Comunicarea moderna este de neconceput fara transmiterea informatiilor si sub forma vizuala(nu numai auditiva). Cum calculatorul a devenit unul din instrumentele nelipsite de pe un birou sau de acasa, multe firme depun eforturi considerabile pentru a concepe si produce interfete grafice cat mai performante si prietenoase cu utilizatorul.

In curand ne vom “confrunta” cu invadarea spatiului Internet si Intranet de catre aplicatiile video. Faptul evident este ca persista un interes in randul marilor firme, cat si a celor aflate la inceput de drum, de a oferi clientilor oportunitatea de utilizare a aplicatiilor video atat in Internet, cat si in retele de tip intranet.

Mariajul intre video si tehnica de calcul este un fapt deja consumat, in prezent fiind inregistrata o inglobare a aplicatiilor Internet in industria bunurilor de larg consum, in special a celei de productie de televizoare. Aplicatiile Internet si mai ales World Wide Web vor constitui nu numai o componenta majora a serviciilor ce vor fi oferite prin intermediul unui dispozitiv hibrid de tip PC/TV sau TV/PC, dar si forta motrice a dezvoltarii tehnologiilor video pentru Internet.

Modelul Internet, bazat pe o cultura proprie conform careia orice este posibil, reprezinta un fenomen semnificativ nu numai in ceea ce priveste infrastructura curenta, dar si cea digitala a viitorului. Puterea acestei retele rezida nu numai in modalitatea de interconectare a retelelor componente, dar si in capacitatea de partajare a continutului intre diverse aplicatii si platforme. Tipul de informatie ce va putea fi partajat in Internet si intranet va evolua odata cu disponibilizarea unei largimi de banda mai mari.

In ultimii cativa ani am asist la tranzitia catre televiziunea digitala (DTV), fapt ce va permite transmiterea in aceeasi lungime de banda de informatii video si date, simultan cu programul de televiziune curent (in SUA, in banda de 6 Mhz dedicata canalelor de televiziune NTSC se transmit 19 Mbps de date si video), un procent semnificativ fiind dedicat informatiei de tip HTML bazate pe conceptul “forward and store”, transmisiuni video in Web bazate pe tehnica “streaming”.

Momentul de start al acestei revolutii a fost marcat pe 27 noiembrie 1996 prin semnarea unui “tratat de pace” intre reprezentantii producatorilor de PC-uri, companiilor de televiziune si producatorilor de receptoare TV, prin care se cere Comisiei de Comunicatii Federale Americane sa modifice standardul american din domeniul televiziunii digitale.

Acest tratat permite definirea de comun acord a formatelor de imagine livrate pe canalele DTV, cat si patrunderea companiilor de televiziune intr-un nou segment de piata, denumit “data broadcasting”.

Chestiunea principala o reprezinta necesarul de banda dedicat acestor servicii, pentru livrarea unor filme asemanatoare cu cele video fiind suficienta o viteza de cateva sute de Kbps, spre deosebire de cea necesara pentru livrarea unei imagini de o calitate asemanatoare cu cea a televiziunii, care se cifreaza in domeniul a 3-5 Mbps.

Livrarea aplicatiilor de tip streaming in timp real este posibila, in acest moment, prin intermediul infrastructurii deja instalate de retea, dar cu introducerea unor restrictii de acces la retea in timpul livrarii acestor servicii, aceste tranzactii izocrone de date necesitand accesul competitiv la banda disponibila, ceea ce poate duce la aparitia unor coliziuni intre pachete. In aceasta categorie intra si aplicatiile de tip VOD (Video-on-demand), care prin accesarea unor fisiere multimedia de dimensiuni mari pe servere, determina blocarea accesului a mii de persoane la aplicatiile Internet oferite de catre serverul respectiv. Problema aparitiei coliziunilor si a partajarii accesului la banda de catre mai multi utilizatori face ca utilizarea aplicatiilor VOD sa nu fie indicata in cazul retelelor intranet, decat daca se ia in considerare schimbarea infrastructurii de retea la cea de tip retea comutata (“switched network”).

Livrarea de imagini video la o rezolutie apropiata de cea a celor de televiziune necesita aprox. 150 Mbps, ceea ce depaseste evident capacitatea Internetului. Exista insa o speranta in aceasta privinta, si ea vine din partea tehnicilor de compresie digitala a informatiilor tip audio si video. Cei doi factori care influenteaza redarea unor astfel de fisiere sunt tipul de tehnologie de compresie utilizat pentru codificarea, respectiv decodificarea informatiilor audio si video, cat si debitul, in numar de biti pe secunda, care poate fi livrat catre dispozitivul de decodificare.

Procesele de codificare-decodificare sunt, in mod uzual, realizate prin intermediul unui dispozitiv digital denumit codec, care poate fi de 3 tipuri, in functie de reconstructia informatiei la receptie: fara pierderi (rata de compresie tipica 2:1 – 3:1), fara pierderi importante din punct de vedere al perceptiei (este eliminata o anumita cantitate de informatie care nu influenteaza capacitatea de receptie umana si a sistemelor, la o rata de 3:1 – 100:1), cu pierderi (rate de compresie de pana la 1000:1).

Din pacate pentru majoritatea utilizatorilor conectati la Internet prin intermediul unui modem pe 14,4 sau 28,8 Kbps, pentru receptionarea de imagini este necesara o rata de compresie de minimum 5000:1.

In afara de problema cerintelor de banda, criteriul de alegere a unui codec, din punct de vedere al cerintelor utilizatorilor, consta in asigurarea posibilitatii de receptionare a imaginilor de catre audienta.

Alegerea unui codec pentru compresie/decompresie audio/video sau plug-in se poate rezolva in doua moduri: implementarea codecului in interiorul unitatii centrale de prelucrare (CPU) a PC-ului, sau prin utilizarea unor codecuri hardware dedicate, pentru accelerarea unor operatii de calcul. Initial era posibila doar ultima varianta (codecuri de firma), astazi este posibila transferarea unor codec-uri software, sub forma unor aplicatii de tip media player stand-alone sau plug-in pentru aplicatia browser WWW curent utilizata. In aceasta categorie intra codec-urile software Cinepak si Indeo, care pot fi utilizate in platforme Macintosh (aplicatie QuickTime), Windows (aplicatie Video for Windows) si Silicon Graphics.

Ca exemple de aplicatii client utilizate pentru redarea fluxurilor de date audio si video in tehnologie streaming pot fi mentionate aplicatiile Progressive Network Real Audio (player), Apple QuickTime (plug-in) pentru aplicatii browser Netscape Navigator si Internet Explorer.

Evolutia si proliferarea rapida a aplicatiilor de tip browser WWW vor favoriza derularea proceselor de transfer a codecurilor software, ceea ce va determina introducerea de noi tehnologii (standarde de facto), desi nu exista garantii in ceea ce priveste compatibilitatea la nivel de platforma sau gradul de asigurare a performantelor, comparativ cu corespondentele lor hardware.

In ceea ce priveste standardele de imagine utilizate in WWW, pot fi mentionate: JPEG (Joint Photographic Expert Group) – utilizat in cazul livrarii in Internet si intranet a imaginilor statice, cu o rata de compresie de 3:1 -10:1; motion-JPEG (M-JPEG) – o variatie de JPEG, considerat standard de facto pentru aplicatii de editare video neliniara (este utilizat in mod curent la rate de 3-12 Mbps); H.261 – standard de videoconferinta pentru retele digitale (ISDN la 128 Kbps), cu facilitate de transfer a imaginilor de dimensiuni mici (160 x 120) la viteze reduse (7-10 fps) prin canale de 64 Kbps, in ambele directii; H.324 – pentru modemuri conventionale la viteze joase pe linii telefonice standard; MPEG (Moving Picture Experts Group) – standard pentru imagini in miscare pentru un spectru larg de rezolutie de imagine (de la un procent din rezolutia TV pana la HDTV).

MPEG este prezent in doua variante, si anume MPEG-1- pentru aplicatii cu restrictii in ceea ce priveste rata de bit (1X-2X CD-ROM si servere video intranet), oferind o calitate a imaginii de 24-30 fps la o rata de bit de 1-3 Mbps. Imaginile video codificate in acest format pot fi redate fara probleme (fara a fi necesar hardware suplimentar) de catre majoritatea PC-urilor multimedia (Pentium sau PowerPC).

Rezolutia standard pentru MPEG-1 este denumita source image format (SIF) si are valoarea de 320 x 240 la 30 fps. Reducerea vitezei poate determina reducerea rezolutiei la 1/4 din SIF, denumita QSIF, si care are valoarea de 160 x 120. Este de remarcat ca sunt disponibile pentru a fi transferate pe Web modulele software pentru QSIF.

Spre deosebire de standardul anterior, MPEG-2 a fost proiectat pentru transmisiuni digitale in standard SDTV si HDTV. Acest format este utilizat de catre sistemele de transmisiune prin satelit DirecTV si DISH Network, fiind cunoscut de asemenea sub numele Main Profile at Main Level (MP@ML), cat si de sistemul de redare a imaginilor video VIDEO DIGITALD (digital versatile disc).

Compresia inanuntrul unei camerei digitale:

După ce lumina trece printr-o lentilă prevăzută cu trei orificii, structura optică a camerei imparte lumina in componente: roşu, verde şi albastru (RGB = Red, Green, Blue). Un dispozitiv de transformare (CCD – Charged Coupled Device) captează lumina şi o transformă in semnale electrice, care poartă caracteristicile semnalului RGB.

Camera nu tratează automat informaţia CCD ca fiind digitală. De exemplu, informaţiile CCD inăuntrul unei camere analogice sunt scanate. Camera creează o undă de referinţă analogică bazată pe timp a variaţiilor de tensiune de pe CCD. Această undă este inregistrată pe bandă analogică.

Camerele digitale captează atat orizontal, cat şi vertical. Formatul VIDEO DIGITALscanează orizontal 525 pixeli/linie, iar vertical 500 linii. Intreaga imagine scanată va fi inregistrată ca o matrice de elemente orizontale şi verticale ale imaginii (pixeli). Fiecare pixel in parte conţine o măsură pentru componentele R, G şi B ale luminii, care se potriveşte cu elementele CCD corespunzătoare. Fluxul de date efectuat pentru o astfel de operaţie este de aproximativ 31 MB/secundă.

Mai departe, valorile RGB ale fiecărui pixel sunt transformate in valori YUV. Y reprezintă luminanţa (strălucirea) pixelului, iar U şi V crominanţa (valorile culorilor). Valorile Y ale pixelului sunt captate de patru ori. Valorile U şi V sunt captate de două ori. Astfel se obţine o reprezentare a semnalului video in YUV 4:2:2. De reţinut este faptul că, spre deosebire de Hi8 şi S-VHS, VIDEO DIGITALcreează un semnal video constituent. Din punct de vedere al reprezentării in memoria calculatorului un pixel in spaţiul RGB este stocat pe 24 biţi in timp ce in spaţiul YUV pe 9 biţi.

Y este captat de mai multe ori decat U sau V deoarece ochiul uman detectează mai bine variaţiile subtile de strălucire decat pe cele de culoare. Mare parte a vitezei de date a semnalului video este alocată descrierii diferenţelor pe care le vom observa. Transformarea din spaţiul de culori RGB in YUV reduce viteza de transfer, fără a degrada vizibil imaginea. Redarea imaginilor digitale presupune un flux de date de circa 20,5 MB/s.

Primele două etape sunt comune marii majorităţi a formatelor video digitale. De aici, VIDEO DIGITALporneşte pe propriul drum. Cipurile VIDEO DIGITALobişnuite preiau şi reduc cantitatea de informaţii şi mai tare.

Semnalul YUV se reduce la 4:2:2 pentru video-uri tip PAL (sau 4:1:1 pentru video-uri tip NTSC). In timp ce fiecare pixel işi păstrează informaţiile proprii de luminanţă Y, grupe de patru pixeli invecinaţi trebuie să partajeze aceeaşi informaţie de culoare U şi V. Reducerea la culori 4:1:1 face ca viteza să fie de 15,5 MB/s.

Pentru multe inregistrări video ale obiectelor naturale 4:1:1 funcţionează excelent. Insă construcţia optică a ecranului albastru şi animaţiile realizate cu ajutorul calculatoarelor s-ar putea să nu funcţioneze atat de bine cu reducerea culorilor la 4:1:1. Informaţia redusă de culori face ca definirea corectă a contururilor imaginilor să fie mai dificilă.

M-JPEG sau alt tip de comprimare

15,.5 MB/s este totuşi o cantitate mare de informaţie. Aici intervine formatul video digital. Cipul de comprimare al camerei micşorează semnalul video cu patru cincimi. Algoritmul de comprimare video digital5:1 utilizează o compresie “intra frame” similară, intr-o oarecare măsură, cu comprimarea M-JPEG folosită in domeniul video digital. Prin comprimarea fiecărui cadru in parte, datele nu pot fi reduse intr-o măsură similară celei realizate cu ajutorul comprimării de tip MPEG. Inseamnă insă că editarea corectă a cadrului este realizabilă cu echipament adecvat.

O memorie tampon a cadrului reţine şi compară imaginile in ambele părţi ale cadrului. Dacă ambele părţi sunt similare, atunci intregul cadru este comprimat deodată. Dar dacă există multă mişcare intre părţi, atunci fiecare parte va fi comprimată separat.

In plus, video digital foloseşte tabele de cuantificare multiple. Pixelii fiecărui cadru video sunt grupaţi in blocuri de 8 x 8 pixeli, iar aceste blocuri sunt legate in grupe de cate patru. Fiecare set de patru blocuri va fi comprimat mai apoi, in concordanţă cu propriul tabel. Deci părţi diferite ale aceluiaşi cadru pot fi comprimate in diferite măsuri. Video digital duce la mărirea vitezei de transmisie prin comprimarea la un nivel mai inalt a grupelor de blocuri care nu conţin multe detalii şi comprimarea mai scăzută a părţilor care sunt caracterizate prin mai multă mişcare şi mai multe detalii. M-JPEG stabileşte un singur nivel de comprimare pentru fiecare cadru video.

Caţiva distribuitori susţin faptul că, comprimarea video digital duce la imagini superioare in ceea ce priveşte calitatea celor M-JPEG, folosind aceleaşi nivele de comprimare. In orice caz, orice camera video digitala sau o masă de montaj ştie exact la ce format sau viteză de date trebuie să se adapteze. Comprimarea digitala reduce semnalul video la aproximativ 3,1 Mbps.

Standardul JPEG-MPEG

Standardul JPEG este mai vechi si contine specificatii relative la imagini statice, in timp ce standardul MPEG este mai recent si se refera atat la imaginile statice cat si la cele animate. Ambele standarde se reporteaza la la sistemul psiho_vizual uman, insa JPEG doar intr-o mainiera indirecta(produce doar matrici de cuantificare). MPEG in schim are integrate modele pshio-vizuale de o maniera directa.

Standardul JPEG prelucreaza imaginea ca si cum ea ar fi constituita din 3 imagini separate. Astfel, in imagimini RGB i se va comprima intai componenta R apoi componenta G si in final componenta B. Pentru fiecare componenta algoritmul de compresie conincide cu cel utilizat in compresia imaginilor, avnd doar nivele de gri. Astfel el se repeta de 3 ori.

Imaginile animate pot fi deasemenea comprimate cu ajutorul programului JPEG, dar viteza de compresie e extrem de mica(lenta). Un standard mai perfermant pentru imaginile animate( si chiar pentru cele in culori) este MPEG, ale carui specificatii sunt mai complexe, deoarece modelul psiho-vizual uman intervine de o maniera mult mai directa decat in algoritmul JPEG.

Totusi, algoritmul JPEG constituie un bun instrument de compresie a imaginilor, cunoscand la randul sau numeroase imbunatatiri de-a lungul timpului. Versiunile actuale ale acestui program(unele disponibile gratuit pe Internet) ofera si numeroase alte facilitati de operare.

Bibliografie:

1. “Compresia Datelor” – Dan Stefanoiu
2. “Capitolul 5 al cursului de Compresia Datelor” – Radu Dobrescu
3. Internet (www.kappa.ro/idgro/cworld; /www.agora.ro/pcrep)