Kompresja pasma

Szerokość pasma wymaganego do transmisji obrazowych zależy od: częstości wyświetlania ramek, rozdzielczości punktowej obrazu, jakości kolorów, formatu obrazu lub monitora oraz potrzebnej jakości głosu. Dla standardowych przekazów analogowych ATV (Analog TV) szerokość pasma wynosi 6 MHz, z czego sygnał zajmuje tylko 4,5 MHz. Przekaz cyfrowy DVB (Digital Video Broadcasting) dla obrazów o wysokiej rozdzielczości HDTV, bez kompresji sygnału, wymaga nieskomprymowanej przepływności w zakresie 90–270 Mb/s, co umożliwia przesłanie zaledwie 11 cyfrowych kanałów NTSC przez światłowodowe medium o szybkości 1 Gb/s. W celu zawężenia tak szerokiego pasma stosuje się dwa rodzaje kompresji obrazowej:

• bezstratną – nową wersję ITU-R 723 redukującą przekaz maksymalnie w stosunku 10:1, czyli do szybkości 45 Mb/s dla jednego kanału;
• stratną – z kompresją nawet w stosunku 200:1, komprymującą przekaz obrazu do szybkości E1 (2,048 Mb/s), T1 (1,544 Mb/s) lub mniejszej. Standardy MPEG stosują kompresję stratną w postaci dyskretnej transformaty kosinusowej DCT (Discrete Cosine Transform), wyznaczającej ciąg 64 współczynników na podstawie analizy bloku 8x8 piksli. Standard MPEG-2 umożliwia prezentację wideo o jakości przewyższającej obrazy uzyskiwane przy użyciu systemów telewizyjnych NTSC, PAL i SECAM.

Standardy kompresji obrazu

Wśród wielu standardów kompresji obrazowej najczęściej spotykanymi są:

• Px64 – przyjęty przez CCITT jako standard przemysłowy według specyfikacji H.320 głównie do obsługi wideokonferencji. Określa stopień kompresji za pomocą kodeków, jako wielokrotność 64 kb/s z uwzględnieniem zgodności ze standardami TV stosowanymi w różnych krajach. Zalecenie H.320 definiuje dodatkowo: formatowanie ramek, kompresję głosu i dźwięku o jakości Hi-Fi z szybkością do 16 kb/s, techniki szyfrowania i procedury sesji wielopunktowych MCU (Multipoint Control Unit).
• JPEG (Joint Photographic Expert Group) – metoda kompresji obrazów nieruchomych opracowana przez organizację o tej samej nazwie, rozszerzona później o kompresję ruchomych sekwencji wideo. Metoda JPEG pozwala na kompresję poszczególnych ramek w zakresie 20:1 (także 30:1), redukcję ich rozmiarów i szybkości przesyłania, jest jednak wolniejsza od kompresji MPEG i nie nadaje się dla przekazów telewizyjnych. Ponieważ rejestruje ona w całości wszystkie obrazy pośrednie, umożliwia to później swobodne redagowanie ramek.
• MPEG (Motion Picture Experts Group) – opracowany przez zespół powołany w ramach ISO i IEC określa standard kompresji obrazów wideo (MPEG-1) z kodowaniem strumieni do 1,5 Mb/s, przekazów telewizyjnych kodowanych (MPEG-2), aplikacji o podwyższonej jakości HDTV (MPEG-3), a także do obsługi wideokonferencji (MPEG-4) regulujący kodowanie dla strumieni w zakresie 10 kb/s–2 Mb/s. Standardy MPEG opierają się na założeniu, że obrazy telewizyjne stanowią trójwymiarowy zbiór elementów: dwa wymiary są zawsze związane z obrazem, trzeci stanowi funkcję czasu. Kompresja w standardzie MPEG (dla różnorodnych formatów obrazu) polega na rejestracji obrazu podstawowego, a następnie tylko tych elementów, które odróżniają od niego następne obrazy. Kodowanie w standardzie MPEG tworzy rodzinę systemów kodowania dla różnych algorytmów wybierania obrazu oraz małej (LDTV), konwencjonalnej (SDTV), rozszerzonej (EDTV) i wysokiej (HDTV) rozdzielczości. Algorytm kompresji MPEG-2 stanowi rozszerzenie algorytmu hybrydowej kompresji H.261, opartej na dyskretnej transformacji kosinusoidalnej DCT (Discrete Cosine Transform), a jego efektywność jest wyższa niż uzyskiwana przez standard JPEG.

MPEG-System normalizuje sposób łączenia ciągów informacyjnych (wideo i audio) w zbiorczy strumień informacji wyjściowej, przyjmującej dwie możliwe postaci:

• jako SPS (System Program Stream) dla pakietów o zmiennej długości stosowanych w kanałach wysokiej jakości oraz STS (System Transport Stream) dla pakietów o stałej długości 184 bajty treści + 4 bajty nagłówka;
• MPEG-Video definiuje format ciągów bitowych przenoszących sygnały wizyjne, określa podział danych i sposób skalowania: czasowy, przestrzenny lub SNR;
• MPEG-Audio określa sposób kodowania pięciu kanałów fonicznych o wysokiej jakości, dwu pomocniczych o zawężonym pasmie oraz siedmiu z komentarzami – przeznaczonych dla innych wersji językowych. Wysoką jakość głosu uzyskuje się już przy przepływności kanału do 64 kb/s.