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    SMPTE - Sezione Italiana
           BOLLETTINO 44
             Febbraio 2004


EDITORIALE
Due notizie hanno percorso in questi ultimi mesi la stampa italiana sia specializzata che generalista, oltre che ovviamente le reti televisive: la celebrazione dei 50 anni di televisione e l’introduzione dei servizi di televisione digitale terrestre.
Al primo argomento contiamo di dedicare alcuni futuri editoriali. La stampa generalista (quotidiani e periodici) ha presentato questi cinquant’anni come se potessero essere documentati solo dalla programmazione televisiva, senza toccare in alcun modo i progressi tecnici che hanno permesso e sostenuto lo sviluppo di questo rilevante sistema di comunicazione di massa, il piU'notevole dalla nascita dei giornali. Stesso comportamento hanno tenuto le reti televisive ed i siti internet ad esse collegati. Mentre quindi e'stato giustamente ricordato il contributo che giornalisti, registi e persone di spettacolo hanno dato allo sviluppo della televisione, e'stato pero' trascurato il lavoro di "quelli al di là del vetro" ad indicare con tale espressione i tecnici che seguono da dietro i vetri delle regie e delle sale di controllo tecnico quanto puo'accadere in studio grazie agli impianti ed agli apparati da essi installati e, almeno nei primi anni, persino progettati e costruiti. Non e', riteniamo, una dimenticanza voluta, ma e'purtroppo ormai un fatto di costume il ritenere scontato, e quindi non degno di menzione, il contributo della tecnica al cammino dell’umanita'. Contributo pero', fanno notare sommessamente i tecnici con un ragionamento di stampo matematico, che rappresenta la "condizione necessaria, anche se non sufficiente" al progredire di tale cammino.
Al secondo argomento, quello dell’introduzione di servizi di televisione digitale terrestre, intendiamo contribuire con l’approfondimento di alcuni temi legati ai piu' recenti sviluppi della tecnologia televisiva, peraltro non entrando in alcun modo negli aspetti politici che stanno da qualche mese polarizzando a tale riguardo i mezzi di comunicazione. Lo facciamo nel convincimento che tali temi siano ancora poco conosciuti, o comunque conosciuti in modo poco chiaro, dai singoli cittadini, come stanno a dimostrare le interviste condotte a tale riguardo. Cercando in particolare di chiarire alcuni argomenti chiave legati ai sistemi di codifica che la televisione digitale ha adottato in Europa, torna di grande vantaggio la chiara relazione che l’ing. Paola Sunna, del Centro Ricerche ed Innovazione Tecnologica (CRIT) della RAI ha tenuto in un seminario, dedicato al futuro degli standard audiovisivi, che la SMPTE ha organizzato per l’IBTS Forum tenutosi alla fine dello scorso mese di novembre a Milano. Di tale relazione pubblichiamo in questo bollettino un resoconto, ripromettendoci di proseguire in futuro con iniziative di tale tipo.

ATTIVITA’ DELLA SMPTE ITALIAN SECTION
Come noto, a fianco della Conferenza Internazionale dedicata al Cinema Digitale, la Sezione Italiana della SMPTE ha organizzato nell’ambito dello scorso IBTS Forum (Fiera Milano, 27-30 novembre 2003) tre seminari specialistici. Come promesso, pubblichiamo qui un riassunto della relazione sul tema

"EVOLUZIONE DELLE TECNICHE DI CODIFICA AUDIOVISIVA"

presentata dall’ing Paola Sunna del CRIT (Centro di Ricerca ed Innovazione Tecnologica) della RAI nel seminario "Il Futuro degli Standard Audiovisivi" tenuto nel pomeriggio di giovedi' 27 novembre sotto la presidenza del Prof. Guido Vannucchi.

SCOPO DELLA PRESENTAZIONE: fornire una indicazione dell’evoluzione degli algoritmi di compressione video per applicazioni broadcasting. Vengono descritti sia i principali standard MPEG-1 ed MPEG-2 sia le prestazioni dei nuovi algoritmi di compressione introdotti dopo l’MPEG-2.
La transizione dal video analogico al numerico ha richiesto la standardizzazione dei parametri di campionamento, quantizzazione e codifica da utilizzare per convertire in numerico un segnale televisivo analogico in componenti. Questo problema e'stato affrontato con una normativa specifica per la televisione digitale, che ha avuto origine nella raccomandazione ITU-R BT601 (Fig.1).
E’ opportuno ricordare a riguardo di tale argomento che:
- La compressione lossless (senza perdita) conserva tutta l’informazione originale per cui consente di ottenere bassi fattori di compressione. Si basa sulla riduzione della ridondanza spaziale (correlazione tra pixel adiacenti) e di quella temporale (correlazione tra quadri successivi).
- La compressione lossy (con perdita) elimina in modo definitivo parte dell’informazione originaria consentendo di ottenere elevati fattori di compressione (Fig.2). Alle tecniche lossless aggiunge l’utilizzo di tecniche di quantizzazione.
- Si definisce fattore di compressione il rapporto fra l’entita' del bit-rate in ingresso e in uscita.
ALGORITMI DI COMPRESSIONE: vengono presi in esame gli algoritmi proposti per realizzare la compressione dei segnali video e di quelli audio ad essi associati.

MPEG-1 Lo standard, pubblicato nel 1993, utilizza come algoritmo di compressione la trasformata DCT (Digital Cosine Transform), impiegata all’interno di macroblocchi di 16x16 pixel ed ulteriori tecniche di compensazione del movimento. Un pre-processamento del segnale (formato CPB – Constrained Parameter Bitstream) consente di sottocampionare spazialmente e temporalmente (scartando un semiquadro ogni due) le immagini nel formato CIF (Common Image Format), costituito da 352x288 pixel (Fig.3) ottenendosi cosi' un bit-rate massimo di 1,5 Mbps.
La sua applicazione tipica e' la memorizzazione di files video e audio su supporti informatici (CD).

MPEG-2 Lo standard, pubblicato nel 1995, utilizza

  • la trasformata DCT (Digital Cosine Transform) per identificare le variazioni di informazione all’interno di una immagine (intra-frame), divisa in blocchi di 8x8 pixel, organizzati a loro volta in macroblocchi di 4 blocchi e in file di macroblocchi (slices), vedi al riguardo la Fig.4. Viene a tale fine impiegata una codifica psico-visiva basata su apposite matrici di quantizzazione ed una codifica entropica lossless basata su codici a lunghezza variabile.
  • tecniche di compensazione del movimento (con raffinamento a ½ pixel.) per identificare le variazioni di informazione fra immagini successive (inter-frame). Si impiegano a tal fine sequenze di immagini (GOP, Group of Pictures), All’interno del GOP le singole immagini contengono in vario modo le stime del movimento: le immagini I (intra-frame) come prima detto, le immagini P (predictive) e quelle B (bi-directional) che contengono solo le informazioni di cambiamento fra quelle I in testa ed in coda del GOP. (vedi Figg. 4 e 5).
Per conseguire tutto cio'si impiega un algoritmo diviso gerarchicamente in profili e livelli (Fig.6) ove la sintassi disponibile per un profilo più elevato include tutti gli elementi dei profili sottostanti.

MPEG-4-part2 Lo standard Mpeg-4 e'stato pubblicato nel 1999. La sua evoluzione "parte 2" utilizza una codifica audio basata sul Mpeg-2 AAC (Advanced Audio Coding), adotta una codifica video "ad oggetti" oppure "a quadro" e strumenti di resilienza efficienti per trasmissione su canali rumorosi. Presenta una efficienza migliore del Mpeg-2 ed offre all’utente finale la possibilita' di interagire con il contenuto audio-visivo presente nella scena.
L’Mpeg-4 presenta un bit-rate da 64 kbps fino a 10 Mbps.
L’Mpeg-4 part 2 presenta rispetto all’Mpeg-2 riduzioni del bit-rate dal 15 al 20% per qualita' broadcast e dal 30 al 50 % al di sotto di 1 Mbps. Inoltre la sua efficienza di codifica e' strettamente dipendente dal materiale sorgente, dal profilo di codifica (Main, ACE, ASP) e dall’implementazione del codificatore.
Va ricordato che lo standard di trasmissione DVB (Digital Video Broadcasting), adottato in Europa, ha deciso che l’efficienza di Mpeg-4 non e' tale da giustificare una eventuale destabilizzazione dell’Mpeg-2, sia per i circa 25 milioni di ricevitori Mpeg-2 gia' presenti sul mercato, sia per i dubbi e le perplessita' sul sistema di licenze.

MPEG-4-part10/H.264 Nuovo standard di codifica a cui sta lavorando dal 1998 il gruppo ITU-T Q.6/SG16 (VCEG - Video Coding Experts Group). Nel dicembre 2001 e' stato formato il Joint Video Team, un gruppo congiunto ISO-ITU, per la definizione di tale standard.
Lo standard H.264 ha col Mpeg-2 i seguenti elementi in comune:
  • Divisione del frame in blocchi
  • Sfruttamento della ridondanza spaziale all’interno del frame (trasformata, quantizzazione e codifica entropica)
  • Sfruttamento della ridondanza temporale tramite la compensazione/stima del movimento tra quadri successivi
- Codifica dei quadri di tipo I, P e B

Lo standard H.264 presenta invece rispetto all’Mpeg-2 le seguenti diversita':
  • Migliore accuratezza nella stima del movimento a livello di pixel (precisione ad ¼ di pixel)
  • Differenti dimensione dei blocchi (4x4, 8x8, 16x16)
  • Trasformata intera (non DCT)
- Compensazione del movimento più precisa poiché avviene su quadri multipli
  • Codifica entropica: VLC (Variable Length Coding) e CABAC (Context Adaptive Binary Arithmetic Coding)
  • Applicazione di un filtro di deblocking.
Nel suo insieme il decodificatore H.264 presenta rispetto all’Mpeg-2 una serie di complessita' (Fig.7) che possono incidere sensibilmente sul suo costo all’utente.

Windows Media 9 / VC9 e' un algoritmo proprietario nato per applicazioni multimediali e successivamente esteso al broadcasting.
Da prove effettuate in collaborazione con Microsoft i risultati delle expert-viewing hanno evidenziato un guadagno di circa il 30% rispetto all’MPEG-2 per il Full Format. Prove effettuate dalla Tandberg con encoder hw hanno denunciato una qualita' confrontabile con H.264

Nel primo Draft SMPTE Standard (Microsoft Compression Tecnology) la Microsoft specifica la sintassi del bit-stream ed il processo di decodifica ed afferma che la sua tecnologia e' in grado di offrire:
- Qualita' simile all’H.264 per risoluzioni fino a SDTV
- Qualita' superiore per risoluzioni HDTV
  • Complessita' di codificatore e decodificatore inferiore a quella di H.264.
L’approvazione finale dello standard e' prevista per dicembre 2004. Il sistema di licenze non e' stato ancora definito, ma e' probabile che ricalchera'quello attualmente utilizzato da Microsoft per WM9 (10 cent per encoder/decoder).

SISTEMI DI COMPRESSIONE AUDIO

L’ MPEG-1 layer 2 fornisce una qualita' "near CD" a 128kbps mentre l’MPEG-4 AAC fornisce la stessa qualita' con 64kbps.
L’ MPEG-4 AAC (Advanced Audio Coding) e' il sistema di codifica piu' efficiente disponibile sul mercato. Le prestazioni del MPEG-4 AAC sono state recentemente migliorate tramite una tecnica denominata SBR (Spectral Bandwitdh Replication). MPEG4-AAC SBR e' in grado di fornire qualita' near CD a 48 Kbps
ALTRI STANDARD

MPEG-7 (Multimedia Content Description Interface): fornisce strumenti per la descrizione di contenuti multimediali audio e video allo scopo di facilitarne estrazione, indicizzazione e gestione principalmente sui motori di ricerca.

MPEG-21: è orientato verso la creazione di un "Multimedia Framework"; opera sull'integrazione dei strumenti e linguaggi diversi  per la definizione di un ambiente, nel quale interagiscono compressione, protezione dei diritti e possibilita' di riconoscere e reperire i contenuti.

CONCLUSIONI

Sistemi di codifica nati per applicazioni multimediali si sono evoluti verso applicazioni tipiche del mondo broadcast. Le prestazioni di questi nuovi sistemi di codifica sembrano essere promettenti dato che offrono guadagni compresi tra il 30-50% rispetto all’MPEG-2.
Il DVB (Digital Video Broasdcasting, il consorzio che si occupa di televisione digitale) sta preparando le TR per includere come opzionale l’H.264 sia su IP che su Transport Stream. Dal canto suo Microsoft ha cominciato il processo di standardizzazione presso l’SMPTE della sua tecnologia di codifica (VC9) e sta proponendo l’eventuale integrazione nello standard DVB. Sono inoltre in corso studi e sperimentazioni rivolti verso un ulteriore miglioramento delle performance di MPEG-2.

ATTIVITA’ DELLA SMPTE INTERNATIONAL

SMPTE Advanced Motion Imaging Conference,26-28 Febbraio, 2004 - Fairmont Hotel, Chicago.
Ripetendo una tradizione annuale ormai consolidata, la SMPTE presenta in tale conferenza le informazioni piu' aggiornate sulla Motion Imaging Technology. Una serie di seminari tocchera' i seguenti argomenti:
- Sensori d’immagine CCD e CMOS – Sistemi di memorizzazione allo stato solido e su disco – Sistemi ottici – Sistemi di acquisizione d’immagine – Sistemi di processamento per comprimere o migliorare immagini in movimento – Sistemi di interaffacciamento Film - Electronica, dalla scansione alla stampa di materiale elettronico – Sistemi di Misura per acquisizione, memorizzazione, compressione, trasmissione e presentazione d’immagine – Vantaggi e svantaggi dei sistemi di generazione multimediali - Le ultime novità sugli schermi consumer a plasma, a cristalli liquidi, a LED ed a fascio laser.

SMPTE – Bollettino della Sezione Italia

c/o Franco Visintin

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