієнтів ДКП і векторів руху скидають до нуля. Заголовок зрізу містить інформацію про позицію зрізу та масштаб квантування. Цього досить для відновлення потоку при локальних спотвореннях.

Макроблок є основним елементом для компенсації руху та зміни масштабу квантування.

Повний макроблок складається з:

4:2:0 4Y + CR + CB. 6 блоків,

4:2:2 4Y + 2 CR + 2 CB 8 блоків,

4:4:4 4Y + 4 CR + 4 CB 12 блоків.

Чотири блоки яскравості охоплюють таку ж саму область зображення, що й блоки колірності.

Заголовок макроблоку містить інформацію про масштаб квантування і компенсацію руху.

Блоки є основними елементами кодування, і на рівні блоків застосовують дискретне косинусне перетворення. Кожен блок містить 64 елемента зображення, представлених у виді масиву 8Ч8.



2. Конструкторська частина

2.1 Стандарт кодування відео-і звукової інформації MPEG-4

Новим проектом групи MPEG є стандарт MPEG-4. Работи по цьому проекту були початі в 1993 році. Робочий проект був закінчений в листопаді 1996 р. і погоджений на рівні Комітету Міжнародної організації з стандартізаціїі в листопаді 1997 р. Більшість документів, що входять в стандарт MPEG-4, були приняті в кінці 1998 - початку 1999 років. У 1999 р. з'явилася друга версія MPEG-4.

Стандарт MPEG-4 охоплює наступні області:

- Цифрове телебачення і відеозв'язок;

- Інтерактивну графіку, синтез зображень;

- Інтерактівні мультімедійні додатки, в тому числі передавючі через Інтернет.

Стандарт MPEG-4 дозволяє передавати відео- і звукову інформацію з дуже великими козфіцієнтом стиснення по вузькосмугових каналах зв'язку, що необхідно як в системах відеозв'язку при використанні звичайних телефонних мереж і щодо низькошвидкісних цифрових каналів (64 кбіт/с), так і для передачі рухомих зображень та звукового супроводу через Інтернет. Крім того, новий стандарт забезпечує інтерактивність, тобто можливість для користувача управляти процесом передачі йому інформації шляхом запитів, вибора варіантів і інших дій. Таким чином, стандарт MPEG-4 є важливим кроком на шляху до інтерактивного телебачення майбутнього.

2.1.1 Об'єкти і сцени

Найважливішою особливістю MPEG-4 є об'єктнооріентований підхід, сутність якого полягає в тому, що зображення що передається із звуковим супроводом передставляеться як сукупність відео-та аудіо-об'єктів.

Відеооб'єктами (VO - visual object) можуть бути зображення людей і предметів, що переміщуються перед нерухомим фоном, і сам нерухомий фон. Звичайне телевізійне зображення може бути єдиним відеооб'єктом. Аудіооб'єктами (AO - audio object) можуть бути голоси людей, музика, інші звуки. Зв'язані в відео-і аудіооб'єкти, наприклад, зображення людини і його голос, утворюють аудіо-візуальний об'єкт (AVOs - audio-visual object). Відео-та аудіооб'єкти становлять сцену. MPEG-4 складає спеціальний язик для опису сцен - BIFS (Binary Format for Scenes - двоїчний формат для сцен).

Опис сцени має ієрархічну структуру. На рисунку 2.1 наведено приклад структуи опису сцени, в якій Шерлок Холмс і доктор Ватсон розмовляють в кімнаті на Бейкер-стріт. Верхнім рівнем структури є сцена в цілому. Вона містить нерухомий фон, що складається з зображеннями стін, меблів і т.д. У сцені присутні два персонажа, кожен з яких є аудіо-візуальним об'єктом, що включає відеооб'кт - зображення персонажа, що рухається, і аудіооб'єкт - голос цого персонажа. Крім того, в сцені присутній камін, який також є аудіо-візуальним об'єктом, що включає відеооб'єкт зображення неперервно рухомого вогню, і аудіооб'єкти -звуки, які виходять від каміна.

Рисунок 2.1 - Приклад структури опису сцени

Опис кожної сцени включає дані про координати об'єктів в просторі і про їх прив'язку до часу. Відеооб'єкти можуть розміщуватися в різних площинах Відеооб'єктів (VOP-video object plane), так що відеооб'єкти, що знаходяться у більш близьких до глядача площинах сцени перекривають при русі відеооб'єкти, що знаходяться в більш далеких площинах.

Сцена, яка надається користувачеві, може містити всі об'єкти, інформація про які надходить в прийнятому потоці даних, або тільки частину цих об'єктів. Склад сцени може визначатися постачальником мультимедійної продукції, наприклад, в залежності від суми грошей, заплачених користувачем. В інтерактивному режимі користувач може впливати на розвиток сцени, подаючи відповідні команди. MPEG-4 дозволяє також передавати користувачеві додаткову інформацію про об'єкти, що може відображатися, наприклад, у вигляді вікна з текстом, що з'являється, коли користувач вибрав за допомогою "мишки" який-небуть об'єкт в сцені.

Ясно, що для реалізації інтерактивних можливостей MPEG-4 необхідний не звичайний телевізор, а ПК, підключений до Інтернету.

2.1.2 Кодування відеооб'єктів

На відміну від MPEG-1, MPEG-2 в яких застосовується фіксований алгоритм кодування, в MPEG-4 використовується цілий набір методів кодування, що включає як алгоритми, подібні до застосовуваного в MPEG-1, MPEG-2, так і принципово нові методи кодування, засновані на понятті відеооб'єктів. Вибір того чи іншого методу кодування в конкретному випадку визначається характером зображення і необхідним коефіцієнтом стиснення інформації. МРЕС-4 дозволяє ефективно стискати як натуральні, так і синтетичні зображення і об'єднувати їх при відтворенні.

Узагальнена структурна схема видеокодера МРЕС-4 для натуральних зображень наведена на рисунку 2.2. На схемі позначено ДКП - блок прямого дискретного косинусного перетворення; ДКП1 - блок зворотного дискретного косинусного перетворення; Кв - квантувач; Кв-1 - деквантувач, тобто блок, що виконує зворотню квантуванню операцію; ЗУ - запам'ятовуючий пристрій; Пред. 1, Пред.2 - блоки, що виконують формування передбачених зображень в різних режимах кодування; ОД - блок оцінки руху та формування векторів руху; Мп - мультиплексор; БЗУ - буферне запам'ятовуючий пристрій; УКС - блок управління коефіцієнтом стиснення зображення. Крім того, на схемі показані блоки "Кодер форми" і "Кодер текстур", суматор, віднімаючий пристрій і перемикач "Вибір", за допомогою якого здійснюється підключення одного з блоків передбачення в залежності від використовуваного методу кодування.

Рисунок 2.2. - Структурна схема видеокодера MPEG-4

На вхід кодера надходять вихідні відеодані, наприклад, цифровий телевізійний сигнал. На виході кодера формується елементарний потік відеоданих.

Коротко розглянемо основні методи кодування натуральних зображень.

1. Відеооб'єктив, що представляють собою прямокутні зображення (наприклад, звичайні ТВ кадри), кодуються методом, аналогічним застосовуваному в MPEG-1, MPEG-2, тобто з використанням гібридного кодування. Метод включає передбачення з оцінкою і компенсацією руху для макроблоків 16x16 пікселів і ДКП помилки передбачення в блоках 8x8 пікселів. Для визначеності будемо вважати, що передмрва в цьому випадку виконується в блоці Пред.1. Зв'язок виходу блоку ОД з мультиплексором і засоби управління коефіцієнтом стиснення на рисунку 2.2 не показані.

Цей вид кодування має два рівні за швидкістю передачі двійкових символів у вихідному потоці даних.

Рівень дуже низької швидкості передачі VLBV (Very Low Bitrate Video) призначений для передачі зображень з низьким просторовим дозволом (формати QCIF і SQCIF) і зниженою частотою кадрів (10..15 Гц) по вузькосмуговим каналам зв'язку зі швидкостями передачі двійкових символів 5...64 кбіт /с. Цей рівень може використовуватися в відеотелефонного зв'язку з невисокою якістю зображення.

Рівень високої швидкості передачі (High bitrate) призначений для передачі зображень з більш високим просторовим дозволом, аж до формату по Рекомендації 601, по різних каналах зв'язку зі швидкостями передачі двійкових символів 64кбіт/с...10Мбіт/с. Цей рівень може використовуватися в відеозв'язку з високою якістю зображення і для передачі телевізійних програм.

2. Кодування, засноване на утриманні (content-based coding), дозволяє отримати істотно більше стиснення зображень за рахунок обліку властивостей відеооб'єктів, присутніх в сцені.

Однією з можливостей, що створюються цими методами, є кодування відеооб'єктів складної форми. Наприклад, як відеооб'єкт може бути взята область зображення, що відрізняється від оточення яскравістю або кольором. Ця область може переміщатися і деформуватися. При формуванні передбаченого зображення з компенсацією руху зміщуються не прямокутні макроблоки, а виділені області, які до того ж можуть змінювати свою форму. При цьому помилка передбачення виявляється значно менше, і обсяг інформації, що міститься в різниці передбаченого і даного зображень чергового кадру, істотно зменшується. В кодері, показаному на рисунку 2.2, такий варіант передбачення виконується в блоці Пред. 2.

У той же час, замість векторів руху, що показують переміщення прямокутного макроблоку як цілого, необхідно передати параметри, що характеризують зміни координат і форми відеооб'єктів. Ці параметри визначаються і кодуються в кодери форми, після чого вони включаються через мультиплексор Мп у вихідний потік даних.

Дані про форму відеооб'єктів займають значно більше двійкових символів, ніж простий вектор руху. Наприклад, якщо межа області, виділеної як відеооб'єкт, апроксимується багатокутником, то для опису зсуву і деформації цієї області необхідно передати зміни координат всіх кутів багатокутника. Тим не менш, загальний виграш у зменшенні обсягу переданої інформації в порівнянні з МРЕG-1, МРЕG-2 виявляється істотним.

3. Для стиснення зображень нерухомого фону і текстур протяжних об'єктів використовується метод кодування, заснований на вейвлет-перетворенні. Цей метод забезпечує високі ступені стиснення і багатоступеневу масштабованість по просторовому вирішенню.

Перейдемо до методів кодування синтетичних відеооб'єктів, що створюються з використанням засобів машинної графіки. Такі відеооб'єкти можуть кодуватися розглянутими вище методами для натуральних зображень. Однак значно ефективніше використовувати їх параметричний опис.

У стандарті МРЕG-4 використовується модель людського обличчя, побудована на основі сітки з трикутних осередків, які заповнюються текстурою. Двовимірні зображення людини виходять шляхом побудови проекції тривимірної моделі на потрібну площину. Форма, текстура і вираз обличчя в статиці описуються параметрами FDP (Facial Definition Parameters), а в динаміці - параметрами FAP (Facial Animation Parameters). Для тіла в статиці задаються параметри BDP (Body Definition Parameters), а в динаміці - ВАР (Body Animation Parameters). Статичні параметри FDP і BDP передаються на початку сеансу зв'язку. Для відтворення міміки обличчя та рухів тіла співрозмовника в процесі розмови передаються динамічні параметри FAP і ВАР.

Синтетичні зображення обличчя і тіла людини можуть використовуватися в системах відеозв'язку замість справжніх зображень співрозмовника. Передача параметрів моделі вимагає істотно меншу швидкість передачі двійкових символів, ніж передача реального зображення.

В деяких випадках можна в приймальній частині системи отримати інформацію про зміни зображення об'єкта на основі іншої інформації. Такий випадок характерний для передачі зображення обличчя людини, що говорить. Рухи рота і міміка багато в чому визначаються вимовними словами і можуть бути синтезовані на основі прийнятого звукового сигналу, що містить голос співрозмовника. При цьому необхідна для здійснення відеозв'язку швидкість передачі двійкових символів ще зменшується.

Крім обличчя і тіла можуть синтезуватися довільні двовимірні зображення також у вигляді сіток з трикутними осередками, заповнюваними текстурою:

Рисунок 2.3 - Двовимірне зобрадення

Стандартом MPEG-4 забезпечується багаторівнева масштабованість по просторовому вирішенню, за часом і за якістю зображення. У стандарті передбачено кошти, що забезпечують працездатність системи передачі відеоінформації при наявності перешкод і помилок в каналі зв'язку.

2.1.3 Кодування аудіооб'ектів

Кодування звукової інформації в MPEG-4 також може здійснюватися різними способами, що дають різні обсяги переданих даних і різну якість звуку на виході системи. Передбачено три рівні кодування:

1. Кодування музики із забезпеченням високої і середньої якості виконується тим же методом, що і в стандарті MPEG-2. При цьому забезпечується передача до восьми каналів звуку при швидкості передачі двійкових символів 16...64 кбіт/с на канал.

2. Для передачі мови з високою і середньою якістю використовується метод кодування CELP (Code Excited Linear Predictive- кодування збуджень з лінійним передбаченням), який забезпечує швидкості передачі 6...24 кбіт / с при частотах дискретизації 8кГц або 16 кГц.

3. Параметричне кодування мови, яке забезпечує стиск при збереженні розбірливості до швидкостей 2...4 кбіт/с при частоті дискретизації 8 кГц. Найнижчі швидкості передачі 0,2...1,2 кбіт/с досягаються для штучно синтезованої мови і синтезованої відповідно до стандарту MIDI музики. Кодування аудіооб'ектів також має властивість масштабованості. Наприклад, на основному рівні потоку даних може використовуватися метод кодування CELP, а додатковий рівень забезпечує якість звуку, відповідне кодування по MPEG-2. Більш складний і дорогий декодер може декодувати основний і додаткові шари потоку даних і дозволяє отримувати більш високу якість відтвореного звуку, ніж більш простий і дешевий декодер, що сприймає тільки основний рівень потоку даних.

2.1.4 Передача даних

Структурна схема формування переданих потоків даних у стандарті MPEG-4 наведена на рисунку 2.4. Елементарні потоки ES (Elementary Streams) з відео-і аудіокодерів надходять на рівень синхронізації (SL - Sync Layer) і в блоках SL перетворюються в пакизовані SL-потоки (SL-packetized Streams), в які введені мітки часу і дані про тактові частоти. Це дозволяє прив'язати до єдиної шкали часу різні відео-і аудіооб'єкти. Далі пакетизовані SL-потоки надходять на рівень DMIF (DMIF Layer).

DMIF (Delivery Multimedia Integration Framework - інтегрована система доставки мультимедіа) - це протокол, який забезпечує керування потоками даних для мультимедіа. Як всякий протокол передачі даних (наприклад, протоколи, використовувані в Інтернет), DMIF забезпечує посилання запитів від користувача до джерела інформації та пересилання запитаних даних користувачеві. Крім того, DMIF дає користувачеві засоби управління у вигляді інтерфейсу користувача DMIF-Application Interface (DAI), дозволяючи подавати команди для вибору інформації (наприклад, фільму) і формуючи повідомлення про отримання доступу до цієї інформації або про виниклі при цьому труднощі.

Елементарні потоки (ES)

Рисунок 2.4 - Формування переданих потоків даних MPEG-4

DMІF охоплює три основні сфери застосування MPEG-4: передачу з інтерактивних мереж (Інтернет), передачу по звичайним мовним каналам і запис відеопрограм на компактдиски.

На рівні DMIF можливе об'єднання в блоках FlexMux пакетизованих SL-потоків у FlexMux потоки (FlexMux Streams). Ця операція є необов'язковою, так як під управлінням DMIF можуть передаватися і пакетизовані; SL-потоки.

Потім дані переходять на рівень TransMux (TransMux Layer), де FlexMux-потоки або SL-потоки об'єднуються і претворюються в транспортний потік. Загальна назва транспортного потоку TransMux Stream. У стандарті MPEG-4 цей потік не визначений. У якості нього може використовуватися, наприклад, транспортний потік (TS) MPEG-2. Ще один варіант TransMux потоку - запис в файл. Можливо використання інших транспортних протоколів, які тут не розглядаються.

До цих пір мова йшла про низхідний (downstream) потік, який несе дані від джерел відеопрограм до глядачів. Для реалізації інтерактивного телебачення і різних видів мультимедійного сервісу необхідна передача інформації від глядача на головну станцію системи. Для цього передається висхідний потік даних (upstream), швидкість передачі двійкових символів в якому зазвичай значно менше, ніж в низхідному потоці.

2.1.5 Декодування і відтворення

Структурна схема декодуючої частини системи за стандартом MPEG-4 приведена на рисунку 2.5. На схемі показані демультиплексор ДМП, буферні ЗУ БЗУ1 і БЗУ2, декодери ДКД і блок об'єднання БОб.

На вхід надходить транспортний потік TransMux Stream, з якого в демультіплексор виділяються елементарні потоки, дані кожного з яких записуються у відповідне БЗУ1. Призначення БЗУ1 - накопичувати нерівномірно надходячі по каналу зв'язку дані і в міру потреби передавати їх на декодер.

Далі виконується декодування елементарних потоків. Отримувані при цьому дані відео-і аудіооб'єкти записуються в БЗУ2. Елементарні потоки, що відносяться до одного об'єкту, можуть декодувати спільно.

Рисунок 2.5 - Декодуюча частина MPEG-4

При демультиплексіруванні із загального потоку даних виділяються також опис сцени і мітки часу, що надходять на блок об'єднання. Дані окремих об'єктів зчитуються з відповідних БЗУ2 і з них в блоці об'єднання формуються цифрові сигнали зображення і звуку, що надходять далі на відтворюючий пристрій (на рисунку 2.5 не показані). При цьому забезпечується синхронізація всіх відео- і аудіооб'єктов.

2.2 Схема електричного засобу декодування відеоданих

Схема електричного засобу декодування відеоданих показана на рисунку 2.6.

Вхідний сигнал подається від конвертора сигналів супутникового телебачення на комутатор К1, що керується мікроконтролером по шині І2С. З нього сигнал попадає на смуговий вхідний фільтр СФ1, який подавлює завади від інших каналів, що працюють у цій смузі. Підсилювач проміжної частоти ППЧ1що забезпечує смугу пропускання0,95-2,2 Ггц, компенсує втрати сигнала в сполучному кабелі і фільтрі, погоджує роботу між вхідним фільтром і наступними пристроями.

З виходу ППЧ1 сигнал надходить до змішувача СМ. На другий вхід СМ надходить сигнал з виходу синтезатора частоти СЧ. Діапазон перестройки 920 МГц-2200 МГц розбитий на піддіапазони, у кожному з яких до ГКН підключаються кола заданої частоти за допомогою комутатора КЗЧ(на схемі КЧЗЦ), що також керується мікроконтролером по шині І2С.

Підвищити точність настроювання і стабільність частоти гетеродина дозволяє застосування СЧ, також дозволяє забезпечити легкість запам'ятовування частот каналів і сполучення з цифровими блоками керування.

Рисунок 2.6 - Схема пристрою декодування відеоданих в форматі MPEG-4.

На виході змішувача після перетворення утвориться сигнал проміжної частоти 479,5 МГц. Смуговий фільтр СФ2 придушує побічні продукти перетворення, ППЧ2 забезпечує додаткове посилення сигналу.

Потужність прийнятого сигналу може змінюватися при зміні умов прийому розходженні в потужності передавачів, тому в тракт входить схема формування сигналу автоматичного регулювання підсилення СФСАРП1. Шляхом аналізу рівня напруги на виході ППЧ2 формується сигнал АРП. Напруга В випрямляється і фільтрується ФНЧ1 для формування постійної часу системи АРП. Потім сигнал з виходу ФНЧ1 сумується в суматорі С з напругою джерела опорної напруги ІОН і подається на входи регулювання ППЧ1 і ППЧ2, за допомогою ІОН задається початковий коефіцієнт підсилення. Динамічний діапазон пристрою АРП складає 25 - 30 дБ.

Усунути паразитну амплітудну модуляцію можна за допомогою підсилювача-обмежувача ПО, включеного до детектора, який забезпечує сталість амплітуди вихідного сигналу при змінах амплітуди вхідного сигналу.

З виходу ПО сигнал надходить на вхід частотного детектора ЧД1, що здійснює детектування сигналу. На виході ЧД1 формуються відеосигнал і частотно-модульований звуковий сигнал. Фільтр Ф1 у ланцюзі відеосигналу придушує піднесучу частот звукового супроводу й одночасно відновлює форму АЧХ відеосигналу, передспотворену при передачі.

Через СФ3 сигнал подають у канал звуку, щоб зменшити можливі спотворення звуку складовими відеосигналу. Перетворювач частоти ПЧ1 складається з гетеродина і змішувача, він переносить звукові сигнали різницевих піднесучих на частоту 10,7 МГц. Демодуляція сигналу звукового супроводу виробляється в частотному детекторі ЧД2.

Сигнал звуку і відеосигнал надходять у перетворювач частоти ПЧ2, що визначає на виході телевізійний сигнал стандарту наземного телебачення. Перетворювач частоти містить амплітудний модулятор сигналу зображення, що перебудовується, частотний модулятор несучої звукового супроводу, і генератор дециметрового діапазону (470-790 МГц). Спочатку здійснюється частотна модуляція сигналу звукового супроводу, а потім ЧМ сигнал складується з відеосигналом. Далі отриманим сигналом здійснюють амплітудну модуляцію радіочастоти і подають на вхід прийому наземного мовлення.

2.2.1 Приймання наземного кабельного і ефірного мовлення

Прийом сигналу здійснюється антеною, у діапазонах прийнятих частот 46,25...168,25; 175,25...463,25; 471,25...863,25 МГц. Ці діапазони перекриваються тюнером UVD6201-RB (Philips), забезпечується прийом у всіх ефірних і кабельних каналах. З виходу антени через антенний розмножувач сигнал надходить одночасно в два шляхи прийому - основний і допоміжний (картинка в картинці). Смуговий фільтр СФ5 придушує дзеркальну заваду, а також побічні продукти перетворення частоти. На виході детектора Д одержуємо сигнал на проміжній частоті (38 МГц). Схема СФСАРП працює аналогічно схемі в системі прийому супутникового аналогового телебачення. Підсилювач безшумного настроювання ПБШН здійснює посилення сигналу в тракті тільки коли йде прийом несучої сигналу, коли немає несучої - сигнал не підсилюється.

2.2.2 Система прийому цифрового супутникового мовлення

Діапазон частот сигналу на вході від 920 МГц до 2200 МГц. Сигнал надходить з конвертора через комутатор ДО1 на малошумний підсилювач МШУ. На прийомі сигналу є квадратурний конвертор, поділяючий сигнали в квадратурі (зрушення фази <ц=900). Бо при передачі цифрового супутникового мовлення використовується квадратурна фазова модуляція Подальша обробка сигналів здійснюється роздільно.

З метою поліпшення якості наступної цифрової обробки сигналу зсунуті по фазі на ц=900 сигнали надходять на фільтри низьких частот для фільтрації високочастотних завад. Сигнали в квадратурі надходять з виходу фільтрів на вхід аналого-цифрового перетворювача АЦП, що перетворює сигнал в інформаційний потік у виді цифрових пакетів. Синтезатором частоти СЧ встановлюється частота дискретизації АЦП. Декодер Віттербі і декодер Ріда-Соломона декодує сигнал з стандарту DVB (Digita1 Video Broadcasting). Для синхронізації цифрового фільтра ЦФ і декодера Віттербі ДВ використовується схема синхронізації СС. У дескремблері реалізується функція умовного доступу (Smart-картa), тобто декодування плaтних мовних каналів. Потім транспортний потік даних у форматі MPEG-4 надходить на MPEG декодер. Сучасні декодери, маючи високий рівень інтеграції, дозволяють одержати на виході сигнал у форматі одного з мовних стандартів в аналоговій формі (NTSC/PAL/SECAM) і містять у собі кодеки стандартних систем мовного телебачення.

Комутатори ДО3 і ДО4 дозволяють здійснювати вибір джерела сигналу в основному і додатковому трактах обробки зображення для реалізації функції «картинка в картинці». Керування комутацією здійснюється по шині I2С від мікроконтролера.

Поділ сигналів зображення ПКТС і звуку здійснюють смуговий фільтр СФ4 і режекторный фільтр РФ1. У додатковому каналі обробки зображення СФ5 і РФ2 виконують аналогічні функції.

2.3 Розрахунок параметрів елементів схеми

2.3.1 Обчислення режекторних фільтрів

У даному пристрої декодування й обробка сигналів звуку і зображення здійснюється роздільно. Тому, для обробки сигналу зображення потрібно придушити несучу частоту звуку.

Для різних стандартів мовлення розподіл частоти між верхньою границею сигналу відео і несучої частоти сигналу звукового супроводу різний, але у всіх стандартах ця різниця невелика (3...5 МГц). Для того, щоб далі обробляти відеосигнал потрібно забезпечити придушення звукової складової на 40 дБ. Так як фільтр низької частоти не може цього забезпечити після верхньої частоти сигналу відео, придушення відбувається за допомогою резонансних peжeкторных фільтрів. Принципова схема фільтра приведена на рисунку 2.7.

Рисунок 2.7 - Принципова схема режекторного фільтра

Резистор R1 і коливальний контур L1С1С2 утворюють поділювач напруги. Активний опір на частоті резонансу контура L1С1С2 падає, і шунтує резистор R1. На частоті резонансу коефіцієнт передачі такого кола різко падає, тобто здійснюється придушення у вхідному сигналі складових з частотою резонансу контуру. Таким чином, придушується звукова складова.

Нам необхідно забезпечити прийом і декодування сигналів, переданих у різних стандартах тому треба перебудовувати частоту резонансу контуру L1С1С2. Цього можна досягти шляхом комутації конденсаторів з різними ємностями. Параметри фільтра будемо розраховувати для різних частот несучої звуку.

Частоти несучих звукового супроводу приведені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1- Стандарти звукового супроводу

Стандарт	Система звуку	Частота несущої
M,N	Моно	4,5
B,G	Стерео	5,5/5,74
I	Моно	6,0
D,K	Стерео	6,5/6,74
L	Моно	6,5

Розрахунок режекторного фільтра для частоти несучої звуку 4,5 МГц

Для розрахунку встановимо початковим значенням індуктивності 0,022мкГн. Частота резонансу коливального контуру знаходиться по формулі:

де C=C1+C2.

Для точного настроювання частоти резонансу контуру вводиться додатковий підстроюваний конденсатор С2 для кожного стандарту. Діапазон зміни ємності С2=4...12 пф. При розрахунку використаємо середнє значення ємності конденсатора С2, рівне 8 пФ.

Знайдемо значення еквівалентної ємності контуру

.

Хвильовий опір контуру розраховується по формулі

Щоб придушення частоти несучої на виході кола складало 40дБ необхідно забезпечити співвідношення

Виходячи з цього, знаходимо:

Отже,

Приймаємо значення опору R1=63,4 Ом з ряду Е24.

В подальших розрахунках хвильовий опір буде змінюватися при зміні значення ємності С. Отже, необхідно змінювати значення R1. Але чим більша частота резонансу, тим меншою буде ємність С и тим вищий буде хвильовий опір. Таким чином, на більш високих частотах удасться забезпечити більше значення р, а, отже, і сильніше загасання на частоті резонансу, тому значення резистора Rl для всіх наступних розрахунків будемо вважати незмінним.

Розрахуємо ємність конденсатора C1

Отже, для частоти несучої звуку 4,5 МГц

C1=56 10-9- 8 10 - 9 = 4810-9,

Приймаємо значення ємності C1=47 пФ із ряду Е12.

Розрахунок режекторного фільтра для частоти несучої звуку 5,5 МГц

Розрахунок режекторного фільта для придушення інших частот несучої звуку відбувається аналогічно. Перебудова центральної частоти фільтра здійснюється шляхом комутації частотозадаючих конденсаторів. Так як в якості частотозадаючего елемента обраний конденсатор, розрахуємо значення його ємності для частоти 5,5 МГц.

Розрахуємо ємність конденсатора C1 :

Отже, для частоти несучої звуку 5,5 МГц:

Отже значення ємності C1=30 Пф із ряду Е12,

Розрахунок режекторного фільтра для частоти несучої звуку 6 МГц

Розрахуємо ємність конденсатора C1:

Отже, для частоти несучої звуку 6 МГц:

Приймаємо значення ємності C1=24 пФ із ряду Е12,

Розрахунок режекторного фільтра для частоти несущої звуку 6,5 МГц

Розрахуємо ємкість конденсатора С1 :

Отже, для частоти несучої звуку 6,5 МГц:

Приймаємо значення ємності C1=20 Пф із ряду Е12,

2.3.2 Обчислення понижуючого перетворювача на стабілізаторі

Для розробки TV приймача використовувалися інтегральні мікросхеми високого ступеня інтеграції. Оскільки кожна мікросхема виконує безліч різних функцій, тому потрібно підводити до мікросхеми напруги різного рівня. Споживані інтегральними мікросхемами струми, що входять у тракт обробки відеосигнала, приведені в таблиці 2.2.

Таблиця 2.2 - Струм споживання ІС тракту обробки відео

Мікросхема	Колькість мікросхем в тракті	Напруга живлення	Срум споживання
SAA4955TJ	2	5, 3.3	40
SAA4991WP	1	5	350
SAA4977	1	5, 3.3	100
TDA9178	1	8	80
TDA9321H	2	8	150
SAA4961	2	5	40
ADG715	2	5	10
TDA9330H	1	8	50
TDA6111Q	3	200, 12	25
SAB9077H	1	5	200

Напруги 5В і 12В формуються на виході блоку живлення , для роботи деяких мікросхем тракту потрібно живлення 3,3 В і 8 В, що сформуємо, використовуючи компенсаційні стабілізатори напруги.

Розрахуємо сумарне споживання струму мікросхем від джерела напруги 8В :

де: І1- струм, споживаний мікросхемою TDA9178, І2 - струм, споживаний мікросхемою TDA9321H, І3 - струм, споживаний мікросхемою TDA9330H, а N1- кількість мікросхем TDA9178 у тракті, N2- кількість мікросхем TDA9321H у тракті, Nз - кількість мікросхем TDA9330H у тракті.

Отже,

Сумарне споживання струму мікросхем від джерела напруги 3,3 В

де І4 струм, споживаний мікросхемою - SAA4955TJ, І5 - струм, споживаний мікросхемою SAA4977, N4 - кількість мікросхем SAA4955TJ у тракті, N5 - кількість мікросхем SAA4977 у тракті (дивитись таблицю 2.2).

402+100 1=180 мА,

Струм 0,43 А споживається від джерела напруги 8В. Вибираємо компенсаційний стабілізатор напруги КР142ЕН12А, максимальний струм 1А, вихідна напруга стабілізатора змінюється в межах від 1,3В до 37В,. За допомогою зовнішнього дільника здійснюється регулювання вихідної напруги, що дозволяє використовувати її як для одержання напруги 8В так і для одержання напруги 3,3 В. Дана мікросхема оснащена системою захисту від перевантажень по вихідному струму, стійка до імпульсних перевантажень по потужності,.

Схема включення представлена на рисунку 2.8. Резистори R1 і R2 утворять зовнішній регульований дільник напруги.

Рисунок 2.8 - Схема включення стабілізатора КР142ЕН12А

Значення опору резисторів R1 і R2, що входять до складу дільника зв'язані співвідношенням:

де Uвих.min= 1,3В (значення напруги по технічній документації мікросхеми); Ііє- струм через резистори R1 і R2.

Розрахуємо параметри дільника для вихідної напруги 8B,

Так як вихідний струм мікросхеми Iвих=0,55 мкА, задамося струмом Ііє..

Нехай Ііє.=l мА, Приймаємо співвідношення резисторів

=4. тоді

Отже, R2= 1,4 кОм. Приймаємо R2= 1,5 кОм.

Отже, R1=5,6кOм, Приймаємо R1=5,62кOм,

Для зниження рівня фона при вихідному значенні напруги, близькому до мінімального, рекомендується у вимірювальний елемент стабілізатора включати згладжуючий конденсатор С2, Використовуючи рекомендації, приведені в технічній документації на мікросхему стабілізатора, значення ємності С1 вибираємо рівне 0,1 мкФ, а С2=10 мкФ. Рекомендується тип діода - КД510А,

Розрахуємо виходячи з цієї формули параметри дільника для вихідної напруги 3,3 В. Задамося співвідношенням резисторів =1,5. Тоді

Отже, R2=50 Ом.

Отже, R1=75 Ом.

2.3.3 Обчислення коливального контуру генератора керованого напругою

Генератор, керований напругою, входить до складу мікросхеми TDA9321H. TDA9321H - це мультістандартний ПАЛ/НТСЦ/СЕКАМ декодер з демодулятором на основі ФАПЧ. Функціональна схема цієї мікросхеми представлена на рисунку 2.9. Із входу мікросхеми через ППЧ сигнал надходить на демодулятор на основі ФАПЧ. Полярність демодуляції переключається по шині І2С.