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La codifica digitale MPEG

Andrea Lubrano, Fabrizio Gargano, Luciano Giustini
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Parte 5: Differenze tra MPEG-1 e MPEG-2 Video - DVB


La prima versione dello standard era l'MPEG-1, utilizzato per comprimere i film su CD video. Questo standard utilizza un basso bit-rate  che ha come effetto un'immagine di qualità VHS. Il sistema supporta solamente la trasmissione di una sola immagine video e per questo non è utlizzato per le trasmissioni satellitari. L'MPEG-1 utilizza 25 o 30 immagini al secondo.

I broadcaster volevano poter trasmettere in digitale ma dato che l'MPEG-1 non era adatto alle trasmissioni satellitari e il sistema MPEG-2 non era ancora completamente definito, si creò una versione ibrida di MPEG: l'MPEG-1.5. Questo formato non è uno standard ufficiale ma è ancora utlizzato (per esempio il bouquet Orbit su Intelsat 705). L'MPEG-1.5 utilizza una grande larghezza di banda, la qualità video è molto simile a un normale MPEG-1 ma questa versione ibrida permette di "multiplexare" i vari segnali video, e cioè trasmettere più canali con un solo trasponder.

L'MPEG-2 è diventato standard de facto nel mondo della televisione digitale. Corregge molti problemi inerenti all'MPEG-1, come la risoluzione, il trattamento video interlacciato. Permette di avere un'immagine di miglior qualità, fino ad arrivare ad immagini HDTV (High Definition TV), e permette il "multplexaggio" dei canali con differenti bit-rate in un solo trasponder. Questo standard è stato ufficialmente approvato ed adottato dall'ISO [ISO 13818-1].

Questi i cambiamenti piu' importanti:
 

  • Formato interlacciato

  • MPEG 2 è in grado di rappresentare sequenze video interlacciate e progressive, diversamente dall'MPEG 1, elaborato solo per sequenze progressive, la cui applicazione è la visualizzazione di video da CD-ROM a 1.5 Mbits/s.
     
  • Aspect Ratio (rapporto di immagine)

  • È stato cambiato il significato di "aspect ratio", in modo da essere scalabile e in modo da diminuire la tabella di rapporti disponibili.
     
  • Frame Rate (Frequenza di Fotogrammi)

  • In MPEG 2 il frame rate si riferisce alla frequenza di visualizzazione, non alla frequenza di codifica dei fotogrammi come in MPEG 1.
    Considerando un film come sorgente video, si contano 24 immagini al secondo. Prima della codifica digitale, un buon encoder eliminerà i 6 frames ridondanti o i 12 campi da un segnale video a 30 frame/s. Penserà il decoder MPEG a ripetere i frames o i campi in modo da ricostruire la frequenza di 30 frame/s. In MPEG 1 il decoder può solo dedurre il frame rate o derivarlo dalle marche dello stream System.MPEG 2 prevede variabili specifiche nell'header chiamate repeat first field e top field first, che segnalano esplicitamente quali frames o campi devono essere ripetuti e per quante volte.
     
  • GOP - Group of Pictures
    Il concetto di GOP non esiste in MPEG 2. È solo un header opzionale utile per stabilire un codice di tempo, o per indicare che certe immagini di tipo B all'inizio di una sequenza modificata contengono un collegamento rovinato. Questo succede quando l'immagine corrente B richiede la predizione da un frame di riferimento futuro, che è stato rimosso dallo stream da un processo di editing video. In MPEG 1 l'header GOP è invece obbligatorio e deve seguire un header di sequenza.

  • Picture
    In MPEG 2, un frame può essere codificato progressivamente o interlacciato, segnalato dall'opportuna variabile progressive frame. Nei frames interlacciati, quelli con progressive frame uguale a 0, i frames possono essere codificati come frame picture o field picture, ovvero due campi separati.
    I frames progressivi sono la scelta logica per materiale video generato da film, dove tutti i punti sono integrati e acquisiti contemporaneamente. La maggior parte delle telecamere oggigiorno acquisisce le immagini in due stadi separati (top field e bottom field).

  • Slice
    Per facilitare le implementazioni, affinchè possano suddividere il processo di decodifica in operazioni parallele lungo le bande orizzontali all'interno della stessa immagine, MPEG 2 ha introdotto una regola obbligatoria semantica che tutte le righe dei macroblocchi debbano cominciare e finire con almeno una slice (striscia).

  • Macroblocco
    I vettori di movimento sono rappresentati ora su una griglia da mezzo pixel. L'utilità della griglia da mezzo pixel (opzionale in MPEG 1) diminuisce con la pratica. Un'accuratezza intrinseca del mezzo pixel può incoraggiare l'uso negli encoder per il significativo guadagno che che l'interpolazione da mezzo pixel offre.

Cosa è il  DVB ?

DVB significa Digital Video Broadcast ed è uno standard basato sull'MPEG-2. DVB definisce come trasmettere i segnali MPEG-2 utlizzando il satellite, il cavo, e i ripetitori terrestri; come trasmettere le informazioni di sistema, la guida dei programmi, etc

Eccetti Stati Uniti, Messico, Canada e Corea del sud, il DVB è stato adottato da tutti i paesi nel mondo per la televisione e la radio digitale. Questo documento parlerà solamente del DVB-S e cioè dello stanrd adottato per la trasmissione di segnali MPEG-2 via satellite.

Cosa è il FEC ?

I transponders dei satelliti sono dei canali di comunicazione piuttosto rumorosi e perciò sono soggetti a molti errori quando si fa passare un segnale digitale. Siccome le trasmissioni satellitari sono di tipo "broadcast", il trasponder non può inviare un messaggio all'emittentee per dire "Non ho ricevuto l'ultimo messaggio, puoi ritrasmetterlo". Ed è per questo che si utilizza il FEC (Forward Error Correction). L'emittente invia delle informazioni per la correzione di errori con il segnale per permettere al ricevitore di riconsultare il flusso di bit qualora si verifichino degli errori.

Il FEC utilizzato con la modulazione QPSK si compone di due forme de correzione d'errori. La prima, chiamata il codice Verbiti si scrive con una frazione, per esempio 2/3. Questa frazione definisce la quantità di symbol rate utilizzata per i dati reali, il resto è invece utilizzato per la correzione di errori.

Dopo aver estratto il codice di correzione d'errori Verbiti ed averlo utilizzato, una seconda forma di correzione d'errori, chiamata codice Reed-Solomon, è utilizzata. Su 204 bits trasmessi, 188 contengono dei dati e i 16 bits restanti sono utilizzato come bit di parità per aiutare a correggere gli eventuali errori restanti. In più, il principio del FEC utilizza anche  lintreccio dei flussi di dati per evitare che un'interferenza improvvisa interrompa la trasmissione.
Consideriamo il messaggio seguente: "This is a sample message"

Dopo l'intreccio il messaggio potrebbe diventare così : "eTs haais mgi smeaesp l"

Se un errore dovesse riprodursi e cancellasse la parte "mgi" del messaggio, il messaggio NON intrecciato sarebbe "This *s a sa*ple messsa*e"

Solamente dei caratteri isolati (rappresentati dagli asterischi) mancano al messaggio anziché una parola intera se il messaggio non fosse stato intrecciato.

Questo nel caso di immagini equivale a dire che il disturbo e' diffuso e quindi meno evidente rispetto a un disturbo concentrato in una singola frazione immagine.

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Andrea Lubrano, Fabrizio Gargano e Luciano Giustini hanno collaborato insieme per la stesura di una tesina sui codici di compressione MPEG per il corso di laurea in Ingegneria Informatica all'Università di Roma Tre, docente prof.ssa G. Murciano. La tesina è stata progettata in funzione della pubblicazione su Web ed è stata quindi prodotta fin da subito in formato HTML. Coloro i quali fossero interessati ad una versione stampabile e più ''leggera'' della stessa possono richiederla all'indirizzo info@beta.it. Per i lettori abbonati le due versioni sono disponibili all'indirizzo BETA http://subs.betamag.com

Copyright © 1999 Andrea Lubrano, Fabrizio Gargano, Luciano Giustini, tutti i diritti sono riservati. Questo Articolo di BETA, insieme alla Rivista, è distribuito secondo i termini e le condizioni della Licenza Pubblica Beta, come specificato nel file LPB.


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