Recomendação H.261 para serviços audiovisuais a taxas de transmissão p*64 kbit/s

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1 1. Introdução A compressão digital de imagem tem vindo a ganhar uma importância crescente, em especial nos sistemas de transmissão, uma vez que a capacidade dos canais é normalmente limitada e muito inferior à requerida por um sinal de vídeo. A compressão de imagem requer uma potência e uma velocidade de processamento consideráveis, especialmente em aplicações de transmissão de vídeo, que requerem um processamento em tempo real. Reconhecendo a necessidade de integrar serviços audiovisuais na RDIS, o ITU (Ex CCITT) estabeleceu um grupo especializado em codificação de videotelefonia, com o objectivo de definir um standard para transmissão de vídeo e audio em canais de 64 Kbps. Depois de mais de cinco anos de deliberações intensivas, a recomendação H.261 para codificação de serviços audiovisuais foi concluída e aprovada em Dezembro de Uma versão ligeiramente modificada foi adoptada nos Estados Unidos. Este texto pretende descrever de uma forma simplificada, os aspectos e características mais importantes, relacionados com a recomendação H.261 do ITU, para transmissão de serviços audiovisuais, em linhas de capacidade p*64 Kbps, ( p=1, 2, ). Fig.1 - Sistema típico de videoconferência, utilizando canais de 64 Kbps Redes e Serviços em Banda Larga -2001/2002 Pág. 1

2 2. Arquitectura do codec H.261 A recomendação H.261, especifica um algoritmo para codificação e compressão de sequências digitais de vídeo, de forma a poderem ser transmitidas através de canais de transmissão com largura de banda múltiplas de 64 kbps. Este standard foi desenvolvido pelo CCITT (Comité Consultivo Internacional Telegráfico e Telefónico), agora denominado ITU-T. Esta norma encontra-se largamente implementada em software e existem também implementações em hardware aplicadas em vários dispositivos de telecomunicações, por vários fabricantes, simplificando e generalizando a sua utilização. A fig.2 representa um diagrama de blocos de um codec (codificador / descodificador) H.261. Controlo Externo Controlo de Codificação Sinal Video Source coder Video multiplex coder a) Codificador Transmission buffer Transmission coder bitstream Source decoder Video multiplex decoder Receiving buffer Receiving decoder b) Descodificador Fig.2- Diagrama de blocos de um codec H Codificador Híbrido Num codificador híbrido é feita uma estimativa da imagem futura, a partir da imagem actual e a diferença estimada é codificada por um mecanismo de intraframe. O algoritmo H.261 é híbrido porque utiliza várias técnicas para a compressão, nomeadamente utiliza compensação de movimento e a transformada DCT (Discrete Cosine Transform), onde a estimativa da imagem actual é feita por uma de composição em 2 planos da imagem anterior e a diferença é codificada utilizando a transformada por blocos DCT. A característica chave deste codificador, é que ele incorpora também um descodificador. Assim, é possível processar a próxima imagem subtraindo a diferença com a imagem actual, que é idêntica à que chega ao receptor. Redes e Serviços em Banda Larga -2001/2002 Pág. 2

3 2.2 Funcionamento do codificador H.261 A estrutura principal do algoritmo, Figura 3, é um anel em malha fechada DPCM (Diferential Pulse Code Modulation), operando em blocos de imagens. O bloco diferença bd(s,t) (s - coordenada espacial e t - coordenada temporal) corresponde à diferença entre o bloco original - bloco b(s, t) e o bloco estimado com compensação de movimento b (s, t). Este ultimo é obtido através da aplicação de um vector de movimento no bloco estimado. O bloco diferença é descorrelacionado por uma transformação (T), originando o bloco diferença-transformado BD(s, t). Este depois é quantificado (Q) resultando um bloco diferença-transformado-quantificado BDQ(s, t),. que é processado de duas formas: Por um lado é-lhe aplicado um código de comprimento variável, seguido de multiplexagem de forma a introduzir informação adicional, para finalmente dar entrada no buffer da linha; por outro lado, o sinal BDQ(s,t) passa por um processo inverso de quantificação (Q-1) e de transformação (T-1), de forma a reconstruir o bloco estimado para a imagem seguinte, que fica guardado na poção de memória (P), para a próxima estimativa. CC p t BD(s, t) BDQ(s, t) qz Video in T Q q b(s, t) bd(s, t) Q 1 To video multiplex coder T 1 b d(s, t) P v T Q P CC p t qz q v Transform Quantizer Picture Memory with motion compensated variable delay Coding control Flag for INTRA/INTER Flag for transmitted or not Quantizer indication Quantizing index for transform coefficients Motion vector Fig. 3 - Arquitectura do Codificador H.261 Redes e Serviços em Banda Larga -2001/2002 Pág. 3

4 2.3 Formatos da imagem O codificador opera com imagens em formato CIF (Common Intermediate Format), ou formato QCIF ( Quarter CIF ). CIF - 352x288 para a luminância e 176x144 para as crominâncias. QCIF - 176x144 para a luminância e 88x72 para as crominâncias. 2.4 Algoritmo de Codificação Codificador Híbrido porque integra várias técnicas de codificação: DPCM Transformada Compensação de movimento. O DPCM é aplicado na dimensão temporal e a transformada nas dimensões espaciais. 2.5 Adaptatividade Intra/Interframe Por forma a tirar vantagem da coerência entre imagens sucessivas, o anel DPCM transforma e quantifica a diferença entre a imagem presente e a imagem anterior. Para ser mais preciso, podemos codificar a diferença entre a imagem presente e a última imagem descodificada, porque o codificador tem exactamente a mesma informação que o descodificador. A esta técnica, em que a imagem presente é reconstruída a partir da imagem anterior dá-se o nome de codificação interframe. Um ponto fraco da codificação interframe, ocorre no corte de cena, onde se nota uma degradação transitória da qualidade. De forma a reduzir este problema, é introduzida a adaptatividade intra/interframe. Desta forma, o algoritmo deve tentar codificar em intraframe, quando um corte de cena ocorre. 2.6 Transformada e Quantificação A transformada adoptada é bidimensional DCT (8x8). A entrada da transformada é de 9 bit/amostra e a saída é de 12 bit/coeficiente. A Redes e Serviços em Banda Larga -2001/2002 Pág. 4

5 quantificação é um passo essencial depois da transformada, por forma a reduzir a quantidade de informação, fazendo com que os coeficientes sejam representados por palavras binárias de pequeno comprimento. Os coeficientes são uniformemente quantificados, com o passo de quantificação determinado pelo nível do buffer da linha. Estimação de Movimento A estimação de movimento, assenta no principio de que pixels adjacentes do mesmo macrobloco sofrem o mesmo deslocamento. O objectivo é tentar fazer a melhor predicção da imagem actual, e deste modo, codificar o sinal com menos energia, resultando numa produção menor de informação, sem diminuir a qualidade. MV1 MV MV2 MV3 MV : Vector movimento MV1: Vector movimento anterior MV2: Vector movimento superior MV3: Vector movimento superior direito MV2 MV3 MV1 MV1 MV2 (0,0) (0,0) MV MV1 MV MV1 MV : Imagem ou GOB Fig. 7 - Vectores de movimento 2.7 Controlo de codificação Vários parâmetros podem ser alterados, de forma a controlar a codificação da sequência de vídeo. O passo de quantificação a utilizar e decisão entre imagem intra/inter, são decisões do controlo de codificação. Redes e Serviços em Banda Larga -2001/2002 Pág. 5

6 2.8 Taxa de Transmissão Esta recomendação especifica taxas de transmissão iguais ou múltiplas de 64 kbit/s. O codec pode ser utilizado em modo bidireccional ou unidireccional. 3. Princípios de compressão do algoritmo H Conversão de RGB => YUV O algoritmo H.261 foi formulado para o formato YUV. O formato YUV concentra a maior parte da informação da imagem na luminância e menos na crominância. O resultado é que os elementos YUV são menos correlacionados e podem ser codificados separadamente com pouca perda de eficiência. A redução da informação que se consegue convertendo de RGB para YUV é de 2 para 1 (designa-se 2:1). Por exemplo, se for especificado um formato RGB com 8 bits para cada cor, então cada elemento de imagem (pixel), é descrito por 24 bits; e depois de convertido, cada pixel YUV é descrito por uma média de 12 bits: A luminância por 8 bits, e ambas as crominâncias por 8 bits. A conversão para cor espacial é assim o primeiro passo para se chegar à compressão de imagem Formatos de Codificação do sinal de vídeo O sinal de vídeo pode ter oito resoluções espaço-temporais, resultando de uma combinação de duas resoluções espaciais, com quatro frequências de quadro. As frequências de quadro podem ser 7.5 Hz, 10 Hz, 15 Hz, ou 30 Hz. Os formatos espaciais são denominados CIF e QCIF (Quarter CIF) e utilizam o sistema de cor YUV com os sinais de crominância (U e V), sub-amostrados para metade das linhas e metade das colunas da luminância Y. Redes e Serviços em Banda Larga -2001/2002 Pág. 6

7 O codificador opera com imagens não interlaçadas, que ocorrem a uma das frequências de quadro. As imagens são depois codificadas no sistema YUV. Todos os descodificadores devem suportar o formato QCIF. Alguns descodificadores suportam também o formato CIF. Os codificadores devem suportar o formato QCIF e alguns suportam ambos os formatos para permitirem a transmissão em ambos os formatos. Luminância Crominância Bloco Fig. 4 - Amostras de luminância e crominância 3.3 Sintaxe do sinal de vídeo A multiplexagem de vídeo é estruturada de uma forma hierárquica por 4 níveis. Os níveis são: Imagem Grupo de Blocos Macrobloco Bloco Redes e Serviços em Banda Larga -2001/2002 Pág. 7

8 A numeração do macrobloco é feita através de um barrimento horizontal das linhas de macroblocos, da esquerda para a direita, começando pela primeira linha e terminando na última linha. Um exemplo de ordenação de macroblocos de uma imagem QCIF é mostrado na figura Fig. 6 - Arranjo de macroblocos numa imagem QCIF 5. Adaptatividades do codificador 5.1 Saturação do buffer de linha Quando a informação produzida é superior à capacidade do buffer (situação de overflow), para evitar produção de mais informação, os coeficientes da transformada são colocados a zero e o macrobloco não é enviado para a linha. 5.2 Controlo do Buffer O codificador deve controlar o bitstream de saída de acordo com as especificações. Quando o buffer está vazio, o passo tende a ser mais preciso (próximo de 4). Quando o buffer está cheio, o passo tende a ser mais grosseiro, aproximando-se de 64, por forma a não deixar saturar o buffer. Redes e Serviços em Banda Larga -2001/2002 Pág. 8

9 Nível do buffer (Kbit) Passo de quantificação < 400*q 4 < 600*q 6 < 800*q < 6000*q 60 < > 6400*q overflow Fig.12 Passo de quantificação Redes e Serviços em Banda Larga -2001/2002 Pág. 9

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