D.V.B. Casema in het digitale tijdperk

D.V.B.  Digital  Video  Broadcast

D.V.B.  Relevante standaarden:  JPEG  MPEG  ITU 601

Waarom Digital Video Broadcast  DVB:  Meerdere televisie kanalen via 1 trans- missiekanaal van 8 Mhz  Maakt de flexibele keuze van beeld en geluidskwaliteit mogelijk  Maakt op economisch verantwoorde manier HDTV mogelijk

Waarom Digital Video Broadcast  Pay per view wordt mogelijk door de goede versleuteling  Digitale transmissie via SDH is eenvoudig  Integratie met PC (internet) wordt mogelijk  Kan als basis dienen voor digitale radio

Digitalisering via PCM  Bij Puls Code Modulatie herkennen we de volgende drie fasen:  Bemonstering  Kwantificering  Codering

Digitale Transmissie  Basis principes:  Nyquist sampling stelling: het analoge signaal moet bemonsterd worden met twee keer de hoogste frequentie component  Het aantal bits per sample bepaalt de kwantificering fout. (Kwantificering ruis)

Vraagje??????  Wat is de bitsnelheid van een gedigitaliseerd TV kanaal met:  Een bandbreedte van 6 Mhz  Dat wordt gecodeerd met een 12 bits code

Antwoord  Er zijn minimaal 12 miljoen samples per seconde nodig  maal 12 bits geeft:  144 Mbit/s

Kwantificering Ruis  Voor video signalen geldt dat:  Sv/nq = aantal bits (6 db) +10,8 db  Hierbij geldt:  Sv/nq = top-top signaal tov kwantificering ruis  Aantal bits = aantal bits per monster

Kwantificering Ruis  Voor audio signalen geldt dat  Sa/nq=aantal bits (6db) + 1,8 db  Hierbij geldt dat:  Sa/nq= effectieve waarde van het signaal t.ov. de kwantficering ruis  Aantal bits = aantal bits per monster

Vraagje?????? ? Bereken de signaal/ kwantificering ruis bij ? een videosignaal dat met ? 8 bits wordt gecodeerd.

Antwoord  Sv/Nq = 8 bit * 6 dB +10,8 dB =  58,8 dB

ITU 601  Standaard voor digitale video  Geschikt voor NTSC, SECAM en PAL  Toepassing: Studio’s

ITU 601

Digitale transmissie van Audio

Internationale standaards Beeldcodering

JPEG  Joint  Photographic  Expert  Group  Standaard voor digitale codering van foto’s

Reductie bij JPEG 8 bij 8 beeldpunten Discrete Cosinus Transfer Kwanti- ficering Reductie

Reductie bij JPEG 8 bij 8 beeldpunten Inverse Discrete Cosinus Transfor m Inverse Kwanti - ficering Inverse Reductie

Discrete Cosinus Transformatie  Is heel simpel:  G(fx,fy) = 1/4 C(fx)C(fy)  g(x,y)((2x+1)fx  maal cos((2y+1)fy    Snap je wel.

Fourier transformatie  Een niet sinus vormig signaal kan worden omgezet in :  Een grondgolf met een bepaalde amplitude  Hogere harmonischen met een bepaalde amplitude.

Discrete Cosinus Transformatie  Plaatje van 8 x 8 beeldpunten wordt omgezet:  64 coëfficiënten die de grote (amplitude) van het signaal bij een bepaalde frequentie voorstellen.  deze coëfficiënten worden in een matrix van 8 bij 8 geplaatst.

Discrete Cosinus Transformatie  Deze coëfficiënten worden omgezet in een digitale code.

van analoog naar digitaal  bemonsteren  kwantificeren  coderen

Voordelen DCT  Er zijn minder coëfficiënten dan beeldpunten.  Elke coëfficiënt kan met minder bits gecodeerd worden dan een beeldpunt.

Minder kwantificering niveaus  Met behulp van een testpanel zijn voor elke coëfficiënt de kwantificering niveaus vast gelegd  Hierbij is gezocht naar de kleinst herken-bare afwijking  Dit is de gebruikte kwantificeringsstap

Minder kwantificerings niveaus  Hogere frequenties, grotere kwantificering niveaus.  Het oog is ongevoelig voor snelle veranderingen met een fijne resolutie  Het aantal kwantificering niveaus neemt af  Er zijn minder bits voor de codering nodig

Kwantificering tabel  Bepaalt voor elke freqenctie het aantal kwantiseringsstappen.

kwantificering tabel Fx Fy

Voorbeeld  Voor de grondfrequentie is het aantal stappen 2E11. (2048)  in de tabel staat voor de grondfrequentie 16  het aantal stappen vermindert dan met een factor 16  dat worden er 128.

Vraagje  Hoeveel kwantificering niveaus zijn er nodig voor de hoogste frequentie ????

Antwoord  In de tabel staat 99  Het aantal stappen neemt met een factor 99 af  Dat worden van er 2048/99 = 21

Vraagje????  Hoeveel bits zijn er nodig voor het coderen van 128 resp.. 21 niveaus ?????

Antwoord.  2log 128 =7bits  2log 21 = 5bits  Voor “gewone kwantificering” zouden 8 bits per monster nodig zijn

Minder coëfficiënten.  De meeste “ frequenties” hebben een coëfficiënt die gelijk is aan nul  Die hoeven dus niet overgestuurd te worden

Bemonsterings waarden 8 BEELDPUNTEN 8 Amplitude van het signaal op dit punt

DCT coëfficiënten Het niveau bij een bepaalde frequentie Deze frequenties zijn relevant

Kwantificering tabel Fx Fy Reductiefactor voor het aantal kwantificering stappen

Na kwantificering De groene waarden zijn nul Kwantificering niveau

Het versturen van JPEG files Redunctie Reductie

Redudantie Reductie  Redudantie Reductie betekend “woordovertolligheid”

Van tabel naar datastroom Voor verzending worden de gekwantificerde beeldpunten kruiselings uitgelezen.

Van tabel naar datastroom DCAC01 AC10 AC20 AC11 AC02 AC03

Van tabel naar datastroom Huffman Tabel Huffman Tabel + DC component DC vorig blok

Behandeling van de DC waarde  De DC coëfficiënt heeft de grootste energie inhoud  Is zelden nul  De waarde van de DC coëfficiënt wordt vergeleken met die van het vorige blok.  Het verschil wordt naar de Huffman coder gestuurd

Behandeling van de AC waarden  De coefficenten worden zo verstuurd dat :  De eerste coëfficiënt een bepaalde waarde heeft  De volgende coëfficiënten een waarde gelijk nul hebben

Voorbeeld  0,0,-2,0,-1,0,0,0,0,-1,0,-1  Wordt 0,0,-2/0,-1/0,0,0,0,-1/0,-1  0,0,2 wordt (2,-2)  0,-1 wordt (1,-1)  0,0,0,0,-1 wordt (4,-1)  0,-1 wordt (1,-1)

Huffman Code  Veel voorkomende bit combinaties zijn met weinig bits gecodeerd  Weinig voorkomende bit combinaties zijn met veel bits gecodeerd  Een voorbeeld is Morse Code

Het versturen van informatie  Kenmerkend voor JPEG is dat de kwantificering tabel wordt meegestuurd  De reductie bedraagt een factor 8  Het ontvangen beeld is subjectief gelijk aan het origineel

Bijzondere toepassingen van JPEG

Verzendmogelijkheden  Sequentiële Codering  Progressieve Codering  Successieve Codering  Verliesvrije Codering

Sequentiële Codering  Hierbij worden de bits een voor een overgestuurd.  Nadeel: het beeld wordt bij de ontvanger van links boven naar rechts beneden opgebouwd.  Bij een langzame “internet”verbinding ziet de ontvanger pas laat dat hij dit beeld niet wil hebben.

Progressieve Codering  Hierbij worden het eerst de DC coëfficiënten verstuurd.  De ontvanger heeft nu een “ruwe” indruk van het beeld. (helderheid en kleur)  Vervolgens worden de verfijningen in de vorm van de AC coëfficiënten verstuurd.

Successieve Codering  Hierbij worden ook eerst de DC coef- ficenten van de blokken overgestuurd.  Vervolgens komen eerst de MSB’s van de AC coefficenten aan de beurt tot dat LSB zijn verstuurd.  Ook hier wordt de belangrijkste infomatie het eerst verstuurd.

Successieve Codering  De ontvanger kan dan voordat alle informatie is verstuurd, de ontvangst onderbreken.

Verliesvrije overdracht  voor bepaalde toepassingen : rontgen foto’s etc is elke afronding een potentiele botbreuk.  Daar wordt bij deze modus de DCT transformatie over geslagen.  Wel wordt gebruik gemaakt van Prediktion.

Prediktion.  het voorspellen van de waarde van een bepaald beeldpunt. origineelvoorspelling redudantie reductie

Prediktion. CB AX

Mogelijke voorspellingen

Nadelen JPEG  Het gebruik van JPEG voor bewegende beelden “Motion JPEG” is niet gestandaardiseerd  De beeld opbouw van JPEG is afgestemd op gebruik in de computerwereld  De beeldopbouw van JPEG komt niet overeen met ITU 601

Nadelen JPEG  “Motion JPEG” bestaat een reeks foto’s die worden verstuurd  Redudantie in op volgende beelden wordt niet benut

MPEG Moving Pictures Experts Group

MPEG  Moving Pictures Experts Group  Doelstelling: het ontwikkelen van een Algoritme voor de codering van bewegende beelden  Diverse standaarden.  MPEG 1, MPEG 2

Diverse standaarden.  MPEG 1,  Computer & Multi Media  MPEG 2,  Televisie techniek  MPEG 3, is vervallen. (MPEG 2)  MPEG 4, is in ontwikkeling

MPEG 2  Digitaal transport van Televisie signalen  Diverse kwaliteitsklassen  Pal kwaliteit - 6 MHz.  Visuele transparantie - 9 MHz  Meerdere programma’s kunnen worden gemultiplexed tot 1 Bitstroom

MPEG 2  Regelt de Digitale Codering van TV beelden  Maakt gebruik van de redundantie in op- eenvolgende beelden  De foutcontrole/correctie en modulatie op het transport kanaal vallen buiten MPEG

DVB  Maakt gebruik van MPEG 2  Standaardiseert de modulatie en fout- correctie op het transportkanaal

Blokschema MPEG coder + +  Datastroom  et uitgangssignaal wordt vertraagd en vergeleken met het ingangssignaal

Vraagje?????  Op welke waarde moet  ingesteld worden?

Antwoord  Het is mogelijk om een vertraging van een beeldpunt, een lijn of een beeld in te stellen.  Bij MPEG wordt de redundantie binnen een beeld al verminderd door DCT  Daarom wordt de vertraging ingesteld op een beeld

Blokschema MPEG coder Beeldgroepen Sortering Beweging schatting + DCTQ Red reduckt INV Q INV DCT Mux Sturing Buffer beeld- geheugen + Decoder Coder  erugkoppeling

Blokschema MPEG coder  De terugkoppeling bestaat uit een complete decoder  Het coderproces werkt hierdoor compleet verliesvrij  Het beeldgeheugen zorgt voor de tijd vertraging  Het buffer aan de uitgang zorgt voor een constante bistroom op de verbinding

Blokschema MPEG coder  De bewegingsvoorspelling zoekt naar zo groot mogelijke overeenkomst tussen op- eenvolgende beelden  De berekende bewegingsfactoren worden overgestuurd.

Blokschema MPEG decoder Beeldgroepen Sortering Beweging schatting INV DCTINVDEMUXBufferQ Invers Red Reduct

Blokschema Encoder  Het ingangsbuffer zet de constante bitstroom om in een variable bitrate  DEMUX maakt een scheiding tussen nuttige informatie en aanvullende info  Aanvullende info bevat de berekende bewegingsvectoren en gebruikte kwantiseringstappen

Prijzen.  De encoder is zoals uit de blokschema’s blijkt veel complexer dan de decoder  Dat geldt met name voor de bewegings- voorspelling.  De encoder is ook veel duurder dan de decoder:fl ,- om fl 500,-

De Bewegings voorspelling Datareductie bij bewegende beelden

De bewegingsvoorspelling Beeld 1 Beeld 2

Macroblokken  Macro blokken zijn blokken van 16 bij 16 beeldpunten.  Zij komen overeen met 2 bij 2 DCT blokken

De Bewegingsvoorspelling  Door beeld 2 te vergelijken met beeld 1 wordt duidelijk welke macroblokken zijn verschoven  Door middel van een vector kan de aard en grootte van de verplaatsing worden weergegeven  De vector is voor Luminantie als Chrominatie het zelfde

Macroblok structuren BP 8 BP 16 BP 8 BP YCbCr Macroblok 4:2:0

Macroblok structuren BP 8 BP 16 BP 8 BP YCbCr Macroblok 4:2:

Macroblok structuren BP 8 BP 16 BP 8 BP YCbCr Macroblok 4:4:

Vraag????  Voor wat voor toepassing zou kunnen worden volstaan met een Macroblok 4.0.0?

Grapje.  Zwart/ Wit

Algoritmen  Blockmatching  Full Search Blockmatching  Hierarische Algoritmen  Doel : optimale prijs/kwaliteit verhouding

Kwaliteit  Hardware moet betaalbaar blijven  Kwaliteit : Snelle beeldwisselingen goed overbrengen  Economische eisen: beperken van het zoekgebied

Bidirectionele Voorspelling Beeld 1Beeld 2Beeld 3 Voorspelling voor beeld 2 f(A,B) = 1/2 A + 1/2 B A B

Bidirectionele Voorspelling  Voorspelling op basis van het vorig en het volgende beeld  Efficiënte Coderings Methode  Helft van de Datarate nodig t.o.v. Unidirectionele voorspelling  Encoder wordt gecompliceerder

Keuze mogelijkheid  Op eenvolgende beelden: Bidirektionele voorspelling  Montage overgang: Unidirectionele voorspelling  “Snelle Beeldwisselingen”: Geen voorspelling

Bitratebegrenzer Aanpassen van de bitrate aan de transmissieweg

Bitratecontroller  Zorgt voor een Constante Bitrate  Transmissieweg wordt zo optimaal benut  Regeling door de kwantificerings- schakeling

Snelle Beeldwisselingen  Snelle beeldwisselingen  Veel gedetailleerde informatie  Prediction werkt niet goed  Buffer loopt vol

Snelle Beeldwissellingen  Om het Buffer te ontlasten:  Kwantificeringsstappen groter  Minder bits  Slechtere beeldkwaliteit

Maximale kwantificering groote  Maximale kwantificeringsinstelling Qf= 31  Bij een verdere beperking van datastroom door:  Versturen van macroblokken, die met nul worden gecodeerd  Er wordt als het ware een blok over- sprongen

Eenvoudige beelden  Qf wordt verlaagd tot Qf =1  Daarna worden macroblokken gevuld met stuffingbits

Soorten beelden I, P en B beelden

Soorten beelden  Intraframe beeldenI Frames  Prediction beeldenP Frames  Bidirectionele beeldenB Frames

I Frames  Volledige beelden zonder bewegings vectoren  Om de ontvanger de kans te geven om te zappen dient regelmatig een volledig beeld verstuurd te worden

Vraagje????  In een DVB gecodeerd Tv signaal is 1 op de 12 beelden een volledig beeld (I frame)  Hoe lang moet een ontvanger maximaal wachten voor met decoderen begonnen kan worden.

Antwoord  Een Beeldbuis kan 25 beelden (50 *1/2) per seconde weergeven  Het duurt daarom maximaal 12/25 = 1/2sec voor dat een decoder een I frame ontvangt

P beelden  Unidirectioneel Prediction  Deze beelden zijn gebaseerd op verander-ingen ten opzichte van voorafgaande I of P beelden

B beelden  Bidirectionele Prediction  Deze beelden zijn gebaseerd op verander-ingen t.o.v. voorafgaande en volgende I en P beelden  B Beelden zijn het effectiefst gecodeerd

Volgorde van de beelden  Bij het bekijken van het programma worden:  In meerderheid B beelden overgestuurd  Dat is het effectiefst

Vraagje?????  Indien er alleen maar B beelden overge- stuurd worden wat zou dat betekenen voor de kwaliteit van de verbinding?  de BER is bijvoorbeeld 1E-12

Antwoord  De beeld informatie verslechterd alleen maar  Wordt niet ververst door I en P beelden  Uiteindelijk onherkenbare beelden

Gebruik van de verschillende beelden  I frames en P frames vormen de basis waarmee B beelden berekend kunnen worden  Zij worden op regelmatige afstanden tussen de B beelden geplaatst

Frames in kijkvolgorde I frame B frame P frame

Beeldsortering  Door de beeldsortering worden:  I beelden eerst verstuurd.  Daarna de vectoren waarmee de P beelden berekend kunnen worden (op basis van de I beelden)  Daarna de vectoren waarmee de B beelden berekend kunnen worden (op basis van de I en P beelden

Volgorde van de beelden  Bij Transmissie worden:  I beelden het eerst verstuurd  P beelden daarna  Tenslotte de B beelden die op de I en P beelden gebaseerd zijn

Frames in transmissievolgorde I frame B frame P frame

Volgorde van de beelden  Deze zogenaamde “Group of Pictures” bepaalt:  De kwaliteit van het beeld  De complexiteit van de Encoder

Encoder  Heeft vier beeldgeheugen’s nodig

Encoder  Voor het bewaren van het I beeld  Voor het bewaren van het P beeld  Voor bewaren van twee B beelden

Vraagje??????  Waarom zijn er twee beeldgeheugens voor de B beelden nodig?

Antwoord  De B beelden moeten bewaard worden tot dat het P beeld gedecodeerd is  De B beelden zijn immers gebaseerd op het P en het I beeld  Het P beeld moet bewaard worden om de B beelden te kunnen coderen

Vraagje????  Hoeveel geheugens heeft de decoder nodig?

Antwoord  Twee  Een voor de I beelden en een voor de P beelden  De B Beelden kunnen meteen na de decodering weergegeven worden  Tijdens de decodering moet het B beeld opgeslagen worden

MPEG-1

Bemonsteringsstructuur X X X ITU 601 Source input format MPEG 1 Luinatiebemonsteringpunten Chrominatie bemonsterings punten

Blokschema MPEG codering Voor bewerking MPEG 1 coder kanaal ITU 601 MPEG 1 SIF ITU 601 MPEG 1 coder Voor bewerking SIF

Voorbewerking bij MPEG ITU BT bij Tweede deelbeeld verwijderen Horizontale reductie

Voorbewerking bij MPEG ITU BT bij Tweede deelbeeld toevoegen Horizontale reductie ongdaan maken

MPEG 2 Moving Pictures Experts Group

MPEG 2 4:2:0 X X Progressieve bemonstering X X X X Volledig Beeld X X X X 1. Halve Beeld 2.Halve Beeld

MPEG 2 4:2:2 X X X X X X X Progressieve bemonstering Volledig beeld 1 Halve beeld 2 Halve beeld

MPEG 2 4:4:4 X X X X Progressieve bemonstering Volledig beeld 1 Halve beeld 2 Halve beeld

Opdeling van een Macroblok

MPEG 2 Levels En Profiles

 Simple profile - er zijn geen B beelden toegestaan  Voordeel: decoder en encoder kunnen simpler uitgevoerd zijn  Nadeel: beperkte reductie MPEG 2 Levels en Profiles

 Main profiel  B beelden zijn wel toegestaan  Chrominatie verhouding 4:2:0  Geen scalability MPEG 2 Levels En Profiles

 Zorgt voor een goed beeld bij (wat) grotere BER waarden  Het beeld bevat dan wel ruis MPEG 2 SNR Scalabilitaty

 Digitale signalen kunnen ontvangen worden of niet  Kleine BER wel ontvangst  Grote BER geen ontvangst MPEG 2 SNR Scalabilitaty

DCTQ Redunctie- Reduction Redunctie Reduction MSB’s LSB’s Base Layer Enhancement layer

 De MS bits zijn voorzien van foutcorrectie  De LS bits niet  Bij bitfouten blijven de MS bits intact  Onder de LS bit ontstaan fouten  Dit uit zich als ruis MPEG 2 SNR Scalabilitaty

MPEG 2 Spatial Scalability  Zorgt voor verminderde resolutie bij grote BER  Maakt HDTV mogelijk bij beperkte Bitrate

Wat wordt bij DVB gebruikt?  Main Level - 720x576 Pixels  Main Profil - Geen Scalable Profile  4:2:0  Dit wordt Main Profile at Main Level genoemd

Digital Video Broadcasting Casema Consultingjuni 1999

Agenda  Wat is DVB  Plannen van Casema  Opbouw Centraal Ontvangstation  Opbouw Lokaal Centra  Transport  Beheer

Wat is DVB  Memorandum of Understanding  Verzameling bestaande en nieuwe standaarden  video compressie (MPEG-2)  audio compressie (MPEG-2)  transmissie over kabel, satelliet, aardse zenders etc.  Service Informatie  Grotere capaciteit netwerk  Nieuwe mogelijkheden  Electronische Programma Gids (EPG)  Software (OpenTV)

Service Informatie (SI)  Verplichte tabellen  Network Information Table (NIT)  frequentie, symbolrate, modulatiesoort van de DVB kanalen  Service Description Table (SDT)  namen van de zenders (b.v. Nederland1, RTL4)  Event Information Table, Present/Following (EIT)  overzicht van huidige en eerstvolgende programma’s  Optionele tabellen  Bouquet Association Table (BAT)  bundeling van kanalen per programmasoort of aanbieder  Event Information Table, Schedule (EIT)  overzicht van programma’s in verdere toekomst

OpenTV  Besturingssysteem van decoder  Doel vergelijkbaar met Windows’95 of Java  Applicaties kunnen via de kabel worden gedownload in decoder  in RAM: voor eenmalig gebruik (b.v. meedoen met quiz)  in FLASH-EPROM: voor langdurig gebruik (b.v. EPG)

Electronische Programma Gids  Vereenvoudigt keuze uit honderden programma’s  Software in de decoder (evt. onder OpenTV), bepaalt  presentatievorm  keuzemogelijkheden  Gebaseerd op Service Informatie, aangevuld met  uitgebreide programma informatie  plaatjes  Belangrijk:  verzamelen van alle gegevens  bijhouden/wijzigen van EPG

Conditional Access  Individueel regelen van toegang tot programma  abonnement  PayPerView  Impulse PayPerView  Scrambling: het onherkenbaar maken van informatie  DVB Common Scrambling Algoritme  Encryptie: het versleutelen van informatie  Verschillende systemen: Viaccess, Mediaguard, Irdeto,...

Verschillende Conditional Access systemen?  Transcontrol / Transscrambling: In ontvangstation alle programma’s voorzien van één CA systeem  Common Interface: verschillende CA systemen in één decoder  Simulcrypt: één programma kan met verschillende decoders worden gedecodeerd

Plannen van Casema  Commerciële start met DVB 1 oktober 1999  Omzet bestaande PayPerView naar DVB  Uitbreiding aanbod  NVOD  IPPV(pre-booked)  pluspakketten  Gebruik van Eurobox

Eurobox  Kabeldecoder gespecificeerd door Casema, Deutsche Telekom, Telia en Mediakabel  Lagere decoderprijs door grotere markt door “standaard decoder”  Viaccess  OpenTV

 Eén centraal ontvangstation voor DVB systeem  samenstellen pakketten  conditional access  OpenTV flowcaster  EPG/SI samenstelling  Programma levering aan andere kabelnetten  Negen lokaal centra  Omzetting van SDH naar QAM  Toevoegen lokale programmering  Local ad insertion  EPG/SI samenstelling/aanpassing DVB systeem

Systeem overzicht Mediakabel Lokaal Centrum Netwerk 1Netwerk 2 SDH netwerk NMC Playout EPG redaktie/ OpenTV appl. CHE

Centraal ontvangstation SASSI/EPGOpenTV DVB- G.703 SDH (naar LC) SDH (van PlC) Multiplexer Scrambler/ transcontrol G.703 -DVB System controller SDH (naar NMC) QPSK -DVB MPEG encoder Video Audio

Lokaal centrum fase 1 G.703 -DVB SDH (van CHE) Cable network Cable network 64 QAM modulator 64 QAM modulator

Transport  Aanvoer playout naar centraal ontvangstation  Distributie van centraal ontvangstation naar lokaal centra  Distributie van centraal ontvangstation naar andere kabelexploitanten  Via SDH netwerk  G Mbit/s  Proprietary systeem!

Beheer  Technische configuratie van encoders en multiplexers  Bewaking van apparatuur  Omschakelen van programma’s  Scrambling besturen  Invoeren en bijwerken van Service Informatie  Invoeren en bijwerken van EPG gegevens