Формирование пакетированных потоков данных

 

Цифровые даны изображения и звука поступают на свои кодирующие устройства. В частности, для изображения – это кодер MPEG. После кодирования формируют элементарные потоки (Elementary Stream). В результате компрессии объем данных, представляющий исходные изображения, сжимается. Но стандарт MPEG-2 не регламентирует сам процесс кодирования, поэтому изображения (блоки представления) в нем рассматриваются как результат декодирования компрессированных изображения – блоков доступа. Использование двунаправленного предсказания приводит к тому, что декодер может приступить к декодированию изображения типа B только после того, когда уже получены и декодированы и предшествующее, и последующее опорные изображения, с помощью которых вычислялось предсказание. Для того, чтобы не устанавливать в декодере огромные буферные массивы, в потоке данных на выходе кодера (этот поток называется элементарным потоком видеоданных) кодированные изображения следуют в порядке декодирования: вместо последовательности I-B-B-P формируют серию I-P-B-B (рис.4).

Самой крупной структурной единицей потока видеоданных является видеопоследовательность (video sequence). Видеопоследовательность может содержать произвольное число групп изображений (GOP), которые в свою очередь состоят из кадров (или полей) разных типов (I, P, B). Каждое изображение (имеется ввиду кадр или поле) состоит из слайсов, внутри которых сохраняют неизменными параметры кодирования (матрицу кодирования, наверное). Слайсы содержат по нескольку макроблоков, сходных между собой по сложности кодирования (детальность, движение).

Далее могут передаваться расширение и данные пользователя. Эта часть может отсутствовать, что показано стрелкой в обход блока (рис. 5). Каждая группа изображений (GOP) может начинаться с заголовка (заголовок GOP). Наличие этого заголовка обязательно для первой группы изображений в видеопоследовательности. Для других групп изображений заголовок может отсутствовать, так как каждая группа начинается с кадра типа I. В заголовке группы передают метку времени и данные о структуре этой группы. После заголовка группы изображений могут быть переданы данные пользователя. Перед каждым изображением (кадром или полем) идет заголовок, содержащий номер изображения в видеопоследовательности, тип изображения (I, P или B) и другие данные. Затем могут передаваться расширение и данные пользователя. После этого передают сами данные изображения.

Заголовок каждого слайса (не показан на рис. 5) содержит данные о положении этого слайса в изображении, значения параметра квантования и другую информацию. Данные внутри каждого макроблока также расположены в заданном порядке. Заголовок макроблока содержит сведения об использовании кодирования с предсказанием, векторов движение и др. После данных может следовать другое изображение этой же группы или начинаться следующая группа изображений. Если передано последнее изображение в видеопоследовательности, то передают признак окончания ВП.

Поскольку возможна исключительно последовательная передача по одному каналу связи разнородных данных, которые существуют параллельно во времени (изображение и звук, сигналы синхронизации и служебные данные) другого пути нет, как организовывать отдельные пакеты этих данных. Элементарные потоки данных разбивают на элементарные пакетные потоки (Packetized Elementary Stream, PES), видео, звука и служебных данных. Эти пакетные потоки существуют параллельно во времени. Каждый пакет PES состоит из заголовка и данных пользователя, или полезной нагрузки, которая представляет собой фрагменты исходного элементарного потока. PES- пакеты могут быть переменной длины.

Заголовок позволяет разобраться, какие именно данные передаются и к какому моменту времени они относятся, как они закодированы и пр. (рис. 6). В начале заголовка PES -пакета идет 32-битный код старта, состоящий из стартового префикса и идентификатора потока. Идентификатор потока позволяет выделить PES -пакеты, принадлежащие одному элементарному потоку телевизионной программы. Спецификация определяет разрешенные значения чисел в поле идентификатора для 32 элементарных потоков звука и 16 элементарных потоков видеоданных. Флаги 1 и 2 – биты, указывающие на наличие или отсутствие в заголовке дополнительных полей, которые не являются обязательными. Эти поля служат для переноса дополнительной информации, такой, например, как авторские права, скремблирование, приоритет. Особую значимость имеют биты P и D флага 2, указывающие на наличие полей с метками времени представления PST (Presentation Time Stamps) и декодирования DTS (Decoding Time Stamps). Метки времени – это механизм, обеспечивающий синхронизацию потоков данных в декодере. Метки PTS определяют момент времени, в который декодированный блок доступа (кодированное изображение или фрагмент звукового сопровождения) должен быть предъявлен зрителю. Для всех элементарных потоков, кроме видео, PTS – это единственные метки, которые необходимы. Для потока видеоданных необходимы метки времени декодирования DTS, определяющие моменты времени, в которые блоки доступа извлекаются из буфера и декодируются, но не предъявляются зрителю. Декодированные изображения временно хранятся и предъявляются в боле позднее время, назначаемое метками PTS. Метки DTS необходимы изображениям типа I и P, которые должны декодироваться раньше, чем B -изображения, для кодирования которых I и P изображения использовались в качестве опорных. Метки DTS не появляются в одиночку, а должны сопровождаться метками PTS.

Далее элементарные пакетные потоки разного вида данных, существующих параллельно во времени, объединяют в программный или транспортный потоки для последовательной передачи по каналу связи. Достаточно длинные пакеты программного потока передают в пределах телестудии, когда вероятность ошибок ничтожно мала. Поэтому не принимают никаких мер по защите от ошибок. Программный поток относится к одной ТВ программе (рис. 7).

При формировании программного потока образуют блоки из PES -пакетов. Блок содержит заголовок блока, системный заголовок (необязательный), за которым следует некоторое количество PES -пакетов. Длина блока программного потока может быть произвольной, единственное ограничение – заголовки блока должны появляться не реже, чем через 0,7 секунды. Это связано с тем, что в заголовке содержится важная информация – опорное системное время. Системный заголовок содержит информацию о характеристиках программного потока, таких, например, как максимальная скорость передачи данных, число видео и звуковых элементарных потоков. Декодер использует эту информацию, например, для того, чтобы решить, может ли он декодировать этот программный поток.

В транспортный поток объединяют данные от нескольких ТВ программ (рис. 8). Транспортный поток может объединять пакетные элементарные потоки, переносящие данные нескольких программ с независимыми временными базами. Он состоит из коротких пакетов фиксированной длины (188 байтов). Элементарные пакетированные потоки видео, звука и дополнительный данных (например, телетекст) разбивают на фрагменты, равные по длине полезной нагрузке транспортного пакета (184 байта) и мультиплексируют в единый поток. Этот процесс подчиняется ряду ограничений:

· первый байт каждого PES -пакета элементарного потока должен быть первым байтом полезной нагрузки транспортного пакета;

· каждый транспортный пакет может содержать данные лишь одного PES -пакета.

Если PES -пакет не имеет длину, кратную 184 байтам, то один из транспортных пакетов не заполняется данными PES -пакета полностью. В этом случае избыточное пространство заполняется полем адаптации. Транспортные пакеты, переносящие разные элементарные потоки, могут появляться в произвольном порядке, но пакеты, принадлежащие одному элементарному потоку, должны следовать в транспортном потоке в хронологическом порядке, т.е. в порядке их «нарезания» из PES -пакетов.

Транспортный поток формируют для передачи по каналу связи, где допускают высокую вероятность ошибок (10 ^-4). Структура транспортного потока оптимизирована для условий передачи данных в каналах связи с шумами. Пакеты транспортного потока более короткие и состоят из 188 байтов информации. В вещательных системах DVB и ISDB к 188 байтам транспортного пакета добавляют 16 проверочных байтов кода Рида-Соломона, что позволяет исправлять в каждом пакете до 8 пораженных шумами байтов. В ATSC добавляют 20 проверочных байтов, что дает возможность исправлять до 10 байтовых ошибок в одном пакете.

Транспортный пакет начинается с 4-байтного заголовка (рис.8), первый байт которого – синхронизирующий (число 47 в шестнадцатеричном коде). Это значение не является уникальным и может появляться в других полях транспортного пакета. Однако тот факт, что заголовки всегда следуют с интервалом в 188 байтов, упрощает определение начала пакета.

Для опознавания пакетов, принадлежащих одному элементарному потоку, используется 13-битный идентификатор PID. Из 8192 возможных значений 17 зарезервировано для специальных целей, а остальные 8175 могут использоваться для присвоения в качестве номеров элементарным потокам. Таким образом, один транспортный поток может переносить до 8175 элементарных потоков. Важный компонент заголовка – счетчик непрерывности, который инкрементируется в последовательных транспортных пакетах, принадлежащих одному и тому элементарному потоку. Это позволяет декодеру обнаруживать потерю транспортного пакета и принимать меры к маскированию ошибок, которые могут возникнуть из-за потери. Поле адаптации не является обязательным. Оно может использоваться не только для заполнения «пустот» (см. рис.8). Это поле также переносит важную дополнительную информацию об использовании данных пакета, например, опорное время программы PCR (Program Clock Reference).

Для распознавания элементарных потоков служит PID, а объединения их в телевизионные программы - программная информация PSI (Program Specific Information), которую обязательно передают в транспортном потоке (рис. 9). В системной спецификации MPEG -2 определено четыре типа таблиц с программной информацией:

· соединения программ PAT (Program Association Table).

· плана программы PMT (Program Map Ta ble).

· сетевой информации NIT (Network Information table).

· условного доступа CAT (Conditional Access Table).

Таблица плана программ PMT несет информацию о том, какую именно программу и под какими номером передают в данный момент в составе транспортного потока.

Скорость транспортного потока по стандарту 270 Мбит/с. Стандартизованы также длительности нарастания и спада импульсов, уровень «джиттера» не более 0,74 нс (это специфическое явление дрожания фронтов передаваемых импульсов).