La codifica MPEG-2 nella trasmissione Tv digitale

Pubblichiamo volentieri un altro interessante e qualificato contributo frutto dell’esperienza del laboratorio di ricerca e sviluppo della ABE Elettronica di Caravaggio. Stavolta vengono proposte delle riflessioni e degli appunti sulla codifica MPEG-2 ed i profili più noti: il 4:2:0 (mp@ml) ed il 4:2:2

I vantaggi della trasmissione Tv digitale, rispetto a quella analogica, sia nel caso dei collegamenti a microonde che nel caso della diffusione, sono notevoli ed evidenti:

- un maggior numero di programmi a parità di banda RF occupata (tipicamente il quadruplo o più)

- una minore potenza di emissione necessaria per coprire la medesima distanza (ovvero maggiore immunità al rumore e ai disturbi)

- una migliore qualità

- la possibilità di realizzare reti di diffusione terrestre in isofrequenza (trasmissione OFDM con rete SFN - Single Frequency Network)

- la possibilità di ricezione mobile (trasmissione OFDM)

- la possibilità di trasmissione dati ausiliaria

Per la trasmissione Tv digitale serve però avere i segnali video/audio digitali, ovvero generarli digitalmente (telecamere, apparecchiature da studio e regia totalmente digitali) oppure, come avviene nella maggioranza dei casi, convertire in digitale i segnali analogici disponibili.

Il segnale video/audio digitale non compresso è un flusso di dati di dimensione notevole (tipicamente avente Bit Rate di 270Mbit/s) per il quale abitualmente si utilizza la interfaccia seriale SDI (connessioni coassiali BNC a 75Ohm - SDI: Serial Digital Interface).

È pertanto indispensabile comprimere questi dati, che se trasmessi così come sono occuperebbero una banda RF superiore a quella di un segnale analogico, per formare un flusso di dimensione ragionevole da far transitare sui ponti di collegamento e distribuire all’utenza. La codifica/compressione non dovrà però deteriorare apprezzabilmente la qualità dei segnali video/audio: per questo scopo, lo standard internazionale scelto è l’MPEG-2 (Motion Picture Expert Group versione 2) che è in grado di comprimere un programma Tv da 270Mbit/s in soli 5/6 Mbit/sec pur mantenendo ottime caratteristiche qualitative (volendo, anche meno di 4 Mbit/s, accettando dei compromessi con la qualità). Per codificare/comprimere si utilizzano le seguenti tecniche:

- la percezione visiva umana è più sensibile alla luminanza che alla crominanza: si usano pertanto meno informazioni (bit) per il colore.

- nelle immagini vi sono spesso aree con medesimi punti (pixel) di luminanza e colore: nella codifica questi vengono aggregati, trasmettendo meno informazioni

- si trasmettono solo le differenze tra una immagine (quadro) e la successiva, per un certo numero di volte (GOP: Group Of Pictures, ovvero gruppo di immagini) prima di ritrasmettere l’immagine completa.

Group Of Pictures

I GOP sono costituiti da tre diversi tipi di frames (ovvero quadri - immagini):

- I-frame: immagine completa (la più grande in termini di informazioni necessarie per essere trasmessa)

- P-frame: differenze rispetto a I o P-frame precedente (significativamente più piccola rispetto ad un I-frame)

- B-frame: differenze che tengono conto delle immagini I/P precedente e successiva (la più piccola, ma non può essere replicata consecutivamente troppe volte).

I GOP normalmente comprendono un I-frame più alcuni P ed eventuali B frames; essi non possono essere troppo lunghi, altrimenti un eventuale errore verrebbe ad essere trascinato per un tempo eccessivo e c’è inoltre da tener presente che un decodificatore, per iniziare a decodificare, deve partire da un’immagine completa (I-frame), pertanto deve attendere l’inizio di un GOP.

Una delle sequenze più usata ed efficiente è della lunghezza di 12 quadri (frames) con la seguente struttura: IBBPBBPBBPBB.

I profili di codifica maggiormente noti sono il 4:2:0 (MP@ML - Main Profile @ Main Level) e il 4:2:2.

Proprietà, vantaggi ed impieghi

Nel 4:2:0 il video viene codificato con il rapporto di 4 informazioni per la luminanza e 2 per la crominanza.

Vantaggi:

- rapporto di codifica ideale rispetto alla percezione visiva

- ottimi risultati anche con bassi bit-rate

Impieghi:

- broadcasting (profilo usato per la diffusione terrestre e satellitare)

- contribuzione/distribuzione

- collegamenti studio/studio tra regie analogiche e digitali

Nel 4:2:2 il video viene codificato con il rapporto di 4 informazioni per la luminanza e 4 per la crominanza

Vantaggi:

- limitatamente migliore del 4:2:0 solo con bit-rate maggiori di 10Mbit/s

Impieghi:

- collegamenti studio/studio tra regie digitali.

A supporto di quanto asserito in merito ai vantaggi del 4:2:0 sul 4:2:2 sino a 10Mbit/s, si cita la prestigiosa rivista “EBU Technical Review” che nell’edizione dell’autunno 1999 riporta un test comparativo effettuato con bit-rate di 2,3,4 e 5 Mbit/s seguendo le raccomandazioni dell’ITU (International Telecommunication Union) dalla Swedish Television (SVT) sulla base della valutazione soggettiva (subjective evaluation) di un gruppo di osservatori, dal quale risulta essere mediamente migliore, a parità di bit-rate, la codifica 4:2:0.

Al Kovalick, ingegnere capo della Pinnacle Systems Inc, in un articolo apparso su Broadcastpapers (2001-2002) afferma che un filmato codificato 4:2:0 a 10Mbit/s è pari in qualità al medesimo filmato codificato 4:2:2, ma a 13Mbit/s! In base a nostri test abbiamo potuto riscontrare limitatissimi vantaggi con la codifica 4:2:2 solo con bit-rate superiori a 10Mbit/s, mentre al di sotto di detto bit-rate è sicuramente vantaggioso l’uso del 4:2:0, particolarmente se il contenuto di movimento del filmato è elevato.

Si noti che apprezzare una differenza qualitativa su filmati codificati ad oltre 10Mbit/s è di per sé estremamente difficile in quanto la qualità è talmente elevata che le differenze sono oggettivamente ardue da rilevare.

Il limitato vantaggio del 4:2:2 sul 4:2:0 con bit-rate superiore a 10Mbit/s viene però vanificato se si parte da segnali analogici convertiti in digitale. In conclusione, in base a tutte le considerazioni sopra riportate ed al fatto che è ben difficile avere a disposizione bit-rate di 15/20Mbit/s per un singolo programma, la scelta del profilo di codifica ricade pressoché sempre sul 4:2:0 (MP@ML). Analizziamo ora quali sono alcuni tra i principali settaggi di un codificatore MPEG-2 (4:2:0):

- risoluzione video: Full D1; 3/4 D1; 2/3 D1; 1/2 D1; SIF; QSIF (la scelta sarà in funzione del bit rate disponibile e della qualità di codifica richiesta in rapporto alla quantità di movimento delle sequenze).

- dimensione dell’immagine: sino a 720 x 576 pixel per il PAL e 720 x 480 pixel per l’NTSC (risoluzione più alta corrisponde a un migliore definizione, ma necessità di maggiore bit rate).

Struttura dei Gruppi di Immagini: numero e sequenza dei quadri I,P e B

Bit Rate di codifica: sino a 15MBit/s.

- bit rate del Transport Stream di uscita: deve sempre essere uguale o maggiore del bit rate di codifica video + audio + tabelle; la differenza tra la sommatoria dei bit rate di codifica e quello impostato per il Transport Strem di uscita viene riempita con pacchetti nulli (Bit stuffing).

- Frequenza di campionamento audio (32/44,1/48 KHz): più alta è la frequenza, migliore è la qualità, ma maggiore è la quantità di dati (bit rate).

- Numero di identificazione dei pacchetti video, audio ed eventualmente dati (PID - Program Identifier): devono essere impostati affinché non coincidano, andando in conflitto tra loro ed eventualmente anche con altri PID con i quali dovranno essere multiplexati.

- Impostazione dei filtri: nel caso di codificatori con entrata video composita possono essere scelti filtri sincroni “comb” o filtri a trappola “notch” (a seconda della qualità del video in entrata) per separare la crominanza dalla luminanza; altri filtri selezionabili servono alla riduzione del rumore (da utilizzarsi specialmente con bassi bit rate al fine di evitare di occupare banda per trasmettere rumore al posto del movimento delle sequenze).

Questi sono solo alcuni tra i principali settaggi di un codificatore. Nella pratica, ad esempio nel codificatore 4:2:0 prodotto dalla ABE, è possibile modificare circa 200 parametri, tenendo presente che molti di essi sono interdipendenti. Per facilitare l’utente, il codificatore ABE ha già predisposte quattro differenti configurazioni di fabbrica ed inoltre ne può memorizzarne altre quattro predisposte dall’utente.

Qualche considerazione finale riguardo i test effettuabili sui codificatori MPEG-2:

- la qualità della codifica non è facilmente misurabile: abitualmente, si effettuano delle comparazioni con subjective evaluation e/o expert-viewing (valutazioni soggettive di gruppi di persone e/o visione di esperti) al posto di affidarsi ai pochi strumenti di misura esistenti che possono dare risultati non sempre concordanti con la percezione qualitativa umana.

- a supporto (ma non in sostituzione) del metodo di misura qualitativo scelto, possono anche essere misurate le distorsioni video lineari, non lineari ed il rumore, tenendo conto che molto dipende dalle regolazioni del codificatore, dalla qualità del decodificatore e che la banda passante di luminanza, a seconda dei filtri impiegati, può anche essere limitata a meno di 3MHz.