Частота кадров составляет 29, 97 кадров/сек, но может быть и понижена до 10-15 кадров/се. Декодер должен способен рас кодировать поток с пропущенными кадрами , так. Как для увеличения сжатия предусмотрена возможность опускать при кодировании отдельные кадры вместо того, чтобы поддерживать постоянную частоту кадров.
Стандартом предусмотрено разбиение видео потока на четыре уровня: - уровень кадров ( для CIF-формата - 352х288 пикселов, 396 макроблока, 1584 блока, 12 групп блоков):
код начала кадра ( 20 бит, 0000 0000 0000 0001 0000)
номер кадра в последовательности ( 5 бит)
тип кадра в последовательности ( 6 бит)
дополнительные данные
уровень группы блоков (GOB) ( 176х48 пикселов, 132 блока. 33 макроблока) код начала группы ( 16 бит , 0000 0000 0000 0001)
номер группы в кадре ( 4бита)
уровень квантования в группе ( 5 бит)
дополнительные данные
уровень макроблока ( 16х16 пикселов, , 4 блока)
код адреса макроблока ( код переменной дилны, до11 бит)
код типа макроблока ( код переменной дины)
-уровень квантования маклоблока ( 5 бит)
код вектора движения ( код переменной длины, до 11 бит)
код присутствия данных блоков ( код переменной длины, до 9 бит) -уровень блока ( 8х8 пикселов)
коэффициенты ДКП ( коды переменной длины, до 13 бит)
Алгоритм кодирования.
Стандарт не специализирует конкретных методов сжатия, и поиск наиболее эффективных алгоритмов сжатия является задачей разработчиков кодера. Для передачи CIF изображения по каналу (64 кбит/сек) степень сжатия должна превышать 300: 1. В алгоритме кодирования можно выделить следующие этапы: 1. Входной поток подвергается предварительной обработке:
Если исходное изображение передается в виде чересстрочных полей, то из них формируются кадры с прогрессивной разверткой, кадры передискретизиуются до формата CIF или QCIF;
Производится преобразование RGB в YUV
Производится преобразование из формата цветности 4: 4: 4 в 4: 2: 0 ( горизонтальная и вертикальная поддискретизация цветоразностных компонентов). Эта схема преобразования обычно используется для стандарта Н. 261 . На рис. 5 изображена двумерная 2: 1 подвыборка цветоразностных элементов по отношению к элементам яркости. Элементы Cb и Cr не совпадают по расположению с элементами яркости, но представляют информацию о цвете для группы четырех элементов яркости, расположенных по углам квадрата. Значение Си СR обычно вычисляются 4: 4: 4 путем горизонтальной и вертикальной фильтрации и интерполяции. Обычно значения Cb и Cr вычисляются только для каждой второй линии элементов яркости. Т. о. Остальные линии несут только яркостную составляющю. 4: 2: 0. Ширина полосы сигнала 4: 2: 0 идентична полосе сигнала 4: 1: 1. На рис. 5 Представлен построчный видеосигнал, в котором используется только одно поле сигнала.
Для устранений возможных искажений типа появления ложных элементов на границе объектов или смещения позиции, может применяться перефильтрация низкочастотным фильтром.
2. Изображение разбивается на макроблоки , для которых находятся вектора движения. Вектора движения для макрблоков могут быть только целочисленными и по абсолютной величине не превышать 15 пикселов.
3. Находятся ошибки предсказания движения.
4. Производится анализ информации о движении и принимается решение о способе кодирования макроблока.
5. В зависимости от результатов предыдущей стадии или исходный или разностный сигнал подвергается дискретному косинусному преобразованию
6. Осуществляется квантование коэффициентов ДКС, Z- упорядочивание, и кодирование кодами переменой длины. На этом этапе необходимо строить выходной поток данных , поддерживая заданное значение битового потока, для чего требуется специальный алгоритм выбора уровня квантования коэффициентов: если заполнение буфера оказывается больше заданной пороговой величины, то уменьшается точность передачи данных.
Кодирование I- блоков.
Процедура кодирования I-блоков похода на методику кодирования неподвижных блоков стандарт JPEG. Однако в отличии от JPEG уровень квантования может быть переменным, и коэффициент квантования подбирается кодером.
Кодирование Р-блоков.
Процедура кодирования Р-блоков гораздо сложнее процедуры кодирования неподвижных блоков. Кодер должен выбрать метод кодирования макроблока. В этом случае также стандарт не предписывает какого-либо алгоритма, оставляя это на разработчиков кодера
1. Принимается решение, следует ли использовать компенсацию движения, т. к. в случае отсутствия движения используется разность между текущим макроблоками и его несмещенным базовым макроблоком ( можно считать нулевым вектором движения). Достигается экономия за счет того, что вектор движения не передается. Для этого вычисляется сумма несмещенной разности между текущим макроблоков и его базовым макроблоком ( т. е. с нулевым вектором движения) D1. , и та же сумма для разности с вектором движения, D2. На основании ряда численных экспериментов была получена эмпирическая крива выбора решения. Кривая имеет сложную форму в области небольших значения разностей, т. к. любое ложное движение фона, вызванное медленным движением перемещением объекта , является крайне нежелательным эффектом. , заметно ухудшающее визуальное изображение.
В Р- блоках вектор движения передается с помощью разностного кодирования, что обеспечивает значительную экономию для изображений с движением, вызванным перемещением камеры, в которых вектора движения для большинства микроблоков будут примерно одинаковы.
2. После получения информации об оптимальном варианте компенсации движения кодер решает, следует ли ее использовать (т. е. Использовать нулевой или ненулевой вектор движения и кодировать разностный сигнал) или кодировать исходный макроблок как I-блок. Это можно было бы сделать, сравнив количество бит, необходимое для передачи кодированной информации о макроблоке с компенсацией движения и без нее при том же коэффициенте квантования. Однако ввиду значительных вычислительных затрат на эту процедуру на основе численных экспериментов была получена эмпирическая кривая выбора решения о внутрикадровом или межкадровом кодирования на основе сравнения дисперсий текущего макроблока и разностного сигнала.
Дисперсия V1 для текущего макроблока вычисляется:
V1 = ,
А дисперсия V2 - - для разностного сигнала , полученного с учетом принятого решения о компенсации движения, т. е. С использование вектора движения (N, M), нулевого или ненулевого по формуле:
V1 = X(i+n, j+m))/256
Для устранения блокинг -эффекта, связанного с компенсацией движения, может производится фильтрация. Фильтрация осуществляется только внутри блока и применяется как к яркостной , так и к цветоразностным компонентам. Фильтрация ошибок в кодере после компенсации движения дает лучшие результаты, чем постфильтрация в декодере.
4. После квантования принимается решение, следует ли изменять коэффициент квантования, установленный по умолчанию. Визуально восприятие изображения будет улучшаться, если применять переменный коэффициент квантования в зависимости от детальности в блоке и свойство зрительного анаизатора при их восприятии. Промышленные стандарты призваны сделать видеоконференции столь же распространенными, как телефонная и факсимильная связь. Благодаря им системы поддержки видеоконференций разных производителей могут без проблем устанавливать связь между собой, как связываются между собой другие телекоммуникационные устройства.
Продукты, соответствующие стандартам ITU, позволяют любому абоненту связываться с любым другим абонентом. Стандарты, разработанные сектором стандартизации в области телекоммуникаций ITU (ITU-TSS, предыдущее название - CCITT), сделали для систем поддержки видеоконференций для ПК то, что сделали ранее выработанные стандарты "V. xx" и "Group-III" для модемов и факсимильных аппаратов обеспечили совместимость изделий разных производителей в мировом масштабе.
Глава 3. Разработка структурной схемы устройства кодирования-декодирования п. 3. 1 Выбор элементной базы для абонентского устройства
В качестве демултиплексера выбираем микросхему фирмы GEC PLESSEY VP 2614. Видео демультиплексор является частью набора микросхем для видеоконференций, видеотелефонии и мультимединых приложений. Используется для протокола Н. 261. Демультиплексор работает с входными данными до 4 Мбит/сек. Интерфейс разработан для декодера VP2615
Рассмотрим работу структурной схемы :
Это устройство извлекает из потока Н. 261. параметры, корректирующие ошибки, и коэффициенты ДКП
FRAME ALIGNMET:
непрерывный битовый поток Н. 261 разбивается на кадры по 512 бит , первый бит каждого кадра является частью восьмибитового заголовка кадра. Для предотвращения ошибочного детектирования настоящих данных заголовок должен повторяться не менее трех раз перед сигналом “frame lock”. После того, как получен этот сигнал он начинает постоянно отслеживаться. Если происходит ошибочное определение кадра , то следующие 4 кадра будут проверены на ошибки. VALIDITY CHEK - проверка правильности ( верности) информации потока VARIABLE LENGTH DECODE - декодирование с переменной длиной. Декодирование информации видеопотока, который был закодирован при передачи видеоинформации в кодирующем устройстве с переменной длиной слова, в данном блоке производится обратный процесс.
HOST INTERFACE - интерфейс компьютера
Интерфейс системного процессора.
Интерфейс системного процессора является интерфейсом с картой памяти. Он был разработан для использования с любым системным процессором и состоит из следующих шин и сигналов:
HD7: 0 - шина данных процессора
YF 3: 0 - младшее значение бита адресной шины
WR - строб записи
RD - строб чтения
CEN -выбор микросхемы
SIDE INFORMATION - блок выделения служебных данных
ДЕКОДЕР
В качестве декодера возьмем микросхему фирмы GEC PLESSEY VP 2615, Используется для видеоконференции, видеотелефонии. Разработан по рекомендации стандарта CCITT Н. 261 . Предназначен для декодирования CIF сигнала с разрешением до 30 Гц. Выходным сигналом являются 8 битные пиксели в YUV формате.
Рассмотрим основные блоки этой микросхемы.
INPUT CONRTOLLER - входное устройство ( данные, импульс синхронизации , вход режима передачи данных
RUN LENGHT DECODE & INV ZIG ZAG - блок обратного зигзагообразного сканирования, процесс обратному , выполняемому в кодере.
Это блок - генератор адресов, который обеспечивает считывание коэффициента ДКП в пространстве по зиг-загообразной траектории. Смысл - значившие коэффициенты . располагаются в начале субблока , а нули в конце субблока . В результате появляется последовательность коэффициентов. , имеющие короткие участки и значащие участки, которые кодируются кодом переменой длины
INVERSE QUANTIZATION - блок обратного квантования
INVERSE DCT - блок обратного дискретного косинусного преобразования. В блоке выполняется операция, обратная операции , выполняемая в кодеке. ДКП осуществляется в соответствующем блоке и обрабатывает 8х8 субблока изображения, либо в режиме межкадрового либо внутрикадрового кодирования. В режиме межкадрового кодирования используется 8 разрядное представление сигнала. При внутрикадровом кодировании используется разность между текущем и блоком имеющим лучший шаг сдвига . В этом случае представление сигнала осуществляется в удвоенном комплиментарном виде. 12 битные коэффициенты Формируются в блоке ДСТ и посылаются на квантователь. Изображение делится 8х8 пикселов. Суть преобразования - изображение из пространственной области перевести в частотную область
LOW PASS FILTER - фильтр нижних частот, для устранения высокочастотных составляющих декодированного изображения
ADD - устройство суммирования
FRAME STORE CONTROLLER - контроллер памяти на кадр
CONTROL I/F- контроллер управления декодером
В качестве конвертора выберем микросхему фирмы
GEC PLESSEY VP 520 S
VP520 S разработан для преобразования 16 битного мультиплексированного сигнала яркости и цветности между CCIR 601 и CIF/QCIF. Предусмотрены вертикальные и горизонтальные фильтры, причем вертикальные фильтры обеспечиваются с помощью внутренней памяти на одну строку. Коэффициент, используемый для фильтра определяется пользователем и загружается от независимой шины данных . Внутренний генератор адресов поддерживает внешнюю память на кадр и обеспечивает преобразование строки в макроблок . Если входной сигнал конвертируется CIF/QCIF, вертикальные и горизонтальные фильтры обеспечиваются путем 4х CIF линии задержки, которые позволяют обрабатывать пять фильтров. Когда производится преобразование в формат QCIF, используется доступная память, чтобы обеспечить задержку на 6 строк, которая позволяет использовать 7 фильтров. Когда прибор конвертирует в CCIR 601 сигнал , входные данные должны быть в формате макроблока и вертикальные фильтры идут в формате макроблоков. Входные сигналы пишутся сначала во внешнюю память , организованную под CIF кадром и считываются у памяти построчно. VP 520 S поддерживает память по 2 полных кадра и позволяет CIF/QCIF дольше читать попарно в порядке формирования двух черезстрочных полей видеосигнала.
VP 520 S поддерживает преобразование между CIF/QCIF и NTSC стандартом. Когда формируется CIF данные на каждые 5 строк данных, то формируются дополнительные строки, а когда формируется сигнал NTSC , то из каждых 6 строк четыре убираются.
SYNC GENERATOR - генератор синхроимпульсов
RAM ADRESS....... - формирователь адреса памяти с поддержкой преобразования адресов строк в адреса блоков
INPUT - буфер
MUX - мультиплексор
FOUR - задержка на 4 строки
фильтр яркостного сигнала
FILTER BLOCK - 2 фильтра цветоразности
MUXING - мультиплексор
COEFF STORE - память коэффициентов.
Рассмотрим микросхему конвертора VP510.
Он преобразует трехканальный RGB данные в два канала десятичных цветность и яркость. Также он преобразует два канала данных Цветоразностных и яркостных в три канала интерполированых данных RGB . Каждый канал имеет собственную таблицу просмотра, которая может быть загружена из управляющей системы и затем использована для гамма-коррекции. Направление потока данных контролируется битом в управляющем регистре и позволяет переключаться между входом и выходом. Фильтры переключаются с десятичного в интерполирующий режим. Матрица преобразования размерностью 3х3 обеспечивается определяемыми пользователем 12 битными коэффициентами, которые могут изменяться от -4 до 4 . Канал яркости обеспечивается фильтром 23 порядка . Каждые Каналы цветности имеют два последовательных фильтров 11 порядка. Такое устройство позволяет принимать или производить данные RGB c частотой в два раза превышающую исходную, таким образом избегая использование внешних аналоговых фильтров. Если необходимо, устройство может принимать или производить видеоданные с исходной частотой . ADRESS RAM - буферные устройства
COUNTNER - счетчик
3х3 MATRIX MULTIPLEX - схема матрицирования
23 ТАР - фильтр прореживания интерполирования
CONTROL - контроллер управления
RANGE - ограничитель уровня
PIPELINE DELAY - линия задержки
п. 3. 2. Разработка структурной схемы абонентского устройства кодирования Задачей работы является: прием и передачи данных. На входе - стандартный компонентный телевизионный сигнал, на выходе - стандартный цифровой компонентный сигнал формата 601/25.
Для аппаратной реализации данного устройства декодирования по выбранному стандарту используем специализируемую элементарную базу фирмы GEC PLESSEY Plesse т. к. она построена по интегральным технологией, обладает большой функциональностью, позволяет сократить массу, габариты, стоимость. На основе выбранных компонентов составим структурную схему декодирующего абонентского устройства видеоконференций.
Входной поток по стандарту передачи видеоданных Н. 261 поступает на демультиплексер, чтобы обеспечить постоянство цифрового потока. В устройстве декодирования используют буфер приема RECEVE BUFER 32Кх8, который имеет размер 32 Кбайта . Для декодирования демультиплексированой информации поставим видеодекодер VP2615, работа которого была описана выше. Для проведения операции декодирования необходимо ОЗУ на 1 кадр. Т. к. мы используем формат CIF , объем памяти должен быть 128 Кб . Для преобразования формата CIF в стандартный формат , согласно рекомендации . CCIT 601 используем конвертор VP 520. Для обеспечения преобразования необходима память на два кадра. Объем информации 256 Кб . Для преобразования цифрового цветоразностного сигнала в RGB используем конвертор цветного изображения VP 510. Для управления декодером используем системный контроллер, который может управляться центральным процессором компьютера . п. 3. 3. Сравнительный анализ оконечных устройств имеющихся на рынке на данный момент
Cybertronic Zydacron Z250
Комплект для проведения видеоконференций фирмы Cybertronic, работающий с ОС Windows 3. х, 95, OS/2 Warp и Windows NT, представляет собой интегрированный на единой плате видео- и аудиокодек с возможностью проведения видеоконференций по линиям POTS и ISDN.
Cybertronic Zydacron Z250 представляет собой неплохую альтернативу другим комплектам для проведения настольных видеоконференций. Среди несомненных достоинств этого продукта - интегрированные на одной плате ISDN-адаптер и кодеки и, следовательно, экономия как минимум одного разъема, а также длинный список совместимых операционных систем, каким не могут похвастаться гораздо более дорогие и известные продукты. Расширению возможностей комплекта в значительной мере способствует наличие комплекта для разработчика Zydacron SDK. Относительно высокое качество изображения и звуковой информации обеспечивается за счет качественной реализации кодека. К сожалению, на этом список "плюсов" данного продукта заканчивается. Среди наиболее существенных недостатков следует отметить ограниченные возможности по реализации совместных действий (только передача файлов и разделение экрана), а также отсутствие совместимости с T. 120, что сильно ограничивает возможности продукта с точки зрения его интеграции с другими системами видеоконференций.
Технические характеристики Zydacron Z250
