14 декабря 2001
Мир становится цифровым
МИР СТАНОВИТСЯ ЦИФРОВЫМ: ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС
Бит Мейер
CCTV focus, март-апрель 2001
КОМПРЕССИЯ ВИДЕО И АУДИО ФАЙЛОВ
Оцифровка видиопоследовательности дает крайне высокие скорости потоков. Для видеоизображения с разрешением 720х576 пикселей и 24-битовым цветом, передача в реальном времени производит гигантский поток данных - 248 Мбит/с. Это соответствует объему 22 дискет, которые требуется передавать каждую секунду!
Сеть Fast Ethernet, имеющая пропускную способность 100 Мбит/с, неспособна пропустить без сжатия в реальном времени даже единственный канал видеоданных. На стандартном компакт-диске можно записать только 20 секунд несжатого видео.
Таким образом, требование сжатия видеосигнала неизбежно, для того, чтобы уменьшить размер оцифрованного файла путем удаления или реструктуризации данных.
МЕТОДЫ КОМПРЕССИИ
Формат MPEG - стандарт
Аббревеатура MPEG образована по первым буквам "Motion Picture Experts Group" - интернационального коллектива, который разрабатывает стандарты для кодирования движущихся изображений. Для того, чтобы удовлетворить как можно более широкому диапазону применений, стандарт MPEG специфицирует только одну модель данных для компрессированных движущихся изображений и аудиосигналов. Это позволяет MPEG быть в значительной степени платформонезависимым. В принципе, в настоящее время возможно различить пять стандартов: MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7 и MPEG-21. MPEG-XX постоянно совершенствуются и формируют базис для технологического прогресса в области видео и аудио компрессии.
MPEG-1
Стандарт MPEG-1 был принят в 1993 г. с целью достижения передачи движущихся изображений и сопутствующего аудиосигнала для каналов с малой пропускной мпособностью (1 - 1,5 Мбит/с) с приемлемой частотой обновления и наилучше возможным качеством изображения. Цель проекта MPEG-1 - произвольный доступ к последовательности в течение полсекунды без заметной потери качества. Качество MPEG-1 удовлетворяет большинству домашних приложений (оцифровка любительского видео) и бизнес-сектору (видеоизображения, документация), но для применения в сфере безопасности качество изображений в большинстве случаев недостаточно.
MPEG-2 (ISO/IEC 13818)
Этот стандарт существует, начиная с 1995 г. Его базовая структура такая же, как и для формата MPEG-1. Он разрешает скорости передачи данных от 1 до 100 Мбит/с и используется для цифрового телевидения (DF1), видеофильмов на DVD-ROM и в профессиональных системах хранения видеоизображений. Разрешение и скорость передачи данных MPEG-2 масштабируются в широком диапазоне, так что этот формат
весьма подходит для передачи видео и систем хранения. Начиная со скорости передачи около 2 Мбит/с, достижимое качество видео значительно лучше, чем для MPEG-1.
Около 50 компрессированных по стандарту MPEG-2 потоков видеоданных могут быть переданы в реальном времени по сети FAST Ethernet (100 Мбит/с). На компакт-диск помещается 36-минутный видеофильм в реальном масштабе времени и с хорошим качеством изображения. MPEG-2 может быть также использован для сжатия отдельных изображений (подобно MJPEG) и требует на 12% меньше памяти для хранения, чем MJPEG при том же качестве изображения.
MPEG-4 (ISO/IEC 14496)
Это один из самых новых видеоформатов. На настоящее время нет доступного "железа" для сжатия по этому формату, а доступное программное обеспечения для кодирования/раскодирования работает очень медленно. Как результат, алгоритм компрессии на настоящее время не используется в системах видеорегистрации.
MPEG-7 "Multimedia Content Description Interface"
Это самый последний проект из семейства MPEG. Он представляет стандарт для описания мультимедийных данных и может быть использован независимо от других стандартов MPEG. Ожидается, что статус международного стандарта будет присвоен MPEG-7 в 2001г. Планы были представлены в декабре 1999г. и, как предполагается, стандарт должен быть доступен в октябре 2000 г. и принят в сентябре 2001г.
MPEG-21 "Multimedia Framework"
Эксперты начали работать над определением нового стандарта MPEG-1 уже в июне 2000г.
Различия между MPEG-1 и MPEG-2
Наиболее важные отличия включают:
- возможность масштабируемости участков одного видеопотока, имеющих разное качество;
- увеличение точности векторов движения до полупиксела;
- расширенная избыточность ошибки посредством специальных векторов для I-изображений;
- возможность задать точность дискретного косинус-преобразования;
- дополнительные режимы предсказания и асоциированные макроблоки.
Wavelet
Wavelet-видеопроцесс учитывает широкополосную природу видеоизображений. Полученная информация разделяется на 42 частотные полосы (по 14 на каждую из двух цветовых компонент и 14 для яркости). Посредством адаптивного квантизатора каждая полоса затем оптимизируется под частоты, которые могут быть распознаны невооруженным глазом, после чего данные кодируются.
Интеллектуальный квантизатор применен по той причине, что человеческий глаз (впрочем, как и ухо) не воспринимает высокие частоты, так же как и низкие.
Процедура особенно подходит для передачи видеоизображений в реальном времени.
Формат MJPEG
Аббревиатура MJPEG означает motion-JPEG. MJPEG - это процедура сжатия, которая применяется к каждому индивидуальному изображению. Поток данных от видеокамеры, если качество хорошее, может быть уменьшен с примерно 33 Мбит/с до примерно 6 Мбит/с, что соответствует среднему размеру одного кадра 30 кбайт. Коэффициент компрессии может корректироваться. Формат MJPEG, однако, не обеспечивает стандарт для синхронизации аудио и видео данных в течение записи и воспроизведения, так что производители систем цифровой видеорегистрации должны использовать свои собственные разработки.
Сеть FAST Ethernet (100 Мбит/с) может пропустить до 12 сжатых по формату MJPEG потоков видеоданных в реальном времени (72 Мбит/с).
JPEG-2000
Формат JPEG обеспечивает файлы размером на 95% меньше, чем другие форматы изображений при сохранении 24-битовой глубины цвета, но в тоже время он имеет нежелательные свойства: при высокой компрессии этот стандарт, одобренный Joint Photographic Experts Group, создает ясно видимые артифакты.
Грядущий формат JPEG-2000 (j2k) кладет этому конец. Он предлагает даже на 30% лучшую степень сжатия и при этом уходят в прошлое знакомые по JPEG блокоподобные артифакты: при очень высоких коэффициентах компрессии изображения просто кажутся губчатыми или размытыми.
Эксперты работают более чем три года над доводкой JPEG 2000, имея целью создание нового индустриального стандарта для кодирования неподвижных цветных изображений и изображений в градациях серого. Специальное внимание было уделено следующему:
- высокому качеству изображения, как субъективному, так и объективному;
- высокому коэффициенту компрессии;
- малому времени кодирования и декодирования;
- низким требованиям к памяти для компрессии и декомпрессии.
Точные спецификации формата JPEG 2000 до тех пор, пока о них не будет объявлено официально, доступны только членам комитета. Однако, общие характеристики JPEG 2000 стали известны по сообщениям на конференциях оптической индустрии (таких как SPIE), новостных группах и публикациях DIG. По официальным заявлениям, соответствующие кодеки должны были быть переданы представителям промышленности осенью 2000 г.
Предполагается, что JPEG-2000 будет иметь важное значение для передачи и хранения видео в технологиях сферы безопасности.
Стандарты H.261/H.263
Н.261 - это стандарт для видеоконференций и видеотелефонии по сети ISDN. Н.261 позволяет подстроить качество картинки к полосе линии передачи. Дополнительно, целые изображения могут быть опущены при воспроизведения в пользу более лучшего качества изображения. Скорость передачи может иметь значения 64 кбит/с или 128 кбит/с (при объединении двух ISDN каналов). Более поздняя модификация стандарта - Н.263, использует более высокую точность компенсации движения, чем Н.261. Н.261 и Н.263 особенно хорошо подходят для передачи видео в реальном времени и используются рядом производителей оборудования для передачи видео и видеорегистрации. Записи, которые были сжаты Н.261 или Н.263, не пригодны в качестве доказательств в суде.
H.261/H.263 подходят для передачи цифрового видео по сетям в реальном времени, так как компрессия и декомпрессия происходят относительно быстро. Процедуры не предназначены для видеорегистрации - но, тем не менее, имеется ряд производителей, которые используют стандарты H.261/H.263 для записи.
МОБИЛЬНЫЕ КОММУНИКАЦИИ
Действующий в настоящее время стандарт GSM позволяет передавать данные со скорость 9600 бит/с. Лучшее, что может быть достигнуто с этой полосой - передача отдельных изображений среднего качества. Сотовое мобильное радио является, возможно, одной из наиболее быстро развивающихся технологий 21 века и скорость передачи 2 Мбит/с возможно будет уже достигнута в 2001г.
GPRS
GPRS (General Packet Radio Services) - это новая технология мобильной радиосвязи, которая базируется на существующем семействе передающего GSM оборудования и позволяет передавать данные почти так же быстро, как через ISDN.
В противоположность действующему GSM стандарту, канал не резервируется на полное время соединения между мобильным телефоном и базовой станцией. Данные объединяются в пакеты, которые посылаются реципиенту в соответствии с потребностью и емкостью. Эти пакеты с данными собираются на стороне получателя. Такая передача данных с переключением пакетов обеспечивает не только более высокие скорости передачи (до примерно 115 кбит/с с GPRS), но также и функционирование "Always on Air" (АоА).
GPRS, таким образом, в 12 раз быстрее, чем GSM. С использованием H.261, H.263 или H.320 это обеспечивает передачу источника видео с разрешением QGIF или GIF и качеством, которое обеспечивается при применении ISDN (64 кбит/с).
Так как канал резервируется не на все время, как в GSM стандарте, связь с источником данных не требует разъединения. Данные передаются только по требованию. Сетевые операторы технически способны выставить счет только на объем действительно переданных данных. GPRS поможет мобильному Интернету сделать прорыв, так как он делает связь с источником данных более быстрой, более удобной, более эффективной, и, кроме того, более дешевой. С использованием GPRS видеосигнал может быть передан в H.263, в CIF или в Q-CIF.
UMTS
UMTS - это аббревиатура от "Universal Mobile Telecommunications Systems." UMTS, третье поколение мобильного радио, в среднесрочном плане заменит существующие на настоящее время GSM системы. UMTS обеспечивает две основные компоненты: радиосеть и несущая сеть. Радиосеть состоит из мобильного оборудования и базовой станции, между которыми коммутируется передача данных. Несущая сеть, в свою очередь, соединяет базовые станции друг с другом, а также создает соединения с сетью ISDN и Интернетом.
При значительно большей полосе пропускания (5 МГц), чем у GSM (200 кГц) и используя для передачи метод CDMA (Code Division Multiple Access) становится возможным передать информацию любого типа (мультимедийные приложения, загрузка из Интернета, видео и аудио) при высокой (2 Мбит/с) скорости передачи.
Это делает UMTS до 30 раз быстрее, чем ISDN (64 кбит/с) и до 200 раз быстрее, чем сеть GSM (9,6 кбит/с). Это позволяет передавать 1-2 источника видео в реальном времени с полным разрешением и приемлемым качеством.
Интересная особенность относительно UMTS заключается не только в том, что UMTS обладает очень высокой передающей способностью, но и в том, что он также поддерживает различные протоколы передачи, такие как TCP/IP, в комбинации с мобильностью.
4G technology
Технология четвертого поколения, которая потребует еще нескольких лет ожидания, будет, предположительно, в 10 раз быстрее и полностью совместима с Интернет-протоколом IP. В последнее время были представлены многочисленные исследовательские отчеты, заложивших основы 4G технологии. 4G будет в 156 раз быстрее ISDN и в 1040 раз быстрее GSM. Она позволит передавать 10 источников видео в реальном времени, с полным разрешением и приемлемым качеством.
НАЗЕМНЫЕ КОММУНИКАЦИИ
X-DSL
Полностью соответствует тенденции цифровая абонентская линия (digital subscriber line, X-DSL), которая сейчас внедряется в Европе почти всеми телефонными компаниями. Видео и аудио сигналы могут передаваться при помощи A-DSL по протоколу TCP/IP в реальном времени. X-DSL использует существующие телефонные линии, так что новых кабельных сетей не потребуется. Подлежат модернизации только коммутирующие станции. X-DSL имеет в 125 раз большую скорость передачи (около 8 Мбит/с) по сравнению с 56К для модема или ISDN.
Ethernet
Ethernet - в настоящее время наиболее распространенный стандарт для локальных сетей. История его эволюции началась в начале 60-х в мозговых центрах холодной войны. Была необходимость создать техническую коммуникационную систему, посредством которой власти США, правительственные органы и военные были бы способны сохранить контакт друг с другом после ядерной войны.
Соответствуюшее решение, разработанное Полом Бараном (членом RAND Corporation в то время), впервые было опубликовано в 1964г. Его наиболее важной характеристикой было:
- Сеть не должна иметь центрального управления и, таким образом, центральной власти.
- Сеть должна с самого начала развиваться таким образом, чтобы даже самые малые компоненты были бы полностью функциональны и автономны.
Начиная с 70-х, протокол ТCP/IP все более широко используется в военных, университетских и исследовательских сетях, сейчас он также применяется в Интернет. В Интернет используются также протоколы DECnet, IPX/SPX (Novell) и т.д.
Ethernet физически состоит из различного типа 50-омных коаксиальных кабелей, или витых пар, или оптоволоконных кабелей, или другой среды. Скорости передачи данных обычно 10/100Мбит/с и возможно увеличение до 1000 Мбит/с (Gbit Ethernet).
ATM
С ATM (Asynchronous Transfer Mode) могут быть достигнуты скорости передачи 155 и 622 Мбит/с. АТМ используется прежде всего в опорной (базовой) области очень больших сетей.
ПЕРСПЕКТИВА
Наибольшего роста в применении к локальным сетям в предстоящие годы, как ожидается, достигнет Fast Ethernet. FDDI, первая быстродействующая технология, отходит на второй план, и АТМ, согласно самым последним исследованиям, также не получит широкого распространения.
Цифровое видео и Internet зависят от скорости передачи данных. Они - движущая сила в поощрении компаний преобразовать их старые сети в более быстрые технологии. Один из факторов, способствующих успеху Fast Ethernet - то, что он может быть интегрирован в существующие среды Ethernet беспроблемно и недорого. GBit Ethernet, как самый последний стандарт - просто неразрывное продолжение истории успеха этой технологии.
Об авторе: Beat Meier, Dipl.Ing, Director of Fast media integration AG. He can be contacted on bmeier@fast-media-integrations.com
Перевод: Н.Тереб
Источник:
CCTV focus
