MPEG-2

As normas MPEG-2 fazem parte de um conjunto de varias normas desenvolvidas pelo grupo MPEG (Moving Picture Experts Group) criado em 1988 com principal objectivo de desenvolver padrões para o vídeo digital.

Elas estão divididas em diferentes partes. As partes adoptadas pelas normas para TVD em geral são:

 

· Parte 1 – SISTEMA – Multiplexagem, sincronização e protecção dos fluxos elementares (áudio, vídeo e dados) codificados.

· Parte  2 – VÍDEO – Representação codificada de sinais de vídeo.

· Parte 3 – ÁUDIO – Representação codificada de sinais de áudio.

 

As duas últimas partes são responsáveis pela codificação e compressão dos sinais de vídeo e áudio e a primeira é responsável pelo tratamento destes sinais já comprimidos juntamente com uma entrada de dados para formar uma sequência de bits (Transport Stream) pronta para transmissão pelo canal.

O maior desafio prende-se com a codificação e compressão do sinal de vídeo tendo em conta a quantidade de informação que o sinal acarreta e por ser o sinal chave do sistema de televisão. Para dar uma ideia, o débito equivalente do sinal de vídeo analógico ainda em funcionamento em Portugal, considerando uma resolução espacial de 576×720 amostras para a luminância e 576×360 para as crominâncias a 25Hz, é de 166 Mbit/s. Para n canais ter-se-ia n×166Mbit/s.

Este valor inviabilizaria qualquer serviço de transmissão digital tendo em conta a largura de banda requerida. Assim ter-se-ia de encontrar uma forma muito eficiente para comprimir o sinal de vídeo codificado.

 

MPEG-2 vídeo

 

A estrutura básica do codificador MPEG-2 vídeo pode ser representada de uma forma muito simples como ilustrado na figura 1.

 

Figura 1- Estrutura básica MPEG-2

 

 

No primeiro bloco é feita a digitalização do sinal de vídeo analógico (real) e depois a sua segmentação como sequência de imagens e nos grupos de imagens (GoP) que por sua vez serão divididos em bocados de imagem chamados macroblocos.

Nos 2 blocos seguintes estão os principais responsáveis pela compressão com as seguintes funções:

 

· Codificação preditiva: Baseia-se no princípio de que, localmente, cada imagem pode ser representada a partir de uma parte da imagem precedente, assim compara-se o macrobloco da imagem actual com os da correspondente zona na imagem anterior e envia-se só o erro que é a diferença entre as duas imagens. Este processo é auxiliado pela técnica de compensação de movimento que consegue prever e indicar os movimentos das imagens associadas ao macroblocos na sequência de imagens. Assim, como na maioria das situações não existe grande diferença entre uma imagem e a seguinte (não esquecendo que se vão codificar 25 imagens/s), o ganho devido ao facto de não se codificar a imagem toda mas só o pequeno erro em relação a imagem anterior é muito significativo.

 

· DCT (Discrete Cosine Transform): Transformada sinusoidal com principal objectivo de transformar bocados de imagens (2D) em coeficientes (1D) com valores relacionados com o tipo de imagem. Os coeficientes estão distribuídos na frequência sendo que uma imagem muito suave (sem grandes variações de luminância e cores) apresenta maiores valores nos coeficientes de baixa frequência enquanto que uma mais “carregada espectralmente” apresenta valores altos para os coeficientes de alta-frequência. A codificação DCT actua no seguimento da codificação preditiva mas ao nível dos blocos tendo em conta que normalmente um macrobloco é constituído por 4 blocos de luminância e um bloco para cada crominância (Resolução 4:2:0).

 

· Quantificação: Vem no seguimento da codificação DCT e consiste na quantificação dos coeficientes tendo como referencia o sistema visual humano. Cada passo de quantificação deverá ser escolhido tendo em conta a ‘diferença mínima perceptível’ visualmente no coeficiente que lhe está associado. O melhor quantificador será aquele que introduz menor passo de quantificação (maior discriminação e mais bits) para os coeficientes associados as frequências mais perceptíveis ao olho humano e maior passo de quantificação (maior erro de quantificação e menos bits) para a situação contraria. Este critério é opcional uma vez que não é imposto pela norma.

 

· Codificação entrópica: Responsável pela conversão dos símbolos em bits. Usa a estatística dos símbolos a transmitir para alcançar compressão adicional, atribuindo de forma adequada palavras de código a símbolos. Técnica base utilizada é a codificação de Huffman que permite explorar o facto dos símbolos produzidos pelo codificador não aparecerem com igual probabilidade.

 

Finalmente o último bloco (Buffer) que consiste num dispositivo de armazenamento com objectivo de conter as variações do débito a sua entrada para se ter quando exigido um débito constante a saída do codificador. As variações do débito estão associadas as sequências de imagens que podem ser por exemplo duas imagens seguidas praticamente iguais em que só é codificado os bits correspondentes as mínimas diferenças entre elas por isso tem-se um débito muito baixo ou a situação contrária que corresponde a ter uma sequência de duas imagens em que a segunda é totalmente diferente da primeira portanto não há qualquer ganho com a codificação preditiva e são necessários muitos bits para codificar a imagem e assim o débito aumenta substancialmente.

Portanto, para se conseguir um débito constante a saída do codificador, o buffer actua sobre o segundo bloco, principalmente no quantificador, para se reduzir o passo de quantificação quando o debito instantâneo a sua entrada é muito baixo em relação ao valor pretendido a saída ou para aumentar o passo de quantificação, introduzindo mais erros utilizando menos níveis e gastando menos bits para diminuir o debito instantâneo.

Outras funcionalidades importantes e vantajosas que se consegue através do MPEG-2 são a codificação de conteúdos entrelaçados, criação de fluxos escaláveis e definição de níveis e perfis para as aplicações e serviços.

Com todas as ferramentas juntas, consegue-se com a norma MPEG-2 uma qualidade de sinal semelhante e até um pouco melhor do que sistemas analógicos em uso (PAL/SECAM/NTSC) com um débito de 3 a 5 Mbit/s, ou seja, consegue-se um factor de compressão significativo no melhor caso de 166/3≈55.

Só assim tornou-se viável o projecto de TVD. Mais recentemente tem sido adoptada juntamente com o MPEG-2, o MPEG-4 que constitui uma evolução do MPEG-2. Assim através de um pouco mais de complexidade e processamento de sinal consegue-se melhor desempenho em relação a erros e uma melhor qualidade.

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