Mark LONG
Çeviri: Tayfun BULCA

Sıkıştırılmış dijital video (CDV), uydu vasıtasıyla doğrudan doğruya evlere (DTH) TV programlarının dağıtımı konusunda dünyayı sarsan devrimin ardındaki itici güçtür. CDV televizyon işaretleri, alınan resim ve sesin kalitesinde hissedilir derecede bir bozulmaya neden olmaksızın gereken iletim band genişliğini önemli ölçüde azaltan bir formatta iletilirler. CDV teknolojisinin ortaya çıkması, TV servis sağlayıcılarının işletim maliyetlerinde büyük tasarruf yapılmasına da neden olmaktadır. Bunun sonucunda ise, haberler, spor yayınları, filmler, izleme başına ücretlendirme (PPV) yayınları, eğitim programları ve herhangi bir potansiyel izleyici grubunun küçük bir parçasının gereksinimlerini hedefleyen dar kapsamlı yayınları da içeren uydu üzerinden yeni DTH TV servislerinin sayısında küresel bir patlama gözlenmektedir.

Kişisel bilgisayarlar, büyük dosyaları saklamak için gerekli olan veri kayıt saklama kapasitesini azaltmak için uzun zamandan beri çeşitli sayısal sıkıştırma teknikleri kullanmaktadırlar. Son on yıllık zaman içinde, küresel telefon endüstrisi de aynı zamanda, band genişliğini ve bunu sonucunda da dar-bandlı telefon devrelerinin kurulması için gereken maliyeti azaltmak için çeşitli sıkıştırma teknikleri kullanmaktadır. Haberleşme mühendisleri, 1990'ların başında, video gibi geniş-bandlı iletişim işaretlerini sıkıştırabilecek yğksek kapasiteli çok geniş ölçekli tümleştirilmiş (VLSI) devreler ve karmaşık yazılım programları geliştirmeye başlamışlardır.

Analogdan Dijital Televizyona Geçiş:

Geleneksel bir PAL veya SECAM video işareti, bir tek görüntü veya çerçeve başına 625 satır içermektedir. Saniyede 25 çerçevelik bir hızda, alan '1' in çift numaralı satırları ve alan '2' nin ise tek numaralı satırları göstermek üzere, her bir çerçeve 312½'ar satır içeren iki iç içe geçmiş alana sahiptir. Bu iki alanın iç içe geçmiş taraması öylesine hızlıdır ki; insan gözü herhangi bir çerçeve içindeki bu iki alanı sadece bir tek bütün görüntü veya çerçeve olarak algılamaktadır.

 

Bir tek geleneksel analog PAL veya SECAM video çerçevesi, 174,000'den fazla resim elemanı veya pixel'den oluşmaktadır. Video görüntüsünün hızının saniyede 25 çerçeve olduğu gözönüne alınırsa, TV ekranına her saniyede 4 milyondan fazla pixel iletilmektedir. Dijital TV iletim sistemleri, ses ve görsel bilgileri, bilgisayar devrelerinin 'var' veya 'yok' lojik durumlarına karşı düşen bir veya sıfır bit dizileri haline dönüştürürler. Bir renkli video işaretini dijitale dönüştürmek için, parlaklık elemanı başına 8 bit ve renk elemanı başına da 24 bit olmak üzere, pixel başına en çok 32 bit gerekmektedir. Bu durumda, 4 milyon pixel için 128 Mbit/s'lik bir iletim hızı gerekecektir.

128 Mbit/s'lik bir dijital TV işareti ise, uydu transponder'inin kapasitesini tamamiyle doldurabilir! Aynı transponderi bir çok dijital TV işaretinin paylaşmasını sağlamak için ise, bu TV servisleri tarafından kullanılan bit sayısını azaltmak amacıyla, bir tür işaret sıkıştırma tekniğinin kullanılması gerekmektedir.

Hareketli Resimler Uzmanları Grubu (MPEG):

1988 yılında International Telecommunication Union'a bağlı Uluslararası Standartlar Örgütü (ISO), video, film, grafik ve metinsel materyallerin sıkıştırılmış olarak sunulması için uluslararası olarak tanınan bir dünya standardı üzerinde bir görüş birliği oluşturmak amacıyla, Hareketli Resimler Uzmanları Grubu (MPEG)'nu kurmuştur. Bu komitenin amacı, karmaşık işlevlerin çoğunu alıcıdan ziyade vericiye yükleyen daha basit, ekonomik ve esnek bir standart geliştirmekti. MPEG komitesinin kuruluş görüşmelerinde, tüm dünya çapında 50'den çok kuruluş ve hükümet örgütlerinden gelen temsilciler katkıda bulunmuşlardır.

1991 yılında, video harici multimedya kaynaklarının sıkıştırılmış dijital sunumunu ele almak amacıyla MPEG-1 standardı ortaya atılmıştır. Ancak, bazı üreticiler kısa zamanda, video materyalinin öncelikle iç içe geçmiş orijinal formattan sürekli taramalı formata dönüştürülmesi koşulu ile, MPEG-1'in video işaretlerinin iletimine uyarlanabileceğini keşfetmişleridir. MPEG komitesi, MPEG-2 olarak bilinen iç içe geçmiş taramalı uygulamalar için özel bir standart geliştirirken; bir kaç TV programcısı da uydu vasıtasıyla iletim için MPEG-1 kullanmayı tercih etmiştir. MPEG komitesi, MPEG-2 için kriterlerini ise 1994'de belirlemiştir.

MPEG Sıkıştırma Teknikleri:

MPEG sıkıştırma işlemi dört temel teknik yardımıyla yapılır: ön-işleme, zaman kestirimi, hareket kompanzasyonu ve kuantalama kodlaması. Ön-işleme, video işaretinden, kodlanması zor, ama insanın görsel algılaması üzerinde önemsiz olan görsel bilgi elemanlarını filtreleyerek atar. Hareket kompanzasyonu, video dizilerinin genel olarak zamanda yüksek korelasyonlu olmalarından yararlanmaktadır: herhangi bir dizideki her bir çerçeve, önceki ve izleyen çerçevelerle benzerlik göstermektedir.

 

Sıkıştırılmış dijital video kodlayıcısı, makro-bloklar olarak adlandırılan her bir çerçeve içindeki alt bölümleri tarayarak, hangilerinin bir çerveden diğerine pozisyon değiştirdiğini belirler. Kodlayıcı, aynı zamanda, kestirimci makro-blokları ve bunların konum ve hareket doğrultularını da belirlemektedir. Alıcıya, yalnızca her bir kestirimci blok ve şu andaki etkilenen blok arasındaki, hareket kompanzasyon kalıntısı adı verilen oldukça küçük bir fark iletilir. Alıcı/kod çözücü ise, bir çerçeveden diğerine değişmeyen bilgileri ayırıcı belleğinde saklar ve bunları boşlukları doldurmak amacıyla kullanır.

 

Ayrık Kosinüs Dönüşümü (DCT) olarak adlandırılan bir matematiksel algoritma, uzaysal domenden gelen çerçeveler arasındaki kalıntı farklarını frekans domeninde daha hızlı olarak iletilebilecek eşdeğer bir katsayılar serisi halinde yeniden düzenler. Kuantalama kodlaması da, bu katsayı kümelerini daha da sıkıştırılmış simgeleyici sayılar haline dönüştürür. Kodlayıcı ise, her bir katsayılar kümesine en iyi uyan kod kelimesini seçmek üzere olası simgesel numaraları içeren bir dahili liste veya kod kitabına bakarak karar verir. Kuantala kodlaması, aynı zamanda, tüm katsayı değerlerini belirli sınırlar dahilinde, aynı değere yuvarlamaktadır. Bu, orijinal işarete göre yaklaşık bir sonuç vermesine rağmen, bir çok izleme uygulamaları için orijinale göre kabul edilebilir yakınlıktadır.

 

I, P ve B Çerçeveleri:

MPEG-2, I, P ve B çerçeveleri olarak adlandırılan üç tür çerçeve yapısı sunmaktadır. İç veya 'I' çerçeve, kendisinden sonra gelen çerçevelerin kestiriminde bir referans olarak kullanılmaktadır. Ortalama olarak her 10-15 çerçevede bir ortaya çıkan 'I' çerçeveleri, yalnızca kendilerinde mevcut olan bilgileri içerirler. 'P' çerçeveleri, kendilerine en yakın geçmiş 'I' veya 'P' çerçevelerinde sunulan bilgilerden yararlanılarak tahmin edilirler. Çift yönlü, 'B' çerçeveleri ise, en yakın geçmiş 'I' veya 'P' çerçeve ile en yakın gelecek 'I' veya 'P' çerçevesinden elde edilen kestirim verileri kullanılarak kodlanırlar. 'B' çerçeveler, MPEG-2 sistemlerinin tümünde kullanılmamaktadır. Et verimli sıkıştırma seviyesi 'B' çerçevesi ile elde edilmesine rağmen, buna uygun yapıdaki alıcı/kod çözücü de, kod çözücü maliyetini arttıran bir etken olan ek bir ayırıcı belleğe gereksinim duymaktadır.

 

MPEG-2 Uydu İletim Hızları:

Herhangi bir MPEG-2 yayını için gereken iletim hızı, video materyalinin yapısına bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Uydu uplinki'ndeki MPEG-2 kodlayıcısı, kodlama kararları vermek için sınırlı zamana sahiptir. Önceden kaydedilmiş filmler ve teybe alınmış diğer materyaller, kodlayıcının zaman kısıtlamalarını zorlamamakta; dolayısıyla kodlayıcı, olası en düşük veri hızında kodlama için en uygun yöntemi istediği gibi seçebilmektedir. Diğer taraftan, kodlayıcının, anlık kodlama kararları vermek ve yüksek seviyeli bozulmalara neden olmadan karmaşık ve hızlı hareket değişimlerini iletmek zorunda olmasından dolayı, canlı spor ve diğer aksiyon materyalleri, daha yüksek veri hızları gerektirmektedir.

Örnek MPEG-2 İletim Hızları