Capitolo 1. Video digitale. 1.1 Vantaggi del digitale.

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1 Introduzione. Da diversi anni i sistemi per la trasmissione di immagini in movimento hanno assunto una notevole importanza. L ampia banda necessaria per tali trasmissioni ha però frenato lo sviluppo di sistemi digitali. Questo ha favorito l accettazione di standard analogici per la videoregistrazione e diffusione di filmati ed animazioni che, pur non presentando inconvenienti per la trasmissione televisiva, non consentono di sfruttare i vantaggi derivanti dall elaborazione numerica. La realizzazione di filmati analogici non consente di archiviare un numero elevato di animazioni e di accedere in maniera efficiente alla singola sequenza o singolo fotogramma. Inoltre un filmato, una volta realizzato, non è più modificabile e la sua duplicazione comporta un degradamento significativo della qualità delle immagini. Lo standard MPEG consente un efficiente compressione di una sequenza di immagini, permettendone quindi la memorizzazione in formato digitale sugli attuali supporti magnetici ed ottici e la trasmissione attraverso reti digitali. Il problema predominante per qualsiasi sistema di compressione video è l enorme quantità di dati da elaborare in tempo reale. L utilizzo di algoritmi di compressione privi di perdite (codifica 1

2 Introduzione lossless) non permette di ottenere rapporti di compressione sufficientemente alti, per cui la loro applicazione non risulta conveniente. Per questo tutti i sistemi di codifica video introducono delle perdite (codifica lossy) che hanno lo scopo di ridurre la banda del segnale a valori accettabili per la sua trasmissione. Queste perdite causano inevitabilmente degli artefatti che possono pregiudicare la qualità della sequenza stessa. Emerge così il problema della valutazione della qualità per una sequenza codecodificata. In questo lavoro di tesi sarà esaminato il caso di codifica MPEG-2 a bit rate costante. Ovviamente la qualità ottenuta per una sequenza dipenderà dal bit rate di codifica e migliorerà con l aumentare di quest ultimo; il bit rate di codifica ottimale sarà fortemente condizionato dalle caratteristiche di dettaglio spaziale e di movimento della sequenza stessa. Attualmente la valutazione della qualità di una sequenza è fatta attraverso metodi soggettivi, basati sul giudizio di alcuni gruppi di osservatori. Questi metodi, oltre ad essere costosi e poco affidabili, non permettono una valutazione in tempo reale della qualità. L uso di metodi oggettivi ed automatici, invece, consentirebbe un monitoraggio continuo della qualità, permettendo una tempestiva correzione di parametri di codifica. Il presente lavoro di tesi si inserisce nell ambito di una collaborazione tra il Consorzio Pisa Ricerche ed il Centro Ricerche RAI di Torino con lo scopo di individuare dei parametri sensibili alla degradazione della qualità percettiva e di sviluppare dei metodi per una sua valutazione oggettiva. Nel primo capitolo viene fornita un introduzione teorica al problema della compressione video ed agli attuali metodi di valutazione 2

3 Introduzione della sua qualità percettiva. Nel secondo capitolo si riporta una panoramica relativa a tutti gli standard MPEG attualmente esistenti o in fase di definizione, mentre nel terzo si scende nei dettagli della codifica video MPEG-2. Nel quarto capitolo è descritto il materiale usato per lo svolgimento delle prove sperimentali. Il quinto capitolo presenta uno studio di tutti i parametri direttamente disponibili nel bitstream delle sequenze utilizzate. Infine, nel sesto capitolo, sono definiti dei parametri innovativi per la valutazione della qualità di una sequenza MPEG-2 e sono presentati i risultati sperimentali relativi a tutte le sequenze a disposizione, compresse utilizzando sia un codificatore software che uno hardware. I risultati ottenuti sono stati confermati da un ispezione visiva delle sequenze sotto esame. 3

4 Capitolo 1 Video digitale. 1.1 Vantaggi del digitale. Negli ultimi anni, gli algoritmi di compressione video e le loro realizzazioni pratiche, hanno avuto un rapido sviluppo. I risultati ottenuti dei gruppi di lavoro JPEG 1 ed MPEG 2 hanno aperto la strada a nuove applicazioni nel campo delle comunicazioni multimediali e dei servizi di trasmissione televisiva digitale. Uno dei principali vantaggi del video digitale rispetto a quello analogico è dato dall enorme potenzialità di elaborazione del segnale fornita nel campo numerico. Il segnale analogico infatti, una volta registrato non permette nessuna successiva modifica; inoltre le perdita di qualità dovuta all'invecchiamento ed alla duplicazione dei nastri magnetici è elevata. Il segnale digitale, invece, oltre ad essere duplicabile senza perdita di qualità, può essere facilmente modi- 1 Joint Photographic Expert Group; è il gruppo che ha standardizzato l omonimo algoritmo di compressione per immagini statiche. 2 Moving Picture Expert Group, è il gruppo promotore degli standard MPEG 1, 2, 4 e 7. 4

5 ficato anche in fase di post-produzione. Dopo la compressione il segnale video digitale può essere trasmesso utilizzando una banda inferiore rispetto a quello analogico, per questo motivo i nuovi canali televisivi via satellite stanno orientandosi esclusivamente verso il digitale, abbandonando i vecchi sistemi analogici ormai superati. 1.2 Perché comprimere? Il flusso di una sequenza video digitale è caratterizzato da un bit rate estremamente elevato, tale da rendere improponibile la sua trasmissione su qualsiasi canale. Per verificare quanto detto supponiamo di volere trasmettere una sequenza in formato SIF (720 pixel x 576 line a 25 frame/secondo), con frame di tipo RGB (24 bit/pixel) ottengo quindi: 720 x 576 pixel pixel/frame x 24 bit/pixel (RGB) bit/frame x 25 frame/sec bit/sec = Bit rate necessario 250 Mbps Bit rate neccessario per il video digitale Questo valore conferma l impossibilità di trasmettere direttamente il video digitale; basti pensare infatti, che per le dorsali telefoniche nazionali sono utilizzati collegamenti a 34Mbps, di gran lunga inferiore alla banda necessaria per i nostri scopi. Nella seguente tabella sono riportati, come termine di paragone, alcuni valori di banda per i più comuni canali e mezzi di memorizzazione di uso comune. 5

6 Canale PSTN modem. ISDN. LAN. ATM. Etere. TV via cavo. CD-ROM.( 1) DVD. Bitrate supportati: >30kbit/sec Kbit/sec Mbit/sec >135Mbit/sec 18-20Mbit/sec 20-40Mbit/sec 1.4Mbit/sec. 9-10Mbit/sec Capacità di canali e supporti La gestione e la trasmissione di una quantità di dati così elevata ha reso necessaria la ricerca di algoritmi per la riduzione del bit rate complessivo ad un valore accettabile. In fase di ricezione i dati, prima di essere utilizzati, dovranno essere elaborati da un opportuno decoder che ricostruisca il segnale originale. 1.3 Basi teoriche della compressione. La compressione video ha l'obiettivo di diminuire il bit rate della sequenza elaborata, il che risulta possibile evitando la trasmissione di tutti quei dati non indispensabili alla ricostruzione del filmato. Chiameremo l'informazione superflua ridondanza. La ridondanza presente in una sequenza può avere diverse origini, ognuna delle quali è eliminata utilizzando tecniche adeguate. In particolare i principali tipi di ridondanza sono:! Ridondanza Spaziale.! Ridondanza Temporale. 6

7 ! Ridondanza Percettiva. La ridondanza spaziale è dovuta alla correlazione esistente tra pixel vicini di uno stesso frame. Questo tipo di ridondanza, presente già nelle immagini fisse, è ridotta mediante tecniche di codifica differenziale e quantizzazione dei coefficienti trasformati 3 relativi ai blocchi dell immagine. La correlazione esistente tra pixel appartenenti a frame diversi, è invece detta ridondanza temporale ed è sfruttata attraverso tecniche di predizione del moto. La ridondanza percettiva, a differenza delle precedenti, non è legata alle caratteristiche del segnale ma dipende dalle capacità visive dell occhio umano. La sua eliminazione è realizzata attraverso tecniche di quantizzazione che prevedono lo scarto di tutti quei dettagli non apprezzabili dall osservatore. Questa operazione aumenta notevolmente il fattore di compressione totale, introducendo però delle perdite di informazione non recuperabili; in altre parole, il filmato decompresso non sarà più una copia esatta dell'originale, ma soltanto una sua approssimazione. Utilizzando opportuni algoritmi di compressione è possibile diminuire sensibilmente il bit rate mantenendo una buona qualità dell immagine (si veda la tabella nella pagina seguente). 7

8 Standard Film (USA,Japan) Risoluzione video. pels x lines x frame/s Bitrate non compresso (RGB) Bitrate compresso Rapporto di compr. (480x480x24Hz) 133 Mbit/sec. 3-6Mb/s NTSC video (480x480x29.9Hz) 168 Mbit/sec. 4-8Mb/s PAL video (576x576x25Hz) 199 Mbit/sec. 4-9Mb/s HDTV video (1920x1080x30Hz) 1493 Mbit/sec Mb/s HDTV video (1280x720x60Hz) 1327 Mbit/sec 18-30Mb/s ISDN v.phone(cif) PSTN v.phone(qcif) (352x288x29.97Hz) 73 Mbit/sec K/s (176x144x29.97Hz) 18 Mbit/sec 10-30Kb/s Confronto del bit rate tra originale e codificato La banda necessaria alla trasmissione del video dopo la compressione è facilmente reperibile a basso costo; questo giustifica la crescente tendenza verso il video digitale. 1.4 Algoritmi di codifica. Dopo la compressione, il segnale video non potrà più essere utilizzato immediatamente, ma dovrà essere riportato nella forma originale tramite il processo di decodifica. Con il termine algoritmo di co-decodifica, generalmente si intende l insieme di entrambi i processi:! Codifica! Decodifica Come già specificato nel paragrafo precedente, il processo di codecodifica introduce nel segnale delle degradazioni che possono essere più o meno marcate. A causa di tali degradazioni il segnale decodificato non sarà più una copia esatta dell originale ma una sua approssimazione, per cui si parla di codifica lossy. Nel caso in cui il 3 La trasformazione utilizzata è la DCT, per maggiori dettagli si rimanda al capitolo 3. 8

9 segnale decodificato rimanga identico all originale si parla di codifica lossless. Processo di co-decodifica Questi ultimi, sebbene non introducano perdite, non riescono a fornire dei buoni rapporti di compressione, per questo motivo sono utilizzati soltanto in alcune applicazioni professionali nelle quali è indispensabile mantenere il segnale integro da artefatti. Per quanto riguarda invece gli algoritmi lossy, è necessario verificare che le perdite introdotte non siano tali da generare una eccessiva degradazione della qualità video. Una seconda importante distinzione per i diversi algoritmi di codifica è quella tra bilanciati e sbilanciati. Un algoritmo bilanciato ha una esatta simmetria tra il processo di codifica e quello di decodifica (il decodificatore è quindi composto dai blocchi inversi del codificatore), per cui la complessità dei due processi risulta paragonabile. Un esempio è dato dal sistema M-JPEG 4 che, non prevedendo procedure di predizione del moto, avrà una struttura esattamente simmetrica. Per ottenere un elevato rapporto di compressione è necessario sbilanciare l algoritmo. In questo 4 Moving-JPEG: non è un vero e proprio standard, si basa sul sistema JPEG codificando tutti i frame della sequenza come se fossero indipendenti. Il rapporto di compressione è basso (4:1 9

10 modo è possibile utilizzare strumenti di codifica molto potenti come la predizione del moto, senza complicare l algoritmo di decodifica. Questo offre la possibilità di costruire decoder a basso costo permettendo così una distribuzione su larga scala. Il sistema MPEG, che analizzeremo dettagliatamente nel seguito, è un algoritmo lossy sbilanciato; (infatti la predizione del movimento presente nel codificatore è assente nel decodificatore) le perdite introdotte sono causate della quantizzazione dei blocchi DCT Perdita di qualità. Nel caso della codifica MPEG, la perdita di qualità è causata principalmente dal processo di quantizzazione che introduce delle approssimazioni non recuperabili sul segnale video. MPEG prevede due criteri di codifica, VBR (Variable Bit Rate) e CBR (Constant Bit Rate), il primo impone una qualità costante per tutta la sequenza (mantenendo costante il passo di quantizzazione) mentre il secondo mantiene costante il bit rate variando la qualità. Utilizzando la codifica VBR, il bit rate dipenderà istantaneamente dal contenuto della sequenza, con la codifica CBR, invece, il bit rate sarà mantenuto costante; questo è possibile variando il passo di quantizzazione (e quindi la qualità) in funzione delle condizioni del buffer di uscita. La codifica VBR, introducendo delle perdite controllate e costanti, è preferibile rispetto alla CBR; il problema di questo tipo di codifica nasce al momento della trasmissione del bitstream compresso in senza introdurre perdite evidenti) perché non sfrutta la correlazione temporale della sequenza. L unico vantaggio di questo metodo di compressione è l estrema semplicità del codificatore. 5 Discrete Cosine Trasform, si rimanda al capitolo 3 per ulteriori informazioni. 10

11 quanto la maggior parte dei canali di trasmissione (ad esempio il transponditore satellitare) necessita, a priori, della conoscenza della banda da assegnare al collegamento. Per questo motivo la codifica VBR è utilizzata quasi esclusivamente per la memorizzazione di materiale su supporti digitali (ad esempio la registrazione di film su supporti DVD). Attualmente è in corso di sperimentazione la trasmissione di video VBR su reti ATM che, per le loro caratteristiche di funzionamento, consentono di operare con bit rate variabile; rimangono comunque aperte le problematiche relative alla qualità del servizio in tutte le soluzioni che non fanno uso dell allocazione di picco. In questo lavoro di tesi, saranno studiate esclusivamente sequenze codificate CBR, per le quali la valutazione della qualità ha una importanza fondamentale. 1.6 Valutazione oggettiva della qualità. Per codificare efficacemente una sequenza video, è necessario stabilire quale sia il bit rate ottimale. Infatti un bit rate troppo basso genererebbe una eccessiva degradazione del segnale, mentre uno troppo alto aumenterebbe inutilmente i costi di trasmissione. Sebbene siano stati fatti molti tentativi di classificazione per valutare a priori il bit rate da assegnare alla codifica in base al tipo di filmato (sport, documentario, notiziario, film ), i risultati in questo senso non sono stati molto incoraggianti. Pertanto, generalmente, vengono effettuate più codifiche a diversi bit rate e viene scelta quella minima che conservi una buona qualità. 11