В последних выпусках международного журнала "CCTV Focus" было опубликовано немало статей по цифровому видео, однако еще ни разу не было проведено такого детального анализа различных технологий и тенденций, как в предлагаемой вашему вниманию статье, написанной Битом Мейером (Beat Meier), дипломированным инженером, директором Fast media integration AG.

Цифровые средства информации приобретают сегодня небывалую важность. Эта тенденция поддерживается, прежде всего, стремительным развитием наземных и мобильных телекоммуникаций, сетевых технологий и средств хранения информации.

Через контролируемые сети и сигнальные центры, мощность которых постоянно растет, передаются аварийные сигналы, фотографические (статические) изображения, видеоизображения в реальном масштабе времени, данные о таких физических характеристиках, как температура, атмосферное давление, уровень воды, географическое положение объекта и т.д.

ВИДЕО- И АУДИОСЖАТИЕ

Несжатое видеоизображение в режиме реального времени.

Цифровая обработка видеосигнала во много раз ускоряет передачу данных. В режиме реального времени видеоизображение с разрешением 720x576 пикселей при 24-битовом кодировании цвета передается как гигантский поток данных -- 248 мегабит в секунду. Это равно объему информации приблизительно 22 дискет, который требовалось бы передавать каждую секунду!

Сеть FAST Ethernet (100 Мбит/с) не позволяет передавать даже один несжатый поток видеоданных в реальном времени.

На таком носителе данных, как перезаписываемый CD, имеется место не более чем для 20 секунд видео.

Ввиду этого, чтобы уменьшить размер цифрового файла посредством удаления или реструктурирования данных, потребность в сжатии видеосигнала неизбежна.

МЕТОДЫ СЖАТИЯ

Стандартный формат MPEG
Аббревиатура MPEG расшифровывается как "Motion Pictures Experts Group" -- "Экспертная группа по вопросам движущегося изображения". Это международная организация, разрабатывающая стандарты для кодирования движущихся изображений. Чтобы гарантировать максимально широкий диапазон его применения, стандарт MPEG устанавливает только одну модель данных для сжатия движущихся изображений и звуковых сигналов. Благодаря этому MPEG остается независимым от самых разных компьютерных платформ. В настоящее время различают пять стандартов: MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7 и MPEG-21. Стандарты MPEG-XX постоянно пересматриваются и служат базой для технологического прогресса в сжатии видео- и аудиосигналов. Среди профессионалов форматы MPEG пользуются самой большой популярностью и получили очень широкое распространение.

MPEG-1
MPEG-1 принят в 1993 г. с целью обеспечения передачи движущихся изображений и сопровождающего их звукового сигнала для средств информации с малой полосой пропускания (от 1 до 1,5 мегабит в секунду) с приемлемой частотой регенерации и наилучшим возможным качеством изображения. Цель MPEG-1 -- произвольный доступ к последовательности изображений в пределах половины секунды без заметной потери качества. В большинстве случаев бытового применения (оцифровывание записи, сделанной во время отпуска) и применения в бизнесе (видеозапись, документация) качество MPEG-1 приемлемо; но для применения в области систем безопасности качество изображения в большинстве случаев нельзя признать пригодным.

MPEG-2 (ISO/IEC 13818)
MPEG-2 существует с 1995 г.; его основная структура аналогична структуре формата MPEG-1. Позволяет передавать данные со скоростью от 1 до 100 мегабит в секунду и используется для цифрового телевидения (DF1), видеофильмов на DVD и в профессиональных видеосистемах записи изображений. Разрешение и скорость передачи данных в формате MPEG-2 поддаются изменению в широких пределах таким образом, чтобы этот формат максимально подходил для передачи и записи видеосигналов. Начиная со скорости передачи данных около 2 Мбит/с, качество видеоизображения заметно лучше, чем у MPEG-1.

По сети FAST Ethernet (100 Мбит/с) в режиме реального времени может быть передано более 50 видеопотоков данных, сжатых в формате MPEG-2.

На перезаписываемом CD в режиме реального времени и при сохранении хорошего качества изображения помещается приблизительно 36 минут видеоинформации в формате MPEG-2.

MPEG-2 можно использовать также для сжатия отдельных изображений (наподобие MJPEG); для воспроизведения качества изображения, аналогичного MJPEG, он потребует примерно на 12% меньшего объема памяти, чем MJPEG.

MPEG-4 (ISO/IEC 14496)
MPEG-4 -- один из новейших видеоформатов. В настоящее время еще не существует аппаратных средств сжатия, а доступные программные средства кодирования и декодирования работают очень медленно. В результате, данный алгоритм сжатия в настоящее время в системах видеозаписи не используется.

MPEG-7 "Интерфейс описания содержания мультимедиа"
Это самый последний проект в семействе MPEG. Он представляет собой стандарт для описания данных мультимедиа, которые могут использоваться независимо от других стандартов MPEG. (Подробнее об этом стандарте читайте во втором номере журнала "CCTV Фокус".)

MPEG-21 "Структура мультимедиа"
Над разработкой этого нового стандарта MPEG-21 эксперты начали работать в июне 2000 г.

Различия между MPEG-1 и MPEG-2
К самым важным относятся следующие видоизменения:
- масштабируемость различных уровней качества изображения в одном видеопотоке;
- увеличение точности векторов движения до половины пиксела;
- расширенная избыточность ошибки через специальные векторы для I-кадров;
- выбираемая точность дискретного косинусного преобразования;
- дополнительные режимы прогнозирования и связанные макроблоки.

Wavelet
Вейвлет обработка видеосигналов учитывает широкополосный характер видеоизображений и обрабатывает их как единое целое -- всегда как полноценный видеокадр. Полученная информация фильтруется с делением на 42 полосы частот (по 14 для каждой из двух цветных компонент и 14 для сигналов яркости). Затем посредством адаптивного квантования каждая полоса оптимизируется для тех частот, которые можно распознать невооруженным глазом, после чего производится кодирование длин серий.

Это интеллектуальное квантование выполняется потому, что человеческий глаз (подобно уху) не распознает как высоких, так и низких частот.

Эта процедура особенно хорошо подходит для передачи видеоизображения в режиме реального времени.

Формат MJPEG
MJPEG расшифровывается как Motion-JPEG, где motion -- движение. MJPEG -- это процедура сжатия, которая применяется к каждому отдельному изображению.

Поток данных с видеокамеры, при хорошем качестве изображения, может быть уменьшен приблизительно с 33 Мбит/с до 6 Мбит/с, что соответствует среднему размеру изображения в 30 килобайт. Коэффициент компрессии регулируется. Однако формат MJPEG не предусматривает стандарта для синхронизации звукового и видеоряда во время записи и воспроизведения данных, поэтому изготовители цифровых систем видеозаписи должны использовать, если необходимо, собственные средства.

Сеть FAST Ethernet 100 Мбит/с в режиме реального времени способна передавать до 12 видеопотоков, сжатых с помощью MJPEG (72 Мбит/с).

JPEG 2000
Название стандарта JPEG 2000 указывает на год его появления. Его предшественник -- формат JPEG -- позволяет уменьшить размеры файла почти на 95% по сравнению с другими форматами изображения, поддерживая полную насыщенность цвета в 24 бита. В то же самое время этот формат обладает нежелательными свойствами: при высоких коэффициентах сжатия этот формат, принятый Объединенной группой экспертов по обработке фотоизображений, создает явно видимые артефакты.

Устранить этот недостаток позволяет появление формата изображения JPEG 2000 (j2k). Он предполагает увеличение коэффициента сжатия еще на 30%, благодаря чему блочные искажения, характерные для JPEG, отойдут в прошлое. Когда применяется вейвлет-технология сжатия (со слишком высоким коэффициентом сжатия), изображения кажутся пористыми или нерезкими.

Свыше трех лет специалисты занимались разработкой JPEG 2000, поставив себе цель создать новый отраслевой стандарт для кодирования цветных и черно-белых неподвижных изображений. Особое внимание уделялось следующим критериям:
- высокое качество изображения -- как субъективное, так и оцениваемое количественно;
- высокий коэффициент сжатия;
- небольшое время кодирования и декодирования;
- низкие требования к объему памяти для выполнения компрессии и декомпрессии.

Точные спецификации формата JPEG 2000 известны только членам комитета и пока официально не объявлены, но об общих особенностях JPEG 2000 можно судить по информации, полученной от представителей оптической индустрии (например, SPIE), в ходе сетевых телеконференций и по публикациям DIG.

В будущем JPEG 2000 будет играть важную роль в передаче и хранении видеоинформации в системах безопасности.

Стандарты H.261/H.263
H.261 -- это стандарт для видеоконференций и видеотелефонии в сети ISDN. H.261 позволяет адаптировать качество изображения к пропускной способности линии передачи. Кроме того, для получения лучшего качества изображения при воспроизведении могут быть пропущены отдельные изображения. Передача может вестись при скорости 64 кбит/с или 128 кбит/с (содержит два ISDN канала). В последующей разработке, H.263, используется большая точность компенсации движения, чем в H.261. Стандарты H.261 и H.263 особенно хорошо подходят для передачи видеоизображений в режиме реального времени и используются некоторыми производителями оборудования, предназначенного для передачи и хранения видеоизображений. Видеозапись, в которой была использована компрессия H.261 или H.263, в качестве доказательства в суде не принимается.

Стандарты H.261/H.263 подходят для цифровой передачи видеоизображений по сетям в режиме реального времени, так как сжатие и распаковка происходят относительно быстро. Эти процедуры не завоевали популярности для хранения изображения, тем не менее некоторые производители используют H.261/H.263 для видеозаписи.

Использование H.261, H.263 или H.320 позволяет осуществлять передачу видеоисточника в формате QCIF (180х121) или CIF (360х243).

МОБИЛЬНАЯ СВЯЗЬ

Введение
Существующий стандарт GSM позволяет передавать данные со скоростью в 9600 бит в секунду. Лучшее, чего можно добиться на этой полосе частот -- это передача отдельных изображений среднего качества. Сотовая мобильная радиосвязь является, вероятно, одной из наиболее стремительно развивающихся технологий 21-го века.

GPRS
GPRS (General Packet Radio Services -- Пакетный радиосервис общего назначения) -- это новая технология мобильной радиосвязи, основанная на существующих средствах GSM (Global System for Mobile communications -- Глобальной системе мобильной связи (стандарте сотовой связи в Европе и России)). Она позволяет передавать данные почти так же быстро, как по сети ISDN (Integrated services digital network -- Цифровой сети связи с комплексными услугами).

В отличие от существующего стандарта GSM, в течение всего времени связи между мобильным телефоном и базовой станцией канал не резервируется. Вместо этого данные группируются в пакеты, которые посылаются получателю в соответствии с потребностью и пропускной способностью. На конце получателя эти пакеты вновь собираются. Так называемая передача данных с коммутацией пакетов позволяет осуществлять не только более высокоскоростную передачу данных (до 115 Кбит/с посредством GPRS), но также и работу в режиме AoA ("Always on Air" -- "Всегда в эфире").

GPRS обеспечивает скорость передачи в 12 раз выше, чем GSM (9,6 кбит/с).

Поскольку, в отличие от стандарта GSM, канал не резервируется постоянно, установленную связь разрывать не требуется. Данные передаются только по мере необходимости. Операторы сети технически способны указывать стоимость только в соответствии с объемом фактически переданных данных (а не за время передачи). С помощью GPRS можно добиться серьезного прорыва в использовании сотовой связи для Интернета, поскольку этот стандарт делает связь быстрее, удобнее, эффективнее и, главное, дешевле. В Швейцарии DIAX уже сегодня предлагает услуги GPRS. По всей Германии стандарт GPRS предлагают T-D1 (www.td1.de), а также Viag Intercom (www.viag-interkom.de), в России это Билайн (www.beelinegsm.ru) и МТС (www.mts.ru). Портал сотовой связи www.xonio.com предлагает критический взгляд на новый стандарт и сообщает о диапазоне цен на его услуги. На сайте www.skywire.de можно найти информацию о сотовых телефонах GPRS.

С помощью GPRS видеосигнал можно передавать, например, в форматах H.263, CIF или Q-CIF.

UMTS
UMTS расшифровывается как "Universal Mobile Telecommunications Systems" -- "Универсальные системы мобильной телефонной связи". Это 3-е поколение сотовой радиосвязи, которое призвано заменить нынешнюю систему GSM. UMTS включает два основных компонента: радиосеть и несущую сеть. Радиосеть состоит из сотового оборудования и базовой станции, между которыми осуществляется передача данных. Несущая сеть, в свою очередь, соединяет базовые станции друг с другом.

Благодаря значительно более широкой полосе частот (5 МГц), чем у GSM (200 кГц), и использованию такого метода передачи, как CDMA (Code Division Multiple Access -- множественный [многостанционный] доступ с кодовым разделением каналов), можно передать данные любого типа (мультимедийные приложения, скачанную из Интернета видео- и аудиоинформацию) на высокой скорости (2 Мбит/с).

Это делает UMTS почти в 30 раз быстрее ISDN (64 кбит/с) и в 200 раз быстрее GSM (9,6 кбит/с).

В режиме реального времени и при полном разрешении с приемлемым качеством изображения можно осуществлять передачу от 1 до 2 видеоисточников.

Интересной особенностью UMTS, однако, является не только самая высокая скорость передачи, но и поддержка различных транспортных протоколов типа TCP/IP в сочетании с мобильной связью.

4G-технология
Как заявляет технический руководитель Nortel Эл Джейвд (Al Javed), 4G-технология, внедрение которой ожидается через несколько лет, возможно, будет в десять раз более скоростной, чем существующие, и полностью совместимой с Интернет-протоколом IP. В последнее время опубликовано немало сообщений о посвященных ей исследованиях. В то же время компания AT&T делает первые шаги в освоении сетей мобильной связи четвертого поколения: разрабатывая собственную сеть "4G Access", которая должна быть запущена в ближайшие годы, AT&T делает упор на технических возможностях прямого воспроизведения аудио- и видеосигналов со скоростями 10 Мбит/с.

4G будет почти в 156 раз быстрее ISDN (64 кбит/с) и в 1040 раз быстрее GSM (9,6 кбит/с).

Это позволит передавать до 10 видеосигналов в режиме реального времени с полной разрешающей способностью и с приемлемым качеством.

НАЗЕМНАЯ СВЯЗЬ

X-DSL
Современным тенденциям полностью соответствует цифровая абонентская линия (X-DSL), которую сегодня в Европе представляют почти все телефонные компании. Видео- и аудиоданные могут передаваться с помощью A-DSL по TCP/IP в режиме реального времени. X-DSL использует существующие телефонные линии, поэтому нет необходимости прокладывать новые кабели. Модернизации с помощью A-DSL подлежат только коммутационные телефонные станции.

По сравнению с модемом 56к или ISDN, X-DSL увеличивает пропускную способность почти в 120 раз (до 8 Мбит/с).

Ethernet
Наиболее широко распространенным стандартом для локальных сетей в настоящее время является Ethernet, развитие которого восходит к началу шестидесятых годов и противоборству в "холодной войне". Проблема заключалась в необходимости создания технической системы связи, посредством которой власти США, государственные органы и военные, могли бы поддерживать контакты друг с другом после ядерной войны.

Решения, предложенные Полем Бараном (Paul Baran), в то время членом RAND Corporation, впервые были опубликованы в 1964 г. К наиболее важным из них относились следующие два пункта:

1. Сеть не должна контролироваться из какого-либо единого центра, и, следовательно, не должна управляться никакой центральной властью.

2. Сеть изначально должна разрабатываться таким образом, чтобы даже малейшие ее компоненты были полностью функциональны и автономны.

Начиная с семидесятых годов, протокол передачи TCP/IP все шире использовался в сетях, используемых военными, а также университетскими и исследовательскими центрами; сегодня он используется в Интернете.

Название ALOHA все еще указывает на первые сети с радиоканалом. Данные передаются методом CSMA/CD. В Ethernet могут использоваться различные протоколы, такие как TCP/IP, DECnet, IPX/SPX (Novell) и т.д.

Физически Ethernet реализуется с помощью коаксиальных кабелей разнообразных типов с волновым сопротивлением 50 Ом, витых пар, оптоволоконных кабелей или других средств. Скорость передачи данных обычно равна 10/100 Мбит/с и может увеличиваться до 1000 Мбит/с (Gbit Ethernet).

Ethernet -- это наиболее широко распространенный сетевой стандарт.

ATM
При использовании ATM (Asynchronous Transfer Mode -- асинхронный режим передачи) может быть достигнута пропускная способность 155 Мбит/с и 622 Мбит/с. ATM используется, прежде всего, на магистральных линиях очень больших сетей.

Перспективы
Ожидается, что с помощью Fast Ethernet произойдет значительное увеличение скоростей передачи данных в локальных сетях (LAN). Разработки первой быстродействующей технологии FDDI (Fiber Distributed Data Interface -- распределенный интерфейс передачи данных по оптоволоконным каналам) уже устаревают, и ATM, согласно самым последним исследованиям, также не получит широкого распространения.

Цифровое видео и Интернет зависят от скорости передачи данных. Именно они являются той движущей силой, которая побуждает компании модернизировать старые сети и переходить на более скоростные технологии.

Успеху Fast Ethernet способствует тот фактор, что его легко и без больших затрат можно объединить с существующим Ethernet.

Новейший стандарт GBit Ethernet -- это прямое продолжение успеха этой технологии.