Kódování pro DVB-T: MPEG-2, nebo MPEG-4 AVC?

V současné době se nejen u nás hodně diskutuje, zda se při zavádění pozemního vysílání digitální televize (DVB-T) má použít celosvětově zavedený standard MPEG-2, nebo novější a beze sporu perspektivní standard MPEG-4 AVC. Základní technické charakteristiky kompresních standardů pro kódování obrazu MPEG-2 a MPEG-4 jsou uvedeny v tabulce.

Jaké máme kompresní standardy

Standard MPEG-2 (ISO/IEC 13818) používá makrobloky 16×16 obrazových prvků (pixelů), při vysílacím formátu 4:2:0 jsou v makrobloku 4 bloky pro signál Y a po jednom bloku pro signály CB a CR. Kompenzace pohybu se provádí po makroblocích, polohu referenčního, již zakódovaného, makrobloku v paměti dekodéru udává obvykle jeden pohybový vektor. K základní redukci bitového toku slouží diskrétní kosinová transformace DCT aplikovaná na bloky 8×8 pixelů. Po kvantizaci jsou koeficienty DCT zakódované s proměnnou délkou slov VLC (Variable Length Coding) uspořádány do paketů transportního toku TS. Transportní tok přenáší kromě zakódovaného obrazu, zvuku a doplňkových dat také všechny potřebné informace pro dekódování, obvykle ve formě tabulek.

Standard MPEG-4 (ISO/IEC 14496) má v současné době 20 kapitol, z nichž původní kompresní obrazový standard založený na objektovém kódování je uveden v kapitole 2 (Part 2) a nový kompresní obrazový standard AVC (Advanced Video Coding) v kapitole 10. Z dalších kapitol uveďme: 1– Systém, 3– Kódování zvuku, 4– Testování shody, 5– Referenční SW, 6– Transportní rozhraní DMIF (Delivery Multimedia Integration Framework), 8– Přenos přes sítě IP, 11– Popis scény, 14– Formát souborů MP4, 15– Formát souborů AVC atd.

Kompresní systém MPEG-4 AVC je v porovnání s MPEG-2 podstatně složitější; uvádí se, že dekodér pro hlavní profil (Main Profile) je asi 4× a kodér dokonce 8× složitější. Složitost je dána podstatným rozšířením možností řešení u všech základních operací, které na druhou stranu umožní podstatně větší redukci bitového toku, zejména při budoucím využití těchto možností.

Základem při zpracování jsou opět makrobloky 16×16 využívající vnitrosnímkovou (intra) nebo mezisnímkovou (inter) predikci pro nalezení referenčního bloku. Mezisnímková predikce umožňuje rozdělení makrobloku na dílčí části až do velikosti 4×4 pixely. Každá dílčí část má vlastní pohybový vektor s možností interpolace až na 1/4 pixelu. Větší dílčí části jsou výhodné pro homogenní části obrazu, kdy se ušetří na pohybových vektorech. Malé části (např. 4×4) jsou výhodnější pro detailní pohybující se plošky obrazu. Referenční blok lze vyhledávat až v pěti sousedních snímcích.

Novinkou je vnitrosnímková predikce aplikovaná na bloky 4×4 v devíti směrech. Referenční blok se vytvoří různým zpracováním sousedních 13 hodnot umístěných vlevo a nad kódovaným blokem.

Transformační algoritmy vycházejí z mírně upravené DCT aplikované na bloky 4×4. Ortogonální celočíselná transformace je definována maticovým součinem typu CXCT, kde CT je transponovaná matice a X je matice 4×4 před transformací. Po úpravě má transformační matice C pouze prvky ±1 a ±2, takže transformace se dá realizovat pouze součty a posuvy. Násobení konstantou a zaokrouhlení se realizuje při kvantizaci (52 kvantizačních úrovní). Kromě celočíselné transformace jsou navíc DC koeficienty bloků 4×4 (pro Y – luma a CB, CR – chroma) transformovány Hadamardovou transformací (transformační matice obsahuje pouze prvky ±1).

Velmi důležitý je adaptivní deblokovací filtr, který potlačuje viditelnost bloků 4×4 na horizontálních a vertikálních rozhraních bloků Y, CB a CR.

Pro adaptivní kódování koeficientů se následně použije metoda CAVLC (Context-based Adaptive Variable Length Coding) nebo CABAC (Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding).

Výše popsané zpracování signálu v systému MPEG-4 AVC se souhrnně označuje jako VCL (Video Coding Layer). Na druhé straně NAL (Network Abstraction Layer) umožňuje jednoduché a efektivní mapování dat VCL do různých transportních protokolů: RTP/IP pro přenos Internetem, ISO MP4 pro přenos souborů, H.32X pro drátové a bezdrátové hlasové služby, multiplex MPEG-2 pro televizní a rozhlasové vysílání apod.

MPEG-4 AVC se pro standardní vysílání nehodí

Využití standardu MPEG-4 AVC v nových systémech, jako jsou např. systémy pro mobily DVB-H, T-DMB, MediaFLO, vysílání HDTV v DVB-T, DVB-S nebo přes nový satelitní standard DVB-S2, internetová televize IPTV a další, je samozřejmě výhodné a v podstatě bez principiálních problémů.

Jiná je ale situace v již masově provozovaném vysílání DVB-T, kdy je nutno brát v úvahu hlavní výhody kódování MPEG-2: stabilitu, dostupnost od různých výrobců, vysoce konkurenční trh, běžný záznam na pevné disky, interaktivitu a zejména nízkou maloobchodní cenu. Je také důležité si uvědomit, že standard MPEG-4 AVC zdaleka ještě nevyužívá všechny své možnosti a prochází rychlým vývojem se všemi nepříjemnými důsledky, zejména vysokou cenou set-top-boxů, nedostatkem konkurence na trhu, nutností zajištění shody pro kodéry různých výrobců a vývojem dalších aplikací (MHP apod.). Je nutné také zlepšit vlastnosti MPEG-4 AVC z hlediska kódování HDTV, které zatím nejsou zcela vyhovující. Ze zkušeností je známo, že vždy trvá určitou dobu, než se nová (zejména velmi složitá) technologie „usadí“ a překoná dětské nemoci.

Nelze zanedbat ani fakt, že konsorcium DVB zahájilo práce na druhé generaci terestriálního digitálního vysílání a připravuje nový standard DVB-T2, který předpokládá kromě efektivnějšího zdrojového kódování (např. MPEG-4 AVC) také zvětšení bitové rychlosti v přenosovém kanále minimálně o 30 procent, rozšíření plochy pokryté jednofrekvenčními sítěmi SFN nejméně o 30 procent a další nové prvky v oblasti kanálového kódování včetně levnějších vysílačů a vykrývačů. Jedním z důležitých impulsů pro tyto práce je snaha o úspěšné zavedení nových programů HDTV na kmitočtech uvolněných po ukončení analogového vysílání. Plánovaný start vysílání HDTV na fixní antény podle specifikací DVB-T2 nemá být později než na začátku roku 2009.

Všechny západoevropské země (až na známé výjimky) vysílají DVB-T s kódováním MPEG-2 a předpokládají postupné včlenění nových kompresních standardů do systému DVB-T vkládáním bitových toků do vysílaného signálu, což multiplex MPEG-2 umožňuje. Vývoj v oblasti integrovaných obvodů pak umožní realizovat multifunkční dekodéry. Je zřejmé, že nový standard DVB-T2 umožní těmto vyspělým zemím velmi elegantní přechod na efektivnější terestriální vysílání včetně HDTV při fixním, přenosném i mobilním příjmu.

To je vážný důvod, proč navrhujeme v současné době rozšíření pravidelného vysílání DVB-T v České republice se zdrojovým kódováním MPEG-2 a postupný přechod na vysílání HDTV podle specifikací DVB-T2 v souladu s postupem vyspělých západoevropských ze­mí.

Ing. Dušan Líška, CSc. se dlouhodobě zabýval problematikou digitální televize jako vedoucí technický pracovník ve Výzkumném ústavu rozhlasu a televize, v České televizi a v Českých radiokomunikacích, kde se aktivně zapojil do realizace prvního experimentálního vysílání DVB-T v ČR. Nyní využívá své zkušenosti jako nezávislý specialista zejména při lektorské, konzultační a publikační činnosti.