Кодирование и сжатие аудио-информации

      - в компьютерной технике применяется  в основном RGB (и αRGB),

      -  в печатной технике CMYK.

• Количество цветов в видеоматериале определяется числом бит, отведённым для кодирования цвета каждого пикселя ( bits per pixel, bpp):
• 1 бит позволяет закодировать 2 цвета (обычно чёрный и белый), 2 бита - 4 цвета,  …,16 бит - 65 536 цветов,
• 24 бита - 16 777 216 цветов.
• В компьютерной технике имеется стандарт и 32 бита на пиксель (αRGB).

Ширина  видеопотока (для  цифрового видео)

• Ширина (скорость) видеопотока или битре́йт (bit rate) - это количество обрабатываемых бит видеоинформации за секунду времени  «бит/с».
• Чем выше ширина видеопотока, тем в общем лучше качество видео.
• ширина видеопотока:
• формата VideoCD составляет  1 Мбит/с,
• DVD составляет около 5 Мбит/с.
• HDTV использует ширину видеопотока около 10 Мбит/с.
• Различают два вида управления шириной потока в видеокодеке:
• - постоянный битрейт (англ. constant bit rate, CBR). Используется для безбуферных систем реального времени и для прямого эфира (например, для телеконференций)
• - переменный битрейт (англ. variable bit rate, VBR). Используется для буферизованных видеотрансляций и передачи сохранённого видеоматериала по компьютерным сетям

Стандарты и методы цветового  кодирования (передачи видеоинформации)

• С начала развития техники цветного телевидения разными комитетами по стандартизации и в зависимости от имеющей место частоты промышленной сети было разработано несколько различных методов формирования кадра и систем передачи телевизионного сигнала. Их называют методами(системами) цветового кодирования.
• В настоящее время существуют аналоговые и цифровые системы телевидения.
• Помимо систем цветового кодирования существуют стандарты, которые описывают различные параметры телевизионных сигналов, способы ввода сигнала в телевизор, сопряжения звука и изображения и др. Основных телевизионных стандартов в мире насчитывается 10 :
• B,D,H,G,I,K,L,M,N,K1.
• В России используется стандарт: Secam D/K.

Системы цветового кодирования NTSC

• NTSC ( National Television Standards Committee) - Национальный комитет по телевизионным стандартам) - система аналогового цветного телевидения, разработанная в США (30 кадров/сек.). 18 декабря 1953 года впервые в мире было начато цветное телевизионное вещание с применением именно этой системы.
• NTSC принята в качестве стандартной системы цветного телевидения в Канаде, Японии и ряде стран американского континента и в насмешку называется «Never the same coior!» («Один и тот же цвет не повторяется никогда!»). В этих словах и заключена основная проблема:  при передаче цветовых сигналов возникают фазовые сдвиги, приводящие к искажению цвета в изображении. Метод NTSC не позволяет компенсировать фазовые погрешности.
• Основные рабочие характеристики системы NTSC:
• Количество строк 525
• Частота полукадров 60 Гц
• Ширина полосы видеосигнала 4,2 МГц
• Ширина полосы канала 6 МГц.

PAL

• PAL ( phase-alternating line) - разработана инженером немецкой компании Telefunken Вальтером Брухом и представленная как стандарт телевизионного вещания в 1967 году.
• Система PAL является стандартом во многих странах, в том числе в Германии. Эта система была создана из-за необходимости компенсировать фазовые сдвиги в видеосигнале, приводящие к значительным искажениям цвета.
• Основные рабочие характеристики :
• Количество строк 625
• Частота полукадров 50 Гц
• Ширина полосы видеосигнала 5 МГц
• Ширина полосы канала  7 или 8 МГц.

SECАМ (Sequential Couleur avec Memoire,) - система последовательной передачи цветов с памятью

• SECАМ разработана в СССР, идея принадлежит французкому инженеру Анри Францу.
• С 1 октября 1967 г. в СССР начались регулярные передачи цветного телевидения в стандарте SECAM.
• Систему приняли 25 стран, включая страны Восточной Европы (бывший социалистический лагерь, кроме Югославии), франкоговорящие страны Африки и Азии, часть Греции и Иран.
• При методе SECAM, сигналы цветности передаются не одновременно, как в системах NTSC и PAL, а попеременно строка за строкой. Для получения полной цветовой информации в этом случае всегда должен промежуточно запоминаться некоторый сигнал. Специальная модуляционная техника позволяет сделать метод SECAM сравнительно не чувствительным относительно искажений и фазовых сдвигов.
• Основные рабочие характеристики системы:
• Количество строк 818
• Частота полукадров        50 Гц
• Ширина полосы видеосигнала 10 МГц
• Ширина полосы канала       14 МГц.

Цифровые  системы передачи телевизионного сигнала

• ATSC - система стандартов, разработанная Международной некоммерческой организацией Advanced Television Systems Committee (ATSC). Образована в 1982г. с целью разработки новых стандартов телевидения. Именно эта группа специалистов разработала стандарт цифрового вещания ATSC, который теперь является основным на территории США, Канады, Мексики, Аргентины, Тайваня и Южной Кореи.
• Сюда входит HDTV стандарт высокочеткого (high-definition) цифрового телевидения. Используется метод D2-MAC, который состоит в том, что сигналы яркости и цветности передаются попеременно, и это позволяет в значительной степени избежать интерференционных помех. Еще одним преимуществом является то, что аудиосигналы передаются в цифровой форме.
• Основные рабочие характеристики :
• Количество видимых строк  1080
• Количество пикселов в строке 1920
• Частота полукадров 50 Гц
• Ширина полосы яркостного сигнала 20 МГц
• Ширина полосы сигнала цветности  7 МГц.
• Формат кадра         16:9

DVB (англ. Digital Video Broadcasting)

• DVB (англ. Digital Video Broadcasting) — семейство европейских стандартов цифрового телевидения.
• Данный стандарт определяет физический уровень и канальный уровень в системе телевещания. Все данные передаются в транспортном потоке MPEG-2 с некоторыми дополнительными ограничениями (DVB-MPEG).
• Существует 4 среды доставки сигнала:
• наземное вещание (DVB-T),
• вещание для портативных устройств (DVB-H),
• спутниковое вещание (DVB-S),
• кабельное вещание (DVB-C).
• Из-за разницы в частотных каналах и способах модуляции декодеры для различных сред оказываются несовместимыми.

ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting)

• ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting) - стандарт цифрового телевидения, разработанный в Японии. Он интегрирует в себя различные виды цифрового контента. Это может быть HDTV, SDTV, звук, графика, текст и т.д.
• Японская организация по стандартизации и распределению радиочастот Association of Radio Industries and Businesses (ARIB) разработала стандарты для передачи цифрового телевидения и радио под единым названием Integrated Services Digital Broadcasting (ISDB).
• Основных ISDB-стандартов в настоящее время четыре:
• наземное (ISDB-T);
• спутниковое (ISDB-S);
• кабельное (ISDB-C);
• мобильное (нет аббревиатуры).
• Также как и в спецификациях ATSC и DVB, для сжатия видеопотока при ISDB-вещании используется система кодирования MPEG-2.

СЖАТИЕ ЗВУКА 

Традиционные  методы сжатия данных - без потерь (Huffman, LZW, и др.) плохо применимы для  сжатия аудио и визуальной информации

       методы сжатия с потерями:

•   Сжатие тишины(пауз) - определяет периоды "тишины«
• ADPCM - Adaptive Differential Pulse Code Modulation (в русскоязычной литературе применяется термин адаптивная дельта-импульсно-кодовая модуляция (АДИКМ).
•   Apple разработал собственную систему названную ACE/MACE. Сжатие с потерями, основанное на предсказании значения следующего отсчета. Сжатие порядка 2:1.
•   Linear Predictive Coding (LPC) - описывает сигнал с помощью "речевой модели" и передает параметры модели --> звучит как компьютерно синтезированная речь, 2.4 kbits/sec.

MPEG - Moving Pictures Expert Group.

Экспертная  группа по движущимся изображениям.

Организация была создана в 1988 году и за время  своего существования выпустила  несколько стандартов, оказавших  большое влияние на информационные технологии и современную жизнь в целом.

MPEG1 – первый официальный международный стандарт, посвященный хранению видео и аудио информации в цифровом виде.

Стандарт  состоит из трех частей:

1. Система. Описывает системную часть формата. Определяет способы мультиплексирования аудио и видео потоков, синхронизацию и формат физического хранения данных.
2. Видео-канал. Определяет формат и алгоритм кодирования видео-потока и способ восстановления кадров изображения.
3. Аудио-канал. Определяет формат и алгоритм кодирования аудио-потока и способ восстановления звукового потока.

 Впоследствии, когда формат сжатия аудио,  предложенный в третьей части  стандарта получил самостоятельное  распространение, он стал называться  MP3 (Moving Pictures layer 3).

Методы  кодирования звука

• Audio MPEG (Moving Pictures Experts Group). Применяется в компьютерных звуковых системах.
• PASC (Precision Adaptive Sub-band Coding). Применяетя в системе DCC.
• ATRAC (Adaptive Transform Acoustic Coding). Применяется в системе MiniDisc

Уровни AudioMPEG1 для сжатия стерео сигналов

• Оптимальный уровень - 3 со скоростью потока 125 кбит/с и плотностью данных 1Мбит/мин

 MPEG-4, цели создания

 Основы  разработки стандарта MPEG-4 были заложены группой ученых из MPEG еще в 1993 году, и уже к концу 1998 года произошло  утверждение первого стандарта. Впоследствии стандарт неоднократно дорабатывался, в 1999 году получил официальный статус и затем был стандартизован со стороны ISO/IEC.Это было связано с тем, что форматы MPEG-1 и MPEG-2 не обеспечивали реальной возможности трансляции видео по сети Internet и создания интерактивного телевидения на их основе - слишком уж большим был размер файлов. Для его радикального уменьшения, а также реализации других функций, необходимых для передачи потокового видео, была начата работа над спецификациями нового формата - MPEG-4.

 Целью создания MPEG-4 была выработка стандарта кодирования, который обеспечил бы разработчиков  универсальным средством сжатия видеоданных, позволяющим обрабатывать аудио- и видеоданные как естественного (снятого с помощью видеокамеры  или записанного с помощью микрофона), так и искусственного (синтезированного или сгенерированного на компьютере) происхождения. По сути, он ориентирован не столько на сжатие видео, сколько на создание так называемого "мультимедийного контента" - слияния интерактивного телевидения, 3D-графики, текста и т. д. Это обстоятельство кардинальным образом отличает MPEG-4 как видеостандарт от его предшественников MPEG-1 и MPEG-2, в которых эффективное сжатие данных достигается лишь применительно к естественному видео и аудио.

 Принципы  работы алгоритма 

 MPEG-4 обеспечивает  необходимые средства для описания  взаимного расположения объектов (элементов) сцены в пространстве  и времени с целью их последующего  представления потенциальным зрителям  в ходе воспроизведения. Разумеется, такая трактовка предполагает разделение сцены на составляющие ее объекты, что само по себе является весьма трудоемкой задачей, к которой по сути и сводится MPEG-4-кодирование. Кроме того, при разработке стандарта MPEG-4 решались проблемы обеспечения воспроизведения объектов сцены в различных условиях пропускной способности сетей передачи данных. Был разработан формат, допускающий «универсальный доступ» к мультимедийной информации с учетом возможных ограничений полосы пропускания, возникающих в сетях при самых разных условиях. Другими словами, один и тот же видеофрагмент может быть представлен с различным качеством для различных каналов в зависимости от их пропускной способности.