Image116 (4)

Podstawy ■

Podstawy ■

Rys. 48

plikowane i trudno w obrazowy sposób przedstawić zasadę działania kodera (kompresora) i dekodera (dekompresora) wideo MPEG-2. W każdym razie dekodowanie jest dużo łatwiejsze niż kodowanie, co pozwala produkować tanio dekodery MPEG-2.

Analogiczna sytuacja jest z dźwiękiem. Zamiast transmitować „surowy dźwięk'’, poddaje się go analizie i kompresji, także uwzględniając właściwości i możliwości „oszukania” ucha ludzkiego. Na przykład dzieli się pasmo akustyczne na pasma-zakresy i w^f poszczególnych pasmach zupełnie usuwa się z przekazu te cichsze dźwięki składowe, które zostają zgłuszone (zamaskowane) przez silniejsze, a których ucho ludzkie nie jest w stanie zauważyć.

Po takim usunięciu praktycznie niesłyszalnych dla człowieka składników, uzyskany sygnał przekształca się i zapisuje się przy użyciu bardzo oszczędnego sposobu kodowania, bardzo podobnie jak w przypadku obrazów Potem odpowiednio dekodując w odbiorniku, uzyskuje się dźwięk niemal identyczny z oryginalnym. Doświadczamy tego korzystając z wszechobecnych plików MP3, które są kompresowane zgodnie ze standardem MPEG-1. Bo MP3 to przecież skrót od MPEG-I layer 3. Nowszy standard MPEG-2 daje jeszcze większe możliwości, także jeśli chodzi o sygnały audio, między innymi ofeiu-je dźwięk wielokanałowy.

Elastyczność MPEG-2

Oczywiście celem wszystkich opisanych wcześniej bardzo skomplikowanych zabiegów jest radykalne zmniejszenie ilości przesyłanych informacji o obrazie i dźwięku. Standard MPEG-2 jest elastyczny i oprócz dynamicznych zmian przepływności, wynikających z charakteru sceny, pozwala oczywiście nadawcy zadecydować nie tylko o rozdzielczości obrazu, ale też o ogólnej jakości transmitowanego obrazu przy danej rozdzielczości. Godząc się na nieco niższą jakość obrazu telewizyjnego można zmniejszyć przepływność nawet do 1,5 megabita na sekundę (1,5Mb/s). Najwyższe możliwe parametry uzyskuje się przy 15Mb/s, ale w praktyce doskonałą jakość uzyskuje się przy transmisji rzędu kilku megabitów na sekundę. Mało tego, można na bieżąco według potrzeb zmieniać stopień kompresji i na przykład „szyhkozmienne” transmisje, na przykład sportowe, przekazywać z prędkością 7. ⁽)Mb/s, a ..wolnozmienne”, typu Talk Show, z mniejszą rzędu 4.. .5Mb/s. Można też analizować „zmienność” poszczególnych programów danego pakietu i dynamicznie zmieniać stopnie ich kompresji, zależnie od chwilowych zmian obrazu (tzw. multipleksowanie statystyczne). W każdym razie dekoder MPEG w odbiorniku doskonale sobie poradzi 7 takimi bieżącymi zmianami stopnia kompresji. Generalnie każdy dekoder MPEG-2 odkoduje sygnały wideo klasyczne telewizji o przepływności l,5-15Mbits/s, a obraz może mieć proporcje 4:3 (normalny), 16:9 (szerokoekranowy) ewentualnie 2,21:1 (panoramiczny, kinowy). Odkoduje też mające znacznie mniejszą przepływność sygnały audio, także stereofoniczne, oraz wyodrębni dźwięk stereo z wielokanałowego.

Warto nadmienić, że standardowe przekazy telewizyjne realizowane są w tak zwanym formacie 4:2:0, gdzie informacja o jasności, czyli luminancji jest pełna, a informacja o kolorach - silnie zredukowana. Rozdzielczość sygnałów koloru jest dwukrotnie mniejsza zarówno w osi poziomej, jak i w osi pionowej, co zmniejsza objętość czterokrotnie względem sygnał i luminancji. Jak pokazuje wcześniejszy rysunek 44, w formacie oznaczanym 4:2:0 jeden makrohlok zawiera 6 bloków, z czego cztery opisujące luminancję Y i po jednym, sygnały koloru Cb i Cr, co można opisać: YYY-YCbCr. Standard MPEG-2 przewiduje też studyjny format (Studio Profile>, oznaczany 4:2:2, gdzie informacja o kolorach jest bogatsza, gdzie mak-roblok zawiera osiem bloków: YYYYCbCrCbCr. Przewidziano też format 4:4:4 (głównie dla grafiki komputerowej), gdzie w 12-blokowym makrobloku przekazywana jest pełna informacja o kolorach: YYYYCbCrCbCrCbCrCbCr. M r. i ej popularne są formaty oznaczane 4:1:0 (Intel DVI), 4:1:1. czy 3:2:2, 3:1:1, 3:1:0. Oprócz klasycznego obrazu zawierającego 720x576 pikseli, przewidziane są też przekazy obrazu o wyższej rozdzielczości - HDTV.

Oddzielna sprawa to kompresja dźwięku. Standard MPEG-2 także tutaj przewiduje rozliczne możliwości, nie tylko dźwięk stereofoniczny, ale dźwięk wielokanałowy, kodowany według AAC (Advanced Audio Coding) czy Dolby Digital

MPEG-2 jest więc generalnie bardzo elas tyczny. Całe to kompresowanie i dekom preso-wanie sygnałów wideo i audio to matematycz ne operacje na liczbach. Kompresor (i dekom-presor) MPEG-2 to w rzeczywistości procesor o potężnej mocy obliczeniowej. Może to być specjalizowany procesor stworzony specjalnie do tego celu, ale w roli kompresora i dekompresora (kodera i dekodera) MPEG-2 może też wystąpić zwyczajny komputer PC o znacznej mocy obliczeniowej z odpowiednim progra mem. W każdym razie przy odbiorze ze „ściśniętego” sygnału MPEG-2 uzyskuje się naj pierw' „standardowe” sygnały cyfrowe, a potem analogowe podawane na telewizor, czy to klasycznym z lampą kineskopow ą, czy wyświetlaczem LCD lub plazmowym.

Warto pamiętać, że o możliwościach danego dekodera decydują dwa czynniki: moc obliczeniowa użytego procesora oraz program. Mając do dyspozycji silny procesor

0    mocy obliczeniowej „z zapasem", można zmieniać właściwości dekodera i uzyskać dodatkowe funkcje przez zmianę oprogramowania.

Jest to możliwe nie tylko w programowych dekoderach MPEG, wykorzystujących część mocy obliczeniowej głównego procesora komputera PC. Współczesne mikroprocesory często przechowują program w pamięci FLASH, rzadziej w' pamięci RAM, ale tak czy inaczej program taki można zastąpić nowszą wersją. Dlatego także w sprzętowych dekoderach MPEG zazwyczaj istnieje możliwość aktualizacji oprogramowania Problem tylko w tym, żeby moc obliczeniowa procesora wystarczyła do realizacji nowego programu.

Zazwyczaj zarówno koder MPEG po stronie nadawczej, jak też dekoder MPEG po stronie odbiorczej są specjalizowanymi mikroprocesorami o odpowiednio dużej mocy obliczeniowej. Rysunek 49 pokazuje schemat blokowy kodera/dekodera MPEG wideo

1    audio pPD61151/pPD61152 firmy NEC. W istocie jest to 32-bitowy mikroprocesor RISC w' technologii 0,15 mikrona, zasilany napięciem 1,5V, z jądrem NU85ET o mocy 67MIPS (67 milionów instrukcji na sekundę) przy 54MHz. Taki układ jest jedynie kodę rem/dekoderem sygnałów cyfrowych i nie zawiera przetworników A/C i C/A.

Dostępne są także układy scalone zawierające „na pokładzie” nie tylko procesor cyfro wy, ale też niezbędne przetworniki. Rysunek 50 pokazuje schemat wewnętrzny układu NEC pPD61181 będący uniwersalnym kodekiem (koderem/dekoderem) z wbudowanymi wszyst kimi obwodami pomocniczymi, przeznaczonym do sprzętu pow szechnego użytku, a konkretnie dla coraz popularniejszych rekorde-rów DVDi HDD. Sercem jest 32-bitowy mik roprocesor o mocy 225MIPS przy 187MHz.

Elektronika dla Wszystkich Czerwiec 2006 65