digitalna tv

Digitalna televizija, Teorija, maj 2012 1 od 35

DIGITALNA TELEVIZIJA (DTV) Iako se sa digitalizacijom televizije poelo poetkom 90-tih, tek krajem 90-tih stvoreni su tehnoloko-ekonomski uslovi koji omoguavaju pravi poetak uvoenja DTV u svetu. Evropa je preko DVB projekta, saveza preko 270 kompanija i ustanova vezanih za trite televizije, stvorila otvoreni standard za digitalnu televiziju koji je prihvaen u najveem broju zemalja na svetu. Standard je nazvan DVB (Digital Video Broadcasting). Poto postoje razlike u nainu prenosa digitalnog signala do korisnika, po medijumu za prenos signala, imamo tri standarda: 1. DVB-T (Terrestrial, zemaljski prenos) 2. DVB-C (Cable, prenos kroz kablovsku mreu) 3. DVB-S (Sattelite, satelitski prenos) Gledaoci kod nas primaju televizijski signal uglavnom preko kablovske mree i zemaljskih predajnika. Zbog toga su najzanimljiviji standardi DVB-C i DVB-T. DVB-S je danas rairen meu korisnicima satelitske televizije. Prvi kod nas DVB-S uveo kablovski operater SBB, pod nazivom TOTAL TV, i najee se spominje kao digitalna satelitska TV. Svaki od ovih standarda ve doivljava modifikacije i unapreenja. Tabela 1. prikazuje neke osnovne prednosti digitalne televizije u odnosu na analognu televiziju.

Tabela 1. Poreenje analogne i digitalne televizije Analogna TV Digitalna TV Kapacitet jednog TV kanala s identinim kvalitetom slike (SDTV)

Prenos 1 programa Prenos veeg broja, do 20 programa

Zvuk Mono, stereo Mono, stereo, surround Kvalitet slike (rezolucija) Standardni kvalitet

(SDTV) Raspon kvaliteta od nie razolucije (LDTV) sve do visoke (HDTV) 1920x1080(2-3m)

Dodatni sadraji Teletekst -Superteletekst -EPG (Electronic Program Guide, elektonski progr. vodi) -Interaktivan multimedijalni sadraj -Prevodi -...

Otpornost na smetnje -Neotporna na refleksije signala (duhovi u slici) -Postoji degradacija kvaliteta zavisna od udaljenosti ometajueg signala

-Nema problema s refleksijama (mogu da budu korisne) -Nema degradacije kvaliteta sve dok je korisni signal dovoljno snaan

iroki ekran

4:3 (ugao gledanja 15 stepeni)

16:9 (ugao gledanja 30 stepeni)

Prenos signala

Kontinuirano prenosi sve elemente slike/zvuka

Prenosi komprimovan signal, tj. samo one delove slike/zvuka koji su se od slike do slike promenili


Kao to se moe videti u tabeli 1, digitalna TV ima velike i znaajne prednosti u odnosu na analognu TV. Povean je kvalitet, omoguena je bolja i efikasnija upotreba radiofrek-vencijskog spektra, a uvedeni su i brojni dodatni servisi i usluge. Elektronski programski vodi je takoe uobiajena stvar kod digitalne televizije. On omoguava paralelno pretraivanje i uvid u itav televizijski sadraj koji primamo, slino kao na internet portalima. Tako npr. gledaoci mogu iz programskog vodia na ekranu birati izmeu raznih raspoloivih sadraja onaj koji mu najvie odgovara, bez da neprekidno pretrauju sve televizijske programe. Za razliku od analognog sistema, DTV omoguava da prevod (titlovanje na nekom od jezika) bude dodatna aplikacija, odnosno da se prikazuje istovremeno sa slikom ali nije deo nje same. Potpuno nova usluga jeste interaktivni multimedijalni program. Digitalna televizija zahteva promenu opreme i na predajnoj i na prijemnoj strani. Korisnika oprema mora ne samo da primi televizijski signal, nego i da ga na odgovarajui nain obradi kako bi se sadraj prikazao na ekranu ili reprodukovao na zvunicima. Zbog toga gledalac mora da ima novi ureaj. To moe da bude novi televizor (sa odgovarajuim prijemnikom) ili pomoni ureaj, tzv. STB - Set Top Box. STB je prijemnik (receiver) koji pretvara digitalni signal u oblik pogodan za prikazivanje na ve postojeim TV prijemnicima (poput satelitskih risivera). Postoji mogunost i kupovine novog TV prijemnika koji ima integrisan odnosno u sebi sadran DVB prijemnik (IDTV, Integrated Digital Television), kao to svi klasini televizori imaju prijemnike za analogne televizijske signale. Postojee antene i televizori bie neko vreme prihvatljivi za prijem signala i prikaz sadraja uz korienje STB.

Pojednostavljena blok ema DVB-T predajnika data je na slici 2.

Slika 2. Pojednostavljena blok ema DVB-T predajnika

Sutina DVB-T standarda znatno se razlikuje od ranijih analognih standarda za prenos TV signala.

Kod analognog sistema u svakom TV kanalu prenosio samo jedan TV signal sa jednim zvunim signalom.

Kod DVB-T prenosi se istovremeno vie od jednog signala slike, vie od jednog signala zvuka, kao i signal podataka koji moe da ima direktnu vezu sa ovim signalima, a i ne mora.


Detaljna blok ema DVB-T predajnika data je na slici (Wikipedia)

Slika 3. Osnovna blok ema DVB-T predajnika

Blokovi na slici 3. imaju sledee znaenje

Source coding and MPEG-2 multiplexing (MUX): komprimovani video i audio signali i signali podataka multipleksiraju se u PS (Programme Stream).

Jedan ili vie PS udruuju se u MPEG-2 TS (MPEG-2 Transport Stream, transportni niz). To je osnovni digitalni niz. TV prijemnici i STB primaju ovaj niz, dekoduju ga i sadraj prikazuju gledaocu. Bitske brzine zavise od broja programa i parametara modulacije. Kreu se u opsegu od 5 do 32 Mbit/s.

Splitter (opciona komponenta): dva razliita TS mogu da se prenose u isto vreme tehnikom hijerarhijskog prenosa. Npr. prenosi se signal standardnog kvaliteta (standard definition, SDTV) i signal visokog kvaliteta (high definition, HDTV) na istom nosiocu. Poto je SDTV signal robusniji (lake se prenosi) nego HDTV, prijemnik moe da primi oba signala i prikae onaj koji je ispravno primljen, tj. HDTV tamo gde je kvalitet primljenog signala bolji ili SDTV tamo gde je kvalitet slabiji.

MUX adaptation and energy dispersal: MPEG-2 TS je u stvari niz paketa podataka, fiksne duine (188 bajta). Pre prenosa ovog paketa vri se dekorelacija podataka. Postupak se naziva rasprivanje energije.

External encoder: Prvi nivo ispravljanja greaka primenjuje se na svaki paket, preko Reed-Solomon RS (204, 188) koda. Mogue je ispravljanje do 8 pogreno primljenih bajtova u svakom paketu od 188 bajta.

External interleaver: vri se konvolucioni interleaving da bi se reorganizovali nizovi podataka i postali otporniji na pojavu dugih nizova greaka.

Internal encoder: Drugi nivo ispravljanja greaka vri se primenom konvolucionog koda (obino se oznaava kao FEC - Forward error correction). Postoji pet varijanti ovog koda: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 i 7/8.


Internal interleaver: niz podataka se ponovo reorganizuje, sa ciljem da se smanji uticaj pojavljivanja greaka u nizu.

Mapper: digitalna sekvenca se preslikava u niz paralelnih sekvenci i formiraju se kompleksi simboli. Primenjuju se sledea tri postupka: QPSK, 16-QAM, 64-QAM.

Frame adaptation: Kompleksni simboli grupiu se u blokove konstantne duine, (1512, 3024 ili 6048 simbola u bloku). Formira se ram (frame), sastavljen od 68 blokova, i superram, sastavljen od 4 rama.

Pilot and TPS signals: Da bi se pojednostavio prijem signala, u svaki blok se dodaju pomoni signali. To su pilot i TPS signali. Pilot signali koriste se u toku sinhronizacije i ekvalizacije, dok TPS signali (Transmission Parameters Signalling) prenose parametre signala koji se prenosi. Prijemnik mora da izvri sinhronizaciju, ekvalizaciju i dekodovanje ovih signala, a zatim da iskoristi TPS podatke za podeavanje parametara, reinhronizaciju i slino.

OFDM Modulation: niz blokova modulie se primenom OFDM modulacije. Postoji tri varijante: sa 2048, 4096 ili 8192 nosilaca (2k, 4k, 8k mod). Brzina prenosa podataka (bitska brzina) ista je u svakom od ova tri postupka.

Guard interval insertion: da bi se pojednostavio rad prijemnika, izmeu blokova se ubacuje zatitni interval (guard interval). U ovaj interval ubacuje se tzv. ciklini prefiks (kopira se zavretak bloka ispred njegovog poetka). irina (trajanje) zatitnog intervala moe da bude jednako 1/32, 1/16, 1/8 ili 1/4 trajanja originalnog bloka. Ciklini prefiks je neophodan za ispravan rad mrea sa jednom frekvencijom, jer se tako minimizuje pojava interferencije.

DAC and front-end: Digitalni signal se pretvara u analogni u digitalno analognom konverteru (DAC), a zatim se koristi kao moduliui signal za analognu modulaciju na nekom od korienih kanala u VHF ili UHF opsegu. Kanali imaju irinu od 7 ili 8 MHz.

Razlozi za digitalizaciju TV sistema Uticaj uma na digitalni signal sutinski se razlikuje od uticaja na analogni signal. Digitalni prijemnik treba da razlikuje vrednost kodovanog signala, dok se kod analognog signala njegova trenutna vrednost krije u amplitudi ili fazi nosioca. Razvojem tehnologije obrade signala digitalizacija je zamenila skoro sve postupke za obradu i prenos signala. TV i radio difuzija doli su na red krajem 20. veka, paralelno sa tehnolokim poboljanjima i izvanrednim napretkom u razvoju postupaka za obradu signala zvuka i slike. Konani datum iskljuenja analogne TV difuzije varira od drave do drave. U Srbiji je predvien 04.04.2012, a u Evropi je to 17.06.2015. Prosta digitalizacija analognog signala irine 5MHz, prema uslovima teoreme o odabiranju, daje 10 miliona odbiraka u sekundi. Ako se svaki tako dobijen odbirak koduje sa 8/10 bita, dobija se bitska brzina od 80/100Mbit/s. Detaljniji postupak digitalizacije luminentnog i dva hrominentna signala ilustrovan je na slici 3. Prema navedenim standardima postupak daje signal sa bitskom brzinom od 270Mb/s. Ovakva brzina je prevelika za praktine komunikacione sisteme i zbog toga je neophodna kompresija TV signala.


Prenos signala zvuka predstavlja dodatno optereenje. Ilustrovan je na slici 4.

Slika 3. Digitalizacija analognog TV signala

Slika 4. Digitalizacija audio signala

OSOBINE MPEG STANDARDA (MPEG HANDBOOK) Poetkom 90-tih godina poeo je razvoj sistema za digitalni prenos video signala. Izmene su bile znatno sloenije od proste digitalizacije slike i zvuka. Deo ovih izmena krije se u filozofiji postupka i uvoenju standarda na raznim nivoima. Uvedena je standardizacija sadraja toka podataka, a ne standardizacija rada predajnika. Ovo je sutinski nov i veoma fleksibilan nain za propisivanje naina rada sistema. Ilustrovan je na slici 5.

Slika 5. a) MPEG standard definie sadraj toka podataka. Poboljani i tehniki veoma

usavreni koderi u budunosti b) i c) bie kompatibilni sa dananjim dekoderima


2. NAINI ZA REALIZACIJU KOMPRESIJE Prorauni su pokazali da je za prenos digitalnog TV signala u realnom vremenu potrebno uglavnom iznad 100 Mb/s. Ovakva bitska brzina i dalje je u praksi nedostina i razvoj digitalne televizije krajem 90-tih krenuo je u pravcu razvoja postupaka za kompresiju signala koji bi ovu brzinu sveli na manje od 10 Mb/s. Postoje dve osnovne grupe postupaka za kompresiju: a) Kompresija bez oteenja b) Kompresija sa oteenjem. Svaki digitalni signal sastoji se od niza simbola. Kod digitalne slike ti simboli su pikseli, odnosno njihove vrednosti. Prenos simbola praktino se realizuje nekom brzinom. Poto se simboli u postupku kodovanja pa i modulacije menjaju )ne prenose se vrednosti piksela nego neto drugo), veoma retko govorimo o brzini prenosa simbola. Obino odreujemo i poredimo odgovarajuu bitsku brzinu. Kompresija je postupak kojim se manipulie simbolima (pikselima) sa ciljem da se pretvore (preslikaju, transformiu) u neki drugi niz simbola koji je ekonominiji za prenos. Glavna mera za odreivanje koliine informacija jeste entropija signala. Entropija se odreuje na dobro poznati nain: ako je skup razliitih simbola konaan, m, i ako je poznata veravatnoa pojavljivanja pojedinih simbola, kp , k=0..m-1, entropija izvora (srednja koliina informacije) jednaka je

Entropija digitalne slike dobija se na slian nain, proraunom verovatnoe pojavljivanja svake mogue vrednosti piksela (nivoa od 0 do 255) i njihovim usrednjavanjem. Obino se dobije 7,3 ili 7,4 bita po simbolu, umesto 8 koliko se koristi za obino binarno kodovanje piksela sa 256 nivoa. Ako meu susednim pikselima u slici postoji slinost, kae se da su oni korelisani, ili povezani. Ova slinost u praksi ima sledeu posledicu: prenosei vrednost svakog piksela posebno, mi prenosimo i deo informacije o okolnim pikselima. Ovakav prenos nije ekonomian jer se neki podaci prenose vie puta. Razbijanje korelacije omoguava znaajnu kompresiju u signalu slike. Razliitim vrstama transformacija, kao to je DCT, KLT i neke druge, skup simbola - piksela - transformie se u neki novi skup simbola - koeficijenata - koji imaju manju korelaciju. Novi skup ima smanjenu entropiju, ime se ostvaruje kompresija signala, bez oteenja. Ovakva kompresija, meutim, nije efikasna i obavezno se primenjuju i razliite tehnike za kompresiju sa oteenjem, uz ispunjenje znaajnog uslova da se oteenja to manje primete. Ove tehnike koriste osobine HVS (ovekov vizuelni sistem, ulo vida). Skoro svaki postupak za kompresiju signala kao prvi neophodan korak podrazumeva grupisanje simbola (tzv. proirenje).


U sluaju digitalnog signala slike, idealno bi bilo da se grupe simbola (piksela) formiraju tako da prikazuju objekte u slici. To znai da bi se cela pravougaona slika delila ne delove koji prikazuju neku celinu (objekat), npr. lice oveka, celu figuru oveka, neku graevinu, vozilo, predmet i slino. Postoje razliite tehnike za segmentaciju slike ali je njihova praktina primena prilino ograniena. U realnom vremenu segmentacija slike na objekte najee je nemogua. Zbog toga je usvojena podela slike na kvadratne blokove razliitih dimenzija. Praktino su u upotrebi blokovi dimenzija 8x8, 4x4 ili 16x16. Kod svake mirne slike (osim slike sastavljene od istog uma) postoji slinosti izmeu susednih piksela. Postupci za kompresiju signala koji se koriste kod mirne slike, mogu da se primene i na pokretnu sliku. Kod pokretne slike, meutim, postoje i mnoge dodatne osobine i mogunosti za kompresiju koje ne sreemo kod mirne slike. Slinost postoji u tri promenljive, dve prostorne (x i y) i vremenu. Osim slinosti meu susednim pikselima u (x,y) ravni, esto su mnogi vremenski uzastopni pikseli, na istim ili bliskim lokacijama u slici, meusobno slini. Korelacija u vremenu zasnovana je na teoriji pokreta. Izmeu svake dve uzastopne slike u sekvenci slika deava se pokret nekog objekta ili dela scene. Kad bismo mogli da pronaemo i prenesemo informaciju o tom pokretu, kodovanje samog objekta ne bi uopte bilo neophodno. Meutim, to nije jednostavan zadatak. Pokret je sloena pojava. Moe da se opie na vie naina. Sve vrste pokreta praktino se aproksimiraju pomeranjima u ravni normalnoj na pravac gledanja. Pod uslovom da posmatramo dovoljno male objekte, ipak se ostvaruju odlini rezultati. U prvom koraku kompresije koristi se vremenska korelacija. Ovaj korak naziva se estimacija pokreta. Postoje tri pojma ije je znaenje pomalo izmeano:

predikcija (pretpostavljanje unapred) estimacija (procena veliine pokreta) kompenzacija pokreta (zamena pokreta nekim drugim opisom).

Estimacija pokreta sastoji se od sledeeg niza koraka. - izbor dve uzastopne slike, (nazivamo ih tekua slika i prethodna slika), - podela tekue slike u blokove, jednakih dimenzija, npr 8x8, - pronalaenje bloka u prethodnoj slici koji se nalazi u okolini i koji najvie lii na analizirani blok (postupak se ponavlja za svaki blok u tekuoj slici). Primer je prikazan na slici 7. Tekua slika (br.5. u sekvenci) prikazana je na slici 7a, a prethodna (izabrana je slika br.1. u sekvenci, a ne br.4, da bi se bolje uoile razlike izmeu slika) prikazana je na slici 7b. Slinost dva bloka moe da se definie na mnogo naina. Najee se koristi suma apsolutnih vrednosti razlike piksela koji se nalaze na istoj poziciji (imaju iste koordinate kad se blokovi preklope).


Slinost blokova odreuje se i tako to se izraunava korelacija izmeu blokova slike koji su meusobno pomereni. Slinost se izraunava za svaki od poloaja, kao u primeru na slici 10. Kad se odredi najvea od tih slinosti, dobija se vektor pokreta. To je par brojeva koji opisuju poloaj najslinijeg bloka u odnosu na analizirani blok, npr (-1, -1) za blok koji je jedan piksel levo i jedan piksel nie od analiziranog. Kad se za svaki blok u tekuoj slici pronae najsliniji blok u prethodnoj, kopiranjem ovih blokova formira se slika dobijena predikcijom ("grbava ili okasta" slika). Ova slika lii na tekuu sliku, ali ipak postoje fine razlike, uoljive naroito na granicama blokova ili na delovima slike koji su se znaajno izmenili, usled pokreta koji je razliit od pomeranja u ravni normalnoj na pravac gledanja. Slika dobijena predikcijom moe da se prenese do prijemnika na veoma ekonomian nain. U memoriji prijemnika ve postoji (preneta je) prethodna slika. Ako se prenesu samo vektori pokreta (parovi brojeva od po nekoliko bita, za svaki blok), u prijemniku se, uzimanjem delova iz prethodne slike u memoriji formira ova slika. Prikazana je na slici 11.a. Da bi se prenela cela tekua slika, osim vektora pokreta treba da se prenese i razlika izmeu tekue slike i slike dobijene predikcijom. Ova razlika prikazana je na slici 11.b. Slika razlike ima znatno manji sadraj (manju entropiju) u odnosu na tekuu sliku i za njenu kompresiju koriste se postupci koji su veoma slini JPEG postupcima razvijenim za mirnu sliku. Pokazuje se da ova slika ima entropiju koja je manja od entropije slike razlike. Osnovi koraci u daljoj kompresiji jesu: DCT transformacija, Poseban prenos jednosmerne komponente, kvantizacija, cik-cak skeniranje (pretvaranje matrice brojeva, 2-D signala u niz brojeva, 1-D signal), RLC kodovanje, entropijsko kodovanje dobijenog niza. DETALJNIJI OPIS POJEDINIH KORAKA KORELACIJA Koeficijent korelacije r definisan je kao

(2.1) gde su A(i,j), B(i,j) vrednosti piksela, a i su srednje vrednosti blokova A i B. Blokovi A i B imaju jednake dimenzije. Rezultat moe da ima vrednost u opsegu (-1,1). Vrednost r=-1 odgovara situaciji u kojoj su dva bloka A i B povezani izrazom B=-A, a r=1 za B=A. Ako je korelacija jednaka nuli, tada ne postoji nikakva veza izmeu posmatranih blokova.


U optem sluaju, blokovi mogu da budu delovi razliitih slika. Ako se radi o delovima iste slike, korelacija ima vee vrednosti ako su u pitanju blokovi koji se meusobno preklapaju. Ako posmatramo delove iste slike, moemo da posmatramo razliite vrste korelacije: horizontalnu, vertikalnu ili dijagonalnu. Korelacija moe da se posmatra i kao promen-ljiva veliina koja zavisi od pomeraja. Moe da bude funkcija samo jedne promenljive ili vie promenljivih. Obino se dobija zavisnost koja ima priblino izgled prikazan na slici 6. LAB.VEBA: KORELACIJA U SLICI.

Slika 6. Tipian izgled 1-D i 2-D autokorelacione funkcije

Ekstremni primeri: Kad bi cela slika bila sastavljena od jednakih piksela, umesto prenosa svakog piksela bilo bi dovoljno preneti vrednost tog piksela i podatak da je ostatak slike isti takav. Kad bi slika bila sastavljena od belog uma, morala bi da se prenese vrednost svakog piksela jer meu njima nema nikakve povezanosti (korelacije). VEKTORI POKRETA Postupci za kompresiju obino se testiraju na tzv. test sekvencama, tj. kratkim video zapisima sa sloenim vrstama kretanja, veoma zahtevnim za kompresiju. Jedna od takvih sekvenci naziva se "Mobile and Calendar" i esto se koristi kao test sekvenca u razvoju i optimizaciji postupaka za prenos signala slike. Posmatrajmo sliku 7. Prikazana je peta slika u nizu Mobile. Slika je veoma arena i dinamina, a postoje i velike povrine sa jednakim nijansama. Ova slinost koristi se za kompresiju. Izmeu dve slike u sekvenci slika deava se pokret nekog objekta ili dela scene. Kad bismo mogli da pronaemo i prenesemo informaciju o tom pokretu, kodovanje samog objekta ne bi uopte bilo neophodno. Meutim, to nije jednostavan zadatak. Pokret je sloena pojava. Moe da se opie na vie naina: Willey, str.50.

Zumiranje (promena ine daljine kamere) Paniranje (rotacija oko ose koja je normalna na pravac gledanja) Rotacija oko pravca gledanja Translacija du pravca gledanja Translacija u ravni normalnoj na pravac gledanja Sasvim nepravilno kretanje.


Matematiko modelovanje svakog od ovih postupaka veoma je sloeno. Sreom, sve vrste pokreta mogu da se aproksimiraju pomeranjima u ravni normalnoj na pravac gledanja, pod uslovom da posmatramo dovoljno male objekte. Kodovanje koje umanjuje korelaciju unutar slike, bez povezivanja sa okolnim slikama, naziva se INTRA kodovanje. Najjednostavniji postupak intra kodovanja predstavlja tzv. diferencijalno kodovanje. Ako se vri 1-D diferencijalno kodovanje, prenosi se razlika izmeu vrednosti posmatranog piksela i njegovog levog suseda. Poetna pretpostavka moe da bude proizvoljna, a najee se uzima da piksel ispred prvog piksela ima vrednost 128, tj. srednju moguu vrednost piksela u slici. Sloeniji postupak jeste primena transformacionih postupaka na blokovima slike, na veoma slian nain kao kod JPEG kompresije mirne slike. Postupci primenjeni kod MPEG-2 i MPEG-4 razlikuju se u tipu transformacije. MPEG-2 koristi DCT a MPEG-4 DCT i vejvlet transformaciju. Cilj transformacije jeste dobijanje vrednosti koje nisu meusobno korelisane. Njihov prenos mnogo je efikasniji jer meu njima nema zavisnosti, tj. nema redundanse. LAB VEBA. ENTROPIJA SLIKE I DIFERENCIJALNO KODOVANE SLIKE. Predikcija moe da bude i 2-D, tako to piksel zavisi od veeg broja piksela rasporeenih u njegovoj okolini. Pokazuje se da su najkorisniji levi i gornji sused, uzimanje ostalih u obzir ne donosi nikakvo poboljanje. Predikcija moe da bude i 3-D, ako se uzmu u obzir i vrednosti piksela iz prethodne slike, sa istog mesta, kao i sa okolnih mesta. (digit.techn. str 49). KOMPRESIJA sa oteenjem i bez oteenja Iz ranije sluanih predmeta poznato je da postoje dve osnovne grupe postupaka za kompresiju, sa oteenjem i bez oteenja. U MPEG standardima vre se razliite vrste kompresija iz obe spomenute grupe. 2.4. OSOBINE HVS Za kompresiju video signala poseban znaaj imaju sledee ososbine HVS:

Zapaanje promena sjajnosti (u tamnijim oblastima lake se zapaaju promene nego u onim koje su svetlije,

Razliita promena koraka kvantizacije u skladu sa manjom osetljivou HVS na visoke u odnosu na niske uestanosti.

Prostorno maskiranje. Slika ima aktivne i pasivne delove, u aktivnim delovima slike kompresija moe da bude intenzivnija nego u pasivnim, posmatra nee primetiti razliku.

Vremensko maskiranje. Scena posle znaajne promene moe da se snanije komprimuje nego mirna scena.

Osetljivost na prostorne uestanosti. Ve opisano kod obine, analogne TV. Zapaanje kretanja. Objekti koji poinju da se kreu mogu da se koduju grublje

nego objekti koji su ve neko vreme u pokretu. Ovi postupci nisu standardizovani i daju mogunost proizvoaima kodera da svojom kreativnou ostvare kvalitetniji proizvod.


2.5. IZBOR POSTUPKA KODOVANJA Sa aspekta kompresije signala izborom postupka kodovanja veoma su znaajna tri postupka: Hafmanovo kodovanje Lempel Ziv kodovanje RLC (Run length kodovanje, kodovanje nizova)

Hafmanovo i LZ kodovanje neemo raditi. Kod RLC kodovanja, simboli koji se prenose malo su drugaiji od uobiajenih. Postupak je objanjen na jednom primeru, prikazanom kasnije, na slici 21. Na slici 8. prikazane su dve slike razlike jednog od blokova u slikama. Moe se uoiti da slika 8b, dobijena estimacijom pokreta, ima vizuelno manji sadraj od slike 8a.

Slika 7.a) slika br. 5 u sekvenci (tekua slika)

Slika 7.b) slika br. 1. (koriena kao prethodna slika)


a) b)

Slika 8. a) Razlika dva bloka (vrednosti podeljene sa 2 i dodato 128) b) Razlika izmeu tekueg bloka i najslinijeg bloka koji je pronaen etiri piksela levo i jedan gore u

prethodnoj slici, u odnosu na posmatrani blok Srednja vrednost ove dve slike razlikuje se. Smanjena je sa vrednosti 25,5 na vrednost 18,4. Poboljanje nije vee od navedenog jer na slici postoji vie vrsta kretanja, ne samo translatorno. Ovaj postupak ne moe potpuno da predvidi kretanje koje ne spada u klasu "Translacija u ravni normalnoj na pravac gledanja". Primer koji objanjava poloaje blokova u postupku estimacije pokreta pokazan je na slikama 9 i 10, u pojednostavljenom sluaju u kom je dimenzija bloka u tekuoj slici samo 2x2.

Slika 9 a) Blok iz tekue slike, b) Oblast za pretraivanje u prethodnoj slici U svakoj od 25 rafiranih pozicija, prikazanih na slici 10, izraunava se suma apsolutnih vrednosti razlike. Pozicija u kojoj je ova suma najmanja bira se kao blok za predikciju.

Slika 10. Poloaji u kojima se vri poreenje za izabrani primer

Ako se pretrauje svaki poloaj, govorimo o tzv. potpunom pretraivanju. Za blok dimenzija NxN potrebno je (2N+1)x(2N+1) izraunavanja. Za veliku vrednost N ovaj broj je prilino velik.


Blok treba da bude to manji, da bi se sa veom verovatnoom pronaao blok u kom postoji samo jedna vrsta kretanja. Sa druge strane, blok treba da bude dovoljno velik da se ne bi dobila prevelika koliina podataka koju treba da prenosimo usled kodovanja pokreta. Dodatni podaci zavise od dimenzija pretraivanja. Ako se definie oblast pretraivanja levo i desno po 7 piksela, treba nam 4 bita za svaki blok (16 poloaja) za kretanje levo-desno i 4 bita za kretanje gore-dole. Dodatna koliina podataka (bita) koju treba da prenesemo, preraunata po jednom pikselu, data je u sledeoj tabeli.

Veina postojeih standarda za kompresiju signala pokretne slike vri estimaciju pokreta koristei blokove veliine 16x16. Kad se za svaki blok u tekuoj slici pronae najsliniji blok u prethodnoj, kopiranjem ovih blokova formira se slika predikcije ("grbava slika"). Ona sadri razne greke, uoljive naroito na granicama blokova. Slika predikcije moe da se prenese do prijemnika na veoma ekonomian nain. U memoriji prijemnika postoji prethodna slika. Ako se prenesu samo vektori pokreta (parovi brojeva od po nekoliko bita, za svaki blok), u prijemniku se formira slika predikcije. Prikazana je na slici 11.a. Osim ovih vektora, treba da se prenese i razlika izmeu tekue slike i slike predikcije. Ova razlika prikazana je na slici 11.b.

Slika 11. a) Slika dobijena predikcijom. b) Razlika izmeu tekue slike i slike dobijene

predikcijom (vrednosti piksela podeljene sa 2 i dodato 128) Na slici 12. data je blok ema sistema kodera sa kompenzacijom pokreta. Odgovarajui dekoder dat je na slici 13. Lako se uoava da koder praktino sadri itav dekoder. To je veoma vana osobina ove vrste kodovanja. Dekodovanje signala unutar samog


kodera neophodno je za pravilan rad povratne sprege bez koje predikcija pokreta nije mogua.

Slika 12. Koder sa estimacijom pokreta

Slika 13. Dekoder sa estimacijom pokreta

Preciznost predikcije pokreta U postupku predikcije pokreta najvaniji korak jeste traenje slinosti izmeu blokova prethodne i posmatrane slike. To znai da sistem odlino pronalazi pomeranja koja su tano jednaka razmaku izmeu piksela. U praksi esto nije tako. Predikcija pokreta moe da se odredi i na druge naine. Blokovi tekue slike porede se sa vrednostima koje ne postoje u prethodnoj slici nego se nalaze izmeu originalnih piksela. Ove vrednosti dobijaju se postupkom interpolacije. Postoji mnogo naina za interpolaciju: - izmeu posmatranog piksela i onog koji se nalazi desno (ili levo) - izmeu posmatranog piksela i onog koji se nalazi ispod (ili iznad) - izmeu posmatranog piksela i tri piksela koji se nalaze desno, iznad i dijagonalno - druge kombinacije. Interpolacija moe da se vri na vie naina. Postoji polu-piksel i etvrt-piksel preciznost. Na primeru na slici 14. pokazano je kako izgleda originalni prethodni blok i njegove vrednosti dobijene interpolacijom sa polu-piksel preciznou sa desnim susednim pikselom. Polu-piksel preciznost koristi se u MPEG-2 standardu.


Slika 14. Primer interpolacije sa polu-piksel preciznou, sa desnim susednim pikselom Strategije estimacije pokreta Slinost izmeu bloka u tekuoj slici i susednih blokova u prethodnoj slici moe da se trai na razne naine. Ovde su opisana dva postupka. 1) Detaljno pretraivanje, blok po blok, kao na slici, uvek e dati optimalan rezultat, tj. poloaj bloka sa naveom slinou. Meutim, sam postupak veoma je spor. 2) Brzo pretraivanje razvijeno je sa namerom da se u znatno kraem vremenu pronau to sliniji blokovi, uz rizik da se ne pronae optimalan rezultat. Postupak brzog pretraivanja najlake se objanjava grafiki. Sastoji se od tri faze od kojih je trea najdetaljnija. Poloaj posmatranog bloka i prve dve faze pretraivanja prikazane su na slici 15. Najdetaljnija faza nije prikazana na slici. Postupak je zasnovan na pretpostavci da se slini blokovi nalaze na priblino istoj lokaciji. Ukoliko ova pretpostavka nije tana, jedina posledica jeste neto vei sadraj slike razlike. U statistikom smislu, brzo pretraivanje ipak donosi poboljanje rada celokupnog algoritma.

Slika 15. Poloaj posmatranog bloka i prve dve faze brzog pretraivanja

KVANTIZACIJA Postupci kodovanja i predikcije pokreta spadaju u postupke kompresije bez oteenja. Ovi postupci ne omoguavaju dovoljnu kompresiju pa je neophodno i oteenje signala. Kvantizacija je postupak koji unosi oteenje. Kvantizer moe da se ubaci u koder na nain pokazan na slici 16. Inverzna kvantizacija takoe je veoma vaan korak u obradi signala. Kvantizovane vrednosti koduju se manjim brojem bita (koduje se i prenosi njihov redni broj, a ne vrednost dobijena kvantizacijom), pa inverzni kvantizer mora da


poznaje vrednosti koraka kvantizacije. Obino se vrednosti uvaju u tabeli koja se nalazi u memoriji inverznog kvantizera. Meutim, blok ema prikazana na slici 16. predstavlja samo prelazni oblik jer se kvanti-zacija ne vri na slici razlike, nego na signalu dobijenom transformacionim postupcima.

Slika 16. Koder sa estimacijom pokreta i kvantizacijom slike razlike

TRANSFORMACIONI POSTUPCI Zadatak transformacionih postupaka jeste da smanje broj elemenata koji treba da se prenesu. Kljunu ulogu u transformacionim postupcima igra jezgro transformacije (kernel, bazne funkcije). U postupku transformacije, signal se mnoi sa baznom funkcijom u puno taaka pa se dobijeni proizvodi sabiraju. Koeficijenti transformacije praktino pokazuju kolika je korelacija izmeu te bazne funkcije i posmatranog signala. Izbor tipa transformacije veoma je vaan korak u razvoju algoritma za kompresiju signala. Svaka transformacija ima svoje osobine. Sa aspekta kompresije signala slike najznaajnije su sledee osobine: - sloenost izraunavanja, - kompakcija energije (sabijanje energije u to manji broj koeficijenata) Moe se pokazati da postoji transformacija koja je idealna sa aspekta kompakcije ener-gije. Naziva se Karhunen Loeve transformacija (KLT). Postoji samo jedan ozbiljan problem. Za jezgro KLT ne postoji analitiki izraz, nego ono zavisi od sadraja slike. Willey, glava 4.3. str.92. Ako bi se KLT primenila u obradi slike, bilo bi neophodno da se za svaki blok svake slike posebno izrauna jezgro transformacije (bazne funkcije), da se zatim izvri transformacija i da se prema prijemniku prenose ne samo koeficijenti dobijeni transfor-macijom nego i bazne funkcije koje su neophodne za inverznu transformaciju. Na taj nain ne moe da se ostvari nikakva kompresija signala. Meu velikim brojem transformacionih postupaka, izbor je pao na diskretnu kosinusnu transformaciju. To je transformacija definisana sledeim izrazima: Direktna 1-D DCT:


Inverzna 1-D DCT:

koeficijent u gornjim izrazima ima vrednost:

Kod 2-D transformacija, po analogiji, koriste se sledei izrazi: Direktna 2D DCT:

Inverzna 2-D DCT:

Koeficijent isti je kao kod 1-D DCT. Vana osobina DCT transformacije jeste separabilnost pa se ne koriste 2-D izrazi nego se 1-D transformacija vri za svaku vrstu posmatrane slike posebno. Tako se dobija ponovo matrica, jednakih dimenzija kao i originalna slika. Obino je nazivamo matrica polukoeficijenata ili matrica meurezultat. Zatim se potupak ponavlja i za svaku kolonu matrice polukoeficijenata. Promena redosleda transformacije (prvo kolone pa onda vrste) daje sasvim isti rezultat. Na kraju se dobija matrica DCT koeficijenata koja, prema Parsevalovoj teoremi, ima istu energiju kao i originalna slika, ali je ta energija rasporeena na drugi nain. Postupak je veoma slian onom koji je ranije opisan u JPEG algoritmu. Blok ema kompletnog kodera data je na slici 17. Izbor dimenzija transformacionog bloka Veliina transformacionog bloka predstavlja neku vrstu kompromisa izmeu dve krajnosti. Veliki blokovi omoguavaju veliku kompresiju signala, ali u njima je korelacija meu udaljenijim pikselima relativno mala, a izraunavanje transformacije sloenije i dugotrajnije. Mali blokovi obuhvataju piksele sa znaajnom korelacijom, a transformacija se lake i brze izraunava. Usvojeno je da se kod DVB koriste dimenzije 8x8. Na slici 18. prikazan je skup tzv. baznih funkcija (baznih slika) za 2-D DCT dimenzija 8x8. svaka od 64 sliice ima dimenzije 8x8. Radi se o skupu prostornih kosinusoida razliitih celobrojnih prostornih uestanosti. Ove bazne funkcije meusobno su


ortogonalne. Svaka slika dimenzija 8x8 moe se dobiti superpozicijom baznih slika, ponderisanih DCT koeficijentima dobijenim njenom DCT transformacijom.

Slika 17. Koder sa estimacijom pokreta, DCT i kvantizacijom DCT koeficijenata

Slika 18. Skup baznih slika za 2-D DCT dimenzija 8x8


KVANTIZACIJA DCT KOEFICIJENATA Nakon transformacije, od celobrojnih vrednosti piksela dobijaju se koeficijenti u obliku realnih brojeva. Da bi ovi koeficijenti mogli da se efikasno prenesu do prijemnika, neophodna je njihova kvantizacija. Kvantizacija se znaajno oslanja na osobine HVS po kojima osetljivost ula vida opada sa porastom prostorne uestanosti. Jedan od naina na koji se ovo realizuje u praksi jeste uvoenje teinske matrice, kojom se poveava korak kvantizacije onim koeficijentima koji se nalaze na poloajima udaljenim od DC (Direct Current, tj. jednosmernog, gorneg levog ili nultog) koeficijenta. Jedan primer teinske kvanitzacione matrice, za transformacije dimenzija 8x8, dat je na slici 19.

Slika 19. Teinska kvantizaciona matrica (Willey)

Kvantizacija koeficijenata vri se prema izrazu

=

ij

ijij WQ

CroundC

8

gde je ijC vrednost kvantizovanog koeficijenta ijC , Q je korak kvantizacije za posmatra-ni blok, a ijW teinska vrednost koeficijenta na poziciji ),( ji . Operacija round zaokru-ava vrednosti realnih brojeva nanie. Korak kvantizacije imae vrednost koju definie povratna sprega iz bafera za kontrolu bitske brzine, opisanog u nastavku, na slici 23. Primer matrice transformacionih koeficijenata dimenzija 8x8 dat je na sl.20a. Kvantizo-vana matrica sa korakom 8=Q , bez teinske matrice i sa teinskom matricom prikazana je na slici 20b. Pri kvantizaciji sa teinskom matricom ak 45 DCT koeficijenata ima vrednost jednaku nuli, dok je bez teinske matrice taj broj samo 16.


Slika 20.a Koeficijenti dobijeni primenom 2-D DCT transformacije

Slika 20.b Koeficijenti dobijeni kvantizacijom bez teinske matrice (levo) i

c) sa teinskom matricom (desno) CIK CAK SKENIRANJE I HAFMANOV POSTUPAK Postupak cik-cak skeniranja i Hafmanovo kodovanje identini su postupcima kod JPEG kodovanja i ovde su samo ilustrovani jednim primerom (nije isti primer kao prethodni).

Slika 21.a DCT koeficijent posle kvantizacije

Slika 21.b DCT koeficijenti posle cik-cak skeniranja


Slika 21.c DCT koeficijenti posle formiranja RLC parova

Slika 21.d Hafmanove kodne rei za RLC parove (EOB=End Of Block)

Na slici 21.a do 21.d prikazan je postupak skeniranja, formiranja parova (run, level), gde je run=broj nula koje prethode nenultom koeficijentu sa vrednou level. Hafmanove kodne rei za mogue parove (run, level) odreene su u postupku MPEG standardi-zacije, na osnovu statistike video materijala. Dekoder Na slici 22. prikazana je blok ema kompletnog MPEG-2 dekodera. Moe se uporediti sa slikom 13, a struktura ovog dekodera moe se uoiti u koderu pokazanom na slici 17 i 23.

Slika 22. Blok ema kompletnog MPEG-2 dekodera za dekodovanje signala koji je dobijen entropijskim kodovanjem, kvantizacijom, DCT i kompenzacijom pokreta.

KONTROLA BITSKE BRZINE Entropijski koder na izlazu MPEG-2 kodera generie bite neravnomernom brzinom. Prenos bita u principu treba da se vri ravnomernom brzinom. Usklaivanje ova dva protivrena zahteva vri se pomou bafera za podeavanje ili kontrolu brzine, kao na slici 23. Ovaj bafer nalazi se na izlazu entropijskog kodera. Bafer ima konanu veliinu memorije i mora da sprei oba mogua problema: prepunjavanje i potpuno pranjenje bafera. Slian bafer nalazi se i na ulazu u prijemnik. Kod ovog bafera ulazna brzina je konstantna a izlazna promenljiva. Bafer moe da sprei navedene probleme ako moe da upravlja veliinom koraka kvantizacije koji se koristi u koderu.


Pranjenje bafera spreava se smanjivanjem koraka kvantizacije. Time se dobija vie detalja u skupu kvantizovanih koeficijenata pa se za njihovo kodovanje koristi vie bita. Prepunjavanje bafera spreava se poveavanjem koraka kvantizacije. Ako se bafer napuni puni preko neke granice, mora da se uspori dotok bita pa se poveava korak kvantizacije.

Slika 23. MPEG-2 koder sa kontrolom bitske brzine

SINTAKSA KODOVANJA VIDEO SIGNALA Kodovanje u MPEG-2 koderima i digitalnoj televiziji veoma je sloen postupak jer se prenosi mnogo razliitih signala istovremeno. Filozofija kodovanja zasnovana je na jasnoj strukturi kodne sekvence. Kodovanje boje Predstavljanje signala boje. I u digitalnoj TV zadrana je filozofija prenosa Y U V signala umesto signala primarnih boja, RGB. Vrednosti se izraunavaju kao

BGRY ++= 11,059,030,0

03,2YBU =

14,1YRV = .

Sadraj hrominentnih komponenti moe da se prenese na razliite naine. U tzv. 4:2:2 formatu praktino se prenose vrednosti jednakog broja piksela za luminentni signal (4) i za luminentni signal (po 2 piksela za svaki od dva hrominentna signala). Format 4:2:2 ilustrovan je na slici 24.a. svaka crna takica predstavlja dva luminentna piksela (U i V), pa je praktino broj luminentnih i hrominentnih piksela jednak. U TV difuziji ee se koristi tzv. 4:2:0 format kod kog se za svaki blok 2x2 piksela prenose etiri luminentne i jedan par (dve) hrominentnih vrednosti, kao na slici 24.b. Ova decimacija sa faktorom 2 mogua je zbog osobina HVS.


Slika 24. a) Ilustracija video formata 4:2:2 b) Ilustracija video formata 4:2:0

Kodovanje video sekvence Uvedeni pojmovi, delovi slike i struktura lejera u MPEG-2 kodu prikazani su na slici 25.

Slika 25. Struktura lejera u MPEG-2 kodovanju

Ako se vratimo na dimenzije blokova koje se koriste u MPEG-2, dolazimo do sledeeg zakljuka: Kompenzaciju pokreta vrimo na blokovima dimenzija 16x16. Svaki luminentni blok veliine 16x16, sastavljen je od etiri luminentna bloka veliine 8x8. Uz ovaj blok 16x16 prenosi se jo jedan par hrominentnih blokova dimenzija 8x8, to ukupno ini est blokova dimenzija 8x8. Ovih est blokova 8x8 formiraju jedan MAKROBLOK. Dakle, svaki makroblok, dimenzija 16x16, sastavljen je od 6 blokova (etiri luminentna i dva hrominentna) kao i odgovarajueg vektora pokreta. Struktura moe da bude veoma sloena. BLOK dimenzija 8x8, sa raznim varijantama kodovanja. SLICE je red makroblokova poreanih jedan pored drugog. Slajs mora da ima svoj heder sa podacima koji su neophodni za sinhronizaciju.


SLIKA (picture ili frame) sastavljena je od niza slajsova. I slika moe da ima svoj heder koji prenosi neke vanije karakteristike cele slike, tj. svih slajsova u slici. GRUPA SLIKA (GOP, Group of Pictures) obino je sastavljena od svih slika koje se nalaze izmeu dve I kodovane slike. SEKVENCA je sastavljena od niza grupa slika. Sekvenca ima odgovarajui heder. TIPOVI SLIKA Prema tipu predikcije pokreta u MPEG-2 standardu razlikujemo tri tipa slika.

I slike. Slike kodovane bez predikcije pokreta (Intra, slike kodovane u celini). Kodovana I slika sadri veliku koliinu podataka u odnosu na ostale tipove slika. Prenose se u pravilnim razmacima od po pola sekunde, da bi prijemnik mogao da reaguje na vreme, da korisnici ne bi morali veoma dugo da ekaju na ispravnu sliku nakon promene kadra (scene).

P (Predicted) slike. Slike kodovane primenom predikcije pokreta u odnosu na prethodnu I sliku. Koliina podataka mnogo je manja nego kod I slika.

B (Bidirectionally predicted) slike. Slike kodovane primenom dvosmerne predikcije pokreta u odnosu na prethodnu i sledeu sliku.

Na slici 26a. prikazano je nekoliko kombinacija I, P i B slika, a strelicama je pokazano kako predikcija povezuje pojedine tipove slika. S obzirom na dvosmernu predikciju koja se javlja kod B slika, redosled prenoenja slika ne odgovara prirodnom redosledu reprodukcije slika. Da bi se izvrila predikcija potrebna za prenos B slike, neophodno je da se u bafer kodera i dekodera prethodno smeste prethodna i sledea I ili P slika. Redosled prenosa slika u sekvenci slika dat je na slici 26.c.

a) Slika 26a. Kombinacije slika i njihova povezanost

b)

c) Slika 26. Struktura sekvence slika b)

i redosled prenosa slika meu kojima ima B slika c)


SINTAKSA MPEG-2 KODA Kao to je pokazano u slici 2, MPEG-2 sistemski koder ima zadatak da objedini tri vrste podataka koji se javljaju u nizovima: video niz, audio niz i data niz (niz podataka). Ovi nizovi nazivaju se elementarni nizovi (ES, Elementary Stream). Svaki niz podataka sadri bite koji se generiu razliitom brzinom. Zbog toga se ovi biti grupiu u tzv. pakete, promenljive duine. Ovi paketi nazivaju se PES paketi (Packetized Elementary Streams). PES Paketi imaju duinu do 64 kB. Svaki paket sadri relativno kratko zaglavlje (header) i informacioni sadraj (payload). Zaglavlje ima veliinu od 6 bajta. Prva tri bajta imaju obavezni sadraj 00 00 01. Sledei bajt opisuje vrstu informacionog sadraja koje se nalaze u PES paketu (video, audio, data). Peti i esti bajt sadre podatak o duini PES paketa, do 64 kB. Postoje i sloenije varijante sadraja zaglavlja ali ovde nisu od interesa. Skica jednog PES i sadraja njegovog zaglavlja data je na slici 27.

Slika 27. Skica PES i osnovnog sadraja PES zaglavlja

Ovakva struktura podataka nije pogodna za potrebe digitalnog prenosa signala, naroito u sluaju MPEG-2 standarda, sa moguim razliitim namenama i razliitim brojem elementarnih nizova. Zbog toga se PES paketi dele u krae pakete konstantne duine od 184 bajta. Ovi krai paketi nazivaju se TS (Transport Stream) paketi. Svakom ovakvom paketu dodaje se zaglavlje fiksne duine od 4 bajta. Tako dobijamo transportni niz paketa sainjen od TS paketa duine 188 bajta. Paketi koji se generiu u veem broju programa multipleksiraju se u MPEG-2 multiplekseru. Gruba skica ovog postupka prikazana je na slici 28. Brzina prenosa ovih paketa moe da ima razliite vrednosti, ali se esto odrava na nekoj konstantnoj vrednosti. Ova vrednost, zavisno od broja programa, moe da bude do 40Mbit/s. Grupisanje u pakete od 188 bajta vodi poreklo od prenosa MPEG-2 signala preko ATM mree, kod koje se koriste paketi duine 47 bajtova. Po etiri ATM paketa mogu da prenesu tano jedan MPEG-2 paket. Struktura paketa iz transportnog niza, a naroito struktura dela zaglavlja, prikazana je na slici 29.


Slika 28. Multipleksirani MPEG-2 transportni niz paketa

Slika 29. Struktura TS paketa u MPEG-2 transportnom nizu

Prvi bajt uvek sadri istu vrednost, 47hex. Ova vrednost, kao i fiksna udaljenost meu ovakvim bajtovima od 187 bajtova, slui za osnovnu sinhronizaciju u prenosu digitalnog signala. Ako demodulator otkrije da je u prenosu paketa nastao veoma veliki broj greaka i da ne moe da ih ispravi, demodulator menja vrednost prvog bita u drugom bajtu, indikatora greke u prenosu. MPEG dekoder dalje uopte ne dekoduje ovakav blok i javlja se greka u prenosu. Prenos podataka u MPEG nizu potpuno je asinhron i nikada ne zna ta e da bude u paketu (slika, zvuk ili podaci, kao ni redni broj programa). Broj i struktura programa nisu niim unapred definisani. U nizu moe da bude jedan program sa slikom i zvukom, ili bilo koji broj do 20, pa i vie programa, neki od njih samo video, neki samo audio, neki video i jedan ili vie zvunih kanala, Zbog toga u transportni niz treba da se ubace liste koje opisuju trenutnu strukturu transportnog niza. Ove liste upisane su u tzv. Program Specific Information (PSI) paket. Postoji dve vrste PSI paketa. Prva je PAT (Program Assosciation Table) paket. PAT paket ponavlja se svakih 0,5 sekundi. Svaki PAT paket ima PID vrednost 0x00. U njegovom informacionom sadraju nalazi se lista specijalnih PID-ova. Za svaki program koji se trenutno prenosi postoji po jedan PID. Pokazani su na slici 30, kao primer za etiri razliita programa.


Slika 30. Struktura PAT paketa

Ovi PID-ovi u stvari su PID za specijalne pakete koje nazivamo PMT (Program Map Tables) paketi. Ovi paketi imaju PID koji je jednak onom u PAT, a u informacionom sadraju prenose PID-ove za sve elementarne nizove koji se prenose u okviru ovog programa. Struktura PMT paketa pokazana je na slici 31.

Slika 31. Struktura PMT paketa

Korisnik (gledalac) praktino, izborom programa i jezika na kom se govori, bira dva PID-a, jedan za sliku i jedan za zvuk. Njegov MPEG-2 dekoder u nastavku prima samo ove pakete (kao na slici 32) i od njih formira PES-ove, iste one koji su na predajnoj strani bili razbijeni u transportne pakete. Prijemnik mora neprekidno da proverava PID-ove svih PS paketa koji stiu na njegov ulaz. Ovo nije ekonomino sa aspekta troenja energije, ali je neophodno da bi se ostvarila fleksibilnost MPEG-2 standarda. Ostali detalji u vezi sa sadrajem razliitih tipova zaglavlja, zatitnog kodovanja, kao i drugih detalja u oblasti kodovanja nisu od interesa za potrebe ovog uvodnog kursa. Funkcija MPEG-2 prijemnika i dekodera Zadatak prijemnika jeste da u potpunosti rekonstruie sekvencu slika koju je generisao MPEG-2 koder i da je dostavi MPEG-2 dekoderu. Osnovne funkcije dekodera opisane su ranije i ilustrovane blok emom na slici 22. Funcije prijemnika na fizikom nivou nisu od interesa u ovom radu. Na slici 32. ilustro-van je postupak reorganizovanja transportnih nizova sa ciljem da se dobije elementarni niz iji je sadraj isti kao niz na izlazu iz MPEG-2 kodera.


Slika 32. Postupak reorganizovanja TS paketa u MPEG-2 prijemniku

Digitalni prenos u DVB standardima Prenos signala u DVB standardima mogu je primenom nekog od postupaka digitalne modulacije. Redosled postupaka pokazan je na slici 33.

Slika 33. Redosled postupaka obrade i prenosa signala u DVB-T Zadatak kanalnog kodovanja jeste zatita podataka od pojave greke u prenosu. Modulacioni postupci znaajno zavise od primenjenog standarda. U DVB-S primenjen je QPSK postupak. Kod savrenijih varijanti ovog standarda koriste se 8PSK, 16APSK (menja se i amplituda i faza) i 32APSK postupci. Njihovi konstela-cioni dijagrami prikazani su na slici 34. U DVB-C (kablovskom prenosu) koriste se sloenije varijante QAM modulacije: 64QAM za koaksijalni kabel i 256QAM za prenos kroz optiki sistem. Konstelacioni dijagrami pokazani su na slici 35. Kroz kanal irine 8 MHz sa 64QAM mogu je prenos brzinom od npr. 6,9 Msimbola/s, sa ostvarenom bitskom brzinom od 6x6,9=41,4Mbit/s.


a) b)

c) d)

Slika 34. Konstelacioni dijagrami za QPSK a), 8PSK b), 16APSK c) i 32APSK d)

Slika 35. Konstelacioni dijagrami za 64QAM i 256QAM

COFDM U zemaljskom prenosu, DVB-T, koristi se malo sloeniji postupak koji omoguava ostvarivanje veih bitskih brzina sa velikom pouzdanou, u uslovima prenosa sa mnogo uma, sa prostiranjem u vie putanja. Radi se o postupcima razvijenim 70-tih godina, poznatim pod nazivima:


COFDM (Coded Orhogonal Frequency Division Multiplexing) i DMT (Discrete MultiTone).

Prolo je 20 godina od prvih teoretskih ideja do pojave signal procesora koji su postali dovoljno brzi i dovoljno jeftini da mogu da praktino realizuju ove postupke. Ovi postupci pripadaju grupi tzv. multi carrier postupaka, tj. postupaka sa veim brojem nosilaca. Radi se o veoma sloenim postupcima. Razlog je u tome to je prenos kroz slobodan prostor veoma optereen uticajem uma, prenosom po vie putanja, brojnim ometaima, tj. izvorima interferencije i doplerovim pomerajem, usled korienja mobilnih prijemnika. Klasini modulacioni postupci zahtevaju veoma veliku simbolsku brzinu, tj. veoma kratke simbolske intervale. Ako je trajanje simbola s1 , lako se zakljuuje da pojava ehoa i kanjenja od s50 izaziva znaajnu ISI i prenos moe da bude praktino nemogu. Problem moe da se rei znaajnim produavanjem trajanja simbola. Ako trajanje simbola moe da bude znatno vee od oekivanih vrednosti kanjenja, mnogi problemi nestaju. Produavanje trajanja simbola mogue je ako se uvede prenos sa velikim brojem nosilaca. Njihova meusobna interferencija eliminie se tako to se biraju ortogonalni nosioci. Na svakom od ovih nosilaca vri se vektorska modulacija, tj. primenjuje se neki od postupaka QPSK, 16QAM, pa ak i 64QAM. Svaki simbol u COFDM ima izgled skiciran na slici 36. Pokazani primer, radi pregled-nosti, sadri samo pet ortogonalnih nosilaca. U praksi se koristi i prenos sa vie hiljada nosilaca, ali takav primer bio bi vizuelno potpuno nejasan.

Slika 36.a Izgled COFDM simbola, vremenski domen, svih pet nosilaca trebalo bi

sabrati Rastojanje meu nosiocima, f , povezano je sa trajanjem COFDM simbola izrazom:

tf

=

1 .

Na slici 36.b prikazana je kombinacija spektralne i fazorske predstave COFDM signala. Svaki od nosilaca u propusnom opsegu, meusobno razmaknuti za f, ima odgovarajuu fazorsku strukturu, tj. predstavlja zbir sinusoide i kosinusoide sa jednakom uestanosti, dok njihove amplitude zavise od informacionog sadraja. Na slici 37. prikazana je jo jedna ilustracija strukture OFDM signala. Svaki od etiri nosioca, prikazanih na slici 37b. sadri kombinaciju amplituda i faza kojom moe da prenese etiri bita, ilustovanih konstelacijom sa slike 37a.


Slika 36.b Kombinovana frekvencijsko-fazorska predstava COFDM signala

Slika 37. a) Konstelacija koja prenosi 4 bita, b) Kombinovana frekvencijsko-fazorska predstava OFDM signala

U DVB-T koriste se dva naina rada, 2k i 8k, tj. prenos sa 2048 i 8192 nosilaca. Rastojanje meu nosiocima kod prvog naina iznosi oko 4kHz, a kod drugog oko 1kHz. Trajanje 2k simbola iznosi oko s250 a 8k simbola oko 1ms.


Svaki nosilac modulisan je nezavisno od ostalih nosilaca, nekim od QPSK, 16QAM, ili 64QAM postupaka. U praksi se COFDM signal generie na sledei nain. a) Niz bita, nakon zatitnog kodovanja, konvertuje se u veliki broj podnizova. b) Svaki podniz deli se u blokove bita. Veliina bloka zavisi od postupka modulacije (QPSK, 16QAM, ili 64QAM). Za svaki od nosilaca time je definisan realni i imaginarni deo (kosinusna i sinusna komponenta). c) Ovaj skup podataka (realni i imaginarni deo za svaki nosilac) dovodi se sada na ulaz bloka za izraunavanje IFFT (inverzne brze Furijeove transformacije). Posle IFFT dobija se signal koji je sastavljen od kosinusoida sa odgovarajuom amplitudom i fazom na svakoj od uestanosti nosilaca. Faza zavisi od informacionog sadraja i razliita je u svakom bloku. U svakom intervalu (jednakom trajanju simbola) sabrane su meusobno ortogonalne kosinusoide na svim korienim uestanostima. Izmeu ovih simbola, u vremenskom domenu, ubacuje se zatitni interval, prikazan na slici 37.

Slika 37. Prazan zatitni vremenski interval izmeu dva COFDM simbola

Za vreme trajanja zatitnog intervala treba da zavre (da se dogode) sve prelazne pojave nastale usled ISI ili pojave ehoa. To praktino znai da kod ovakvog prenosa ne postoji ISI. Zatitni interval ima trajanje 1/4, 1/8, 1/16 ili 1/32 trajanja simbola.

Meutim, zatitni interval u praksi se nikada ne ostavlja praznim, kao na slici 37. Obino se u zatitni interval preslikava kopija zavretka sledeeg simbola. Poto je ceo


postupak numeriki, ovo kopiranje nije komplikovano. Neophodno je samo uvoenje kanjenja u prenosu, jednako trajanju jednog simbola. Prikaz je dat na slici 38.

Slika 38. Zatitni interval izmeu dva COFDM simbola popunjen kopijom zavretka

sledeeg simbola Namena kopiranja jeste da pojednostavi sinhronizaciju prijemnika. Uz pomo autoko-relacije u prijemniku veoma lako se pronalazi pravi poetak simbolskog intervala. U praksi se vre mnoge dodatne operacije kojima se pojedinim nosiocima dodeljuju specifine namene. Za podatke se koristi 1705 odnosno 6817 nosilaca. Detalji nisu od interesa u ovom kursu. Od specifinih namena interesantne su sledee: - neki nosioci uvek imaju amplitudu jednaku nuli, - neki nosioci ovek imaju isti moduo i argument i nazivaju se pilot tonovi, - neki nosioci slue za sinhronizaciju, ali menjaju poloaj na frekvencijskoj osi, - neki nosioci slue za prenos specijalnih podataka.

Slika 39. Blok eme kodera i dekodera


Prenos audio signala Na slici 5 pokazan je nain na koji se vri digitalizacija audio signala. Postupcima kompresije, bitska brzina znaajno se smanjuje i dovodi na nivo koji je prihvatljiv za prenos u DVB sistemima. Sutina primenjenih postupaka poznata je iz nekih drugih standarda, meu kojima se istie AAC (Advanced Audio Coding). Osnov ini Maskiranje audio signala u vremenskom i frekvencijskom domenu. Posmatrajmo blok emu prikazanu na slici 40.

Slika 40. Blok ema sistema za kompresiju audio signala

Kompresija je zasnovana na osobinama ula sluha i tzv. psiho akustinom modelu ula sluha. Postupak kompresije vri se paralelno u vremenskom i frekvencijskom domenu. I u jednom i u drugom dolazi do tzv. maskiranja. Na slici 41. prikazane su krive maskiranja u frekvencijskom domenu. Uoljiv je prag ujnosti. Sve komponente audio signala koje se nalaze ispod praga ujnosti mogu da se eliminiu jer njih slualac i tako i tako ne moe da uje. Iznad praga ujnosti ucrtane su etiri krive koje formiraju privremene pragove ujnosti: ako je prisutan signal u maksimumu neke od tih krivih, susedne komponente, ako im je intenzitet manji od ucrtane krive, mogu da se eliminiu jer e biti maskirane i slualac ih nee uti.

Slika 41. Krive maskiranja u frekvencijskom domenu. Najnia kriva je generalni prag

ujnosti, a etiri krive ilustruju dejstvo maskiranja


I u vremenskom domenu postoji maskiranje. Ovo maskiranje povezano je sa intenzitetom zvunog signala. Vremensko maskiranje je dvosmerno. Ilustrovano je na slici 42. Lako je razumeti na koji nain postojanje veoma intenzivnog zvunog signala utie na signal koji sledi posle njega, u intervalu koji traje oko 200ms. Radi se o nekoj vrsti zagluivanja ula sluha. Malo je tee razumeti na koji nain dolazi do premaskonga, tj. pojave da veoma glasan signal maskira zvuk koji mu prethodi. Objanjenje se krije u nainu na koji se audio signal prenosi do mozga. U tom prenosu postoji veoma kratkotrajno kanjenje. Kod veoma intenzivnog zvuka to kanjenje je krae po trajanju i zbog toga glasan signal dolazi do mozga bre nego tihi signal koji mu prethodi, pa je onda prenos takvog (tihog) signala praktino nepotreban, jer ga slualac nee uti ni ako se tihi signal prenese.

Slika 42. Kriva maskiranja u vremenskom domenu.

Literatura [1] J. Arnold, M. Frater, M.Pickering, Digital Television, Technology and Standards, A John Willey & Sons Inc., 2007. [2] W. Fischer, Digital Video and Audio Broadcasting Technology, A Practical Engineering Guide, Second Edition, Springer, 2008. [3] P. Barten, Contrast Sensitivity of the Human Eye and its Effects on Image Quality, Technische Universiteit Eindhoven, 1999.

/ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /CropGrayImages true /GrayImageMinResolution 300 /GrayImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageMinDownsampleDepth 2 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /CropMonoImages true /MonoImageMinResolution 1200 /MonoImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /CheckCompliance [ /None ] /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputConditionIdentifier () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName () /PDFXTrapped /False /CreateJDFFile false /Description > /Namespace [ (Adobe) (Common) (1.0) ] /OtherNamespaces [ > /FormElements false /GenerateStructure false /IncludeBookmarks false /IncludeHyperlinks false /IncludeInteractive false /IncludeLayers false /IncludeProfiles false /MultimediaHandling /UseObjectSettings /Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (2.0) ] /PDFXOutputIntentProfileSelector /DocumentCMYK /PreserveEditing true /UntaggedCMYKHandling /LeaveUntagged /UntaggedRGBHandling /UseDocumentProfile /UseDocumentBleed false >> ]>> setdistillerparams> setpagedevice

digitalna tv

Documents