НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

2

Описание формата MPEG

В январе 1988 года в рамках объединенного технического комитета по информационным технологиям JTC1 Международной организации по стандартизации ISO и Международной электротехнической комиссии IEC была образована рабочая группа экспертов по кодированию движущихся изображений, перед которой была поставлена задача разработки стандартов кодирования изображения и звука с целью устранения избыточности. Группа получила официальное наименование ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 (11 рабочая группа 29 подкомитета), но мировую известность она приобрела под названием MPEG - Moving Picture Expert Group. В первом заседании группы в мае 1998 года участвовало 25 экспертов, сейчас группа MPEG объединяет сотни специалистов, представляющих около 200 организаций из более чем 20 стран. Общая цель работы группы остается прежней – компрессия, обработка и кодовое представление изображения, звука и их комбинаций. Основные проекты группы – это MPEG-1 (стандарт ISO/IEC 11172) - Кодирование изображение и звука при скоростях передачи данных до 1.5Мбит/с, MPEG-2 (ISO/IEC 13818) – Обобщенное кодирование изображения и звука, MPEG-4 (ISO/IEC 14496) – Кодирование аудиовизуальных объектов, MPEG-7 (ISO/IEC 15938) – Описание содержания объектов мультимедиа. Из этого списка лишь стандарт MPEG-7 пока не утвержден ISO, но работа над всеми проектами (кроме MPEG-1) продолжается.

- MPEG-1: оригинальный формат для хранения и воспроизведения видео- и аудиоданных на мультимедиа носителях данных. Принят в качестве официального стандарта в 1992 г. Разрабатывался для доставки видео на CD-ROM (скорость около 1,5 Мбит/с) и получил широкое распространение во многом благодаря дискам VideoCD. Потенциально поддерживает телевизионное качество видео.

- MPEG-2: более новый стандарт (утвержден в ноябре 1994 г.). Разработан как дополнение к стандарту MPEG-1. Поддерживает передачу высококачественного видео по высокоскоростным цифровым каналам. Интенсивность потока данных от до 2 до 10 Мбайт/сек. Разрешение 720х480 и 1280х720, частота 60 кадров в секунду со звуковыми данными CD-качества. Подходит для всех стандартов телевидения и даже систем телевидения высокой точности (HDTV, High Definition Television). Используется при записи DVD дисков.

Параллельно с разработкой стандарта MPEG-2 группа MPEG занималась также работой по созданию стандарта MPEG-3, ориентированного на использование в системах телевидения высокой четкости. Однако, в ходе исследований было установлено, что в системах телевидения высокой четкости можно использовать уже созданные стандарты MPEG-1 и MPEG-2. В качестве стандарта для систем телевидения высокой четкости был принят MPEG-2.

- MPEG-4: начинал разрабатываться как формат для передачи видео и аудиоданных по каналам с низкой пропускной способностью, в том числе беспроводным. MPEG-4, версия 1 был одобрен в октябре 1998 г. , как стандарт ISO/IEC 14496. Этот формат был расчитан для применения в системах видеотелефонии, мультимедийной электронной почте, электронных информационных изданиях. Предусматривал разрешение 174х144 пиксела при 10 кадрах в секунду и позволял передавать данные со скоростью от 4800 до 64000 бит/сек.

Базируется на формате файлов Quiсktime (QuickTime - стандарт, архитектура программного обеспечения, которая позволяет создавать, объединять и публиковать все типы цифровых мультимедиа данных. Используя QuickTime, программные приложения могут легко работать с широким кругом форматов файлов и кодеков. QuickTime включает три основополагающих элемента - QuickTime видео формат (Movie file format), слой абстрактного носителя (Media Abstraction Layer) и богатый набор встроенных медиа - служб. QuickTime видео формат хорош тем, что он платформенно независим, открыт для расширения. В связи с названными преимуществами, поддерживается многими производителями. QuickTime слой абстрактного носителя определяет исчерпывающий набор сервисных функций покрывающих все аспекты создания, редактирования и воспроизведения цифрового материала. Среди них: синхронизация по времени, компрессия и декомпрессия аудио- и видеоданных, преобразование форматов, масштабирование, смешивание и транскодирование, аудио- и видеоэффекты и переходы, синхронизация чтения и записи, захват данных, импорт и экспорт данных, стандартный пользовательский интерфейс. QuickTime поддерживает широкий набор типов мультимедиа данных (видео, аудио, текст, временной код, музыкальный MIDI - интерфейс, спрайты, анимацию и др.).)http://www.niac.ru/graphinfo.nsf/46016b1dde1f9183432566f9003f0582/80c95319b76ef641432567770072c2a5!OpenDocument.

- MPEG-7: "Multimedia Content Description Interface" - стандарт описания мультимедийного содержания для информационного поиска, планируется к утверждению в июле 2001 г. В октябре 1996 года группа MPEG приступила к разработке формата сжатия MPEG 7, призванным определить универсальные механизмы описания аудио и видео информации. Этот формат получил название Multimedia Content Description Interface. В отличие от предыдущих форматов сжатия семейства MPEG, MPEG 7 описывает информацию, представленную в любой форме (в том числе в аналоговой) и не зависит от среды передачи данных. Как и его предшественники, формат сжатия MPEG 7 генерирует масштабируемую информацию в рамках одного описания. Формат сжатия MPEG 7 использует многоуровневую структуру описания аудио и видео информации. На высшем уровне прописываются свойства файла, такие как название, имя создателя, дата создания и т.д. На следующем уровне описания формат сжатия MPEG 7 указывает особенности сжимаемой аудио или видео информации – цвет, текстура, тон или скорость. Одной из отличительных особенностей MPEG 7 является его способность к определению типа сжимаемой информации. Если это аудио или видео файл, то он сначала сжимается с помощью алгоритмов MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, а затем описывается при помощи MPEG 7. Такая гибкость в выборе методов сжатия значительно снижает объем информации и ускоряет процесс сжатия. Основное преимущество формата сжатия MPEG 7 над его предшественниками состоит в применении уникальных дескрипторов и схем описания, которые, помимо всего прочего, делают возможным автоматическое выделение информации как по общим, так и по семантическим признакам, связанным с восприятием информации человеком. Процедура занесения в каталог и поиска данных находятся вне сферы рассмотрения этого формата сжатия.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

3

Разработка формата сжатия MPEG 21 - это долговременный проект, который называется "Система мультимедийных средств" (Multimedia Framework). Над разработкой этого формата сжатия эксперты начали работать в июне 2000 г. На первых этапах планировалось провести расширение, унификацию и объединение форматов MPEG 4 и MPEG 7 в единую обобщающую структуру. Подразумевалось, что она будет обеспечивать глубокую поддержку управления правами и платежными системами, а также качеством предоставляемых услуг.

MPEG1

Как и метод группы JPEG, алгоритм MPEG-1 использует дискретное косинусное преобразование (Diskrete Cosine Transform). В частности, при применении MPEG-алгоритма специальные средства позволяют при сжатии текущего кадра включать ссылки на части изображения, оставшегося неизменным от предыдущего кадра. Как обычно, вначале идет преобразование информации в базис YUV и ее прореживание. После этого выполняется дискретное косинусное преобразование. Аналогичным образом используется и кодирование Хаффмана (В основе алгоритма кодирования Хаффмана лежит довольно простой принцип: символы заменяются кодовыми последовательностями различной длины. Чем чаще используется символ, тем короче должна быть кодовая последовательность. Именно поэтому алгоритм Хаффмана называется также кодированием символами переменной длины (Variable-Lenth Coding). Код переменной длины позволяет записывать наиболее часто встречающиеся символы короткими кодовыми последовательностями, а редко встречающиеся – более длинными. Например, для английского текста символам Е,Т и А можно поставить в соответствие 3-битовые последовательности, а J, Z и Q – 8-битовые. В одних алгоритмах реализации алгоритма Хаффмана используются готовые кодовые таблицы, в других – кодовая таблица строится только на основе статистического анализа имеющейся информации. Кодирование по Хаффману гарантирует возможность полного последующего декодирования.). Тем не менее основной задачей для MPEG-алгоритма является определение вектора движения, то есть основного направления, в котором происходят изменения. Для этой цели на различных этапах выполнения алгоритма могут использоваться операции сравнения, а также предсказания назад и вперед, осреднения блоков и т.д.

В соответствии с MPEG существует три вида кадров: типа I (Inter frame) - исходные (ключевые), типа Р (Predicted frame) - предсказуемые и типа В (Bi-directional frames) - двунаправленные. Кадр типа I является базовым. Сжатие такого кадра может происходить только по методу обработки неподвижного изображения, например, методом типа JPEG. Кадр типа Р получается на основе информации одного I - или одного предсказуемого Р-кадра. А вот кадр типа В получается на основе I- или Р-кадров, причем одного из них в прошлом, а другого — в будущем. На самом деле все выглядит не так фантастически. как кажется. Разумеется. что декодирующее устройство получает сначала фрейм I, затем Р и только после этого формирует фрейм В. Данный метод обеспечивает коэффициенты сжатия в пределах от 40:1 до 200:1.

MPEG2

Поток видеоданных, определяемый спецификацией 13818-2, представляет собой иерархическую структуру, элементы которой строятся и объединяются друг с другом в соответствии с определенными синтаксическими и семантическими правилами. Существует 6 типов элементов этой иерархической структуры:

·   Видеопоследовательность

·   Группа изображений

·   Изображение

·   Срез

·   Макроблок

·   Блок.

Видеопоследовательность – элемент потока видеоданных высшего уровня. Она представляет собой серию последовательных кадров телевизионного изображения. MPEG-2 допускает как построчные, так и чересстрочные последовательности. Чересстрочная последовательность – это серия телевизионных полей. В процессе компрессии поля могут кодироваться раздельно. Это дает изображения типа «поле». Два поля, кодируемые как телевизионный кадр, образуют изображение типа «кадр». В одной чересстрочной последовательности могут использоваться и изображения-поля, и изображения-кадры. В последовательностях с построчным разложением каждое изображение представляет собой кадр. В соответствии с используемыми методами дифференциального кодирования различают три типа изображений: I, P и B. Изображение типа I кодируется с использованием только той информации, которая содержится в нем самом (I - Intra-coded picture). В нем устраняется только пространственная избыточность. При кодировании P и B изображений используется межкадровое кодирование. При кодировании изображения типа P формируется разность между исходным изображением и предсказанием, полученным на основе предшествующего или последующего изображения типа I (P – Predictive-coded picture). Изображение типа B – это изображение, при кодировании которого используется предсказание, сформированное на основе предшествующего и последующего изображений типа I или P (B – Bidirectionally-predicted-coded picture). В изображениях типа P и B устраняется и пространственная, и временная избыточность. Серия изображений, содержащих одно I-изображение, называется группой изображений. Пример видеопоследовательности с различными типами изображений показан на рис.1 (стрелками показаны направления предсказания в пределах одной группы изображений). Чем больше группа изображений, тем большая степень компрессии может быть достигнута.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

4

С информационной точки зрения каждое изображение представляет собой три прямоугольных матрицы отсчетов изображения: яркостную Y и две матрицы цветности Cb и Cb. Стандарт MPEG-2 допускает различные структуры матриц. Соотношение между количеством отсчетов яркости и цветности определяется форматом дискретизации. В случае формата 4:2:0 размеры матриц Cb и Cb в 2 раза меньше, чем Y, и в горизонтальном, и в вертикальном направлениях (рис.5). Формат 4:2:2 отличается тем, что все три матрицы имеют одинаковые размеры по вертикали, но в горизонтальном направлении матрицы цветности имеют в два раза меньшее количество элементов (рис.6). В формате 4:4:4 все матрицы одинаковы (рис.6).

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

5

Каждое изображение делится на срезы, которые состоят из макроблоков (рис.2). Макроблок складывается из блоков размером 8х8 элементов изображения (пикселов). Каждый макроблок содержит группу из 4 блоков с отсчетами яркости (из области изображения с размерами 16х16 пикселов) и группу блоков с отсчетами цветности, взятых из той же области изображения, что и отсчеты блоков яркости. Число блоков с отсчетами цветности зависит от формата дискретизации: по одному блоку Cb и Cb в формате 4:2:0, по два – в формате 4:2:2, по 4 – в формате 4:4:4 (рис.3). В изображениях типа «кадр», в которых может использоваться и кадровое, и полевое кодирование, возможны 2 варианта внутренней организации макроблока (рис.4). В случае кадрового кодирования каждый блок яркости Y образуется из чередующихся строк двух полей (рис.4а). При полевом кодировании каждый блок Y образован из строк только одного из двух полей (рис.4б). Блоки цветности образуются по таким же правилам в случае форматов дискретизации 4:2:2 и 4:4:4. Однако при использовании формата 4:2:0 блоки цветности организуются для выполнения дискретного косинусного преобразования в рамках кадровой структуры (рис.4а).



Все структурные элементы потока видеоданных, полученного в результате внутрикадрового и межкадрового кодирования (кроме макроблока и блока), дополняются специальными и уникальными стартовыми кодами. Каждый элемент содержит заголовок, за которым следуют данные элементов более низкого уровня. В заголовке видеопоследовательности (как элемента высшего уровня) приводится разнообразная дополнительная информация, например, размеры и соотношение сторон изображения, частота кадров, скорость потока данных, матрица квантования, формат дискретизации цветности изображения, координаты основных цветов и белого цвета, параметры матрицы для формирования яркостного и цветоразностных сигналов, параметры передаточной характеристики (гамма).

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

6

Принципы видеокомпрессии

Сокращение пространственной избыточности выполняется в изображениях типа I и достигается на уровне блока. Набор операций такого кодирования – дискретное косинусное преобразование; взвешенное квантование, определяемое элементами матрицы квантования; энтропийное кодирование серии коэффициентов косинусного преобразования, полученной в результате зигзаг-сканирования матрицы коэффициентов. Метод сокращения временной избыточности – дифференциальная импульсно-кодовая модуляция с компенсацией движения при кодировании изображений типа P и B. При кодировании формируется разность между исходным изображением и предсказанием, полученным на основе предшествующего и/или последующего изображения. Полученная разность подвергается дискретному косинусному преобразованию, взвешенному квантованию и энтропийному кодированию. Для повышения точности предсказания и, тем самым, сокращения объема необходимых для представления изображения данных, используется компенсация движения. Оценивается скорость перемещения движущихся объектов от кадра к кадру и при определении предсказания производится соответствующая коррекция в положении опорного изображения, по отношению к которому находится ошибка предсказания. Определение величины и направления смещения движущихся объектов от кадра к кадру, называемого вектором движения, производится на уровне макроблока. Оценка вектора движения - сложная процедура, требующая больших вычислительных мощностей. Именно она определяет асимметрию кодека MPEG-2. Однако стандарт не регламентирует процедуру оценки вектора движения, поэтому в этой области ведутся серьезные работы, благодаря использованию результатов которых практическая асимметрия кодека в будущем будет минимизироваться. Стандарт MPEG-2 (в отличие от JPEG и DV) предполагает устранение не только пространственной, но и временной избыточности. Что же это дает? Представим себе группу из 12 изображений со следующей структурой – I-B-B-P-B-B-P-B-B-P-B-B. После компрессии объем изображений типа P для типичных сюжетов вещательного телевидения будет составлять примерно 35% объема изображения типа I, а B-изображения – примерно 25%. Объем данных, которые после компрессии представляют всю группу из 12 изображений, будет равен 4 изображениям типа I. Но если бы не было сокращения временной избыточности, то необходимый объем данных был бы в 12/4=3 раза больше. Этот коэффициент (3) и дает уменьшение скорости потока данных, достигаемое за счет использования компрессии MPEG-2 с группами из 12 изображений, при приблизительно такой же заметности искажений компрессии. Чем больше группы изображений, тем больше выигрыш, обеспечиваемый за счет устранения временной избыточности. Правда, надо отметить, что в случае применения систем компрессии типа JPEG или DV не было бы артефактов, связанных с движущимися объектами, но, с другой стороны, в системе MPEG-2 глаз замечает такие искажения тем меньше, чем быстрее движутся объекты в поле изображения. Как видно, эти два фактора в какой-то мере компенсируют друг друга. Можно корректировать величину выигрыша, но то, что этот выигрыш значителен, не подлежит сомнению, поэтому применение компрессии MPEG-2 с устранением временной избыточности, конечно, целесообразно во всех звеньях тракта, где желательно уменьшение скорости потока данных.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

7

Режимы кодера

Возможны два основных режима работы кодера компрессии – с постоянной скоростью потока данных и с постоянным уровнем качества декодированного изображения. Возможность для управления степенью компрессии и скоростью потока данных предоставляет изменение параметров матрицы квантования: чем более грубое квантование, тем больше нулевых значений в матрице коэффициентов и тем меньше объем данных, необходимых для передачи информации об изображении. Однако с увеличением степени компрессии растут и необратимые искажения изображения из-за шумов квантования. В режиме с постоянным качеством используется фиксированная матрица квантования. Но при этом скорость потока компрессированных данных является переменной. Чем больше детальность изображения, чем быстрее перемещается объект в поле изображения, тем больше количество ненулевых коэффициентов в матрице коэффициентов косинусного преобразования, тем больше объем данных и тем больше скорость потока. Такой режим можно использовать при записи компрессированных потоков видеоданных на дисковые накопители в условиях отсутствия ограничений на объем записанных данных. Однако при этом возможны ограничения на скорость записываемого потока, ведь она не может быть произвольно большой. В режиме с постоянной скоростью потока данных в кодере осуществляется непрерывное изменение коэффициентов матрицы квантования. Чем мельче детали, чем более динамично изображение, тем более грубое квантование вводится в кодере для того, чтобы привести к заданной величине скорость потока. Это означает, что в декодированных изображениях с большим количеством быстро движущихся мелких деталей будет больше искажений и артефактов из-за шумов квантования, чем в статичных изображениях с крупными структурными элементами. Такой режим используется в системах передачи компрессированных изображений по каналам связи с фиксированной пропускной способностью, в системах цифрового спутникового, кабельного и наземного телевизионного вещания. Если запись компрессированного потока видеоданных производится не в условиях реального времени, то можно использовать и другие варианты управления скоростью потока данных. Например, можно выполнять компрессию в два прохода. На первом проходе находятся параметры компрессии, обеспечивающие максимальное качество при фиксированном объеме дискового пространства. На втором – производится компрессия с найденными параметрами. Есть еще одна возможность улучшения качества при записи фрагментов программы с быстро перемещающимися объектами. На стадии предварительного просмотра оператор может найти такие интервалы и пометить их с целью принудительного размещения в них изображений типа I, что позволяет улучшить качество при кодировании таких «трудных» для компрессии сцен. Эти методы используются при записи программ и фильмов на диски DVD.

Порядок передачи изображений в элементарном потоке

В результате компрессии объем данных, представляющий исходные изображения, сжимается (рис.7). Но стандарт MPEG-2 не регламентирует сам процесс кодирования, поэтому изображения (блоки представления) в нем рассматриваются как результат декодирования компрессированных изображения – блоков доступа. Использование двунаправленного предсказания приводит к тому, что декодер может приступить к декодированию изображения типа B только после того, когда уже получены и декодированы и предшествующее, и последующее опорные изображения, с помощью которых вычислялось предсказание. Для того, чтобы не устанавливать в декодере огромные буферные массивы, в потоке данных на выходе кодера (этот поток называется элементарным потоком видеоданных) кодированные изображения следуют в порядке декодирования. Например, вместо последовательности I-B-B-P формируется серия I-P-B-B (рис.8).

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

8

Профили и уровни MPEG-2

Стандарт MPEG-2 определяет кодирование, охватывающее требования широкого круга приложений сферы производства и распределения телевизионных программ. Обобщение требований типичных и наиболее важных приложений и определило синтаксис и семантику потока видеоданных. Но для наиболее эффективного применения на практике и обеспечения высокой степени эксплуатационной совместимости устройств, работающих в рамках стандарта MPEG-2, но разработанных и изготовленных различными производителями, в рамках синтаксиса MPEG-2 выделено несколько подмножеств, называемых профилями. Но и в рамках синтаксических границ каждого профиля может быть огромное количество комбинаций параметров цифрового потока. Поэтому в каждом профиле выделено несколько уровней, определяемых совокупностью ограничений, наложенных на параметры цифрового потока, подчиняющегося синтаксису профиля. Другими словами, профиль - это подмножество стандарта для специализированного применения, задающее алгоритмы и средства компрессии. Уровни внутри каждого профиля связаны главным образом с параметрами компрессируемого изображения (таблица 1).
Профили MPEG-2: Simple - простой профиль; Main - основной профиль; SNR - профиль с масштабируемым квантованием (SNR - Signal-to-Noise-Ratio - отношение сигнал шум); Spatial - профиль с масштабируемым пространственным разрешением (spatial - пространственный); High - высокий профиль; 422 - студийный профиль. Профиль с масштабируемым квантованием SNR поддерживает все типы изображений. На базовом уровне кодера используется обычное кодирование на основе предсказания с компенсацией движения, дискретного косинусного преобразования и квантования ошибки предсказания. Выходные данные этого кодера образуют нижний, или базовый слой цифрового потока данных. Ошибка квантования, обусловленная квантователем, кодируется (с использованием второго квантователя и кодера с переменной длиной слова) и передается в качестве верхнего слоя цифрового потока. На приемной стороне производится либо декодирование одного базового слоя, что обеспечивает приемлемое качество, либо обоих слоев, что позволяет уменьшить шумы квантования. Профиль с масштабируемым пространственным разрешением Spatial также использует все виды изображений. Цифровой поток структурирован и имеет базовый и дополнительные слои. Профиль позволяет иметь наряду с базовым пространственным разрешением и более высокие значения, если декодировать все слои цифрового потока. Студийный профиль 422 обеспечивает полное разрешение, соответствующее рекомендации ITU-R 601, монтаж с точностью до кадра, допускает многократные перезаписи. Надо иметь в виду, что в таблице показаны максимально достижимые значения параметров, а не их сочетания. Например, в рамках основного уровня профиля 422 количество активных строк равно 608 для системы разложения 625 строк/25 кадров и 512 – для 525 строк/30 кадров. К настоящему времени лишь часть из возможных сочетаний профилей и уровней достаточно разработана и принята в качестве стандарта.

Пакетный элементарный поток

Системная спецификация MPEG-2 (ISO/IEC 13818-1) описывает объединение элементарных потоков одной или нескольких телевизионных программ в единый поток данных, удобный для записи или передачи по каналам цифровой связи. Надо отметить, что стандарт MPEG-2 не определяет защиту от ошибок, возможных при записи или передаче, хотя он, конечно, предусматривает такую возможность, облегчая защиту за счет оптимального выбора параметров потока. MPEG-2 регламентирует две возможных формы единого потока данных – это программный поток и транспортный поток. Первый шаг на пути получения единого потока - формирование пакетного элементарного потока PES (Packetised Elementary Stream), представляющего собой последовательность PES-пакетов (рис.9). Каждый пакет состоит из заголовка и данных пользователя, или полезной нагрузки, которая представляет собой фрагменты исходного элементарного потока. Нет никаких требования по согласованию начала полезных данных пакета и начала блоков доступа, поэтому начало блока доступа может быть в любой точке PES-пакета, а несколько малых блоков доступа могут попасть в один PES-пакет. PES-пакеты могут быть переменной длины. Эту свободу можно использовать по-разному. Например, можно просто установить фиксированную длину всех пакетов, а можно согласовывать начало пакета с началом блока доступа.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

9

В начале заголовка PES-пакета (рис.10) идет 32-битный код старта, состоящий из стартового префикса и идентификатора потока. Идентификатор потока позволяет выделить PES-пакеты, принадлежащие одному элементарному потоку телевизионной программы. Спецификация определяет разрешенные значения чисел в поле идентификатора для 32 элементарных потоков звука и 16 элементарных потоков видеоданных. Флаги 1 и 2 – биты, указывающие на наличие или отсутствие в заголовке дополнительных полей, которые не являются обязательными. Эти поля служат для переноса дополнительной информации, такой, например, как авторские права, скремблирование, приоритет. Особую значимость имеют биты P и D флага 2, указывающие на наличие полей с метками времени представления PST (Presentation Time Stamps) и декодирования DTS (Decoding Time Stamps). Метки времени – это механизм, обеспечивающий синхронизацию потоков данных в декодере.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

10

Программный поток

Программный поток объединяет элементарные потоки, образующие телевизионную программу (рис.11). При формировании программного потока образуются блоки из PES-пакетов. Блок содержит заголовок блока, системный заголовок (необязательный), за которым следует некоторое количество PES-пакетов. Длина блока программного потока может быть произвольной, единственное ограничение – заголовки блока должны появляться не реже, чем через 0,7 секунды. Это связано с тем, что в заголовке содержится важная информация – опорное системное время. Системный заголовок содержит информацию о характеристиках программного потока, таких, например, как максимальная скорость передачи данных, число видео и звуковых элементарных потоков. Декодер использует эту информацию, например, для того, чтобы решить, может ли он декодировать этот программный поток.

Программный поток объединяет элементарные потоки одной программы, имеющие общую временную базу. Он предназначен для использования в условиях окружения, не вносящего ошибки в цифровые данные. Причина этому – сравнительно большие блоки переменной длины. Искажения из-за ошибок одного блока могут означать потерю, например, целого кадра телевизионного изображения. Поскольку длина блока переменная, то декодер не может предсказывать время конца одного блока и начало другого и вынужден полагаться только на информацию о длине, содержащуюся в заголовке. Если соответствующее поле заголовка окажется пораженным ошибками, то декодер выйдет из синхронизма и потеряет, по крайней мере, один блок. К преимуществам, получаемым при использовании программного потока, можно отнести то, что процедура демультиплексирования программного потока относительно проста.

Транспортный поток

Транспортный поток может объединять пакетные элементарные потоки, переносящие данные нескольких программ с независимыми временными базами. Он состоит из коротких пакетов фиксированной длины (188 байтов). Элементарные потоки видео, звука и дополнительный данных (например, телетекст) разбиваются на фрагменты, равные по длине полезной нагрузке транспортного пакета (184 байта) и мультиплексируются в единый поток (рис.12). Этот процесс подчиняется ряду ограничений:

·   Первый байт каждого PES-пакета элементарного потока должен быть первым байтом полеезной нагрузки транспортного пакета.

·   Каждый транспортный пакет может содержать данные лишь одного PES-пакета.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

11

Если PES-пакет не имеет длину, кратную 184 байтам, то один из транспортных пакетов не заполняется данными PES-пакета полностью. В этом случае избыточное пространство заполняется полем адаптации (рис.12). Транспортные пакеты, переносящие разные элементарные потоки, могут появляться в произвольном порядке, но пакеты, принадлежащие одному элементарному потоку, должны следовать в транспортном потоке в хронологическом порядке, т.е. в порядке их «нарезания» из PES-пакетов.

Структура транспортного потока оптимизирована для условий передачи данных в каналах связи с шумами. Это проявляется, прежде всего, в небольшой длине пакетов. Типичные примеры защиты от ошибок данных транспортного потока дают системы цифрового телевизионного вещания. В системах DVB и ISDB к 188 байтам каждого транспортного пакета добавляются 16 проверочных байтов кода Рида-Соломона, что позволяет исправлять в каждом пакете до 8 пораженных шумами байтов. В ATSC к каждому пакету добавляется 20 проверочных байтов, что позволяет исправлять до 10 байтовых ошибок в одном пакете.

Транспортный пакет

Транспортный пакет начинается с 4-байтного заголовка (рис.13), первый байт которого – синхронизирующий (число 47 в шестнадцатеричном коде). Это значение не является уникальным и может появляться в других полях транспортного пакета. Однако тот факт, что заголовки всегда следуют с интервалом в 188 байтов, упрощает определение начала пакета.

Транспортный поток может переносить несколько телевизионных программ, состоящих из набора элементарных потоков. Для опознавания пакетов, принадлежащих одному элементарному потоку, используется 13-битный идентификатор. Из 213 возможных значений 17 зарезервировано для специальных целей, а остальные 8175 могут использоваться для присвоения в качестве номеров элементарным потокам. Таким образом, один транспортный поток может переносить до 8175 элементарных потоков.

Важный компонент заголовка – счетчик непрерывности, который инкрементируется в последовательных транспортных пакетах, принадлежащих одному и тому элементарному потоку. Это позволяет декодеру обнаруживать потерю транспортного пакета и принимать меры к маскированию ошибок, которые могут возникнуть из-за потери.

Поле адаптации не является обязательным. Оно может использоваться не только для заполнения «пустот» (рис.12). Это поле также переносит важную дополнительную информацию об использовании данных пакета, например, опорное время программы PCR (Program Clock Reference).

Иерархическая идентификация программ

Идентификатором принадлежности транспортного пакета к определенному элементарному потоку является значение PID (рис.13). А для распознавания элементарных потоков и объединения их в телевизионные программы служит программная информация PSI (Program Specific Information), которая должна обязательно передаваться в транспортном потоке. В системной спецификации MPEG-2 определено 4 типа таблиц с программной информацией:

·   Таблица соединения программ PAT (Program Association Table).

·   Таблица плана программы PMT (Program Map Table).

·   Таблица сетевой информации NIT (Network Information table).

·   Таблица условного доступа CAT (Conditional Access Table).

Каждая из этих таблиц передается в виде полезной нагрузки одного или нескольких транспортных пакетов. Таблица соединения программ PAT всегда переносится транспортными пакетами с PID=0. Эта таблица (рис.14) сообщает список номеров всех программ, которые содержатся в транспортном потоке, и указывает идентификаторы пакетов, в которых находятся PMT-таблицы с информацией о программах и элементарных потоках, из которых они складываются. Номер программы 0 зарезервирован, он используется для указания на PID пакета с сетевой информацией NIT о сетях передачи транспортного потока, частотах каналов, характеристиках модуляции и т.п. (в примере рисунка 14 PID пакета с NIT равен 16, а PID пакета с информацией PMT о программе 1 равен 21).

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

12

В таблице PMT (на рис.15 показан пример PMT для программы 1 с PID, равным 21) указываются сведения о программе и тех элементарных потоках, из которых она складывается. Из примера рис.15 следует, что элементарный поток видеоданных этой программы переносится пакетами с PID=50, поток звука – пакетами с PID=51, дополнительных данных – пакетами с PID=52. В таблице также указывается PID транспортных пакетов, переносящих метки опорного времени данной программы (обычно эти пакеты имеют тот же PID, что и элементарный поток видео).
Все вместе таблицы с программной информацией образуют иерархический индексный механизм. Рис.16 показывает принцип мультиплексирования элементарных и транспортных потоков в процессе получения многопрограммного транспортного потока, а рис.17 иллюстрирует демультиплексирование транспортного потока с целью извлечения элементарных потоков, из которых складывается телевизионная программа 1 (значения PID на этих рисунках соответствуют примерам таблиц, показанных на рис.14 и 15).
Благодаря небольшой длине пакета транспортный поток может легко переносить несколько телевизионных программ с разными временными базами, но за это приходится платить боле сложной, чем в случае программного потока схемой мультиплексирования и демультиплексирования.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

13

Синхронизация

Принцип постоянной задержки

Кадры телевизионного изображения поступают на вход кодера MPEG-2 с постоянной частотой, точно с такой же частотой должны воспроизводиться кадры телевизионного изображения на выходе декодера. Это означает, что общая задержка в системе, представляющая собой сумму задержек в отдельных элемента схемы, должна быть постоянной (рис.18). Объем данных, необходимый для представления кодированных изображений, не является постоянной величиной. Он зависит от детальности изображения, от наличия быстро перемещающихся объектов, от способа кодирования (I, P и B изображения характеризуются разными объемами данных). Энтропийное кодирование формирует слова с переменной длиной. А для равномерной загрузки канала связи данные должны следовать с постоянной скоростью. Проблема решается за счет использования буфера кодера (данные поступаю в буфер с переменной скоростью, а выходят – с постоянной).

Кодированные изображения (блоки доступа) в силу отмеченных особенностей кодирования поступают в декодер с переменной частотой, но воспроизводиться декодированные изображения должны с постоянной частотой, равной частоте кадров. И в декодере проблема решается за счет буфера. Компенсация одной переменной задержки другой – вот принцип реализации постоянной задержки во всей системе.

Метки времени

Механизм, обеспечивающий компенсацию задержек и синхронизацию – метки времени, которые ставятся в соответствие каждому блоку доступа (рис.19) и которые сообщают декодеру точное время, когда блок доступа должен быть извлечен из буфера декодера и декодирован. Для того, чтобы придавать блокам доступа метки времени, кодер должен знать текущее системное время, обеспечиваемое генератором опорного времени. Но метки времени блоков доступа не являются копиями текущего времени. Надо помнить, что метка времени указывает время, когда декодер будет декодировать данный блок доступа, что должно произойти в будущем. Поэтому должен быть некоторый сдвиг между текущим временем и меткой. Насколько велик должен этот сдвиг, зависит от многих факторов, среди которых размер буферов кодера и декодера, скорость, с которой элементарный поток поступает в мультиплексор. Сдвиг должен быть достаточно большим, чтобы блок доступа прошел через буфер кодера, мультиплексор и был полностью записан в буфер декодера. При расчете сдвига надо также предотвратить возможное переполнения или полное опустошения буфера декодера, ведь и в том, и в другом случае возникает сбой в непрерывном воспроизведении декодированных изображений. Для этого в кодере используется гипотетический декодер, который подключен к выходу кодера. Конечно, это не настоящий декодер, а вычислительная модель, сопровождаемая определителем степени заполнения буфера декодера. Назначение моделей – наложить ограничения на процесс кодирования с целью обеспечения отсутствия переполнения или полного освобождения емкости буфера декодера. Данные о степени заполнения буфера сообщаются реальному декодеру, чтобы он мог сопоставить вычисленные значения с текущими значениями аналогичных параметров в процессе настоящего декодирования.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

14

Подстройка системных часов

Для правильной интерпретации меток времени декодер должен иметь свое собственное системное время, причем должна быть обеспечена подстройка «часов» декодера под время «часов» кодера. Для этого текущее время кодера регулярно передается декодеру. Системное время каждой программы отсчитывается в единицах периода колебаний с частотой 27МГц. Отсчеты этого времени передаются в программном потоке в одном из полей заголовка блока (они называются SCR – System Clock Reference) не реже, чем через 0,7 секунды. В транспортном потоке могут переноситься данные нескольких телевизионных программ, каждая из которых может иметь свое независимое время, называемое программным. Отсчеты программного времени PCR (Program Clock Reference) переносятся в поле адаптации транспортного пакета с соответствующим идентификатором PID (обычно он совпадает с идентификатором элементарного потока видеоданных, что иллюстрирует рис.15). Метки PCR должны появляться не реже, чем раз в 0,1 секунды. Несмотря на разницу в названиях, основные функции PCR и SCR совпадают. Принцип синхронизации декодера с кодером путем использования отсчетов программного времени иллюстрирует рис.20.

Время декодировать и время предъявлять

Метки времени, ассоциируемые с блоками доступа, выражаются в единицах времени периода колебаний с частотой 90кГц, полученных путем деления частоты 27МГц. Эти метки бывают двух типов: метки времени представления PTS и метки времени декодирования DTS. Метки PTS определяют момент времени, в который декодированный блок доступа (кодированное изображение или фрагмент звукового сопровождения) должен быть предъявлен зрителю. Для всех элементарных потоков, кроме видео, PTS – это единственные метки, которые необходимы. Для потока видеоданных необходимы метки времени декодирования DTS, определяющие моменты времени, в которые блоки доступа извлекаются из буфера и декодируются, но не предъявляются зрителю. Декодированные изображения временно хранятся и предъявляются в боле позднее время, назначаемое метками PTS. Метки DTS необходимы изображениям типа I и P, которые должны декодироваться раньше, чем B-изображения, для кодирования которых I и P изображения использовались в качестве опорных. Метки DTS не появляются в одиночку, а должны сопровождаться метками PTS. Метки не должны сопровождать каждый блок доступа. Ограничение, определяемое стандартом MPEG-2, заключается в том, чтобы в элементарных потоках видео и звука метки должны появляться не реже, чем раз в 0,7 секунды. Метки переносятся в заголовках PES-пакетов (рис.10). Если метка сопровождает блок доступа, то она появляется в заголовке PES-пакета, в котором этот блок доступа начинается.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

15

Монтаж. Можно ли монтировать MPEG?

Иногда считается, что монтаж программ, закодированных в соответствии со стандартом MPEG-2 невозможен. Такое суждение объясняется тем, что в результате кодирования с предсказанием в процессе устранения временной избыточности все кадры связаны в единую цепь, разорвать которую якобы нельзя без сбоя в воспроизводимом изображении. Утверждается, что единственно возможный способ монтажа требует декодирования, т.е. преобразования компрессированных потоков в исходную форму, после которого можно выполнить монтажную операцию и повторное кодирование смонтированной программы. Конечно, такой вид монтажа возможен, но он связан с потенциальными искажениями и артефактами, возникающими в результате цикла компрессии – декомпрессии. Однако возможен и монтаж видеопотоков, компрессированных по стандарту MPEG-2, хотя, конечно, система компрессии накладывает значительный отпечаток на методы монтажа. Прежде всего следует отметить, что все изображения связаны и образуют цепь с взаимозависимыми элементами только в случае использования открытых групп изображения. Кадры изображения в пределах закрытой группы (она заканчивается изображением типа P) не зависят от кадров других групп (предсказание выполняется строго в пределах одной группы). Поэтому видеопотоки из закрытых легко могут коммутироваться и монтироваться на границах групп. Однако и потоки, основанные на открытых группах изображений, могут монтироваться в компрессированной форме. Для этого надо разорвать цепь непрерывности в выбранной точке монтажного перехода. Однако смонтированная программа должна обладать всеми свойствами потока данных MPEG-2.

Перемаркирование кадров в области монтажного перехода

Один из вариантов коммутации элементарных потоков иллюстрирует рис.21. Этот вариант основан на перемаркировании кадров – изображений типа B, которые связаны в результате предсказания и с предыдущими и с последующими кадрами типа I и P, в изображения типа P без изменения соответствующего блока доступа (кадры B15 и B16 элементарного потока 1 переименованы в кадры P15’ и P16’). Непрерывная цепь предсказаний разрывается, (при декодировании P15’ и P16’ в качестве опорного будет использоваться изображение P14), и коммутация с целью монтажа оказывается возможной.
То, что стратегия декодирования трансформируется без изменения закодированной ошибки предсказания, не связано с высокой заметностью потенциальных искажений благодаря кратковременности монтажного перехода. Более серьезным является то, что такая коммутация может привести к потенциальному переполнению или опорожнению буфера декодера, что связано с большими искажениями. Возможное решение этой проблемы – вставка предварительно кодированного черного потока данных, который может быть вставлен между первым и вторым потоками для нормализации состояния буфера.

Перекодирование кадров в области монтажного перехода

Другой и, вероятно, лучший с точки зрения качества изображения метод, связан с перекодированием коммутируемых элементарных потоков в окрестности монтажного перехода (рис.22). Такой вариант может быть рекомендован для дисковых систем, в которых телевизионные программы хранятся в компрессированном виде.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

16

Монтажные магнитофоны MPEG

Возможности монтажа телевизионных программ в компрессированном виде в условиях студийного производства предоставляет студийный профиль 422 стандарта MPEG-2, уже реализованный в формате видеозаписи Betacam SX. В нем используются открытые группы изображений из 2 кадров (I и B). Данный профиль позволяет, например, выполнять монтаж путем дописывания нового потока данных без нарушения непрерывности смонтированного потока в точках монтажа (рис.23). Если точка монтажного перехода выбрана на границе кадров B15 и I16, то после монтажа будет невозможно использовать кадр I16, а его наличие при обычном декодировании было бы необходимо, поскольку при для декодирования B15 в качестве опорной информации должны использоваться кадры I14 и I15. В процессе монтажа кадр B15 не просто перемаркируется, как показано на рис.21, а перекодируется как кадр типа B, но с предсказанием только на основе предшествующего кадра I14, в результате чего образуется кадр BU15 (правила профиля 422 разрешают такую операцию). Ключ к высококачественному выполнению такого способа монтажа – опережающее считывание, достигаемое с помощью специальной вращающейся головки. Опережающее считывание позволяет получать данные о предшествующих кадрах, которые после перекодирования записываются спустя некоторое время головками записи на место прежних кадров.

Совершенно очевидно, что такой способ, основанный на перекодировании кадров с двунаправленным предсказанием в сочетании с опережающим считыванием, позволяет выбирать точку монтажного перехода в любом месте и выполнять монтаж с точностью 0 кадров. Еще более высокого качества монтажных операций позволяет достичь реализация профиля MPEG 422, основанная на однокадровых группах изображений. Казалось бы, зачем в таком случае MPEG, если используется только внутрикадровое кодирование? Однако MPEG – это не только кодирование с целью сокращения временной избыточности, но и гибкая универсальная форма представления кодированных изображений в виде потоков данных, достоинства которой сохраняются при любых группах изображений.

Монтаж с перекодированием и транскодированием: новый виток

Монтаж с перекодированием также может быть усовершенствован с учетом специфики компрессии. Известно, что в общем случае перекодирование связано с искажениями и артефактами. Но если закодировать, декодировать, а затем закодировать повторно с сохранением всех параметров первоначального кодирования (матрицы квантования, вектор движения и т.п.), то перекодирование не приводит к искажениям (рис.24). Примером, когда такое перекодирование дает эффективное решение задачи, является вставка логотипа. Декодирование компрессированного потока, микширование с сигналом логотипа и последующее повторное кодирование с сохранением параметров первоначального кодирования делает такую систему «прозрачной» для исходного изображения для всей картинки, кроме зоны логотипа, но ведь логотип – это уже новое изображение, которое и должно кодироваться заново. Таким же образом можно использовать перекодирование с использованием параметров первоначального кодирования для выполнения монтажных переходов со специальными эффектами, например, шторками. Транскодирование, т.е изменение скорости потока с использованием параметров первоначального кодирования также позволяет минимизировать искажения такого процесса. Перекодирование и транскодирование не связаны с необходимостью изменения структуры потока данных MPEG-2, ведь вся информация о процессе и параметрах кодирования всегда сообщается декодеру. Дело лишь за регламентацией и стандартизацией способов передачи параметров первоначального кодирования от декодера ко второму кодеру.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

17

Склейка потоков

Область применения

Широкое распространение видеокомпрессии делает все более необходимым объединение кодированных программ не только без декодирования, но и без изменения содержания блоков доступа. Пример дают серверные технологии, предполагающие широкое использование фрагментов программ, клипов, рекламных вставок, записанных на дисках сервера в компрессированной форме. Сетевые технологии производства программ предполагают широкое использование для доставки программ спутниковых, кабельных и микроволновых наземных линий связи, по которым данные должны передаваться в компрессированной форме, что диктует экономика. Для малых телевизионных станций коммутация в компрессированной форме представляет на ранних стадиях внедрения цифрового телевидения единственный экономичный способ работы в цифровом окружении. Головные станции в какой-то мере подобны серверам, им также будет требоваться коммутировать потоки компрессированных данных и вставлять рекламные вставки. Видеосерверы в системах типа видео-по-запросу будут, конечно, хранить программы в компрессированном виде, ведь архивы должны быть огромными. Казалось бы, в таких платных системах рекламы не должно быть, однако некоторые провайдеры таких услуг будут предлагать сниженные расценки в обмен за включение рекламных вставок. В серверной системе с тысячами выходов коммутация потоков, конечно, должна быть в компрессированной форме.
Какой должна быть коммутация потоков данных? По своему внешнему проявлению она должна быть похожа на смену сюжета в рамках одной программы. По своей внутренней сути это, конечно, не просто коммутация, а сращивание потоков данных, при котором полученный поток будет соответствовать синтаксису и семантике MPEG-2. В стандарте такое сращивание называется склейкой потоков (splicing).

Проблемы

Есть три причины, налагающие ограничения на коммутацию потоков данных MPEG-2:

·   P и B кадры не могут быть восстановлены без опорных изображений, которые использовались для предсказания в процессе кодирования. Коммутация может оставить P и B изображения без опорных.

·   Компрессированные изображения требуют для передачи разных интервалов времени (I – больше, P и B – меньше), причем эти интервалы зависят от детальности и динамичности сюжета. Поэтому синхронизация и выравнивание границ кадров коммутируемых потоков – проблема, которая должна решаться в момент склейки.

·   Изображения, занимающие разные интервалы времени в компрессированной форме, после декодирования должны воспроизводиться через равные промежутки времени.

Решение этой проблемы требует наличия буфера декодера, в который блоки доступа загружаются за разное время, а выгружаются через равные интервалы. Буфер не должен ни переполняться, ни опустошаться полностью. Опустошение означает отсутствие данных для декодирования, что может быть преодолено замораживанием последнего декодированного кадра. Переполнение приводит к худшим последствиям, поскольку оно означает потерю данных, из-за чего воспроизводимое изображение может быть искажено до пор, пока не придет новый I-кадр. Стандартные кодеры MPEG работают таким образом, что исключается и переполнение, и опустошение буфера. Однако в момент коммутации параметры потока данных меняются скачком, что может привести к нарушению нормальной работы буфера, при которой его емкость заполняется в среднем на 50%.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

18

Возможности MPEG-2

Перечисленные проблемы приводят к тому, что лишь отдельные точки потока данных подходят для склейки без изменения кодированных данных объектов доступа (рис.25). В спецификации MPEG эти точки и называются точками склейки. Коммутация двух потоков и переход от старого потока к новому возможны лишь в том случае, если точки склейки двух потоков совпадают во времени.
Синтаксис MPEG-2 предусматривает средства для обеспечения склейки даже на уровне транспортного потока, отличающиеся высокой фрагментацией. Среди этих средств первое место принадлежит счетчику пакетов до точки склейки. Счетчик представляет собой 8-разрядный счетчик, который декрементируется с каждым пакетом и состояние которого становится равным нулю в ближайшей потенциальной точке склейки. Счетчик располагается в поле адаптации транспортного пакета. Его назначение – сообщить коммутационному оборудованию о возможной склейке и указать ее точное положение.

Буфер, бесшовная склейка и стандартизация

Спецификация MPEG-2 определяет вычислительную модель буфера VBV (Video Buffering Verifier), позволяющую оценить степень заполнения буфера декодера в процессе кодирования. Рис.27 иллюстрирует работу модели при декодировании группы изображений из 12 кадров. Блоки доступа поступают в буфер непрерывно, причем скорость заполнения буфера пропорциональна скорости кодированного потока. Блоки доступа загружаются в буфер за разное время, поскольку кодированные изображения имеют разный объем данных. Выгружаются данные из буфера через одинаковые интервалы, равные частоте кадров воспроизводимого изображения, причем выгружаются целиком и моментально (это ведь модель, точные параметры этого процесса зависят от конкретной реализации буфера и декодера, поэтому детали процесса выгрузки данных из буфера декодер должен «продумать» самостоятельно). Требуется некоторое время (стартовая задержка), чтобы декодер смог декодировать и воспроизвести первое изображение, а после этого допустить выгрузку из буфера первого блока доступа. Спустя некоторое время после загрузки последнего блок доступа декодер сможет воспроизвести по

следнее декодированное изображение (финишная задержка). В этот момент буфер полностью опустошается. Желательно, чтобы линия, показывающая заполнение буфера, колебалась вокруг значения в 50% и не подходила к предельным значениям 0 и 100%. Есть и другие соображения, которые надо

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

19

учитывать при склейке. Если, например, стартовая задержка нового потока значительно больше финишной задержки старого, то после того, как будет воспроизведено и выгружено из буфера последнее изображение старого потока, то придется долго ждать декодирования и воспроизведения первого изображения нового потока (рис.28). Это приведет, например, к замораживанию последнего изображения старого потока и заметной склейке. Если, например, скорость нового потока значительно больше скорости старого, то склейка будет еще более заметной (рис.29), поскольку при этом буфер переполняется и часть данных теряется. Означает ли это, что в общем случае бесшовная и незаметная склейка потоков MPEG-2 невозможна? Конечно, нет. Бесшовная склейка не требует внесения принципиальных изменений в стандарт, она может быть достигнута за счет внесения определенных ограничений в параметры склеиваемых потоков. Бесшовная склейка потоков является предметом исследований и стандартизации (см., например, предложение стандарта SMPTE 312M), причем учет ограничений, связанных с буфером декодера, является одним из главных факторов. Несомненно, проблема бесшовной склейки в почти произвольной точке потока будет решена, поскольку после введения ограничений на параметры потоков оставшиеся вопросы будут носить вычислительный характер.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

20

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

21

Совместимость стандартов MPEG-1 и MPEG-2.

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

·   Совместимость "вперед" - декодер нового поколения должен уметь декодировать потоки декодера предыдущего поколения

·   Совместимость "назад" - декодер предыдущего поколения должен уметь декодировать потоки или часть потока кодера нового поколения

·   Совместимость "вверх" - декодер нового поколения с более высоким разрешением должен уметь декодмровать потоки предыдущего поколения с низким разрешением

·   Совместимость "вниз" - декодер предыдущего поколения с низким разрешением должен уметь декодировать потоки нового поколения с более высоким разрешением

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

В чём отличие MPEG-4 от MPEG-1 и MPEG-2?

Стандарт MPEG-4 задает принципы работы с контентом (цифровым представлением медиа-данных) для трех областей: собственно интерактивного мультимедиа (включая продукты, распространяемые на оптических дисках и через Сеть), графических приложений (синтетического контента) и цифрового телевидения - DTV; фактически данный формат задает правила организации среды, причем среды объектно ориентированной. Он имеет дело не просто с потоками и массивами медиа-данных, а с медиа-объектами (ключевое понятие стандарта). В MPEG-4 определен двоичный язык описания объектов, классов и сцен - BIFS, который разработчики характеризуют как "расширение Си++".

Стандарт MPEG-4 представляет пользователям гибкие средства работы с мультимедийным контентом. Помимо работы с аудио и видео, формат позволяет работать с естественными и синтезированными компьютером 2D и 3D объектами, производить привязку их взаимного расположения и синхронизацию друг относительно друга, а также указывать их интерактивное взаимодействие с пользователем. Кроме того, формат обеспечивает доступ к мультимедийной информации через каналы различной пропускной способности.

Алгоритм компрессии видео в MPEG-4 работает по той же схеме, что и в предыдущих форматах. При кодировании исходного изображения кодек ищет и сохраняет ключевые кадры, на которых происходит смена сюжета. А вместо сохранения промежуточных кадров прогнозирует и сохраняет лишь информацию об изменениях в текущем кадре по отношению к предыдущему.

Кардинальное нововведение при компрессии видео в MPEG-4 заключается в следующем. В отличие от предыдущих форматов, которые делили изображение на прямоугольники, при обработке изображений кодек оперирует объектами с произвольной формой. К примеру, человек, двигающийся по комнате, будет воспринят как отдельный объект, перемещающийся относительно неподвижного объекта - заднего плана.

MPEG-4

Стандарт MPEG-4 определяет следующее:

1.                Представляет блоки звуковой, визуальной и аудиовизуальной информации, называемые "медийными объектами". Эти медийные объекты могут быть естественного или искусственного происхождения; это означает, что они могут быть записаны с помощью камеры или микрофона, а могут быть и сформированы посредством ЭВМ;

2.                Описывает композицию этих объектов при создании составных медийных объектов, которые образуют аудиовизуальные сцены;

3.                Мультиплексирование и синхронизацию данных, ассоциированных с медийными объектами, так чтобы они могли быть переданы через сетевые каналы, обеспечивая QoS, приемлемое для природы специфических медийных объектов; и

4.                Взаимодействие с аудиовизуальной сценой, сформированной на принимающей стороне.

Кодированное представление медийных объектов

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

22

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

23

Аудиовизуальные сцены MPEG-4 формируются из нескольких медийных объектов, организованных иерархически. На периферии иерархии находятся примитивные медийные объекты, такие как:

·   статические изображения (например, Фон изображения),

·   видео-объекты (например, говорящее лицо - без фона)

·   аудио-объекты (например, голос данного лица);

·   и т.д.

MPEG-4 стандартизует число таких примитивных медиа-объектов, способных представлять как естественные, так и синтетические типы содержимого, которые могут быть 2- или 3-мерными. Кроме медиа-объектов, MPEG-4 определяет кодовое представление объектов, такое как:

·   текст и графика;

·   говорящие синтезированные головы и ассоциированный текст, использованный для синтеза речи и анимации головы;

·   синтезированный звук

Медиа-объекты в его кодированной форме состоит из описательных элементов, которые позволяют обрабатывать его в аудио-визуальной сцене, а также, если необходимо, ассоциированный с ним поток данных. Важно заметить, что кодированная форма, каждого медиа-объекта может быть представлена независимо от его окружения или фона.

Кодовое представление медиа-объектов максимально эффективно с точки зрения получения необходимой функциональности. Примерами такой функциональности являются разумная обработка ошибок, легкое извлечение и редактирование объектов и представление объектов в масштабируемой форме.

Состав медийных объектов

Аудио-визуальные сцены в MPEG-4 состоят из отдельных объектов. Рисунок содержит составные медиа-объекты, которые объединяют примитивные медиа-объекты. Примитивные медиа-объекты соответствуют периферии описательного дерева, в то время как составные медиа-объекты представляют собой суб-деревья. В качестве примера: визуальные объекты, соответствующие говорящему человеку, и его голос объединены друг с другом, образуя новый составной медиа-объект. Такое группирование позволяет разработчикам создавать комплексные сцены, а пользователям манипулировать отдельными или группами таких объектов.

MPEG-4 предлагает стандартизованный путь описания сцен, позволяющий:

·   помещать медиа-объекты, где угодно в заданной координатной системе;

·   применять преобразования для изменения геометрического или акустического вида медиа-объекта;

·   группировать примитивный медиа-объекты для того чтобы образовать составные медиа-объекты;

·   использовать потоки данных, чтобы видоизменять атрибуты медиа-объектов (например, звук, движущуюся текстуру, принадлежащую объекту; параметры анимации, управляющие синтетическим лицом);

·   изменять, интерактивно, точку присутствия пользователя на сцене (его точку наблюдения и прослушивания).

Описание сцены строится во многих отношениях также как и в языке моделирования виртуальной реальности VRML (Virtual Reality Modeling language).

Описание и синхронизация потоков данных для медийных объектов

Медиа-объектам может быть нужен поток данных, который преобразуется в один или несколько элементарных потоков. Дескриптор объекта идентифицирует все потоки ассоциированные с медиа-объектом. Это позволяет иерархически обрабатывать кодированные данные, а также ассоциированную медиа-информацию о содержимом (называемом “информация содержимого объекта”). Каждый поток характеризуется набором дескрипторов для конфигурирования информации, например, чтобы определить необходимые ресурсы записывающего устройства и точность кодированной временной информации. Более тог, дескрипторы могут содержать подсказки относительно QoS, которое необходимо для передачи (например, максимальное число бит/с, BER, приоритет и т.д.). Синхронизация элементарных потоков осуществляется за счет временных меток блоков данных в пределах элементарных потоков. Уровень синхронизации управляет идентификацией таких блоков данных (модулей доступа) и работой с временными метками. Независимо от типа среды, этот слой позволяет идентифицировать тип модуля доступа (например, видео или аудио кадры, команды описания сцены) в элементарных потоках, восстанавливать временную базу медиа-объекта или описания сцены, и осуществлять их синхронизацию. Синтаксис этого слоя является конфигурируемым самыми разными способами, обеспечивая работу с широким спектром систем.

Доставка потоков данных

Синхронизованная доставка потока данных отправителя получателю, использующая различные QoS, доступные в сети, специфицирована в терминах слоя синхронизации и доставки, которые содержат двухслойный мультиплексор (см. рис. 31). Первый слой мультиплексирования управляется согласно спецификации DMIF (Delivery Multimedia Integration Framework). Это мультиплексирование может быть реализовано определенным в MPEG мультиплексором FlexMux, который позволяет группировать элементарные потоки ES (Elementary Streams) с низкой избыточностью. Мультиплексирование на этом уровне может использоваться, например, для группирования ES с подобными требованиями по QoS, чтобы уменьшить число сетевых соединений или значения задержек. Слой "TransMux" (Transport Multiplexing) на рис. 31 моделирует уровень, который предлагает транспортные услуги, удовлетворяющие требованиям QoS. MPEG-4 специфицирует только интерфейс этого слоя, в то время как остальные требования к пакетам данных будут определяться транспортным протоколом. Любой существующий стек транспортных протоколов, например, (RTP)/UDP/IP, (AAL5)/ATM, или MPEG-2 Transport Stream поверх подходящего канального уровня может стать частным случаем TransMux. Выбор оставлен за конечным пользователем или серис-провайдером, и позволяет использовать MPEG-4 с широким спектром операционного окружения.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

24

Рис. 31. Модель системного слоя MPEG-4

Использование мультиплексора FlexMux является опционным и, как показано на рис. 2, этот слой может быть пустым, если нижележащий TransMux предоставляет все необходимые функции. Слой синхронизации, однако, присутствует всегда. С учетом этого возможно:

·   идентифицировать модули доступа, транспортные временные метки и эталонную временную информацию, а также регистрировать потерю данных.

·   опционно выкладывать данные от различных элементарных потоков в потоки FlexMux

·   передавать управляющую информацию:

·   индицировать необходимый уровень QoS для каждого элементарного потока и потока FlexMux;

·   транслировать данные требования QoS в действительные сетевые ресурсы;

·   ассоциировать элементарные потоки с медиа-объектами

·   передавать привязку элементарных потоков к FlexMux и TransMux каналам

Взаимодействие с медийными объектами

Пользователь видит сцену, которая сформирована согласно дизайну разработчика. В зависимости от степени свободы, предоставленной разработчиком, пользователь имеет возможность взаимодействовать со сценой. Пользователю могут быть разрешены следующие операции:

·   изменить точку наблюдения/слушания на сцене;

·   перемещать объекты по сцене;

·   вызывать последовательность событий путем нажатия кнопки мыши на определенных объектах, например, запуская или останавливая поток данных;

·   выбирать предпочтительный язык, когда такой выбор возможен;

Менеджмент и идентификация интеллектуальной собственности

Важно иметь возможность идентифицировать интеллектуальную собственность в MPEG-4 медиа-объектах. Полный перечень требований для идентификации интеллектуальной собственности можно найти на базовой странице MPEG в разделе ‘Management and Protection of Intellectual Property’.

MPEG-4 включает в себя идентификацию интеллектуальной собственности путем запоминания уникальных идентификаторов, которые выданы международными системами нумерации (например ISAN, ISRC, и т.д. [ISAN: International Audio-Visual Number, ISRC: International Standard Recording Code]). Эти числа могут использоваться для идентификации текущего владельца прав медиа-объекта. Так как не все содержимое идентифицируется этим числом, MPEG-4 версия 1 предлагает возможность идентификации интеллектуальной собственности с помощью пары ключевых значений (например:”композитор“/”John Smith“). Кроме того, MPEG-4 предлагает стандартизованный интерфейс, который тесно интегрирован с системным слоем для людей, которые хотят использовать системы, контролирующие доступ к интеллектуальной собственности. С этим интерфейсом системы контроля прав собственности могут легко интегрироваться со стандартизованной частью декодера.

Основные функции в MPEG-4 версия 1

DMIF

DMIF поддерживает следующие функции:

·  

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

25

Прозрачный интерфейс MPEG-4 DMIF-приложения независящий оттого, является ли партнер удаленным интерактивным или локальной запоминающей средой.

·   Контроль установления каналов FlexMux

·   Использование однородных сетей между интерактивными партнерами: IP, ATM, мобильные, PSTN, узкополосные ISDN.

Системы

Как объяснено выше, MPEG-4 определяет набор алгоритмов улучшенного сжатия для аудио и видео данных. Потоки данных (Elementary Streams, ES), которые являются результатом процесса кодирования, могут быть переданы или запомнены независимо. Они должны быть объединены так, чтобы на принимающей стороне возникла реальная мультимедийная презентация.

Системные части MPEG-4 обращаются к описаниям взаимодействий между аудио и видео компонентами, которые образуют сцену. Эти взаимодействия описаны на двух уровнях.

·   Двоичный формат для сцен BIFS (Binary Format for Scenes) описывает пространственно-временные отношения объектов на сцене. Зрители могут иметь возможность взаимодействия с объектами, например, перемещая их на сцене или изменяя свое положение точки наблюдения в 3D виртуальной среде. Описание сцены предоставляет широкий набор узлов для композиционных 2-D и 3-D операторов и графических примитивов.

·   На нижнем уровне, Дескрипторы объектов OD (Object Descriptors) определяют отношения между элементарными потоками, имеющими отношение к конкретному объекту (например, аудио- и видео-потоки участников видеоконференции). OD предоставляют также дополнительную информацию, такую как URL, необходимые для доступа к элементарным потокам, характеристики декодеров, нужных для их обработки, идентификация владельца авторских прав и пр.

Некоторые другие особенности работы системы MPEG-4:

·   Интерактивно, включая: взаимодействие клиент-сервер; общая модель событий или отслеживание действий пользователя; общая обработка событий и отслеживание взаимодействий объектов на сцене пользователем или с помощью событий, генерируемых на сцене.

·   Средство объединения большого числа потоков в один общий поток, включая временную информацию (мультиплексор FlexMux).

·   Средство для запоминания данных MPEG-4 в файле (файловый формат MPEG-4, ‘MP4’)

·   Интерфейсы для различных терминалов и сетей в виде Java API (MPEG-J)

·   Независимость транспортного уровня.

·   Текстовые презентации с международной лингвистической поддержкой, выбор шрифта и стиля, согласование времени и синхронизация.

·   Инициализация и непрерывное управление буферами приемных терминалов. Идентификация временной привязки, синхронизация и механизмы восстановления.

·   Наборы данных, включающие идентификацию прав интеллектуальной собственности по отношению к медиа-объектам.

Аудио-система

MPEG-4 аудио предлагает широкий перечень приложений, которые покрывают область от понятной речи до высококачественного многоканального аудио, и от естественных до синтетических звуков. В частности, он поддерживает высокоэффективную презентацию аудио объектов, состоящих из:

·   Речь: Кодирование речи может производиться при скоростях обмена от 2 кбит/с до 24 кбит/с. Низкие скорости передачи, такие как 1.2 кбит/с, также возможны, когда разрешена переменная скорость кодирования. Для коммуникационных приложений возможны малые задержки. Когда используются средства HVXC, скорость и высота тона могут модифицироваться пользователем при воспроизведении. Если используются средства CELP, изменение скорости воспроизведения может быть реализовано с помощью дополнительного средства.

·   Синтезированная речь: TTS-кодировщики с масштабируемой скоростью в диапазоне от 200 бит/с до 1.2 кбит/с которые позволяют использовать текст или текст с интонационными параметрами (вариация тона, длительность фонемы, и т.д.), в качестве входных данных для генерации синтетической речи. Это включает следующие функции.

·   Синтез речи с использованием интонации оригинальной речи

·   Управление синхронизацией губ и фонемной информации.

·   Трюковые возможности: пауза, возобновление, переход вперед/назад.

·   Международный язык и поддержка диалектов для текста (т.е. можно сигнализировать в двоичном потоке, какой язык и диалект следует использовать)

·   Поддержка интернациональных символов для фонем.

·   Поддержка спецификации возраста, пола, темпа речи говорящего.

·   Поддержка передачи меток анимационных параметров лица FAP (facial animation parameter).

·   Общие аудио сигналы. Поддержка общей кодировки аудио потоков от низких скоростей до высококачественных. Рабочий диапазон начинается от 6 кбит/с при полосе ниже 4 кГц и распространяется до широковещательного качества передачи звукового сигнала для моно и многоканальных приложений.

·  

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

26

Синтезированный звук: Поддержка синтезированного звука осуществляется декодером структурированного звука (Structured Audio Decoder), который позволяет использовать управление музыкальными инструментами с привлечением специального языка описания.

·   Синтетический звук с ограниченной сложностью: Реализуется структурируемым аудио декодером, который позволяет работать со стандартными волновыми форматами.

Примерами дополнительной функциональности является возможность управления скоростью обмена и масштабируемость в отношении потоков данных, полосы пропускания, вероятности ошибок, сложности, и т.д. как это определено ниже.

·   Возможность работы при изменении скорости передачи допускает изменение временного масштаба без изменения шага при выполнении процесса декодирования. Это может быть, например, использовано для реализации функции "быстро вперед" (поиск в базе данных) или для адаптации длины аудио-последовательности до заданного значения, и т.д.

·   Функция изменения шага позволяет варьировать шаг без изменения временного масштаба в процессе кодирования или декодирования. Это может быть использовано, например, для изменения голоса или для приложений типа караоке. Эта техника используется в методиках параметрического и структурированного кодирования звука.

·   Изменение скорости передачи допускает анализ потока данных с разбивкой на субпотоки меньшей скорости, которые могут быть декодированы в осмысленный сигнал. Анализ потока данных может осуществляться при передаче или в декодере.

·   Масштабируемость полосы пропускания является частным случаем масштабируемости скорости передачи данных, когда часть потока данных, представляющая часть частотного спектра может быть отброшена при передаче или декодировании.

·   Масштабируемость сложности кодировщика позволяет кодировщикам различной сложности генерировать корректные и осмысленные потоки данных.

·   Масштабируемость сложности декодера позволяет заданную скорость потока данных дешифровать посредством декодеров с различным уровнем сложности. Качество звука, вообще говоря, связано со сложностью используемого кодировщика и декодера.

·   Аудио эффекты предоставляют возможность обрабатывать декодированные аудио сигналы с полной точностью таймирования с целью достижения эффектов смешения, реверберации, создания объемного звучания, и т.д.

Видео-система

Стандарт MPEG-4 Видео допускает гибридное кодирование естественных (пиксельных) изображений и видео вместе с синтезированными сценами (генерированными на ЭВМ). Это, например, допускает виртуальное присутствие участников видеоконференций. Видео стандарт содержит в себе средства и алгоритмы, поддерживающие кодирование естественных (пиксельных) статических изображений и видео последовательностей, а также средства поддержки сжатия искусственных 2-D и 3-D графических геометрических параметров.

Поддерживаемые форматы

Следующие форматы и скорости передачи будут поддерживаться MPEG-4 версия 1:

·  • Скорости передачи: обычно между 5 кбит/с и 10 Mбит/с

·  • Форматы: progressive а также interlaced видео

·  • Разрешение: обычно от sub-QCIF вплоть до HDTV

Эффективность сжатия

·   Эффективное сжатие видео будет поддерживаться для всех скоростей обмена. Сюда входит компактное кодирование текстур с качеством, регулируемым от уровня “приемлемо” (для высоких сжатий данных) вплоть до “практически без потерь”.

·   Эффективное сжатие текстур для 2-D и 3-D сеток.

·   Произвольный доступ к видео, обеспечивающий такие функции как пауза, быстрый переход вперед или назад для записанного видео.

Функции, зависящие от содержимого (Content-Based)

·   Кодирование, учитывающее содержимое изображения и видео, позволяет разделить кодовое преобразование и реконструкцию видео-объектов произвольной формы.

·   Произвольный доступ к содержимому видео последовательности открывает возможность реализации функций пауза, быстрый переход вперед или назад для записанного видео-объектов.

·   Расширенное манипулирование видео последовательностями позволяет наложения естественный или синтетический текст, текстуры, изображения и видео. Примером может служить наложение текста на движущийся видео объект, когда текст движется синфазно с объектом.

Масштабируемость текстур изображений и видео

·   Масштабируемость сложности в кодировщике позволяет кодировщикам различной сложности генерировать корректный и осмысленный поток данных для данной текстуры, изображения или видео.

·   Масштабируемость сложности в декодере позволяет декодировать потоки текстур, изображений или виде декодерами различного уровня сложности. Достигаемое качество, вообще говоря, зависит от сложности используемого декодера. Это может подразумевать, что простые декодеры обрабатывают лишь часть информационного потока.

·  

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

27

Пространственная масштабируемость позволяет декодерам обрабатывать некоторую часть общего потока, сформированного кодировщиком, при реконструкции и отображении текстур, изображений или видео-объектов при пониженном пространственном разрешении. Для текстур и статических изображений будет поддерживаться не более 11 уровней масштабируемости. Для видео последовательностей поддерживается не более трех уровней.

·   Временная масштабируемость позволяет декодерам обрабатывать некоторую часть общего потока, сформированного кодировщиком, при реконструкции и отображении видео при пониженном временном разрешении. Поддерживается не более трех уровней.

·   Масштабируемость качества позволяет разбить поток данных на несколько составляющих различной мощности так, чтобы комбинация этих составляющих могла при декодировании давать осмысленный сигнал. Разложение потока данных на составляющие может происходить при передаче или в декодере. Полученное качество, вообще говоря, зависит от числа компонент, используемых при реконструкции.

Кодирование формы и Alpha-представление

·   Кодирование формы будет поддерживаться, чтобы помочь описанию и композиции изображений и видео, а также видео-объектов произвольной формы. Приложения, которые используют двоичные побитовые карты изображения, служат для презентаций баз данных изображений, интерактивных игр, наблюдения, и анимации. Предлагаются эффективные методы кодирования двоичных форм. Двоичная альфа-маска определяет, принадлежит или нет пиксель объекту. Она может быть включена (‘on’) или выключена (‘off’).

·   ‘Серая шкала’ или ‘alpha’ кодирование формы

Alpha-плоскость определяет прозрачность объекта, которая не обязательно является однородной. Многоуровневые alpha-карты часто используются для затенения различных слоев последовательности изображений. Другими приложениями, которые используют при работе с изображениями ассоциированные двоичные alpha-маски, являются презентации баз данных изображений, интерактивные игры, наблюдения, и анимация. Предлагаются методики, которые позволяют эффективно кодировать двоичные и альфа-плоскости с серой шкалой изображения. Двоичная альфа-маска определяет, принадлежит ли пиксель данному объекту. Маска с серой шкалой предоставляет возможность точно определить прозрачность каждого пикселя.

Надежность в средах, подверженных ошибкам

Устойчивость к ошибкам будет поддерживаться, чтобы обеспечить доступ к изображениям и видео через широкий спектр систем памяти и передающих сред. Это включает в себя операции алгоритмов сжатия данных в среде, подверженной сбоям при низких скоростях передачи (т.e., меньше чем 64 Кбит/с).

Анимация лица

Часть стандарта, связанная с ‘анимацией лица’, позволяет посылать параметры, которые помогают специфицировать и анимировать синтезированные лица. Эти модели не являются сами частью стандарта MPEG-4, стандартизированы только параметры.

Определение и кодирование анимационных параметров лица (модельно независимое):

·         Позиции характерных деталей и их ориентация для определения сеток при анимации лица.

·        • Визуальные конфигурации губ, соответствующие фонемам речи.

·        • Определение и кодирование параметров описания лица (для калибровки модели):

·        • 3-D позиции характерных признаков (деталей)

·        • 3-D калибровочные сетки для анимации головы.

·        • Текстурная карта лица.

·        • Персональные характеристики.

·        • Кодирование лицевой текстуры.

Кодирование 2-D сеток с нечетко выраженной структурой

·        Предсказание, базирующееся на сетке, и трансфигурация анимационных текстур

·        2-D-формализм с регулярной сеткой и отслеживанием перемещения анимированных объектов

·        Предсказание перемещения и отложенная передача текстуры с динамическими сетками

·        Геометрическое сжатие для векторов перемещения

·        2-D сжатие сетки с неявной структурой и реконструкция в декодере.

Главные функции в MPEG-4 версия 2

Версия 2 была зафиксирована в декабре 1999. Существующие средства и профайлы из версии 1 в версии 2 не заменены; новые возможности будут добавлены в MPEG-4 в форме новых профайлов. Системный слой версии 2 обладает обратной совместимостью с версией 1.

Системы

Версия 2 систем MPEG-4 расширяет версию 1, с тем, чтобы перекрыть такие области, как BIFS-функциональность и поддержка Java (MPEG-J). Версия 2 также специфицирует формат файлов для записи содержимого MPEG-4.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

28

Видео-системы

Натуральное видео

Видео MPEG-4 версия 2 добавляет новые возможности в следующих областях:

·   увеличенная гибкость объектно-ориентированного масштабируемого кодирования,

·   улучшенная эффективность кодирования,

·   улучшенная стабильность временного разрешения при низкой задержке буферизации,

·   улучшенная устойчивость к ошибкам,

·   кодирование нескольких изображений: промежуточные или стереоскопические изображения будут поддерживаться на основе эффективного кодирования нескольких изображений или видео последовательностей. Частным примером может служить кодирование стереоскопического изображения или видео путем сокращения избыточности информации за счет малого различия изображений в стереопаре.

Анимация тела

В версии 2 к анимации лица, существовавшей в версии 1, добавлена анимация тела.

Кодирование 3-D полигональных сеток

Версия 2 MPEG-4 предоставляет набор средств для кодирования многогранных 3-D сеток. Многогранные сетки широко используются для представления 3-D объектов.

Звук

MPEG-4 Аудио версия 2 является расширением MPEG-4 Аудио версия 1. В новой версии добавлены новые средства и функции, все прежние возможности и функции сохранены. Версия 2 MPEG-4 Аудио предоставляет следующие возможности:

·   Улучшенная устойчивость к ошибкам

·   Кодирование аудио, которое сочетает в себе высокое качество и малые задержки

·   Масштабируемость зерна изображения (масштабируемость разрешения вплоть до 1 кбит/с на канал)

·   Параметрическое аудио-кодирование для манипулирования звуком при низких скоростях.

·   Сжатие пауз в разговоре (CELP) для дальнейшего понижения потока данных при кодировании голоса.

·   Параметрическое кодирование речи, устойчивое к ошибкам.

·   Пространственная ориентация - возможность реконструировать звуковое окружение, используя метод моделирования.

·   Обратный канал, который полезен для настройки кодирования или масштабируемого воспроизведения в реальном времени.

·   Низкая избыточность транспортного механизма MPEG-4 для звука

DMIF

Основные средства, вводимые DMIF версия 2 предоставляют поддержку (ограниченную) мобильных сетей и мониторирования QoS.

Поддержка мобильных сетей

Спецификация H.245 была расширена (H.245v6), чтобы добавить поддержку систем MPEG-4; спецификация DMIF предоставляет возможность работу с сигналами H.245. Мобильные терминалы могут теперь использоваться системами MPEG-4, такими как BIFS и OD-потоки.

Мониторирование QoS

DMIF V.2 вводит концепцию мониторирования качества обслуживания (QoS). Реализуемого в сети. Интерфейс DMIF-приложения был соответственно расширен. Модель допускает до трех различных режимов мониторирования QoS: непрерывное мониторирование, контроль специфических очередей, и наблюдение за нарушениями QoS

Пользовательские команды с ACK

Модель DMIF позволяет приложениям партнеров обмениваться любыми сообщениями пользователей (поток управляющих сообщений). В DMIF V2 добавлена поддержка сообщений-откликов.

Управление информацией уровня Sync MPEG-4

V.2 улучшает модель DMIF, чтобы позволить приложениям обмениваться прикладными данными со слоем DMIF. Это добавление было введено, чтобы сделать возможным в пределах модели обмен блоками протокольных данных уровня Sync. Это комбинация чисто медийных данных (PDU) и логической информации уровня Sync. Модель подтверждает, что в пределах существующего транспортного стека существуют средства, которые перекрываются с Sync-слоем систем MPEG-4. Это случай RTP и MPEG-2 элементарных потоков пакетов PES (Packetized Elementary Steams), а также MP4-атомов в файловом формате. Во всех таких случаях очевидной реализацией DMIF является преобразование информации уровня Sync, извлеченной из этих структур, а также из SL-PDU, в однородное логическое представление заголовка пакета уровня Sync. Как следствие, введены соответствующие параметры для DAI, с учетом обеспечения их семантической независимости от транспортного стека и приложения.

DAI-синтаксис на языке СИ

DMIF V.2 вводит информативное дополнение, который предоставляет синтаксис C/C++ для прикладного интерфейса DMIF, как это рекомендуется API-синтаксисом.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

29

Расширения MPEG-4 за пределы версии 2

MPEG в настоящее время работает с номером расширения версии 2, в визуальной и системной областях. Никаких работ по расширению MPEG-4 DMIF или Аудио за пределы версии 2 не проводились.

Визуальная область системы

В визуальной области подготавливается добавление следующих методик:

·   Масштабируемость пространственного разрешения (Fine Grain) находится на фазе голосования, с предложенными ‘Профайлами поточного видео’ (‘Advanced Simple’ и ‘Fine Grain Scalability’). Масштабируемость пространственного разрешения представляет собой средство, которое допускает небольшие изменения качества путем добавления или удаления слоев дополнительной информации. Это полезно во многих ситуациях, особенно для организации потоков, но также и для динамического (‘статического’) мультиплексирования предварительно закодированных данных в широковещательной среде.

·   Средства для использования MPEG-4 в студии. Для этих целей были приняты меры для сохранения некоторой формы совместимости с профайлами MPEG-2. В настоящее время, простой студийный профайл находится на фазе голосования (Simple Studio Profile), это профайл с кодированием только I-кадра при высоких скоростях передачи данных (несколько сот Мбит/с), который использует кодирование формы (shape coding). Ожидается добавление профайла ядра студии (Core Studio Profile) (с I и P кадрами).

·   Изучаются цифровые камеры. Это приложение потребует truly lossless coding, и not just the visually lossless that MPEG-4 has provided so far. A Preliminary Call for Proposals was issued in October 2000.

Системы

Advanced BIFS

Продвинутый BIFS предоставляет дополнительные узлы, которые могут быть использованы в графе сцены для мониторирования доступности и управляемости среды, такие как посылка команд серверу, продвинутый контроль воспроизведения, и так называемый EXTERNPROTO, узел, который обеспечивает дальнейшую совместимость с VRML, и который позволяет написание макросов, определяющих поведение объектов. Предусмотрено улучшенное сжатие данных BIFS, и в частности оптимальное сжатие для сеток и для массивов данных.

Текстуальный формат

Расширяемый текстовой формат MPEG-4 XMT (Extensible Textual format) является базовым для представления MPEG-4 описаний сцен, использующих текстовой синтаксис. XMT позволяет авторам текста обмениваться его содержимым друг с другом. Консорциумом Web3D разработаны средства обеспечения совместимости с расширяемым X3D (Extensible 3D), и интеграционным языком синхронизованного мультимедиа SMIL (Synchronized Multimedia Integration Language) от консорциума W3C.

Формат XMT может быть изменен участниками SMIL, VRML, и MPEG-4. Формат может быть разобран и воспроизведен непосредственно участником W3C SMIL, преобразован в Web3D X3D и заново воспроизведен участником VRML, или компилирован в презентацию MPEG-4, такую как mp4, которая может быть затем воспроизведена участником MPEG-4. Ниже описано взаимодействие с XMT. Это описание содержит в себе MPEG-4, большую часть SMIL, масштабируемую векторную графику (Scalable Vector Graphics), X3D, а также текстуальное представление описания MPEG-7.

XMT содержит два уровня текстуального синтаксиса и семантики: формат XMT-A и формат XMT-Ù.

XMT-A является версией MPEG-4, базирующейся на XML, содержащей субнабор X3D. В XMT-A содержится также расширение MPEG-4 для X3D, что бы работать с некоторыми специальными средствами MPEG-4. XMT-A предоставляет прямое соответствие между текстовым и двоичным форматами.

XMT-Ù является абстракцией средств MPEG-4 высокого уровня, базирующейся на W3C SMIL. XMT предоставляет по умолчанию соответствие Ù и A.

Улучшенная модель синхронизации

Продвинутая модель синхронизации (обычно называемая ‘FlexTime’) поддерживает синхронизацию объектов различного происхождения с возможно разной временной шкалой. Модель FlexTime специфицирует временную привязку, используя гибкую модель с временными ограничениями. В этой модели, медиа-объекты могут быть связаны друг с другом в временном графе с использованием таких ограничений как "CoStart", "CoEnd", или "Meet". И, кроме того, для того чтобы обеспечить определенную гибкость и адаптацию к этим ограничениям, каждый объект может иметь адаптируемую длительность с определенными предпочтениями для растяжения и сжатия, которые могут быть применены.

Модель FlexTime базируется на так называемой метафоре "пружины". Пружина имеет три ограничения: минимальная длина, менее которой она не сжимается, максимальная длина, при которой она может оборваться, и оптимальная длина, при которой она остается ни сжатой, ни растянутой. Следуя модели пружины, временные воспроизводимые медиа-объекты могут рассматриваться как пружины, с набором длительностей воспроизведения, соответствующих этим трем ограничениям пружины. Оптимальная длительность воспроизведения (оптимальная длина пружины) может рассматриваться как предпочтительный выбор автора для длительности воспроизведения медиа-объекта. Участник, где возможно, поддерживает длительность воспроизведения настолько близко к оптимальному значению, насколько позволяет презентация, но может выбрать любую длительность между минимальной и максимальной, как это специфицировал автор. Заметим, что поскольку растяжение или сжатие длительности в непрерывных средах, например, для видео, подразумевает соответствующее замедление или ускорение воспроизведения, для дискретных сред, таких как статическое изображение, сжатие или растяжение сопряжено в основном с модификацией периода рэндеринга.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

30

Профайлы в MPEG-4

MPEG-4 предоставляет большой и богатый набор средств для кодирования аудио-визуальных объектов. Для того чтобы позволить эффективную реализацию стандарта, специфицированы субнаборы систем MPEG-4, средств видео и аудио, которые могут использоваться для специфических приложений. Эти субнаборы, называемые ‘профайлами’, ограничивают набор средств, которые может применить декодер. Для каждого из этих профайлов, устанавливается один или более уровней, ограничивающих вычислительную сложность. Подход сходен с MPEG-2, где большинство общеизвестных комбинаций профайл/уровень имеют вид ‘главный_профайл @главный_уровень’. Комбинация профайл@уровень позволяет:

·        • конфигуратору кодека реализовать только необходимый ему субнабор стандарта,

·        • проверку того, согласуются ли приборы MPEG-4 со стандартом.

Существуют профайлы для различных типов медиа содержимого (аудио, видео, и графика) и для описания сцен. MPEG не предписывает или рекомендует комбинации этих профайлов, но заботится о том, чтобы обеспечить хорошее согласование между различными областями.

Визуальные профайлы

Визуальная часть стандарта предоставляет профайлы для кодирования естественного, синтетического и гибридного типов изображений. Существует пять профайлов для естественного видео-материала:

·        Простой визуальный профайл обеспечивает эффективное, устойчивое к ошибкам кодирование прямоугольных видео объектов, подходящих для приложений мобильных сетей, таких как PCS и IMT2000.

·        Простой масштабируемый визуальный профайл добавляет поддержку кодирования временных и пространственных, масштабируемых объектов в простом визуальном профайле. Он полезен для приложений, которые обеспечивают услуги на более чем одном уровне качества, связанных с ограничениями скорости передачи данных или ресурсами декодера, такими как использование Интернет и программное декодирование.

·        Центральный визуальный профайл добавляет поддержку кодировки время-масштабируемых объектов произвольной формы в простой визуальный профайл. Он полезен для приложений, осуществляющих относительно простую интерактивность (приложения Интернет мультимедиа).

·        Главный визуальный профайл добавляет поддержку кодирования черезстрочных, полупрозрачных, и виртуальных объектов в центральном визуальном профайле. Он полезен для интерактивного широковещательного обмена (с качеством для развлечений) и для DVD-приложений.

·        N-битный визуальный профайл добавляет поддержку кодирования видео объектов, имеющих пиксельную глубину в диапазоне от 4 до 12 бит в главный визуальный профайл. Он удобен для использования в приложениях для наблюдения.

Профайлами для синтетических и синтетико-натуральных гибридных визуальных материалов являются:

·        Простой визуальный профайл для анимации лица (Simple Facial Animation) предоставляет простые средства анимации модели лица, удобные для таких приложений как аудио/видео презентации лиц с ухудшенным слухом.

·        Визуальный масштабируемый профайл для текстур (Scalable Texture Visual) предоставляет пространственное масштабируемое кодирование статических объектов изображений (текстур), полезное для приложений, где нужны уровни масштабируемости, такие как установление соответствия между текстурой и объектами игр, а также работа с цифровыми фотокамерами высокого разрешения.

·        Визуальный профайл базовых анимированных 2-D текстур (Basic Animated 2-D Texture) предоставляет пространственную масштабируемоcть, SNR- масштабируемоcть, и анимацию, базирующуюся на сетках для статических объектов изображений (текстур), а также простую анимацию объектов лица.

·        Гибридный визуальный профайл комбинирует возможность декодировать масштабируемые объекты натурального видео произвольной формы (как в главном визуальном профайле) с возможностью декодировать несколько синтетических и гибридных объектов, включая анимационные статические объекты изображения. Он удобен для различных сложных мультимедиа приложений.

Версия 2 добавляет следующие профайлы для натурального видео:

·        Профайл ARTS (Advanced Real-Time Simple) предоставляет продвинутый метод кодирования прямоугольных видео объектов устойчивый к ошибкам, использующий обратный канал и улучшенную стабильность временного разрешения при минимальной задержке буферизации. Он удобен для кодирования в случае приложений реального времени, таких как видеотелефон, телеконференции и удаленное наблюдение.

·        Центральный масштабируемый профайл добавляет поддержку кодирования объектов произвольной формы с пространственным и временным масштабированием в центральный профайл. Главная особенность этого профайла является SNR, и пространственная и временная масштабируемость для областей и объектов, представляющих интерес. Он полезен для таких приложений как Интернет, мобильные сети и широковещание.

·       

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

31

Профайл ACE (Advanced Coding Efficiency) улучшает эффективность кодирования для прямоугольных объектов и объектов произвольной формы. Он удобен для таких приложений как мобильный широковещательный прием, и другие приложения, где необходимо высокая эффективность кодирования.

Профайлы версии 2 для искусственного и синтетического/натурального гибридного визуального материала:

·        Продвинутый масштабируемый профайл текстур поддерживает декодирование текстур произвольной формы и статических изображений, включая масштабируемое кодирование формы, мозаичное заполнение и противостояние ошибкам. Он полезен для приложений, требующих быстрого произвольного доступа, а также нескольких уровней масштабируемости и кодирования статических объектов произвольной формы. Примерами таких приложений могут служить просмотр статических изображений в Интернет, а также считывание через Интернет изображений, полученных из цифровых фотоаппаратов с высоким разрешением.

·        Продвинутый центральный профайл комбинирует возможность декодирования видео объектов произвольной формы (как в центральном визуальном профайле) с возможностью декодирования масштабируемых статических объектов произвольной формы (как в продвинутом масштабируемом профайле текстур.) Он удобен для различных мультимедийных приложений, таких как интерактивная передача потоков мультиимедиа через Интернет.

·        Профайл простой анимации лица и тела является супернабором профайла простой анимации лица с добавлением анимации тела.

В последующих версиях будут добавлены следующие профайлы:

·        Продвинутый простой профайл выглядит как простой, здесь он содержит только прямоугольные объекты, но он имеет несколько дополнительных средств, которые делают его более эффективным: B-кадры, компенсация перемещения ¼ пикселя и компенсация общего перемещения.

·        Масштабируемый профайл тонкой гранулярности допускает большое число масштабных уровней - до 8 - так что качество доставки можно легко адаптировать к условиям передачи и декодирования. Он может использоваться с простым или продвинутым простым в качестве базового уровня.

·        Простой студийный профайл является профайлом с очень высоким качеством для применения в приложениях студийного редактирования. Он работает только с I-кадрами, но он действительно поддерживает произвольные формы и большое число alpha-каналов. Возможная скорость передачи достигает 2 Гбит/c.

·        Центральный студийный профайл добавляет P-кадры к простому студийному варианту (Simple Studio), делая его более эффективным, но требующим более сложной реализации.

Аудио профайлы

Определены четыре аудио-профайла в MPEG-4 V.1:

·        Разговорный профайл предоставляет HVXC, который является параметрическим кодером голоса, рассчитанным на очень низкие скорости передачи, CELP узкополосным/широкополосным кодером голоса, или интерфейсом текст-голос.

·        Профайл синтеза предоставляет собой синтез, использующий SAOL, волновые таблицы и интерфейс текст-голос для генерации звука и речи при очень низких скоростях передачи.

·        Масштабируемый профайл, супер набор профайла речи, удобен для масштабируемого кодирования речи и музыки для таких сетей, как Интернет и NADIB (Narrow band Audio DIgital Broadcasting). Диапазон скоростей передачи лежит в пределах от 6 кбит/с до 24 кбит/с, при ширине полосы 3.5 и 9 кГц.

·        Главный профайл является расширенным супер набором всех других профайлов, содержащий средства для синтетического и естественного аудио.

Еще четыре профайла добавлено в MPEG-4 V.2:

·        Профайл высококачественного аудио содержит кодировщик голоса CELP и простой кодировщик AAC, содержащий систему долгосрочного предсказания. Масштабируемое кодирование может быть выполнено с помощью AAC масштабируемого объектного типа. Опционно, может использоваться синтаксис потока, устойчивый к ошибкам (ER).

·        Профайл аудио с низкой задержкой (Low Delay Audio) содержит HVXC и CELP кодировщики голоса (опционно использующие синтаксис ER), AAC-кодеры с низкой задержкой и интерфейс текст-голос TTSI.

·        Профайл натурального аудио содержит все средства кодирования натурального аудио, доступные в MPEG-4.

·        Профайл межсетевого мобильного аудио (Mobile Audio Internetworking) содержит AAC масштабируемые объектные типы с малой задержкой, включая TwinVQ и BSAC. Этот профайл предназначен для расширения телекоммуникационных приложений за счет алгоритмов не-MPEG кодирования речи с возможностями высококачественного аудио кодирования.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

32

Профайлы графики

Профайлы графики определяют, какие графические и текстовые элементы могут использоваться в данной сцене. Эти профайлы определены в системной части стандарта:

·        Простой 2-D графический профайл предоставляется только для графических элементов средства BIFS, которым необходимо разместить один или более визуальных объектов в сцене.

·        Полный 2-D графический профайл предоставляет двухмерные графические функции и supports такие возможности как произвольная двухмерная графика и текст, если требуется, в сочетании с визуальными объектами.

·        Полный графический профайл предоставляет продвинутые графические элементы, такие как сетки и экструзии и позволяет формировать содержимое со сложным освещением. Полный графический профайл делает возможными такие приложения, как сложные виртуальные миры, которые выглядят достаточно реально.

·        3D аудио графический профайл имеет противоречивое на первый взгляд название, в действительности это не так. Этот профайл не предлагает визуального рэндеринга, а предоставляет графические средства для определения акустических свойств сцены (геометрия, акустическое поглощение, диффузия, прозрачность материала). Этот профайл используется для приложений, которые осуществляют пространственное представление аудио сигналов в среде сцены.

Графические профайлы сцены

Графические профайлы сцены (или профайлы описания сцены), определенные в системной части стандарта, допускают аудио-визуальные сцены только аудио, 2-мерным, 3-мерным или смешанным 2-D/3-D содержимым.

·        Графический профайл аудио сцены предоставляется для набора графических элементов сцены BIFS для применение исключительно в аудио приложениях. Графический профайл аудио сцены поддерживает приложения типа широковещательного аудио.

·        Графический профайл простой 2-D сцены предоставляется только для графических элементов BIFS, которым необходимо разместить один или более аудио-визуальных объектов на сцене. Графический профайл простой 2-D сцены допускает презентации аудио-визуального материала, допускающий коррекцию, но без интерактивных возможностей. Графический профайл простой 2-D сцены поддерживает приложения типа широковещательного телевидения.

·        Графический профайл полной 2-D сцены предоставляется для всех элементов описания 2-D сцены средства BIFS. Он поддерживает такие возможности, как 2-D преобразования и alpha-сглаживание. Графический профайл полной 2-D сцены делает возможными 2-D приложения, которые требуют широкой интерактивности.

·        Графический профайл полной сцены предоставляет полный набор графических элементов сцены средства BIFS. Графический профайл полной 2-D сцены сделает возможными приложения типа динамического виртуального 3-D мира и игр.

·        Графический профайл 3D аудио сцены предоставляет средства трехмерного позиционирования звука в отношении с акустическими параметрами сцены или ее атрибутами, характеризующими восприятие. Пользователь может взаимодействовать со сценой путем изменения позиции источника звука, посредством изменения свойств помещения или перемещая место слушателя. Этот профайл предназначен для использования исключительно аудио-приложениями.

Профайлы MPEG-J

Существуют два профайла MPEG-J: персональный и главный:

Персональный - небольшой пакет для персональных приборов.

Персональный профайл обращается к ряду приборов, включая мобильные и портативные аппараты. Примерами таких приборов могут быть видео микрофоны, PDA, персональные игровые устройства. Этот профайл включает в себя следующие пакеты MPEG-J API:

a) Сеть

b) Сцена

c) Ресурс

Главный - включает все MPEG-J API.

Главный профайл обращается к ряду приборов, включая средства развлечения. Примерами таких приборов могут служить набор динамиков, компьютерные системы мультимедиа и т.д. Он является супер набором персонального профайла. Помимо пакетов персонального профайла, этот профайл содержит следующие пакеты MPEG-J API:

a) Декодер

b) Функции декодера

c) Секционный фильтр и сервисная информация

Профайл дескриптора объекта

Профайл описания объекта включает в себя следующие средства:

·   Средство описания объекта (OD)

·   Средство слоя Sync (SL)

·   Средство информационного содержимого объекта (OCI)

·   Средство управления и защиты интеллектуальной собственности (IPMP)

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

33

В настоящее время определен только один профайл, который включает все эти средства. В контексте слоев для этого профайла могут быть определены некоторые ограничения, например, допуск только одной временной шкалы.

Детальное техническое описание MPEG-4 DMIF и систем

Рис. 32 показывает как потоки, приходящие из сети (или запоминающего устройства), как потоки TransMux, демультиплексируются в потоки FlexMux и передаются соответствующим демультиплексорам FlexMux, которые извлекают элементарные потоки. Элементарные потоки (ES) анализируются и передаются соответствующим декодерам. Декодирование преобразует данные в AV объект и выполняет необходимые операции для реконструкции исходного объекта AV, готового для рэндеринга на соответствующем аппарате. Аудио и визуальные объекты представлены в их кодированной форме. Реконструированный объект AV делается доступным для слоя композиции при рэндеринга сцены. Декодированные AVO, вместе с данными описания сцены, используются для композиции сцены, как это описано автором. Пользователь может расширить возможности, допущенные автором, взаимодействовать со сценой, которая отображается.

 

Рис. 32. Главные компоненты терминала MPEG-4 (принимающая сторона)

DMIF

DMIF (Delivery Multimedia Integration Framework) является протоколом сессии для управления мультимедийными потоками поверх общих средств доставки данных. В принципе это имеет много общего с FTP. Единственное (существенное) отличие заключается в том, что FTP предоставляет данные, DMIF предоставляет указатели, где получить данные (streamed).

Когда работает FTP, первым действием, которое производит протокол, является установление сессии с удаленным партнером. Далее, выбираются файлы, и FTP посылает запрос об их передаче, партнер FTP пересылает файл через отдельное, сформированное для этой цели соединение.

Аналогично, когда работает DMIF, первым действием, которое он выполняет, является установление сессии с удаленным партнером. Позднее, выбираются потоки и DMIF посылает запрос, передать их, партер DMIF в отклике пришлет указатель на соединение, где будут проходить потоки, и затем также устанавливает соединение.

По сравнению с FTP, DMIF является системой и протоколом. Функциональность, предоставляемая DMIF, определяется интерфейсом, называемым DAI (DMIF-Application Interface), и реализуется через протокольные сообщения. Эти протокольные сообщения для разных сетей могут отличаться.

При конструировании DMIF рассматривается и качество обслуживания (QoS), а DAI позволяет пользователю DMIF специфицировать требования для нужного потока. Проверка выполнения требований оставляется на усмотрение конкретной реализации DMIF. Спецификация DMIF предоставляет советы, как решать такие задачи на новом типе сети, таком, например, как Интернет.

Интерфейс DAI используется для доступа к широковещательному материалу и локальным файлам, это означает, что определен один, универсальный интерфейс для доступа к мультимедийному материалу для большого числа технологий доставки.

Как следствие, уместно заявить, что интегрирующая система DMIF покрывает три главные технологии, интерактивную сетевую технику, широковещательную технологию и работу с дисками; это показано на рис. 33 ниже.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

34

Рис. 33. DMIF осуществляет интеграцию доставки для трех основных технологий

Архитектура DMIF такова, что приложения, которые для коммуникаций базируются на DMIF, не должны быть чувствительны к нижележащему методу коммуникаций. Реализация DMIF заботится о деталях технологии доставки, предоставляя простой интерфейс к приложению.

На рис. 34 представлена указанная выше концепция. Приложение получает доступ к данным через интерфейс приложения DMIF, вне зависимости от того, откуда получены данные: от широковещательного источника, локальной памяти или от удаленного сервера. Во всех сценариях локальное приложение только взаимодействует через универсальный интерфейс (DAI). Различные варианты DMIF будут затем транслировать запросы локального приложения в специфические сообщения, которые должны быть доставлены удаленному приложению, учитывая особенности используемых технологий доставки. Аналогично, данные, поступающие на терминал (из удаленного сервера, широковещательных сетей или локальных файлов) доставляются локальному приложению через DAI.

Специализированные версии DMIF подключаются приложением апосредовано, чтобы управлять различными специфическими технологиями доставки данных, это, однако прозрачно для приложения, которое взаимодействует только с одним "DMIF фильтром". Этот фильтр отвечает за управление конкретным примитивом DAI в нужный момент.

Концептуально, "настоящее" удаленное приложение доступное через сеть, например, через IP или ATM, ничем не отличается от эмулируемого удаленного приложения, получающего материал от широковещательного источника или с диска. В последнем случае, однако, сообщения, которыми обмениваются партнеры, должны быть определены, чтобы обеспечить совместимость (это сигнальные сообщения DMIF). В последнем случае, с другой стороны, интерфейсы между двумя партнерами DMIF и эмулируемым удаленным приложением являются внутренними по отношению реализации и не должны рассматриваться в этой спецификации. Заметим, что для сценариев получения данных широковещательно и из локальной памяти, рисунок показывает цепочку "Локальный DMIF", "Удаленный DMIF (эмулированный)" и "Удаленное приложение (эмулированное)". Эта цепочка представляет концептуальную модель и не должна отражаться в практической реализации (на рисунке она представлена закрашенной областью).

Рис. 34. Архитектура коммуникаций DMIF

При рассмотрении сценариев с широковещанием и локальной памятью предполагается, что эмулируемое удаленное приложение знает, как данные доставлены/запомнены. Это подразумевает знание типа приложения, с которым осуществляется взаимодействие. В случае MPEG-4, это в действительности предполагает знание идентификатора элементарного потока, дескриптора первого объекта, названия услуги. Таким образом, в то время как уровень DMIF концептуально не знает ничего о приложении, которое поддерживает, в частном случае работы DMIF с широковещанием и локальной памятью это утверждение не вполне корректно из-за присутствия эмулированного удаленного приложения (которое, с точки зрения локального приложения является частью слоя DMIF). При рассмотрении сценария удаленного взаимодействия, слой DMIF ничего не знает о приложении. Введен дополнительный интерфейс DNI (DMIF-Network Interface), который служит для подчеркивания того, какого рода информацией должны обмениваться партнеры DMIF. Дополнительные модули SM (Signaling mapping) служат для установления соответствия между примитивами DNI и сигнальными сообщениями, используемыми в конкретной сети. Заметим, что примитивы DNI специфицированы для информационных целей, и интерфейс DNI в настоящей реализации может отсутствовать. DMIF допускает одновременное присутствие одного или более интерфейсов DMIF, каждый из которых предназначен для определенной технологии доставки данных. Одно приложение может активировать несколько технологий доставки.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

35

Вычислительная модель DMIF

Когда приложение запрашивает активацию услуги, оно использует сервисный примитив DAI, и формирует соответствующую сессию. Реализация DMIF устанавливает контакт с соответствующим партнером (который концептуально может быть либо удаленным, либо эмулируемым локальным партнером) и формирует вместе с ним сетевую сессию. В случае широковещательного и локального сценариев, способ формирования и управления сессией находится вне зоны ответственности данного документа. В случае интерактивного сценария с удаленным сервером, DMIF использует свой сигнальный механизм для формирования и управления сессией, например, сигнальный механизм ATM. Приложения партнеров используют эту сессию для установления соединения, которое служит для передачи прикладных данных, например, элементарных потоков MPEG-4. Когда приложению нужен канал, оно использует примитивы канала DAI, DMIF транслирует эти запросы в запросы соединения, которые являются специфическими для конкретных запросов сетевых реализаций. В случае сценариев широковещания и локальной памяти, метод установления соединения и последующего управления находится за пределами регламентаций MPEG-4. В случае сетевого сценария напротив, DMIF использует свой сигнальный механизм для формирования и управления соединением. Это соединение используется приложением для целей доставки данных.

На рис. 35 предоставлена схема активации верхнего уровня и начало обмена данными. Этот процесс включает в себя четыре этапа:

·   Приложение-инициатор посылает запрос активизации услуги своему локальному слою DMIF - коммуникационное соединение между приложением-инициатором и его локальным партнером DMIF устанавливается в контрольной плоскости (1)

·   Партнер-инициатор DMIF запускает сетевую сессию с партнером-адресатом DMIF - коммуникационное соединение партнером-инициатором DMIF и партнером-адресатом DMIF устанавливается в контрольной плоскости (2).

·   Партнер-адресат DMIF идентифицирует приложение-адресат и переадресует запрос активации услуги - коммуникационное соединение между партнером-адресатом DMIF и приложением-адресатом устанавливается в контрольной плоскости (3)

·   Приложения партнеров создают каналы (запросы передаются через коммуникационные пути 1, 2 и 3). Результирующие каналы в пользовательской плоскости (4) используются приложениями для реального информационного обмена. DMIF вовлечена во все четыре этапа.

Рис. 35. Вычислительная модель DMIF

Слой DMIF автоматически определяет, предполагается ли предоставление данной услуги удаленным сервером в конкретной сети, например, в IP, или ATM, широковещательной сетью, или устройством локальной памяти: выбор основывается на адресной информации партнера, предоставляемой приложением в качестве части URL, переданной DAI.

Демультиплексирование, синхронизация и описание потоков данных

Отдельные элементарные потоки должны быть выделены на уровне доставки из входных данных некоторого сетевого соединения или из локального устройства памяти. Каждое сетевое соединение или файл в модели системы MPEG-4 рассматривается как канал TransMux. Демультиплексирование выполняется частично или полностью слоями вне области ответственности MPEG-4. Единственным демультиплексирующим средством, определенным MPEG-4, является FlexMux, которое может опционно использоваться для снижения задержки, получения низкой избыточности мультиплексирования и для экономии сетевых ресурсов.

Для целей интегрирования MPEG-4 в системную среду, интерфейс приложения DMIF является точкой, где можно получить доступ к элементарным потокам, как к потокам sync. DMIF является интерфейсом для реализации функций, недоступных в MPEG. Управляющая часть интерфейса рассмотрена в разделе DMIF.

MPEG-4 определяет модель системного декодера. Это позволяет точно описать операции терминала, не делая ненужных предположений о деталях практической реализации. Это важно для того, чтобы дать свободу разработчикам терминалов MPEG-4 и декодирующих приборов. Это оборудование включает в себя широкий диапазон аппаратов от телевизионных приемников, которые не имеют возможности взаимодействовать с отправителем, до ЭВМ, которые полноценный двунаправленный коммуникационный канал. Некоторые приборы будут получать потоки MPEG-4 через изохронные сети, в то время как другие будут использовать для обмена информацией MPEG-4 асинхронные средства (например, Интернет). Модель системного декодера предоставляет общие принципы, на которых могут базироваться все реализации терминалов MPEG-4.

Спецификация модели буфера и синхронизации является существенной для кодирующих приборов, которые могут не знать заранее, тип терминала и метод получения кодированного потока данных. Спецификация MPEG-4 делает возможным для кодирующего прибора проинформировать декодер о ресурсных требованиях, может оказаться невозможным для приемника реагировать на сообщение передатчика.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

36

Демультиплексирование

Демультиплексирование происходит на уровне доставки, который включает в себя слои TransMux и DMIF. Извлечение входящих информационных потоков из сетевого соединения или из памяти включает в себя два этапа. Во-первых, каналы должны быть найдены и открыты. Это требует наличия некоторого объекта, который осуществляет транспортный контроль и устанавливает соответствие между транспортными каналами и специальными элементарными потоками. Таблица карты таких потоков связывает каждый поток с ChannelAssociationTag (канальной меткой), которая служит указателем для канала, через который идет поток. Определение ChannelAssociationTags для реального транспортного канала, а также управление сессией и каналами осуществляется DMIF-частью стандарта MPEG-4. Во-вторых, входящие потоки должны быть соответствующим образом демультиплексированы, чтобы восстановить SL-потоки пакетов от нижележащих каналов (входящих в принимающий терминал). В интерактивных приложениях, соответствующий узел мультиплексирования переправляет данные в вышерасположенные каналы (исходящие из принимающего терминала).

Базовый термин ‘TransMux Layer’ используется, чтобы абстрагироваться от нижележащей функциональности - существующей или будущей, которая пригодна для транспортировки потоков данных MPEG-4. Заметим, что этот уровень не определен в контексте MPEG-4. Примерами могут служить транспортный поток MPEG-2, H.223, ATM AAL 2, IP/UDP. Предполагается, что слой TransMux предоставляет защиту и средства мультиплексирования, этот уровень обеспечивает определенный класс QoS. Средства безопасности включают в себя защиту от ошибок и детектирование ошибок, удобное для данной сети или устройств памяти.

В любом конкретном сценарии приложения используется один или более специфических TransMux. Каждый демультиплексор TransMux предоставляет доступ к каналам TransMux. Требования на информационный интерфейс доступа к каналу TransMux те же, что и для всех интерфейсов TransMux. Они включают необходимость надежного детектирования ошибок, доставки, если возможно, ошибочных данных с приемлемой индикацией ошибок и кадрирование поля данных, которое может включать потоки либо SL либо FlexMux. Эти требования реализованы в интерфейсе TransMux (системная часть стандарта MPEG-4). Адаптация потоков SL должна быть специфицирована для каждого стека протоколов.

Средство FlexMux специфицировано MPEG для того, чтобы опционно предоставить гибкий метод, имеющий малую избыточность и задержку для переукладки данных в тех случаях, когда ниже лежащие протоколы не поддерживают это. Средство FlexMux само по себе недостаточно устойчиво по отношению к ошибкам и может либо использоваться в каналах TransMux с высоким QoS, либо для объединения элементарных потоков, которые достаточно устойчивы к ошибкам. FlexMux требует надежного детектирования ошибок. Эти требования реализованы в информационных примитивах прикладного интерфейса DMIF, который определяет доступ к данным в индивидуальных транспортных каналах. Демультиплексор FlexMux выделяет SL-потоки из потоков FlexMux.

Синхронизация и описание элементарных потоков

Рис. 36. Архитектура буферов модели системного декодера

Слой sync имеет минимальный набор средств для проверки согласованности, чтобы передать временную информацию. Каждый пакет состоит из блока доступа или фрагмента блока доступа. Эти снабженные временными метками блоки образуют единственную семантическую структуру элементарных потоков, которые видны на этом уровне. Временные метки используются для передачи номинального времени декодирования. Уровень sync требует надежного детектирования ошибок и кадрирования каждого индивидуального пакета нижележащего слоя. Как осуществляется доступ к данным для слоя сжатия, определяется интерфейсом элементарных потоков, описание которого можно найти в системной части стандарта MPEG-4. Слой sync извлекает элементарные потоки из потоков SL.

Чтобы с элементарные потоки могли взаимодействовать с медиа-объектами в пределах сцены, используются дескрипторы объектов. Дескрипторы объектов передают информацию о номере и свойствах элементарных потоков, которые ассоциированы с конкретными медиа-объектами. Сами дескрипторы объектов передаются в одном или более элементарных потоков, так как допускается добавление и удаление потоков (и объектов) в процессе сессии MPEG-4. Для того чтобы обеспечить синхронизацию, такие модификации помечаются временными метками. Потоки дескрипторов объектов могут рассматриваться как описание потоковых ресурсов презентации. Аналогично, описание сцены также передается как элементарный поток, позволяя модифицировать пространственно-временную картину презентации со временем.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

37

Управление буфером

Чтобы предсказать, как декодер будет себя вести, когда он декодирует различные элементарные потоки данных, которые образуют сессию MPEG-4, модель системного декодера (Systems Decoder Mode) позволяет кодировщику специфицировать и мониторировать минимальные буферные ресурсы, необходимые для декодирования сессии. Требуемые буферные ресурсы передаются декодеру в объектных дескрипторах во время установления сессии MPEG-4, так что декодер может решить, может ли он участвовать в этой сессии.

При управлении конечным буферным пространством модель позволяет отправителю, например, передавать данные, не привязанные к реальному времени, досрочно, если имеется достаточно места в буфере со стороны приемника. Запомненные данные будут доступны в любое время, позволяя использовать для информации реального времени при необходимости большие ресурсы канала.

8.2.4. Идентификация времени

Для операции реального времени, модель синхронизации is assumed in which the end-to-end delay from the signal output from an encoder to the signal input to a decoder is constant. Более того, передаваемые потоки данных должны содержать времязадающую информацию в явном или неявном виде. Существует два типа временной информации. Первый тип используется для передачи частоты часов кодировщика, или временной шкалы, декодеру. Второй, состоящий из временных меток, присоединенных к закодированным AV данным, содержит желательное время декодирование для блоков доступа или композиции, а также время истечения применимости композиционных блоков. Эта информация передается в заголовках SL-пакетов сформированных в слое sync. С этой временной информацией, интервалы в пределах картинки и частота стробирования аудио может подстраиваться в декодере, чтобы соответствовать интервалам частоте стробирования на стороне кодировщика.

Различные медиа-объекты могут кодироваться кодировщиками с различными временными шкалами, и даже с небольшим отличием времязадающих частот. Всегда возможно установить соответствие между этими временными шкалами. В этом случае, однако, никакая реализация приемного терминала не может избежать случайного повторения или потери AV-данных, из-за временного наезда (относительное растяжение или сжатие временных шкал).

Хотя допускается работа систем без какой-либо временной информации, определение модели буферизации в этом случае невозможно.

Улучшенная модель синхронизации (FlexTime)

Модель FlexTime (Advanced Synchronization Model) расширяет традиционную модель хронирования MPEG-4, чтобы разрешить синхронизацию большого числа потоков и объектов, таких как видео, аудио, текст, графика, или даже программы, которые могут иметь разное происхождение.

Традиционная модель синхронизации MPEG-4 первоначально была сконструирована для широковещательных приложений, где синхронизация между блоками доступа осуществляется через "жесткие" временные метки и эталонные часы. В то время как этот механизм предоставляет точную синхронизацию внутри потока, он терпит неудачу при синхронизации потоков, приходящих из разных источников (и возможно с разными эталонными часами) как это имеет место в случае большинства приложений Интернет и в более сложных широковещательных приложениях.

Модель FlexTime позволяет разработчику материала специфицировать простые временные соотношения для выбранных объектов MPEG-4, таких как "CoStart," "CoEnd," и "Meet." Автор материала может также специфицировать ограничения гибкости для объектов MPEG-4, как если бы объекты были растяжимыми пружинами. Это позволяет синхронизовать большое число объектов согласно специфицированным временным соотношениям.

Наибольшую эффективность внедрение этой техники может дать в случае приложений Интернет, где нужно синхронизовать большое число источников на стороне клиента.

Гибкая длительность

В среде с ненадежной доставкой может так случиться, что доставка определенного элементарного потока или частей потока, может заметно задержаться относительно требуемого времени воспроизведения.

Для того чтобы понизить чувствительность к задержке времени доставки, модель FlexTime основывается на так называемой метафоре "пружины", смотри раздел 4.2.3.

Следуя модели пружины, элементарные потоки, или фрагменты потоков, рассматриваются как пружины, каждый с тремя 3 ограничениями. Оптимальная длина (длительность воспроизведения потока) может рассматриваться как подсказка получателю, когда возможны варианты. Заметим, что при растяжении или сжатии длительности непрерывной среды, такой как видео, подразумевает соответствующее замедление или ускорение воспроизведения, когда элементарный поток состоит из статических картинок. В этом случае растяжение или сжатие предполагает удержание изображения на экране в течение большего или меньшего времени.

Относительное время начала и конца

Два или более элементарных потоков или потоков сегментов могут быть синхронизованы друг относительно друга, путем определения того, что они начинаются ("CoStart") или кончаются ("CoEnd") в одно и то же время или завершение одного совпадает с началом другого ("Meet").

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

38

Важно заметить, что существует два класса объектов MPEG-4. Синхронизация и рэндеринг объекта MPEG-4, который использует элементарный поток, такого как видео, не определяется одним потоком, но также соответствующими узлами BIFS и их синхронизацией. В то время как синхронизация и рэндеринг объекта MPEG-4, который не использует поток, такой как текст или прямоугольник, определяется только соответствующими узлами BIFS и их синхронизацией.

Модель FlexTime позволяет автору материала выражать синхронизацию объектов MPEG-4 с потоками или сегментами потоков, путем установления временных соотношений между ними.

Временные соотношения (или относительные временные метки) могут рассматриваться как "функциональные" временные метки, которые используются при воспроизведении. Таким образом, действующее лицо FlexTime может:

·        Компенсировать различные сетевые задержки с помощью поддержки синхронизованной задержки прибытия потока, прежде чем действующее лицо начнет рэндеринг/воспроизведение ассоциированного с ним узла.

·        Компенсировать различные сетевые разбросы задержки путем поддержки синхронизованного ожидания прибытия сегмента потока.

·        Синхронизовать большое число медиа/BIFS-узлов с некоторым медиа потоком неизвестной длины или неуправляемым временем прибытия.

·        Синхронизовать модификации BIFS (например, модификации полей сцены) при наличии большого числа узлов/потоков, когда некоторые потоки имеют неизвестную длину или неуправляемое время прибытия.

·        Замедлять или ускорять рэндеринг/воспроизведение частей потоков, чтобы компенсировать ситуации не синхронности, вызванные неизвестной длиной, неуправляемым временем прибытия или его вариацией.

Поддержка FlexTime в MPEG-4

Модель FlexTime поддерживается в MPEG-4 двумя узлами: TemporalTransform и TemporalGroup, и дескриптором: SegmentDescriptor. Узел TemporalTransform специфицирует временные свойства объекта MPEG-4, который нуждается в синхронизации. Узел TemporalGroup специфицирует временные соотношения между объектами, которые представлены узлами TemporalTransform, а SegmentDescriptor идентифицирует доли потока, которые могут быть синхронизованы.

Узел TemporalTransform

TemporalTransform поддерживает синхронизацию узлов в пределах сцены с медиа потоком, или его сегментом, и поддерживает гибкое преобразование ко времени сцены. Этот группирующий узел может гибко поддерживать замедление, ускорение, замораживание или смещение временной шкалы сцены для рэндеринга узлов содержащихся в ней. Его дочернее поле может содержать список узлов типа SF3Dnode, а узел может влиять на замедление, ускорение, замораживание или смещение временной шкалы композитора, когда он осуществляет рэндеринг дочерних узлов, которые преобразованы этим узлом. Кроме того, этот узел имеет поле url, которое может ссылаться на элементарный поток или его сегмент и в этом случае, узел воздействует на временную шкалу потока, указанного в ссылке.

Узел TemporalGroup

Узел TemporalGroup специфицирует временное соотношение между заданным числом TemporalTransforms, чтобы выровнять временные шкалы узлов, в графе сцены. Временная настройка среды с целью удовлетворения ограничений и обеспечения гибкости осуществляется на уровне sync. TemporalGroup может рассматривать временные свойства его дочек и когда все они готовы, а временные ограничения выполнены, может быть дано разрешение на их воспроизведение.

Дескриптор сегмента (SegmentDescriptor)

Массив SegmentDescriptors добавляется в качестве составного элемента в ES_Descriptor. SegmentDescriptor идентифицирует и помечает сегмент потока, так что отдельные сегменты потока могут быть адресуемы с помощью их полей url в узле TemporalTansform.

Модель исполнения

Временное декодирование и настройка часов медиа потоков в соответствии с временными метками является функцией слоя sync. Модель FlexTime требует небольшого изменения модели буферизации MPEG-4 и декодирования. Декодирование может быть задержано у клиента, по отношению к стандартному времени.

Модель буферов для flextime может быть специфицировано следующим образом: "В любое время от момента, соответствующего его DTS, вплоть до границы времени, заданной Flextime, AU немедленно декодируется и удаляется из буфера." Так как точное время удаления из буфера декодирования AU может варьироваться, нельзя быть уверенным, что оно будет удалено раньше наихудшего времени (максимальная задержка для медиа-потока). Используя наихудшее время, а не время, заданное DTS, буфер декодирования может управляться и не так, как предписывается MPEG-4.

Описание синтаксиса

MPEG-4 определяет язык синтаксического описания чтобы характеризовать точный двоичный синтаксис для двоичных потоков, несущих медиа-объекты и для потоков с информацией описания сцены. Это уход от прошлого подхода MPEG, использовавшего язык псевдо C. Новый язык является расширением C++, и используется для интегрированного описания синтаксического представления объектов и классов медиа-объектов и сцен. Это предоставляет удобный и универсальный способ описания синтаксиса. Программные средства могут использоваться для обработки синтаксического описания и генерации необходимого кода для программ, которые выполняют верификацию.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

39

Двоичный формат описания сцены BIFS (Binary Format for Scene description)

Кроме обеспечения поддержки кодирования индивидуальных объектов, MPEG-4 предоставляет также возможность создать набор таких объектов в рамках сцены. Необходимая информация композиции образует описание сцены, которая кодируется и передается вместе с медиа-объектами. Начиная с VRML (Virtual reality Modeling Language), MPEG разработал двоичный язык описания сцены, названный BIFS. BIFS расшифровывается как BInary Format for Scenes.

Для того чтобы облегчить авторскую разработку, а также создание средств манипулирования и взаимодействия, описания сцены кодируются независимо от потоков, имеющих отношение в примитивным медиа-объектам. Специальные меры предпринимаются для идентификации параметров, относящихся к описанию сцены. Это делается путем дифференциации параметров, которые используются для улучшения эффективности кодирования объектов (например, векторы перемещения в алгоритмах видео-кодирования), а также те, которые используются в качестве модификаторов объекта (например, положение объекта на сцене). Так как MPEG-4 должен допускать модификацию последнего набора параметров без необходимости декодировать самих примитивных медиа-объектов, эти параметры помещаются в описание сцены, а не в примитивные медиа-объекты. Следующий список предлагает некоторые примеры информации, представленные в описании сцены.

Как объекты группируются. Сцена MPEG-4 следует иерархической структуре, которая может быть представлена как ориентированный граф без циклов. Каждый узел графа является медиа-объектом, как показано на рис. 37. Три структуры не обязательно являются статическими; атрибуты узла (например, позиционирующие параметры) могут быть изменены, в то время как узлы могут добавляться, замещаться, или удаляться.

Рис. 37. Возможная логическая структура сцены

Как объекты позиционируются в пространстве и времени. В модели MPEG-4, аудиовизуальные объекты имеют протяженность в пространстве и во времени. Каждый медиа-объект имеет локальную координатную систему. Локальная координатная система объекта является той, в которой объект имеет фиксированное пространственно-временное положение и шкалу. Локальная координатная система служит в качестве указателя для манипулирования медиа-объектом в пространстве и во времени. Медиа-объекты позиционируются на сцене путем спецификации координатного преобразования из локальной координатной системы объекта в глобальную систему.

Выбор значения атрибута. Индивидуальные медиа-объекты и узлы описания сцены демонстрируют набор параметров композиционному слою через который может частично контролироваться их поведение. Среди примеров можно назвать понижение звука (pitch), цвет для синтетических объектов, активация или дезактивация информации улучшения для масштабируемого кодирования и т.д.

Другие преобразования медиа-объектов. Как упомянуто выше, структура описания сцены и семантика узла подвержены сильному влиянию VRML, включая его модель событий. Это предоставляет MPEG-4 очень богатый набор операторов конструирования сцены, включая графические примитивы, которые могут использоваться для построения сложных сцен.

Продвинутый формат BIFS

BIFS версия 2 (продвинутый BIFS) включает в себя следующие новые возможности:

·   Моделирование продвинутой звуковой среды в интерактивных виртуальных сценах, где в реальном времени вычисляются такие характеристики как рефлексы в комнате, реверберация, допплеровсеие эффекты и перегораживание звука объектами, появляющимися между источником и слушателем. Моделирование направленности источника звука позволяет осуществлять эффективное включение звуковых источников в 3-D сцены.

·   Анимация тела с использованием на уровне декодера модели тела по умолчанию или загружаемой модели. Анимация тела осуществляется путем посылки анимационных параметров в общем потоке данных.

·   Применение хроматических ключей, которые служат для формирования формы маски и значения прозрачности для изображения или видео последовательности.

·   Включение иерархических 3-D сеток в BIFS сцен.

·   Установление соответствия интерактивных команд и медийных узлов. Команды передаются серверу через обратный канал для соответстующей обработки.

·   PROTOs и EXTERNPROTOs

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

40

Взаимодействие с пользователем

MPEG-4 позволяет пользователю взаимодействие с отображаемым материалом. Это взаимодействие может быть разделено на две главные категории: взаимодействие на стороне клиента и взаимодействие на стороне сервера. Взаимодействие на стороне клиента включает в себя манипуляцию материалом, который обрабатывается локально на терминале конечного пользователя. В частности, модификация атрибута узла описания сцены, например, изменения положение объекта, делание его видимым или невидимым, изменение размера шрифта узла синтетического текста и т.д., может быть выполнено путем трансляции событий пользователя. Событием пользователя может быть нажатие клавиши мыши или команда, введенная с клавиатуры.

Другие формы взаимодействия на стороне клиента требуют поддержки со стороны синтаксиса описания сцены и должны быть специфицированы в стандарте. Использование структуры событий VRML предоставляет богатую модель, на основании которой разработчики могут создать вполне интерактивный материал.

Взаимодействие на стороне сервера включает в себя манипуляцию материалом на стороне отправителя в результате действий пользователя. Это, разумеется, требует наличия обратного канала.

IPR идентификация и защита

MPEG-4 предоставляет механизмы для защиты прав интеллектуальной собственности (IPR). Это достигается путем предоставления кодированных медиа-объектов с опционным набором данных идентификационной интеллектуальной собственности IPI (Intellectual Property Identification), несущим информацию о содержимом, типе содержимого и о владельцах прав на данный материал. Набор данных, если он имеется, является частью дескриптора элементарного потока, который описывает поточную информацию, ассоциированную с медиа-объектом. Номер набора данных, который ассоциируется с каждым медиа-объектом достаточно гибок; другие медиа-объекты могут использовать тот же набор. Предоставление наборов данных позволяет внедрить механизм отслеживания, мониторинга, выставления счетов и защиты от копирования.

Каждое широкодиапазонное приложение MPEG-4 имеет набор требований относящихся к защите информации, с которой оно работает. Эти приложения могут иметь разные требования по безопасности. Для некоторых приложений, пользователи обмениваются информацией, которая не имеет собственной ценности, но которая, тем не менее, должна быть защищена, чтобы защитить права собственности. Для других приложений, где управляемая информация для ее создателя или дистрибьютора имеет большую ценность, требуется управление более высокого уровня и более надежные механизмы защиты. Подразумевается, что дизайн структуры IPMP должен учитывать сложность стандарта MPEG-4 и разнообразие его применений. Эта структура IPMP оставляет детали системы IPMP на усмотрение разработчиков. Необходимые уровень и тип управления и защиты зависят от ценности материала, комплексности, и сложности, связанных с этим материалом бизнес моделей.

Данный подход позволяет конструировать и использовать системы IPMP специфичные для доменов (IPMP-S). В то время как MPEG-4 не стандартизует сами системы IPMP, он стандартизует интерфейс IPMP MPEG-4. Этот интерфейс состоит из IPMP-дескрипторов (IPMP-Ds) и элементарных потоков IPMP (IPMP-ES).

IPMP-Ds и IPMP-ESs предоставляют коммуникационный механизм взаимодействия систем IPMP и терминала MPEG-4. Определенные приложения могут требовать нескольких систем IPMP. Когда объекты MPEG-4 требуют управления и защиты, они имеют IPMP-D, ассоциированные с ними. Эти IPMP-Ds указывают на то, какие системы IPMP следует использовать и предоставляют информацию о том, как защищать получаемый материал. (Смотри рис. 38).

Кроме предоставления владельцам интеллектуальной собственности возможности управления и защиты их прав, MPEG-4 предлагает механизм идентификации этих прав с помощью набора данных IPI (Intellectual Property Identification Data Set). Эта информация может использоваться системами IPMP в качестве входного потока процесса управления и защиты.

Рис. 38. Интерфейсы IPMP в системе MPEG-4

Информация содержимого объекта

MPEG-4 позволяет подсоединять к объектам информацию об их материале. Пользователи стандарта могут использовать этот поток данных ‘OCI’ (Object Content Information) для передачи текстовой информации совместно с материалом MPEG-4.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

41

Формат файлов MPEG-4

Формат файла MP4 сконструирован так, чтобы информация MPEG-4 имела легко адаптируемый формат, который облегчает обмены, управление, редактирование и представление медиа-материала. Презентация может быть локальной по отношению к системе осуществляющей этот процесс, или осуществляемой через сеть или другой поточный механизм доставки (TransMux). Формат файлов сконструирован так, чтобы не зависеть от конкретного типа протокола доставки, и в тоже время эффективно поддерживать саму доставку. Конструкция основана формате QuickTime® компании Apple Computer Inc.

Формат файла MP4 сформирован из объектно-ориентированных структур, называемых атомами. Каждый атом идентифицируется тэгом и длиной. Большинство атомов описывают иерархию метаданных, несущих в себе такую информацию как индексные точки, длительности и указатели на медиа данные. Это собрание атомов содержится в атоме, называемом ‘кино атом’. Сами медиа-данные располагаются где-то; они могут быть в файле MP4, содержащемся в одном или более ‘mdat’, в медийных информационных атомах или размещаться вне файла MP4 с доступом через URL.

Мета данные в файле в сочетании с гибкой записью медийных данных в память позволяют формату MP4 поддерживать редактирование, локальное воспроизведение и обмен, и тем самым удовлетворять требованиям интермедиа MPEG4.

MPEG-J

MPEG-J является программной системой a programmatic system (в противоположность параметрической системе MPEG-4 версия 1), которая специфицирует API для кросс-операций медиа-проигрывателей MPEG-4 с программами на Java. Комбинируя среду MPEG-4 и безопасный исполнительный код, разработчики материала могут реализовать комплексный контроль и механизмы обработки их медиа в рамках аудио-визуальной сессии. Блок-схема плеера MPEG-J в среде системного плеера MPEG-4 показана на рис. 10. Нижняя половинка этого рисунка отображает системный параметрический плеер MPEG-4, называемый также средство презентации (ДП). Субсистема MPEG-J, контролирующая ДП, называется средством приложения (Application Engine), показана в верхней половине рис. 39.

Приложение Java доставляется в качестве отдельного элементарного потока, поступающего на терминал MPEG-4. Оно будет передано MPEG-J, откуда программа MPEG-J будет иметь доступ к различным компонентам и данным плеера MPEG-4. MPEG-J не поддерживает загружаемых декодеров.

По выше указанной причине, группой был определен набор API с различными областями применения. Задачей API является обеспечение доступа к графу сцены: рассмотрение графа, изменение узлов и их полей, и добавление и удаление узлов графа. Менеджер ресурсов API используется для управления исполнением: он обеспечивает централизованное средство управления ресурсами. API терминальных возможностей (Terminal Capability) используется, когда исполнение программы зависит от конфигурации терминала и его возможностей, как статических (которые не меняются во время исполнения) так и динамических. API медийных декодеров (Media Decoders) позволяет контролировать декодеры, которые имеются в терминале. Сетевое API предлагает способ взаимодействия с сетью, являясь прикладным интерфейсом MPEG-4 DMIF.

Рис. 39. Положение интерфейсов в архитектуре MPEG-J

Детальное техническое описание визуальной секции MPEG-4

Визуальные объекты могут иметь искусственное или натуральное происхождение.

Приложения видео-стандарта MPEG-4

MPEG-4 видео предлагает технологию, которая перекрывает широкий диапазон существующих и будущих приложений. Низкие скорости передачи и кодирование устойчивое к ошибкам позволяет осуществлять надежную связь через радио-каналы с ограниченной полосой, что полезно, например, для мобильной видеотелефонии и космической связи. При высоких скоростях обмена, имеются средства, позволяющие передачу и запоминание высококачественного видео на студийном уровне.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

42

Главной областью приложений является интерактивное WEB-видео. Уже продемонстрированы программы, которые осуществляют живое видео MPEG-4. Средства двоичного кодирования и работы с видео-объектами с серой шкалой цветов должны быть интегрированы с текстом и графикой.

MPEG-4 видео было уже использовано для кодирования видеозапись, выполняемую с ручной видео-камеры. Эта форма приложения становится все популярнее из-за простоты переноса на WEB-страницу, и может также применяться и в случае работы со статичными изображениями и текстурами. Рынок игр является еще одной областью работы приложений MPEG-4 видео, статических текстур, интерактивности.

Натуральные текстуры, изображения и видео

Средства для естественного видео в визуальном стандарте MPEG-4 предоставляют стандартные технологии, позволяющие эффективно запоминать, передавать и манипулировать текстурами, изображениями и видео данными для мультимедийной среды. Эти средства позволяют декодировать и представлять атомные блоки изображений и видео, называемые "видео объектами" (VO). Примером VO может быть говорящий человек (без фона), который может быть также создан из других AVO (аудио-визуальный объект) в процессе формирования сцены. Обычные прямоугольные изображения образуют специальный случай таких объектов.

Для того чтобы достичь этой широкой цели функции различных приложений объединяются. Следовательно, визуальная часть стандарта MPEG-4 предоставляет решения в форме средств и алгоритмов для:

·   Эффективного сжатия изображений и видео

·   Эффективного сжатия текстур для их отображения на 2-D и 3-D сетки

·   Эффективного сжатия для 2-D сеток

·   Эффективного сжатия потоков, характеризующих изменяющуюся со временем геометрию (анимация сеток)

·   Эффективного произвольного доступа ко всем типам визуальных объектов

·   Расширенной манипуляции изображениями и видео последовательностей

·   Кодирования, зависящего от содержимого изображений и видео

·   Масштабируемости текстур, изображений и видео

·   Пространственная, временная и качественная масштабируемость

·   Обеспечения устойчивости к ошибкам в среде предрасположенной к сбоям

Синтетические объекты

Синтетические объекты образуют субнабор большого класса компьютерной графики, для начала будут рассмотрены следующие синтетические визуальные объекты:

• Параметрические описания

a) синтетического лица и тела (анимация тела в версии 2)
b) Кодирование статических и динамических сеток Static и Dynamic Mesh Coding with texture mapping

• Кодирование текстуры для приложений, зависимых от вида

Масштабируемое кодирование видео-объектов

Существует несколько масштабируемых схем кодирования в визуальном MPEG-4: пространственная масштабируемость, временная масштабируемость и объектно-ориентированная пространственная масштабируемость. Пространственная масштабируемость поддерживает изменяющееся качество текстуры (SNR и пространственное разрешение). Объектно-ориентированная пространственная масштабируемость расширяет 'обычные' типы масштабируемости в направлении объектов произвольной формы, так что ее можно использовать в сочетании с другими объектно-ориентированными возможностями. Таким образом, может быть достигнута очень гибкая масштабируемость. Это делает возможным при воспроизведении динамически улучшать SNR, пространственное разрешение, точность воспроизведения формы, и т.д., только для объектов, представляющих интерес, или для определенной области.

Устойчивость в среде, предрасположенной к ошибкам

Разработанная в MPEG новая методика, названная NEWPRED ('new prediction' - новое предсказание), предоставляет быстрое восстановление после ошибок в приложениях реального времени. Она использует канал от декодера к кодировщику. Кодировщик переключает эталонные кадры, приспосабливаясь к условиям возникновения ошибок в сети. Методика NEWPRED обеспечивает высокую эффективность кодирования. Она была проверена в условиях высоких потоков ошибок:

·        Короткие всплески ошибок в беспроводных сетях (BER= 10^-3, длительность всплеска 1мс)

·        Потери пакетов в Интернет (вероятность потери = 5%)

Улучшенная стабильность временного разрешения с низкой задержкой буферизации

Еще одной новой методикой является DRC (Dynamic Resolution Conversion), которая стабилизирует задержку буферизации при передаче путем минимизации разброса числа кодовых бит VOP на выходе. Предотвращается отбрасывание больших пакетов, а кодировщик может контролировать временное разрешение даже в высоко активных сценах.

Кодирование текстур и статические изображения

Следующие три новых средства кодирования текстур и статических изображений предлагается в версии V.2:

·  

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

43

Wavelet tiling (деление на зоны) позволяет делить изображение на несколько составных частей, каждая из которых кодируется независимо. Это означает, что большие изображения могут кодироваться/декодироваться в условиях достаточно низких требований к памяти, и что произвольный доступ к декодеру существенно улучшен.

·   Масштабируемое кодирование формы позволяет кодировать текстуры произвольной формы и статические изображения с привлечением масштабируемости. Используя это средство, декодер может преобразовать изображение произвольной формы с любым желательным разрешением. Это средство позволяет приложению использовать объектно-ориентированную пространственную и качественную масштабируемость одновременно.

·   Средство противодействия ошибкам добавляет новые возможности восстановления при ошибках. Используя пакетирование и технику сегментных маркеров, оно значительно улучшает устойчивость к ошибкам приложений, таких как передача изображения через мобильные каналы или Интернет.

Упомянутые выше средства используются в двух новых ‘продвинутых масштабируемых текстурах’ и продвинутом центральном профайле (advanced core profile).

Кодирование нескольких видов и большого числа вспомогательных компонентов

В MPEG-4 видео версии 1 поддерживается до одного альфа-канала на видео канальный слой и определены три типа формы. Все три типа формы, т.е. двоичная форма, постоянная форма и форма с серой шкалой, допускают прозрачность видео объекта. При таком определении MPEG-4 не может эффективно поддерживать такие вещи как многовидовые видео объекты (Multiview Video Objects). В версии 2 введено применение множественных альфа-каналов для передачи вспомогательных компонент.

Базовой идеей является то, что форма с серой шкалой не является единственной для описания прозрачности видео объекта, но может быть определена в более общем виде. Форма с серой шкалой может, например, представлять:

·   Форму прозрачности

·   Форму несоразмерности (Disparity shape) для многовидовых видео объектов (горизонтальных и вертикальных)

·   Форму глубины (Depth shape) (получаемую посредством лазерного дальномера или при анализе различия)

·   Инфракрасные или другие вторичные текстуры

Все альфа-каналы могут кодироваться с помощью средств кодирования формы, т.е. средства двоичного кодирования формы и средства кодирования формы с серой шкалой, которые используют DCT с компенсаций перемещения, и обычно имеют ту же форму и разрешение, что и текстура видео объекта.

В качестве примера использования множественных вспомогательных компонентов в случае формы несоразмерности для многовидовых видео объектов описаны ниже.

Общим принципом является ограничение числа пикселей, которые следует кодировать при анализе соответствия между конкретными видами объекта, доступными на стороне кодировщика. Все области объекта, которые видны со стороны более чем одной камеры, кодируются только один раз с максимально возможным разрешением. Соотношения несоразмерности могут быть оценены из исходных видов, чтобы реконструировать все области, которые были исключены из кодирования путем использования проекции со скомпенсированной несоразмерностью. Один или два вспомогательных компонентов могут быть выделены, чтобы кодировать карты несоразмерности, указывающие на соответствие между пикселями различных видов.

Мы назначаем области, которые используются для кодирования данных от каждой конкретной камеры как "области интереса" (AOI). Эти AOI могут теперь быть просто определены как видео объекты MPEG-4, и закодированы с их ассоциированными значениями несоразмерности. Из-за возможного отражения объектов в различных видах, а также из-за отклонений цветов или различия экспозиций для разных камер, границы между областями, которые нужно реконструировать на основе разных исходных видов могут оказаться видимыми. Чтобы решить эту проблему, необходимо предварительно обработать пиксели вблизи границ AOI, так чтобы осуществить плавный переход путем интерполяции пикселей из различных смежных видов в пределах переходной области.

Чтобы реконструировать различные точки зрения из текстуры, проекция поверхности с компенсации несоразмерности формируется из текстурных данных в пределах конкретных AOI, с привлечением карты несоразмерностей, полученной из вспомогательной компоненты, декодированной из видео потока MPEG-4. Каждая AOI обрабатывается независимо, а затем проекции изображений ото всех AOI собираются для получения окончательного вида видео объекта с заданной точки зрения. Эта процедура может быть выполнена для системы с двумя камерами с параллельной установкой, но может быть распространена на случай с несколькими камерами со сходящимися оптическими осями.

Анимация лица

‘Лицевой анимационный объект’ может использоваться для представления анимированного лица. Форма, текстура и выражения лица управляются параметрами определения лица FDP (Facial Definition Parameters) и/или параметрами анимации лица FAP (Facial Animation Parameters). Объект лица содержит базовый вид лица с нейтральным выражением. Это лицо может уже отображено. Оно может также получить немедленно анимационные параметры из потока данных, который осуществит анимацию лица: выражения, речь и т.д. Между тем, могут быть посланы параметры определения, которые изменять облик лица от некоторого базового к заданному лицу со своей собственной формой и (опционно) текстурой. Если это желательно, через набор FDP можно загрузить полную модель лица.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

44

Анимация лица в MPEG-4 версии 1 предназначена для высоко эффективного кодирования параметров анимации, которые могут управлять неограниченным числом моделей лица. Сами модели не являются нормативными, хотя существуют средства описания характеристик модели. Кадровое и временное-DCT кодирование большой коллекции FAP может использоваться для точной артикуляции.

Двоичный формат систем для сцены BIFS (Systems Binary Format for Scenes), предоставляет возможности поддержки анимации лица, когда нужны обычные модели и интерпретации FAP:

·        Параметры определения лица FDP (Face Definition Parameters) в BIFS (модельные данные являются загружаемыми, чтобы конфигурировать базовую модель лица, запомненную в терминале до декодирования FAP, или инсталлировать специфическую модель лица в начале сессии вместе с информацией о том, как анимировать лицо).

·        Таблица анимации лица FAT (Face Animation Table) в рамках FDP (загружаемые таблицы функционального соответствия между приходящими FAP и будущими контрольными точками сетки лица. Это дает кусочно-линейную карту входящих FAP для управления движениями лица. Например: FAP может приказать ‘open_jaw (500)’ (открыть челюсти) и таблица определит, что это означает в терминах перемещения характерных точек;

·        Интерполяционная методика для лица FIT (Face Interpolation Technique) в BIFS (загружаемое определение карты входящих FAP в общий набор FAP до их использования в характерных точках, которая вычисляется с использованием полиномиальных функций при получении интерполяционного графа лица). Это может использоваться для установления комплексных перекрестных связей FAP или интерполяции FAP, потерянных в потоке, с привлечением FAP, которые доступны для терминала.

Эти специфицированные типы узлов в BIFS эффективно предоставляют для моделей формирования лица встроенную калибровку модели, работающей в терминале или загружаемой стандартной модели, включающей форму, текстуру и цвет.

Анимация тела

Тело является объектом способным генерировать модели виртуального тела и анимации в форме наборов 3-D многоугольных сеток, пригодных для отображения (rendering). Для тела определены два набора параметров: набор параметров определения тела BDP (Body Definition Parameter), и набор параметров анимации тела BAP (Body Animation Parameter). Набор BDP определяет параметры преобразования тела по умолчанию в требующееся тело с нужной поверхностью, размерами, и (опционно) текстурой. Параметры анимации тела (BAP), если интерпретированы корректно, дадут разумно высокий уровень результата выражаемого в терминах позы и анимации для самых разных моделей тела, без необходимости инициализировать или калибровать модель.

Конструкция объекта тело содержит обобщенное виртуальное человеческое тело в позе по умолчанию. Это тело может быть уже отображено. Объект способен немедленно принимать BAP из потока данных, который осуществляет анимацию тела. Если получены BDP, они используются для преобразования обобщенного тела в конкретное, заданное содержимым параметров. Любой компонент может быть равен нулю. Нулевой компонент при отображении тела заменяется соответствующим значением по умолчанию. Поза по умолчанию соответствует стоящей фигуре. Эта поза определена следующим образом: стопы ориентированы в фронтальном направлении, обе руки размещаться вдоль тела с ладонями повернутыми внутрь. Эта поза предполагает также, что все BAP имеют значения по умолчанию.

Не делается никаких предположений и не предполагается никаких ограничений на движения или сочленения. Другими словами модель человеческого тела должна поддерживать различные приложения, от реалистических симуляций человеческих движений до сетевых игр, использующих простые человекоподобные модели.

Стандарт анимации тела был разработан MPEG в сотрудничестве с Рабочей группой анимации гуманоидов (Humanoid Animation Working Group) в рамках консорциума VRML.

Анимируемые 2-D сетки

Сетка 2-D mesh является разложением плоской 2-D области на многоугольные кусочки. Вершины полигональных частей этой мозаики называются узловыми точками сетки. MPEG-4 рассматривает только треугольные сетки, где элементы мозаики имеют треугольную форму. Динамические 2-D сетки ссылаются на сетки 2-D и информацию перемещения всех узловых точек сетки в пределах временного сегмента интереса. Треугольные сетки использовались в течение долгого времени для эффективного моделирования формы 3-D объектов и воспроизведения в машинной графики. Моделирование 2-D сеток может рассматриваться как проекцию треугольных 3-D сеток на плоскость изображения.

Узловые точки динамической сетки отслеживают особенности изображения во времени с помощью соответствующих векторов перемещения. Исходная сетка может быть регулярной, или адаптироваться к характеру изображения, которая называется сеткой, адаптируемой к изображению. Моделирование 2-D сетки, адаптируемая к изображению, соответствует неоднородному стробированию поля перемещения в некотором числе узловых точек вдоль контура и внутри видео объекта. Методы выбора и отслеживания этих узловых точек не является предметом стандартизации.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

45

В 2-D сетке, базирующейся на текстуре, треугольные элементы, в текущем кадре деформируются при перемещении узловых точек. Текстура в каждом мозаичном элементе эталонного кадра деформируется с помощью таблиц параметрического соответствия, определенных как функция векторов перемещения узловых точек. Для треугольных сетей обычно используется аффинное преобразование. Его линейная форма предполагает текстурный мэпинг с низкой вычислительной сложностью. Афинный мэпинг может моделировать преобразование, вращение, изменение масштаба, отражение и вырезание и сохранение прямых линий. Степени свободы, предоставляемые тремя векторами перемещения вершин треугольника, соответствуют шести параметрам афинного преобразования (affine mapping). Это предполагает, что исходное 2-D поле перемещения может быть компактно представлено движением узловых точек, из которого реконструируется афинное поле перемещение. В то же время, структура сетки ограничивает перемещения смежных, мозаичных элементов изображения. Следовательно, сетки хорошо годятся для представления умеренно деформируемых, но пространственно непрерывных полей перемещения.

Моделирование 2-D сетки привлекательно, та как 2-D сетки могут сформированы из одного вида объекта, сохраняя функциональность, обеспечиваемую моделированием с привлечением 3-D сеток. Подводя итог можно сказать, что представления с объектно-ориентированными 2-D сетками могут моделировать форму (многогранная апроксимация контура объекта) и перемещение VOP в неоднородной структуре, которая является расширяемой до моделирования 3-D объектов, когда имеются данные для конструирования таких моделей. В частности, представление видео-объектов с помощью 2-D-сетки допускает следующие функции:

A. Манипуляция видео-объектами

§ Улучшенная реальность. Объединение виртуальных (сгенерированых ЭВМ) изображений с реальными движущимися объектами (видео) для создания улучшенной видео информации. Изображения, созданные компьютером должны оставаться в идеальном согласии с движущимися реальными изображениями (следовательно необходимо отслеживание).

§ Преображение/анимация синтетических объектов. Замещение естественных видео объектов в видео клипе другим видео объектом. Замещающий видео объект может быть извлечен из другого естественного видео клипа или может быть получен из объекта статического изображения, используя информацию перемещения объекта, который должен быть замещен.

§ Пространственно-временная интерполяция. Моделирование движения сетки представляет более надежную временную интерполяцию с компенсацией перемещения.

B. Сжатие видео-объекта

§ Моделирование 2-D сеток может использоваться для сжатия, если выбирается передача текстурных карт только определенных ключевых кадров и анимация этих текстурных карт для промежуточных кадров. Это называется само преображением выбранных ключевых кадров с использованием информации 2-D сеток.

C. Видео индексирование, базирующееся на содержимом

§ Представление сетки делает возможным анимационные ключевые мгновенные фотографии для подвижного визуального обзора объектов.

§ Представление сетки предоставляет точную информацию о траектории объекта, которая может использоваться для получения визуальных объектов с специфическим перемещением.

§ Сетка дает представление формы объекта, базирующееся на вершинной схеме, которое более эффективно, чем представление через побитовую карту.

3D-сетки

Возможности кодирования 3-D сеток включают в себя:

§ Кодирование базовых 3-D многоугольных сеток делает возможным эффективное кодирование 3-D полигональных сеток. Кодовое представление является достаточно общим, чтобы поддерживать как много- так и одно-сеточный вариант.

§ Инкрементное представление позволяет декодеру реконструировать несколько лиц в сетке, пропорционально числу бит в обрабатываемом потоке данных. Это, кроме того, делает возможным инкрементный рэндеринг.

§ Быстрое восстановление при ошибках позволяет декодеру частично восстановить сетку, когда субнабор бит потока данных потерян и/или искажен.

§ Масштабируемость LOD (Level Of Detail - уровень детализации) позволяет декодеру реконструировать упрощенную версию исходной сетки, содержащей уменьшенное число вершин из субнабора потока данных. Такие упрощенные презентации полезны, чтобы уменьшить время рэндеринга объектов, которые удалены от наблюдателя (управление LOD), но также делает возможным применение менее мощного средства для отображения объекта с ухудшенным качеством.

Масштабируемость, зависящая от изображения

Масштабируемость, зависящая от вида, делает возможными текстурные карты, которые используются реалистичных виртуальных средах. Она состоит в учете точки наблюдения в виртуальном 3-D мире для того чтобы передать только видимую информацию. Только часть информации затем пересылается, в зависимости от геометрии объекта и смещения точки зрения. Эта часть вычисляется как на стороне кодировщика, так и на стороне декодера. Такой подход позволяет значительно уменьшить количество передаваемой информации между удаленной базой данных и пользователем. Эта масштабируемость может работать с кодировщиками, базирующимися на DCT.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

46

Структура средств для представления натурального видео

Алгоритмы кодирования изображение MPEG-4 и видео предоставляют эффективное представление визуальных объектов произвольной формы, а также поддержку функций, базирующихся на содержимом. Они поддерживают большинство функций, уже предлагаемых в MPEG-1 и MPEG-2, включая эффективное сжатие стандартных последовательностей прямоугольных изображений при варьируемых уровнях входных форматов, частотах кадров, глубине пикселей, скоростях передачи и разных уровнях пространственной, временной и качественной масштабируемости.

Базовая качественная классификация по скоростям передачи и функциональности визуального стандарта MPEG-4 для естественных изображений и видео представлена на рис. 40.

Рис. 40. Классификация средств и алгоритмов кодирования звука и изображения MPEG-4

"Ядро VLBV" (VLBV - Very Low Bit-rate Video) предлагает алгоритмы и средства для приложений, работающих при скоростях передачи между 5 и 64 кбит/с, поддерживающие последовательности изображений с низким пространственным разрешение (обычно ниже разрешения CIF) и с низкими частотами кадров (обычно ниже 15 Гц). К приложениям, поддерживающим функциональность ядра VLBV относятся:

·        Кодирование обычных последовательностей прямоугольных изображений с высокой эффективностью кодирования и высокой устойчивостью к ошибкам, малыми задержками и низкой сложностью для мультимедийных приложений реального времени, и

·        Операции "произвольный доступ", "быстрая перемотка вперед" и " быстрая перемотка назад" для запоминания VLB мультимедиа ДБ и приложений доступа.

Та же самая функциональность поддерживается при высоких скоростях обмена с высокими параметрами по временному и пространственному разрешению вплоть до ITU-R Rec. 601 и больше - используя идентичные или подобные алгоритмы и средства как в ядре VLBV. Предполагается, что скорости передачи лежат в диапазоне от 64 кбит/с до 10 Мбит/с, а приложения включают широковещательное мультимедиа или интерактивное получение сигналов с качеством, сравнимым с цифровым телевидением.

Функциональности, базирующиеся на содержимом, поддерживают отдельное кодирование и декодирование содержимого (т.е. физических объектов в сцене, VO). Эта особенность MPEG-4 предоставляет наиболее элементарный механизм интерактивности.

Для гибридного кодирования естественных и искусственных визуальных данных (например, для виртуального присутствия или виртуального окружения) функциональность кодирования, зависящая от содержимого, допускает смешение нескольких VO от различных источников с синтетическими объектами, такими как виртуальный фон.

Расширенные алгоритмы и средства MPEG-4 для функциональности, зависящей от содержимого, могут рассматриваться как супер набор ядра VLBV и средств для работы при высоких потоках данных.

Поддержка обычной функциональности и зависящей от содержимого

MPEG-4 видео поддерживает обычные прямоугольные изображения и видео, а также изображения и видео произвольной формы.

Кодирование обычных изображений и видео сходно с обычным кодированием в MPEG-1/2. Оно включает в себя предсказание/компенсацию перемещений за которым следует кодирование текстуры. Для функциональности, зависящей от содержимого, где входная последовательность изображений может иметь произвольную форму и положение, данный подход расширен с помощью кодирования формы и прозрачности. Форма может быть представлена двоичной маской или 8-битовой компонентой, которая позволяет описать прозрачность, если один VO объединен с другими объектами.

Видео изображение MPEG-4 и схема кодирования

Рис. 41 описывает базовый подход алгоритмов MPEG-4 видео к кодированию входной последовательности изображений прямоугольной и произвольной формы.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

47

Рис. 41. Базовая блок-схема видео-кодировщика MPEG-4

Базовая структура кодирования включает в себя кодирование формы (для VO произвольной формы), компенсацию перемещения и кодирование текстуры с привлечением DCT (используя стандарт 8x8 DCT или DCT, адаптирующийся к форме).

Важным преимуществом кодирования, базирующегося на содержимом, является то, что эффективность сжатия может для некоторых видео последовательностей быть существенно улучшена путем применения соответствующих объектно-ориентированных средств предсказания перемещения для каждого из объектов на сцене. Для улучшения эффективности кодирования и гибкости презентации объектов может использоваться несколько методик предсказания перемещения:

·   Стандартная оценка и компенсация перемещения, базирующаяся на блоках 8x8 или 16x16 пикселей.

·   Глобальная компенсация перемещения, базирующаяся на передаче статического “образа”. Статическим образом может быть большое статическое изображение, описывающее панораму фона. Для каждого изображения в последовательности, кодируются для реконструкции объекта только 8 глобальных параметров перемещения, описывающих движение камеры. Эти параметры представляют соответствующее афинное преобразование образа, переданного в первом кадре.

Эффективность кодирования в V.2

Стандарт MPEG-4 V.2 улучшает оценку перемещения и компенсации для объектов и текстур прямоугольной и произвольной формы. Введены две методики для оценки и компенсации перемещения:

·   Глобальная компенсация перемещения GMC (Global Motion Compensation). Кодирование глобального перемещения для объекта, использующего малое число параметров. GMC основано на глобальной оценке перемещения, деформации изображения, кодировании траектории перемещения и кодировании текстуры для ошибок предсказания.

·   Четверть-пиксельная компенсация перемещения улучшает точность схемы компенсации, за счет лишь небольшого синтаксической и вычислительной избыточности. Точное описание перемещения приводит к малым ошибкам предсказания и, следовательно, лучшему визуальному качеству.

В области текстурного кодирования DCT (SA-DCT - адаптивный к форме) улучшает эффективность кодирования объектов произвольной формы. Алгоритм SA-DCT основан на предварительно определенных ортонормальных наборах одномерных базисных функций DCT.

Субъективные оценочные тесты показывают, что комбинация этих методик может дать экономию в необходимой полосе канала до 50% по сравнению с версией 1, в зависимости от типа содержимого и потока данных.

Кодирование текстур в статических изображениях

Эффективное кодирование визуальных текстур и статических изображений (подлежащих, например, выкладке на анимационные сетки) поддерживается режимом визуальных текстур MPEG-4. Этот режим основан на алгоритме элементарных волн (wavelet) с нулевым деревом, который предоставляет очень высокую эффективность кодирования в широком диапазоне скоростей передачи. Вместе с высокой эффективностью сжатия, он также предлагает пространственную и качественную масштабируемость (вплоть до 11 уровней пространственной масштабируемости и непрерывной масштабируемости качества), а также кодирование объектов произвольной формы. Кодированный поток данных предназначен также для загрузки в терминал иерархии разрешения изображения. Эта технология обеспечивает масштабируемость разрешения в широком диапазоне условий наблюдения более типичном для интерактивных приложений при отображении 2-D и 3-D виртуальных миров.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

48

Масштабируемое кодирование видео-объектов

MPEG-4 поддерживает кодирование изображений и видео объектов с пространственной и временной масштабируемостью, для обычных прямоугольных и произвольных форм. Под масштабируемостью подразумевается возможность декодировать лишь часть потока данных и реконструировать изображение или их последовательность с:

·   уменьшенной сложностью декодера и следовательно ухудшенным качеством

·   уменьшенным пространственным разрешением

·   уменьшенным временным разрешением

·   равным временным и пространственным разрешением, но с ухудшенным качеством.

Эта функциональность желательна для прогрессивного кодирования изображений и видео, передаваемых через неоднородные сети, а также для приложений, где получатель неспособен обеспечить полное разрешение или полное качество изображения или видео. Это может, например, случиться, когда мощность обработки или разрешение отображения ограничены.

Для декодирования статических изображений, стандарт MPEG-4 предоставит 11 уровней гранулярности, а также масштабируемость качества до уровня одного бита. Для видео последовательностей в начале будет поддерживаться 3 уровня гранулярности, но ведутся работы по достижению 9 уровней.

Устойчивость в среде, предрасположенной к ошибкам

MPEG-4 обеспечивает устойчивость к ошибкам, чтобы позволить доступ к изображениям и видео данным через широкий круг устройств памяти и передающих сред. В частности, благодаря быстрому росту мобильных телекоммуникаций, необычайно важно получить доступ к аудио и видео информации через радио сети. Это подразумевает необходимость успешной работы алгоритмов сжатия аудио и видео данных в среде предрасположенной к ошибкам при низких скоростях передачи (т.е., ниже 64 кбит/с).

Средства противостояния ошибкам, разработанные для MPEG-4 могут быть разделены на три основные группы: ресинхронизация, восстановление данных и подавления влияния ошибок. Следует заметить, что эти категории не являются уникальными для MPEG-4, они широко используются разработчиками средств противодействия ошибкам для видео.

Ресинхронизация

Средства ресинхронизации пытаются восстановить синхронизацию между декодером и потоком данных нарушенную в результате ошибки. Данные между точкой потери синхронизации и моментом ее восстановления выбрасываются.

Метод ресинхронизации принятый MPEG-4, подобен используемому в структурах групп блоков GOB (Group of Blocks) стандартов ITU-T H.261 и H.263. В этих стандартах GOB определена, как один или более рядов макроблоков (MB). В начале нового GOB потока помещается информация, называемая заголовком GOB. Этот информационный заголовок содержит стартовый код GOB, который отличается от начального кода кадра, и позволяет декодеру локализовать данный GOB. Далее, заголовок GOB содержит информацию, которая позволяет рестартовать процесс декодирования (т.е., ресинхронизовать декодер и поток данных, а также сбросить всю информацию предсказаний).

Подход GOB базируется пространственной ресинхронизации. То есть, раз в процессе кодирования достигнута позиция конкретного макроблока, в поток добавляется маркер ресинхронизации. Потенциальная проблема с этим подходом заключается в том, что из-за вариации скорости процесса кодирования положение этих маркеров в потоке четко не определено. Следовательно, определенные части сцены, такие как быстро движущиеся области, будут более уязвимы для ошибок, которые достаточно трудно исключить.

Подход видео пакетов, принятый MPEG-4, базируется на периодически посылаемых в потоке данных маркерах ресинхронизации. Другими словами, длина видео пакетов не связана с числом макроблоков, а определяется числом бит, содержащихся в пакете. Если число бит в текущем видео пакете превышает заданный порог, тогда в начале следующего макроблока формируется новый видео пакет.

Маркер ресинхронизации используется чтобы выделить новый видео пакет. Этот маркер отличим от всех возможных VLC-кодовых слов, а также от стартового кода VOP. Информация заголовка размещается в начале видео пакета. Информация заголовка необходима для повторного запуска процесса декодирования и включает в себя: номер макроблока первого макроблока, содержащегося в этом пакете и параметр квантования, необходимый для декодирования данный макроблок. Номер макроблока осуществляет необходимую пространственную ресинхронизацию, в то время как параметр квантования позволяет заново синхронизовать процесс дифференциального декодирования.

В заголовке видео пакета содержится также код расширения заголовка (HEC). HEC представляет собой один бит, который, если равен 1, указывает на наличие дополнительной информации ресинхронизации. Сюда входит модульная временная шкала, временное приращение VOP, тип предсказания VOP и VOP F-код. Эта дополнительная информация предоставляется в случае, если заголовок VOP поврежден.

Следует заметить, что, когда в рамках MPEG-4 используется средство восстановления при ошибках, некоторые средства эффективного сжатия модифицируются. Например, вся кодированная информация предсказаний заключаться в одном видео пакете так чтобы предотвратить перенос ошибок.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

49

В связи с концепцией ресинхронизацией видео пакетов, в MPEG-4 добавлен еще один метод, называемый синхронизацией с фиксированным интервалом. Этот метод требует, чтобы стартовые коды VOP и маркеры ресинхронизации (т.е., начало видео пакета) появлялись только в легальных фиксированных позициях потока данных. Это помогает избежать проблем, связанных эмуляциями стартовых кодов. То есть, когда в потоке данных встречаются ошибки, имеется возможность того, что они эмулируют стартовый код VOP. В этом случае, при использовании декодера с синхронизацией с фиксированным интервалом, стартовый код VOP ищется только в начале каждого фиксированного интервала.

Восстановление данных

После того как синхронизация восстановлена, средства восстановления данных пытаются спасти данные, которые в общем случае могут быть потеряны. Эти средства являются не просто программами коррекции ошибок, а техникой кодирования данных, которая устойчива к ошибкам. Например, одно конкретное средство, которое было одобрено видео группой (Video Group), является обратимыми кодами переменной длины RVLC (Reversible Variable Length Codes). В этом подходе, кодовые слова переменной длины сконструированы симметрично, так что они могут читаться как в прямом, так и в обратном направлении.

Пример, иллюстрирующий использование RVLC представлен на рис. 42. Вообще, в ситуации, когда блок ошибок повредил часть данных, все данные между двумя точками синхронизации теряются. Однако, как показано на рис. 13, RVLC позволяет восстановить часть этих данных. Следует заметить, что параметры, QP и HEC, показанные на рисунке, представляют поля, зарезервированные в заголовке видео пакета для параметра квантования и кода расширения заголовка, соответственно.

Рис. 42. Пример реверсивного кода переменной длины

Сокрытие ошибок

Сокрытие ошибок (имеется в виду процедура, когда последствия ошибок не видны) является исключительно важным компонентом любого устойчивого к ошибкам видео кодека. Средства аналогичные данному рассмотрены выше, эффективность стратегии сокрытия ошибок в высшей степени зависит от работы схемы ресинхронизации. По существу, если метод ресинхронизации может эффективно локализовать ошибку, тогда проблема сокрытия ошибок становится легко решаемой. Для приложений с низкой скоростью передачи и малой задержкой текущая схема ресинхронизации позволяет получить достаточно приемлемые результаты при простой стратегии сокрытия, такой как копирование блоков из предыдущего кадра.

Для дальнейшего улучшения техники сокрытия ошибок Видео Группа разработала дополнительный режим противодействия ошибкам, который дополнительно улучшает возможности декодера по локализации ошибок. Этот подход использует разделение данных, сопряженных с движением и текстурой. Такая техника требует, чтобы был введен второй маркер ресинхронизации между данными движения и текстуры. Если информация текстуры потеряна, тогда для минимизации влияния ошибок используется информация перемещения. То есть, из-за ошибок текстурные данные отбрасываются, в то время данные о движении служат для компенсации перемещения как ранее декодированной VOP.

Подробное техническое описание MPEG-4 аудио

MPEG-4 кодирование аудио объектов предлагает средства как для представления естественных звуков (таких как речь и музыка) так и синтетических - базирующихся на структурированных описаниях. Представление для синтетического звука может быть получено из текстовых данных или так называемых инструментальных описаний и параметров кодирования для обеспечения специальных эффектов, таких как реверберация и объемное звучание. Представления обеспечивают сжатие и другую функциональность, такую как масштабируемость и обработку эффектов.

Средства аудио кодирования MPEG-4, охватывающие диапазон от 6кбит/с до 24кбит/с, подвергаются верификационным тестированиям для широковещательных приложений цифрового AM-аудио совместно с консорциумом NADIB (Narrow Band Digital Broadcasting). Было обнаружено, что высокое качество может быть получено для одного и того же частотного диапазона с привлечением цифровых методик и что конфигурации масштабируемого кодировщика могут обеспечить лучшие эксплуатационные характеристики.

Натуральный звук

MPEG-4 стандартизирует кодирование естественного звука при скоростях передачи от 2 кбит/с до 64 кбит/с. Когда допускается переменная скорость кодирования, допускается работа и при низких скоростях вплоть до 1.2 кбит/с. Использование стандарта MPEG-2 AAC в рамках набора средств MPEG-4 гарантирует сжатие аудио данных при любых скоростях вплоть до самых высоких. Для того чтобы достичь высокого качества аудио во всем диапазоне скоростей передачи и в то же время обеспечить дополнительную функциональность, техники кодирования голоса и общего аудио интегрированы в одну систему:

·   Кодирование голоса при скоростях между 2 и 24 кбит/с поддерживается системой кодирования HVXC (Harmonic Vector eXcitation Coding) для рекомендуемых скоростей 2 - 4 кбит/с, и CELP (Code Excited Linear Predictive) для рабочих скоростей 4 - 24 кбит/с. Кроме того, HVXC может работать при скоростях вплоть до 1.2 кбит/с в режиме с переменной скоростью. При кодировании CELP используются две частоты стробирования, 8 и 16 кГц, чтобы поддержать узкополосную и широкополосную передачу голоса, соответственно. Подвергнуты верификации следующие рабочие режимы: HVXC при 2 и 4 кбит/с, узкополосный CELP при 6, 8.3, и 12 кбит/с, и широкополосный CELP при 18 кбит/с.

·  

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

50

Для обычного аудио кодирования при скоростях порядка и выше 6 кбит/с, применены методики преобразующего кодирования, в частности TwinVQ и AAC. Аудио сигналы в этой области обычно стробируются с частотой 8 кГц.

Чтобы оптимально перекрыть весь диапазон скоростей передачи и разрешить масштабируемость скоростей, разработана специальная система, отображенная на рис. 43.

Рис. 43. Общая блок-схема MPEG-4 аудио

Масштабируемость полосы пропускания является частным случаем масштабируемости скоростей передачи, по этой причине часть потока, соответствующая части спектра полосы пропускания, может быть отброшена при передаче или декодировании.

Масштабируемость сложности кодировщика позволяет кодирующим устройствам различной сложности формировать корректные информационные потоки. Масштабируемость сложности декодера позволяет данному потоку данных быть декодированному приборами с различной сложностью (и ценой). Качество звука, вообще говоря, связано со сложностью используемого кодировщика и декодера Масштабируемость работает в рамках некоторых средств MPEG-4, но может также быть применена к комбинации методик, например, к CELP, как к базовому уровню, и AAC.

Уровень систем MPEG-4 позволяет использовать кодеки, следующие, например, стандартам MPEG-2 AAC. Каждый кодировщик MPEG-4 предназначен для работы в автономном режиме (stand-alone) со своим собственным синтаксисом потока данных. Дополнительная функциональность реализуется за счет возможностей кодировщика и посредством дополнительных средств вне его.

Улучшения MPEG-4 аудио V.2

Устойчивость к ошибкам

Средства устойчивости к ошибкам предоставляют улучшенные рабочие характеристики для транспортных каналов, предрасположенных к ошибкам. Улучшенную устойчивость к ошибкам для AAC предлагается набором средств сокрытия ошибок. Эти средства уменьшают воспринимаемое искажение декодированного аудио сигнала, которое вызвано повреждением бит информационного потока. Предлагаются следующие средства для улучшения устойчивости к ошибкам для нескольких частей AAC-кадра:

§ Средство виртуального кодового блокнота (VCB11)

§ Средство с обращаемыми кодовыми словами переменной длины RVLC (Reversible Variable Length Coding)

§ Средство изменения порядка кодовых слов Хафмана HCR (Huffman Codeword Reordering)

Возможности улучшения устойчивости к ошибкам для всех средств кодирования обеспечивается с помощью синтаксиса поля данных. Это позволяет применение продвинутых методик кодирования, которые могут быть адаптированы к специальным нуждам различных средств кодирования. Данный синтаксис полей данных обязателен для всех объектов версии 2.

Средство защиты от ошибок (EP tool) работает со всеми аудио объектами MPEG-4 версии 2, предоставляя гибкую возможность конфигурирования для широкого диапазона канальных условий. Главными особенностями средства EP являются следующие:

§ Обеспечение набора кодов для коррекции/детектирования ошибок с широким диапазоном масштабируемости по рабочим характеристикам и избыточности.

§ Обеспечение системы защиты от ошибок, которая работает как с кадрами фиксированной, так и переменной длины.

§ Обеспечение управления конфигурацией защиты от неравных ошибок UEP (Unequal Error Protection) с низкой избыточностью.

Алгоритмы кодирования MPEG-4 аудио версии 2 предоставляет классификацию всех полей потока согласно их чувствительности к ошибкам. На основе этого, поток данных делится на несколько классов, которые могут быть защищены раздельно с помощью инструмента EP, так что более чувствительные к ошибкам части окажутся защищены более тщательно.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

51

Аудио-кодирование с малыми задержками

В то время как универсальный аудио кодировщик MPEG-4 очень эффективен при кодировании аудио сигналов при низких скоростях передачи, он имеет алгоритмическую задержку кодирования/декодирования, достигающую нескольких сот миллисекунд и является, таким образом, неподходящим для приложений, требующих малых задержек кодирования, таких как двунаправленные коммуникации реального времени. Для обычного аудио кодировщика, работающего при частоте стробирования 24 кГц и скорости передачи 24 кбит/с, алгоритмическая задержка кодирования составляет 110 мс плюс до 210 мс дополнительно в случае использования буфера. Чтобы кодировать обычные аудио сигналы enable с алгоритмической задержкой, не превышающей 20 мс, MPEG-4 версии 2 специфицирует кодировщик, который использует модификацию алгоритма MPEG-2/4 AAC (Advanced Audio Coding). По сравнению со схемами кодирования речи, этот кодировщик позволяет сжимать обычные типы аудио сигналов, включая музыку, при достаточно низких задержках. Он работает вплоть до частот стробирования 48 кГц и использует длину кадров 512 или 480 значений стробирования, по сравнению с 1024 или 960 значений, используемых в стандарте MPEG-2/4 AAC. Размер окна, используемого при анализе и синтезе блока фильтров, уменьшен в два раза. Чтобы уменьшить артифакты предэхо в случае переходных сигналов используется переключение размера окна. Для непереходных частей сигнала используется окно синусоидальной формы, в то время как в случае переходных сигналов используется так называемое окно с низким перекрытием. Использование буфера битов минимизируется, чтобы сократить задержку. В крайнем случае, такой буфер вообще не используется.

Масштабируемость гранулярности

Масштабируемость скорости передачи, известная как встроенное кодирование, является крайне желательной функцией. Обычный аудио кодировщик версии 1 поддерживает масштабируемость с большими шагами, где базовый уровень потока данных может комбинироваться с одним или более улучшенных уровней потока данных, чтобы можно было работать с высокими скоростями и, таким образом, получить лучшее качество звука. В типовой конфигурации может использоваться базовый уровень 24 кбит/с и два по 16 кбит/с, позволяя декодирование с полной скоростью 24 кбит/с (моно), 40 кбит/с (стерео), и 56 кбит/с (стерео). Из-за побочной информации передаваемой на каждом уровне, малые уровни-добавки поддерживаются в версии 1 не очень эффективно. Чтобы получить эффективную масштабируемость с малыми шагами для стандартного аудио кодировщика, в версии 2 имеется средство побитового арифметического кодирования BSAC (Bit-Sliced Arithmetic Coding). Это средство используется в комбинации с AAC-кодированием и замещает бесшумное кодирование спектральных данных и масштабных коэффициентов. BSAC предоставляет масштабируемость шагами в 1 кбит/с на аудио канал, т.е. шагами по 2 кбит/с для стерео сигнала. Используется один базовый поток (уровень) данных и много небольших потоков улучшения. Базовый уровень содержит общую информацию вида, специфическую информацию первого уровня и аудио данные первого уровня. Потоки улучшения содержат только специфические данные вида и аудио данные соответствующего слоя. Чтобы получить масштабируемость с небольшими шагами, используется побитовая схема a квантования спектральных данных. Сначала преобразуемые спектральные величины группируются в частотные диапазоны. Каждая из этих групп содержит оцифрованные спектральные величины в их двоичном представлении. Затем биты группы обрабатываются порциями согласно их значимости. Таким образом сначала обрабатываются все наиболее значимые биты (MSB) оцифрованных величин в группе и т.д. Эти группы бит затем кодируются с привлечением арифметической схемы кодирования, чтобы получить энтропийные коды с минимальной избыточностью. Представлены различные модели арифметического кодирования, чтобы перекрыть различные статистические особенности группировок бит.

Верификационные тесты показали, что аспект масштабируемости этого средства ведет себя достаточно хорошо в широком диапазоне скоростей передачи. При высоких скоростях оно столь же хорошо, как главный профайл AAC, работающий на той же скорости, в то время как при нижних скоростях функция масштабируемости требует скромной избыточности по отношению к основному профайлу AAC, работающий на той же скорости.

Параметрическое кодирование звука

Средства параметрического аудио-кодирования сочетают в себе низкую скорость кодирования обычных аудио сигналов с возможностью модификации скорости воспроизведения или шага при декодировании без бока обработки эффектов. В сочетании со средствами кодирования речи и звука версии 1, ожидается улучшенная эффективность кодирования для использования объектов, базирующихся на кодировании, которое допускает выбор и/или переключение между разными техниками кодирования.

Параметрическое аудио-кодирование использует для кодирования общих аудио сигналов технику HILN (Harmonic and Individual Lines plus Noise) при скоростях 4 кбит/с, а выше применяется параметрическое представление аудио сигналов. Основной идеей этой методики является разложение входного сигнала на аудио объекты, которые описываются соответствующими моделями источника и представляются модельными параметрами. В кодировщике HILN используются модели объектов для синусоид, гармонических тонов и шума.

Как известно из кодирования речи, где используются специализированные модели источника, основанные на процессе генерации звуков в человеческом голосовом тракте, продвинутые модели источника могут иметь преимущество в частности для схем кодирования с очень низкими скоростями передачи. Из-за очень низкой скорости передачи могут быть переданы только параметры для ограниченного числа объектов. Следовательно, модель восприятия устроена так, чтобы отбирать те объекты, которые наиболее важны для качества приема сигнала.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

52

В HILN, параметры частоты и амплитуды оцифровываются согласно с "заметной разницей", известной из психо-акустики. Спектральный конверт шума и гармонический тон описан с использованием моделирования LPC. Корреляция между параметрами одного кадра и между последовательными кадрами анализируется методом предсказания параметров. Оцифрованные параметры подвергаются энтропийному кодированию, после чего эти данные вводятся в общий информационный поток.

Очень интересное свойство этой схемы параметрического кодирования происходит из того факта, что сигнал описан через параметры частоты и амплитуды. Эта презентация сигнала позволяет изменять скорость и высоту звука простой вариацией параметров декодера. Параметрический аудио кодировщик HILN может быть объединен с параметрическим кодировщиком речи MPEG-4 (HVXC), что позволит получить интегрированный параметрический кодировщик, покрывающий широкий диапазон сигналов и скоростей передачи. Этот интегрированный кодировщик поддерживает регулировку скорости и тона. Используя в кодировщике средство классификации речи/музыки, можно автоматически выбрать HVXC для сигналов речи и HILN для музыкальных сигналов. Такое автоматическое переключение HVXC/HILN было успешно продемонстрировано, а средство классификации описано в информативном приложении стандарта версии 2.

Сжатие тишины CELP

Средство “сжатия тишины” уменьшает среднюю скорость передачи благодаря более низкому сжатию пауз (тишины). В кодировщике, детектор активности голоса используется для разделения областей с нормальной голосовой активностью и зон молчания или фонового шума. Во время нормальной голосовой активности используется кодирование CELP как в версии 1. В противном случае передается дескриптор SID (Silence Insertion Descriptor) при малой скорости передачи. Этот дескриптор SID активирует в декодере CNG (Comfort Noise Generator). Амплитуда и форма спектра этого шума специфицируются энергией и параметрами LPC как в обычном кадре CELP. Эти параметры являются опционной частью SID и таким образом могут модифицироваться.

Устойчивое к ошибкам HVXC

Объект HVXC, устойчивый к ошибкам (ER) поддерживается средствами параметрического кодирования голоса (ER HVXC), которые предоставляют режимы с фиксированными скоростями обмена (2.0-4.0 кбит/с) и режим с переменной скоростью передачи (<2.0 кбит/с, <4.0 кбит/с) в раках масштабируемой и не масштабируемой схем. В версии 1 HVXC, режим с переменной скоростью передачи поддерживается максимум 2.0 кбит/с, а режим с переменной скоростью передачи в версии ER HVXC 2 дополнительно поддерживается максимум 4.0 кбит/с. ER HVXC обеспечивает качество передачи голоса международных линий (100-3800 Hz) при частоте стробирования 8кГц. Когда разрешен режим с переменной скоростью передачи, возможна работа при низкой средней скорости передачи. Речь, кодированная в режиме с переменной скоростью передачи при среднем потоке 1.5 кбит/с, и типовом среднем значении 3.0 кбит/с имеет существенно то же качество, что для 2.0 кбит/с при фиксированной скорости и 4.0 кбит/с, соответственно. Функциональность изменения тона и скорости при декодировании поддерживается для всех режимов. Кодировщик речи ER HVXC ориентирован на приложения от мобильной и спутниковой связи, до IP-телефонии, и голосовых баз данных.

Пространственные характеристики среды

Средства пространственной характеристики среды позволяют создавать аудио сцены с более естественными источниками звука и моделированием звукового окружения, чем это возможно в версии 1. Поддерживается как физический подход, так и подход восприятия. Физический подход основан на описании акустических свойств среды (например, геометрии комнаты, свойств конструкционных материалов, положения источников звука) и может быть использован в приложениях подобно 3-D виртуальной реальности. Подход с позиций восприятия позволяет на высоком уровне описать аудио восприятие сцены, основанное на параметрах, подобных тем, что используются блоком эффекта реверберации. Таким образом, аудио и визуальная сцена могут быть сформированы независимо, как это обычно требуется в случае кинофильмов. Хотя пространственной характеристики среды относятся к аудио, они являются частью описания BIFS (BInary Format for Scene) в системах MPEG-4 и называются продвинутым AudioBIFS.

Обратный канал

Обратный канал (back channel) позволяет передать запрос клиента и/или клиентского терминала серверу. Посредством обратного канала может быть реализована интерактивность. В системе MPEG-4 о необходимости обратного канала (back channel) клиентский терминал оповещается с помощью соответствующего дескриптора элементарного потока, характеризующего параметры этого канала. Терминал клиента открывает этот обратный канал, так же как и обычные каналы. Объекты (например, медиа кодировщики или декодеры), которые соединены через обратный канал известны через параметры, полученные через дескриптор элементарного потока и за счет ассоциации дескриптора элементарного потока с дескриптором объекта. В MPEG-4 аудио, обратный канал обеспечивает обратную связь для настройки скорости передачи, масштабируемости и системы защиты от ошибок.

Транспортный поток звука

Транспортный поток MPEG-4 аудио определяет механизм передачи аудио потоков MPEG-4 без использования систем MPEG-4 и предназначен исключительно для аудио приложений. Транспортный механизм использует двухуровневый подход, а именно уровни мультиплексирования и синхронизации. Уровень мультиплексирования (Low-overhead MPEG-4 Audio Transport Multiplex: LATM) управляет мультиплексированием нескольких информационных полей MPEG-4 аудио и аудио конфигурационной информации. Уровень синхронизации специфицирует синтаксис транспортного потока MPEG-4 аудио, который называется LOAS (Low Overhead Audio Stream - аудио поток с низкой избыточностью). Интерфейсный формат для транспортного уровня зависит от ниже лежащего коммуникационного уровня.

НАУ.ІСПР.24391.03.07.05

Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата

Стор.

53

Синтетический звук

MPEG-4 определяет декодеры для генерирования звука на основе нескольких видов структурированного ввода. Текстовый ввод Text преобразуется в декодере TTS (Text-To-Speech), в то время как прочие звуки, включая музыку, могут синтезироваться стандартным путем. Синтетическая музыка может транспортироваться при крайне низких потоках данных.

Декодеры TTS (Text To Speech) работают при скоростях передачи от 200 бит/с до 1.2 Кбит/с, что позволяет использовать при синтезе речи в качестве входных данных текст или текст с просодическими параметрами (тональная конструкция, длительность фонемы, и т.д.). Такие декодеры поддерживают генерацию параметров, которые могут быть использованы для синхронизации с анимацией лица, при осуществлении перевода с другого языка и для работы с международными символами фонем. Дополнительная разметка используется для передачи в тексте управляющей информации, которая переадресуется другим компонентам для обеспечения синхронизации с текстом. Заметим, что MPEG-4 обеспечивает стандартный интерфейс для работы кодировщика TTS (TTSI = Text To Speech Interface), но не для стандартного TTS-синтезатора.

Синтез с множественным управлением (Score Driven Synthesis).

Средства структурированного аудио декодируют входные данные и формируют выходной звуковой сигнал. Это декодирование управляется специальным языком синтеза, называемым SAOL (Structured Audio Orchestra Language), который является частью стандарта MPEG-4. Этот язык используется для определения "оркестра", созданного из "инструментов" (загруженных в терминал потоком данных), которые формирует и обрабатывает управляющую информацию. Инструмент представляет собой маленькую сеть примитивов обработки сигналов, которые могут эмулировать некоторые специфические звуки, такие, которые могут производить настоящие акустические инструменты. Сеть обработки сигналов может быть реализована аппаратно или программно и включать как генерацию, так и обработку звуков, а также манипуляцию записанными ранее звуками.

MPEG-4 не стандартизует "единственный метод" синтеза, а скорее описывает путь описания методов синтеза. Любой сегодняшний или будущий метод синтеза звука может быть описан в SAOL, включая таблицу длин волн, FM, физическое моделирование и гранулярный синтез, а также непараметрические гибриды этих методов.

Управление синтезом выполняется путем включения "примитивов" (score) или "скриптов" в поток данных. Примитив представляет собой набор последовательных команд, которые включают различные инструменты в определенное время и добавляют их сигнал в общий музыкальный поток или формируют заданные звуковые эффекты. Описание примитива, записанное на языке SASL (Structured Audio Score Language), может использоваться для генерации новых звуков, а также включать дополнительную управляющую информацию для модификации существующих звуков. Это позволяет композитору осуществлять тонкое управление синтезированными звуками. Для процессов синтеза, которые не требуют такого тонкого контроля, для управления оркестром может также использоваться протокол MIDI.

Тщательный контроль в сочетании с описанием специализированных инструментов, позволяет генерировать звуки, начиная с простых аудио эффектов, таких как звуки шагов или закрытия двери, кончая естественными звуками, такими как шум дождя или музыка, исполняемая на определенном инструменте или синтетическая музыка с полным набором разнообразных эффектов.

Для терминалов с меньшей функциональностью, и для приложений, которые не требуют такого сложного синтеза, стандартизован также "формат волновой таблицы” (“wavetable bank format"). Используя этот формат, можно загрузить звуковые образцы для использования при синтезе, а также выполнить простую обработку, такую как фильтрация, реверберация, и ввод эффекта хора. В этом случае вычислительная сложность необходимого процесса декодирования может быть точно определена из наблюдения потока данных, что невозможно при использовании SAOL.

                НАУ.ІСПР.24391.03.07.05 Вим  Стор.    №  документу    Підпис      Дата Стор. 2 Описание формата MPEG В январе

 

• 14:21 05 Июля 2016
  Российско-китайский медуниверситет откроет магистерскую программу по TCM
• 01:21 05 Июля 2016
  На форуме МГУ Россия и Китай обсудят научно-образовательное сотрудничество
• 11:00 04 Июля 2016
  Реморенко: "ЕГЭ-туризм" в России сходит на нет
• 10:52 04 Июля 2016
  Летняя российско-австрийская школа откроется в Москве
• 15:31 01 Июля 2016
  В СПбГУ могут воссоздать географический факультет

Заказать уникальную работу