Captación de Señales de Television

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Curso:

Generacin, anlisis y recepcin de servicios de difusin de TV Digital.

Competencia:

Analizar, evaluar y generar contenidos de TV Digital Terrestre

Bloque de formacin 2:

Digitalizacin y Compresin de una seal de vdeo analgico

Unidad Formativa UF 2.5: Tipos de tramas de bits resultantes de la codificacin


OBJETIVOS DE LA UNIDAD Al finalizar esta unidad formativa sers capaz de conocer y reconocer los diferentes tipos de tramas resultantes del proceso de codificacin. Aprenders el por qu de usar un tipo de tramas u otras, dependiendo de su aplicacin, y sabrs identificar los campos mas importantes dentro de las diferentes tramas de bits existentes. INDICE DE CONTENIDOS

Introduccin. Norma MPEG2 Tramas elementales segn MPEG2 Packetized elementary streams Program Streams. Transport Streams


INTRODUCCIN. NORMA MPEG2 En unidades formativas anteriores se ha podido ver el proceso que sigue la seal de vdeo para convertirse, primero a digital y posteriormente a una seal comprimida MPEG2. Todo ello est siempre especificado segn normas, de forma que cualquier equipo de codificacin y/o decodificacin ha de cumplir siempre con lo especificado en dichas normas. Todo el proceso de compresin MPEG2 est por tanto regido por una norma. Esta norma es la ISO/IEC 13818, y la forma de comprimir, descomprimir, y la organizacin de las tramas de bits resultantes est recogida en diferentes documentos dentro de la misma norma. As, se pueden citar las siguientes normas MPEG2, como las ms importantes e interesantes: ISO/IEC 13818 Part 1. Systems: Es la norma que especifica la forma de paquetizar los streams MPEG2 resultantes, y lo

que se va a repasar en esta Unidad Formativa. ISO/IEC 13818 Part 2. Video: Es la norma que especifica la compresin de vdeo MPEG2. Todo lo visto hasta el

momento est recogido en dicha norma. Igualmente, especifica los paquetes y cabeceras de los elementary streams de vdeo

ISO/IEC 13818 Part 3. Audio: es la norma que especifica la compresin de audio MPEG2. ISO/IEC 13818 Part 6. DSMCC: es la norma que especifica el uso de secciones MPEG2 para el transporte de datos ISO/IEC 13818 Part 7. AAC: es la norma que especifica la codificacin de audio avanzada. Advanced Audio Coding

Una de las principales mejoras existentes en MPEG2 con respecto a MPEG1, es la escalabilidad de MPEG2. La escalabilidad permite utilizar diferentes herramientas en la codificacin, y poder codificar seales de vdeo de naturaleza muy variada. La escalabilidad en MPEG2 se basa en los Perfiles y Niveles, y se representa en la Tabla 1.

DVB define el Main Profile @ Main Level como el adecuado para transmisiones de difusin de Televisin. Como se puede observar, esta caracterizacin en perfiles y niveles va a permitir entre otras cosas: Codificacin de vdeo en Alta Definicin (HD) Codificacin de vdeo en formato 4:2:2 Codificar hasta tasas binarias muy altas, y resoluciones variadas

El objetivo de esta Unidad Formativa es entender cmo se paquetizan las tramas de bits del vdeo codificado en MPEG2, aunque muchas de las cosas que se contarn para MPEG2 video sern directamente extrapolables a MPEG2 audio o datos, ya que a pesar de que MPEG2 se defini como el estndar de compresin de vdeo, cmo veremos, las tramas MPEG2 pueden contener cualquier tipo de informacin: video, audio, o datos.

Tabla 1: Perfiles y niveles segn MPEG2


TRAMAS ELEMENTALES SEGN MPEG2 A pesar de que en las Unidades Formativas nos hemos centrado en la compresin de vdeo, las tramas MPEG2, tal y como se definen en el estndar, son totalmente independientes de la informacin que contienen. As, como se ha podido estudiar anteriormente, la seal de vdeo en Standard Definition sin compresin tena una tasa binaria de alrededor de 270Mbps, y de la misma manera, una seal de Audio sin comprimir en calidad CD tendr una tasa binaria de alrededor de 1,5Mbps. La seal de vdeo se comprime para alcanzar tasas binarias de alrededor de 2-7Mbps en MPEG2, y sta tasa binaria puede ser variable (codificacin con calidad constante), o constante (tasa binaria constante, y calidad variable). La seal de audio se comprime para nicamente necesitar tasas binarias del orden de 100-400Kbps, siempre constante y mltiplo de 8Kbps. El vdeo y audio comprimidos en MPEG2, se les conoce como Tramas Elementales (ES: Elementary Streams). As, pueden ser ES de vdeo, audio o de forma mas general, datos, inmediatamente despus de la compresin. Todos los ES, se dividen en paquetes de longitud variable. En el momento de la compresin, y para que el decodificador sepa interpretar la informacin contenida en la trama de bits, se insertan determinadas cabeceras, que describirn la trama de bits contenida. As, para el proceso de creacin de la trama elemental se utiliza una estructura jerarquizada, que va desde el nivel ms alto (secuencia) al nivel ms bajo (bloque): Secuencia: Es un grupo de GOPs GOP: Conjunto de imgenes (frames) Frame: Conjunto de franjas (slices) Slice: Conjunto de macrobloques Macrobloque: Conjunto de bloques Bloque: Conjunto de pixels

En la Figura 1, se puede observar el proceso de creacin de la trama elemental, desde el punto de vista de las diferentes jerarquas descritas.

As, primero se cogern los bloques de coeficientes, para formar un macrobloque, aadiendo los vectores de movimiento para dicho bloque, posteriormente se agruparan en slices (franjas), incluyendo un patrn de sincronismo, stos se agruparn en imgenes, donde se especificar el tipo de imagen y referencias de tiempo. El grupo de imgenes se agrupar para formar el GOP, y finalmente los GOPs se agruparn formando secuencias, paso en el que se inserta la informacin vlida para toda la secuencia: tasa de imgenes, matrices utilizadas, nivel, perfil, resolucin de la imagen, relacin de aspecto, imagen entrelazada o progresiva, y formato de croma (submuestreo de croma). Todo esto resultar en una trama de bits con aspecto similar al mostrado en la Figura 2.

Figura 1: Creacin de la trama de bits a partir de las diferentes estructuras de datos


Como se observa, existen cabeceras para cada una de las estructuras explicadas anteriormente (secuencia, GOP, frame, slice, macrobloque). Cualquier secuencia, siempre comenzar con una cabecera de secuencia con el contenido mostrado en la Figura 3.

La cabecera de secuencia, por tanto proporciona la informacin sobre: Resolucin de la secuencia de vdeo en la forma de Picture width x Picture heigth. Para Definicin Estndar lo habitual

es 720 x 576 Aspect Ratio: relacin de aspecto. Lo habitual es 4:3 o 16:9 Bit rate: tasa binaria de la secuencia Picture Rate: tasa de imgenes por segundo. Para el sistema PAL ser 25 imgenes por segundo

Adems, de la cabecera de secuencia, se puede insertar (en la prctica se suele hacer) una Sequence Extension que aportar mayor nivel de informacin sobre la secuencia en cuestin. La sequence extension, aportar informacin entre otros parmetros, sobre: Perfil y nivel utilizado en la codificacin tipo de frames: progresivos o entrelazados formato de croma (submuestreo de crominancia)

Como es obvio, y se ha explicado, cada secuencia contiene un nmero de GOPs (es muy habitual que 1GOP=1Secuencia).

Figura 2: Estructura de la trama elemental de vdeo MPEG2

Figura 3: Cabecera de secuencia, e informacin de la secuencia


Por tanto, en el contenido de la secuencia se introducir el GOP Header, con informacin que afectar nicamente a ese GOP. La informacin del GOP Header puede observarse en la Figura 4, donde puede verse que principalmente muestra informacin temporal y tipo de GOP.

Cada GOP, se dividir en imgenes (Frames), de acuerdo a la Figura 5. Cada imagen, a su vez a de ser descrita, y para ello por delante de cada una de ellas, existir un Frame Header, cuyo contenido puede verse en la Figura 6. En dicha cabecera se establece el orden de presentacin de la imagen, as como el tipo de imagen y la inicializacin del retardo de buffer para decodificacin. Opcionalmente, se puede insertar una extensin a la cabecera, llamada Picture Coding Extension, que aportar informacin adicional a la mostrada por el Picture Header. El PCE se puede observar en la Figura 7.

Figura 4: Cabecera de GOP

Figura 5: contenido de los GOPs en la trama elemental

Figura 6: Contenido del Frame Header


As, dependiendo del tipo de frame, el contenido de dicha extensin ser diferente. Uno de los valores que se transmite en esta extensin, es precisamente el rea de bsqueda para generacin de los vectores de movimiento. Observando estos valores, se puede deducir que se trata de un frame I, puesto que todos los valores toman el valor 15 (no utilizado). Adems, en la figura se puede observar tambin que se especificar la escala de cuantificacin, el modo de scanning utilizado, o el formato de croma, entre otros parmetros. A continuacin, como cada frame est compuesto por mltiples macrobloques, se deber transmitir la informacin de los mismos, aunque los macrobloques, primero se agruparn segn unas nuevas estructuras llamadas Slices (franjas). Los slices pueden contener un nmero de macrobloques determinado. ste nmero no est predefinido en la norma, por lo que se deja a la eleccin del codificador utilizar un tamao u otro. La estructura ms habitual de slices en MPEG2 se ilustra en la Figura 8.

El contenido de los frames, teniendo en cuenta la divisin en Slices, se muestra en la Figura 9.

Figura 7: Contenido del Picture Coding Extension

Figura 8: Estructura de slices

Figura 9: contenido de los frames en la trama elemental


El slice contiene, por tanto, toda la informacin sobre los macrobloques contenidos en el mismo. Como es obvio, cada macrobloque ha de quedar descrito perfectamente, por lo que se transmite su direccin, el tipo de macrobloque, escala de cuantificacin para el macrobloque, los vectores de movimiento el patrn de codificacin, y a continuacin toda el contenido de los bloques contenidos en el mismo. En la Figura 10 se puede observar la informacin contenida en un macrobloque para un caso real.

Con esto quedara descrita la trama elemental, aunque cabe destacar que MPEG2 tambin prev el uso de cabeceras adicionales, no descritas en esta UF. nicamente se han mostrado las cabeceras y contenido ms comn en secuencias de vdeo MPEG2. A pesar del contenido de la trama elemental, sta no es apta para ser utilizada en sistemas de reproduccin y/o difusin de audio y vdeo. Adems, la trama elemental de vdeo, contiene nicamente vdeo, por lo que estas estructuras elementales se agrupan en paquetes de nivel superior, llamados Packetized Elementary Streams (PES).

Figura 10: Informacin del macrobloque


PACKETIZED ELEMENTARY STREAMS Los Packetized Elementary Streams, conocidos como PES, son los contenedores que contienen la informacin del ES, y ser la primera estructura vlida para ser paquetizada en estructuras superiores que permiten su reproduccin y/o difusin. Los PES son paquetes de longitud variable, de hasta 64Kbytes. Al igual que los ES, disponen de una cabecera para describir el contenido de los mismos, y una carga til, o payload. En la Figura 11 se muestra la estructura de un PES, donde se aprecian los campos de la cabecera.

La cabecera tendr una longitud mnima de 6 bytes. Siempre comenzar por un cdigo de inicio (0x00 00 01), seguido de un byte que identificar el tipo de datos contenido en el payload. A continuacin, se inserta el campo Longitud, que especificar la longitud del PES. Al poder ser variable hasta 64Kbytes, el decodificador necesita saber la longitud del mismo para decodificarlo. Cabe destacar que el campo longitud en algunos casos puede tomar el valor cero. En ese caso, el PES puede ser de mayor longitud de los 64Kbytes, en cuyo caso, el decodificador deber buscar otras formas de encontrar el principio y final del paquete (por ejemplo, el cdigo de inicio). Despus de estos 6 bytes de cabecera, existe la posibilidad de insertar una cabecera de PES opcional. Esta cabecera de PES opcional contiene informacin adicional, como se observa en la Figura 12, destacando dos campos en los campos opcionales de dicha cabecera opcional: los PTS y DTS, que como se vi son imprescindibles para una correcta decodificacin de la seal de vdeo, as como para establecer una correcta sincronizacin entre el vdeo y audio. Al igual que se hizo en la UF anterior, no se entrar en el detalle de generacin de dichas marcas de tiempo, pero su comprensin y uso es de obligado inters.

Figura 11: estructura bsica del PES


El PES ya supone una estructura de nivel superior, pero an as, sigue sin ser una estructura apta para la transmisin. Es por ello que en MPEG2 se definen dos estructuras ms de nivel superior: Los Program Streams o Tramas de Programa Los Transport Streams o Tramas de Transporte

Figura 12: estructura del PES, con detalle de las cabeceras y campos opcionales


PROGRAM STREAMS Los Program Streams son el primer esquema de multiplexacin especificado por MPEG2. Estos contienen PES de video, audio, o datos, referentes al mismo programa, y con una misma base de tiempos. Los Program Streams se utilizan habitualmente para transmisin en canales sin errores y/o almacenamiento. No son aptos para transmisin en canales hostiles. En la Figura 13 se muestra el principio de multiplexacin para MPEG2, incluyendo Program Streams y Transport Streams.

Como ya se ha visto con anterioridad, el primer resultado de la codificacin es la Trama Elemental (ES). Dicha trama pasar por un empaquetador, que lo que hace es generar los PES (audio, vdeo o datos), y posteriormente pasar por el proceso de multiplexacin. En el proceso de multiplexacin se obtienen (para el caso de Program Streams) unos paquetes de longitud variable, que contendrn los PES de audio, video o datos, en una nica trama de bits. Como ya se ha explicado, y se puede observar de nuevo en la Figura 13, esta trama de bits, hace referencia a un nico programa, con el audio, video y datos gobernados por una nica base de tiempos. El uso principal de los Program Streams son los DVDs. Los ficheros VOB que se pueden encontrar si se analiza el contenido de un DVD, no son otra cosa que Program Streams. Pero como estas estructuras an no son aptas para transmisin, MPEG2 tuvo que idear estructuras que permitieran la transmisin en entornos con prdidas, para lo que defini el Transport Stream.

Figura 13: Principio de multiplexacin de Program Streams y Transport Streams


TRANSPORT STREAM El Transport Stream (en adelante TS) es la estructura resultante de la multiplexacin en una nica trama de bits de uno o varios programas en paquetes de longitud fija. Como es posible multiplexar uno o varios programas, cada programa de esa trama digital tendr una base de tiempos diferente. Los paquetes de transporte son aptos para transmisin en entornos con prdidas, por lo que son las estructuras de paquetizacin utilizadas en Televisin Digital. Los PES de audio, vdeo o datos se dividen en estructuras ms pequeas, llamadas Paquetes de Transporte (Transport Packets), de 188 bytes de longitud, sin excepcin. De los 188 bytes del Paquete de Transporte, al menos 4 de ellos se utilizan como Transport Header (cabecera de Transporte). En la Figura 14 se puede observar la estructura bsica de un paquete de transporte.

La cabecera de Transporte contiene informacin sobre el paquete al que hace referencia, y los campos por los que est formada son: Byte de Sincronismo: 0x47 siempre. Este byte es el que permite identificar el comienzo de los paquetes de transporte. Transport Error Indicator: Bit que indica si hay error en el paquete de transporte. Normalmente lo activa el receptor si

exiten bits que no se han podido recuperar en el proceso de decodificacin de Viterbi o Reed Solomon. Payload Unit Start Indicator: Bit que indica si la carga til contiene el comienzo de un PES Transport Priority: Prioridad de los paquetes respecto a otros paquetes con el mismo identificador PID. Packet Identifier: Este campo es de extremada importancia, pues define de forma unvoca los paquetes de

transporte correspondientes a un determinad elementary stream (video, audio o datos). No pueden exstir PIDs duplicados para elementary streams correspondientes a diferentes programas.

Scrambling Control: Indica si la carga til est encriptada o por el contrario se transmite sin ningn mecanismo de cifrado

Adaptation Field Control: Indica si hay campo de adaptacin Continuity counter: Contador de continuidad de paquetes. Con la transmisin de cada paquete correspondiente a un

mismo PID, se incrementa el contador, desde 0 a F. En recepcin, se comprueba la continuidad de los paquetes observando este contador, ya que la perdida de un paquete en recepcin puede causar resultados desastrosos.

Como se observa en la Figura 14, adems de la cabecera bsica, se puede transmitir un campo de adaptacin, con campos opcionales. Estos campos se muestran en la Figura 15.

Figura 14: Estructura bsica del paquete de transporte


El campo de adaptacin contiene informacin adicional para el receptor, y ayudar a interpretar el contenido del payload. No se van a analizar todos los campos, pues sera profundizar demasiado para el alcance de este texto, pero si que se va a incidir en la importancia de uno de ellos, el PCR. El PCR es el Program Clock Reference. Este valor permitir al decodificador la extraccin de la base de tiempos que necesita para la correcta decodificacin del audio y vdeo. Por ello, es de extremada importancia tener en cuenta una serie de requisitos al multiplexar una trama de transporte: El intervalo de llegada de PCRs no puede ser mayor de 100ms El tiempo marcado por el PCR, y el tiempo de llegada real del mismo, es decir, el jitter de PCR no puede ser mayor de

500ns El cumplimiento de estos requisitos, habitualmente garantizarn una correcta decodificacin y sincronizacin de audio y vdeo. En la Figura 16 se puede observar un paquete de transporte, prestando especial atencin al adaptation field presente, y al valor codificado del PCR. A la derecha de la imagen se puede ver el contenido en ASCII. Abajo, la interpretacin del contenido del paquete, incluyendo cabecera y Adaptation field.

Figura 15: Estructura del Paquete de Transporte con Adaptation Field

Figura 16: Representacin hexadecimal de un paquete de transporte.


Como se ha comentado anteriormente, el contenido de los paquetes de transporte ser principalmente de PES. Ms adelante se ver que existen otras estructuras llamadas secciones, pero que no son el objetivo de esta Unidad Formativa. Los PES, al ser de longitud variable, han de dividirse para poder ser insertados en un paquete de transporte. La forma de

dividirlos se representa en la Figura 17. Los paquetes de transporte son la estructura definida por MPEG y por DVB para la transmisin de los contenidos de vdeo, audio y datos en redes de satlite, cable o terrestre. Debers sentirte muy identificado con esta estructura, as como con el sentido del PCR, ya que en las siguientes Unidades Formativas van a ser la base de todo lo que se explique.

Figura 17: Insercin de PES en paquetes de transporte


AUTOEVALUACION

Un Elementary Stream: Es la trama bsica MPEG, y es la que se utiliza para la transmisin en servicios de TV Digital Es la trama bsica MPEG, y no es apta para ser transmitida en servicios de TV Digital Es una estructura de trama de nivel superior, que contiene el audio, video, o datos correspondientes a un programa Es una estructura de trama de nivel superior, que contiene habitualmente la informacin de audio, video o datos de varios programas. Un Program Stream Es la trama bsica MPEG, y es la que se utiliza para la transmisin en servicios de TV Digital Es la trama bsica MPEG, y no es apta para ser transmitida en servicios de TV Digital Es una estructura de trama de nivel superior, que contiene el audio, video, o datos correspondientes a un programa Es una estructura de trama de nivel superior, que contiene habitualmente la informacin de audio, video o datos de varios programas Un Transport Stream: Es la trama bsica MPEG, y es la que se utiliza para la transmisin en servicios de TV Digital Es la trama bsica MPEG, y no es apta para ser transmitida en servicios de TV Digital Es una estructura de trama de nivel superior, que contiene el audio, video, o datos correspondientes a un programa Es una estructura de trama de nivel superior, que contiene habitualmente la informacin de audio, video o datos de varios programas Los PES: Es la forma de paquetizar los ES, y tienen longitud fija Es la forma de paquetizar los ES, y tienen longitud de hasta 1024 bytes Son los paquetes de transporte, de longitud fija Es la forma de paquetizar los ES, y tienen longitud variable, generalmente hasta 64Kbytes El Program Stream: Tiene una nica base de tiempos para todos los elementary streams contenidos en la misma Tiene una base de tiempos para cada uno de los elementary streams contenidos en la misma Puede ser multiprograma, o monoprograma Es apto para transmisin en entornos con prdidas Los PES: Entre otras cosas, contienen el valor de PCR del programa No llevan ninguna informacin de sincronismo Contienen los PTS y DTS en campos opcionales Llevan informacin de sincronismo vertical en los campos opcionales El Transport Stream: Puede contener los elementary streams correspondientes a uno o varios programas Solo pueden contener un nico programa Solo son vlidos si contienen muchos programas No son aptos para transmisin en entornos hostiles El paquete de transporte: Tiene una longitud de 188 bytes siempre, divididos en 4 bytes de cabecera y 184 bytes de payload, como estructura bsica Tiene una longitud de 188 bytes siempre, divididos en 6 bytes de cabecera y 182 bytes de payload, como estructura bsica Tiene longitud variable de hasta 64Kbytes, con 6 bytes de cabecera como mnimo Tienen longitud variable de hasta 64Kbytes, con 4 bytes de cabecera como mnimo El campo PID del paquete de transporte: Identifica el programa al que pertenece el elementary stream contenido en el paquete Identifica si el contenido del payload es video, audio o datos Identifica los paquetes correspondientes a un elementary stream determinado de forma unvoca. No existe ese campo en el paquete de transporte Para establecer el sincronismo de un paquete de transporte se utiliza: Un cdigo de inicio dado por el cdigo: 0x00 00 01


No es necesario ningn cdigo, pues al saber la longitud, siempre sabemos donde comienza Un byte de cdigo: 0x74 Un byte de cdigo: 0x47 El adaptation field contiene, entre otros parmetros importantes: Los valores de los PTS y DTS del vdeo El byte de sincronismo 0x47 para sincronizar el reloj de decodificacin El PCR, o Program Clock Reference, para extraer el reloj para decodificacin El cogido 0x00 00 01 para sincronizar los paquetes


RESUMEN

En esta unidad formativa hemos visto: Que el Elementary Stream es la unidad bsica de trama resultante de la codificacin MPEG2 Que el Elementary Stream se organiza de forma jerrquica de acuerdo a la divisin de la secuencia en GOP, del GOP en

imgenes, las imgenes en slices, los slices en macrobloques, y los macrobloques en bloques Que el PES es la paquetizacin utilizada para los elementary streams Que el PES contiene los valores de PTS y DTS utilizados en la decodificacin del vdeo y audio MPEG2 Que los PES tienen longitud variable de hasta 64Kbytes Que los PES tienen una cabecera de mnimo 6bytes que aportan informacin sobre la carga til que contienen. Que los PES se agrupan en estructuras de nivel superior llamadas Program Streams, que contienen PES de video, audio

y/o datos correspondientes a un nico programa. Que los program streams tienen una base de tiempos nica para todos los elementary streams de la trama Que los program streams no son aptos para transmisin en entornos con prdidas Que el transport stream se utiliza para transmisin en entornos hostiles. Que el transport stream est formado por paquetes de longitud fija de 188 bytes, llamados paquetes de transporte Que los paquetes de transporte contienen una cabecera de al menos 4 bytes, y una carga til como mximo de 184

bytes Que la cabecera de transporte comienza con un byte de sincronismo cuyo valor es 0x47 Que el PID es el identificador que identifica unvocamente cualquier paquete de transporte dentro de la trama, y todos

y cada uno de los elementary streams tienen su propio PID, diferente al de cualquier otro. Que el PCR permite la extraccin del reloj utilizado para la decodificacin, y el intervalo de llegada no puede ser mayor

de 100ms. Que el PCR est contenido en el adaptation field.

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