DTC-350 VISUALmpeg PRO Analizator Sygnałów MPEG 1/18 July 2005
1.Wprowadzenie Pakiet programowy VISUALmpeg PRO przeznaczony jest do zaawansowanej analizy jakościowej Strumienia Elementarnego kodowanego w formatach MPEG-1 i EMEG-2. Wyniki pomiarów prezentowane mogą być na wiele różnych sposobów, umożliwiając dogłębną analizę jakościową zakodowanego sygnału. Program umożliwia operowanie na następujących rodzajach Strumieni: - Strumień Elementarny (Elementary Stream) - Strumień Systemowy (System Stream) - Strumień Programu (Program Stream) - Strumień Transportowy (Transport Stream) Pierwsze trzy strumienie (Elementarny-, Programu-, Systemowy-) można analizować bezpośrednio po załadowaniu i otworzeniu (menu [Open File]) pliku zawierającego strumień. Po otworzeniu pliku zawierającego Strumień Transportowy następuje w pierwszej kolejności wyodrębnienie Strumienia Elementarnego, po czym następnie można przystąpić do standardowych procedur analizy. Program VISUALmpeg PRO umożliwia analizę wszystkich podstawowych składowych sygnałów MPEG Video; począwszy od Nagłówka, a skończywszy na warstwie bloków. Poniżej prezentowana jest szczegółowa lista parametrów podlegających analizie: VBV Buffer Header Data Picture Coding Type Macroblock Coding Types MB Quantiser Motion Vectors DCT Coefficients Bit allocation Slice structure Picture Frequency analysing Display of differential Frames Display of Motion compensated Frames Video Quality Analyser Bufor VBV Nagłówek Danych Sposób Kodowania Obrazu Sposób Kodowania Makrobloków Matryca Kwantyzacji Wektory Ruchu Współczynniki DCT Alokacja Bitów Sekwencja Makrobloków Analiza Składowych Częstotliwościowych Obrazu Składowe Różnicowe Obrazu Składowe Skompresowane Obrazu Analiza Jakości Obrazu Video Obecna wersja programu VISUALmpeg PRO nie wymaga stosowania żadnych komponentów sprzętowych. Oprogramowanie tworzone było głównie z myślą o szybkości działania, jednakże charakteryzuje się przy tym wysoką funkcjonalnością oraz walorami edukacyjnymi, mogąc również służyć do wszechstronnego zapoznania się z problemami występującymi przy stosowaniu kodowania w formatach MPEG-1 i MPEG-2. 2/18 July 2005
2.Główna Belka Narzędziowa Po otworzeniu Strumienia Elementarnego na górze ekranu otwiera się Główna Belka Narzędziowa, umożliwiająca sterowanie pracą analizatora oraz określająca sposób prowadzenia analiz. Główna Belka Narzędziowa Ikona Funkcja Opis Nowa Przygotowanie do prowadzenia nowej analizy. Otwórz Otworzenie nowego pliku. Program VISUALmpeg PRO określa samoczynnie typ pliku (Elementarny-, Program-, System-) oraz uruchamia odpowiedni typ podprogramu analizującego. Po otworzeniu pliku Strumienia Transportowego należy wykorzystując Analizator Strumienia Transportowego wydzielić żądany Strumień Elementarny. Nagłówek Włączenie/wyłączenie wyświetlania Struktury (Drzewa) Nagłówka. Drzewo pokazuje strukturę badanego Strumienia wraz z lokalizacją Nagłówka. Wskazując odpowiedni węzeł można wybrać element do analizy: Nagłówek bądź obraz,. Ikona Podglądu Obrazu Włączenie/Wyłączenie podglądu kolejnych obrazów, zawartych w analizowanym Strumieniu, w postaci Ikon. Dodatkowo wskazując na Ikonę można dokonać wyboru obrazu. Sposób Wyświetlania Ramki Panel Sterujący Nagłówek/Obraz Bufor VBV Przełącznik sposobów wyświetlania ramek. Przełącznik służy do ustalenia sposobu wyświetlania wyników w głównym Oknie Analizatora 3 Włączenie/Wyłączenie Panela Sterującego. Przełącznik wyświetlania informacji o Nagłówku lub obrazie 3.1.3 Włączenie/Wyłączenie Panela Sterującego analizą Bufora VBV 3.3 3/18 July 2005
Szczegółowa Informacja o Makroblokach Pełny Ekran Centrowanie Pomiar Jakości Kodowania Rejestr błędów Włączenie/Wyłączenie wyświetlania szczegółowych informacji o Makroblokach. Podgląd tych informacji jest również dostępny po kliknięciu lewym klawiszem myszki na obszarze wyświetlanego obrazu (kliknięcie prawym klawiszem zamyka podgląd) 3.4 Rozciągnięcie wyświetlanego obrazu na całej dostępnej powierzchni głównego okna. Wycentrowanie wyświetlanego obrazu względem środka głównego okna Analizatora. Uruchomienie Analizatora jakości kodowania (obrazu) w niezależnym oknie Uruchomienie Rejestratora błędów w niezależnym oknie 5 4/18 July 2005
3.Okno Analizatora 3.1.Pasek Wyboru Pasek Wyboru [Options] umożliwia wybór analizowanych parametrów. Pasek Wyboru 3.1.1.Wyświetlanie Obrazu Chrominancja i Luminancja Po wybraniu opcji [Picture Luma] wyświetlana jest jedynie luminancja obrazu. Analogicznie po wybraniu opcji [Picture Chroma] wyświetlana jest jedynie chrominancja obrazu. Włączenie obu opcji równocześnie umożliwia oglądanie standardowego obrazu TV. 3.1.2.Sposób Kodowania Makrobloków W zależności od sposobu kodowania danego fragmentu obrazu w odpowiedni sposób kodowane są jego poszczególne makrobloki. Po zaznaczeniu opcji [MB Coding Type] analizator prezentuje rozkład różnych rodzajów kodowań makrobloków obrazu przy użyciu różnych kolorów. Rozkład różnych typów kodowania makrobloków pokazany przy pomocy kolorów 5/18 July 2005
Możliwe jest włączenie bądź wyłączenie podglądu luminancji obrazu. Włączenie chrominancji jest niemożliwe z uwagi na prezentacje typów kodowań przy pomocy kolorów. 3.1.3.Matryca Kwantyzacji Kwantyzacja jest kluczowym mechanizmem kodowania w systemie MPEG. Redukcja ilości kroków kwantyzacji jest podstawą do redukcji ilości bitów niezbędnych do zakodowania obrazu. Po włączeniu opcji [MB Quantizer] program pokazuje wartość kwantyzacji na obszarze obrazu. Czym większa intensywność (jasność) bloku tym większa kwantyzacja danego fragmentu obrazu. Kolor makrobloków definiuje równocześnie typ kodowania obrazu: kolor czerwony dla typu I, kolor niebieski dla typu P, kolor zielony dla typu B. Aby sprawdzić dokładną wartość kwantyzacji należy kliknąć na makroblok i obejrzeć wykres [q_scale] w prawym górnym rogu okna informacji o makroblokach. Prezentacja graficzna wartości matrycy kwantyzacji obrazu 6/18 July 2005
3.1.4.Alokacja bitów Program VISUALmpeg PRO umożliwia wyświetlenie informacji o alokacji bitów obrazu w odniesieniu do makrobloków 16x16 opcja [Bits per MB] lub bloków 8x8 opcja [Bits per MB]. Ilość bitów przypadających na blok (makroblok) wizualizowana jest jasnością odpowiedniego kwadratu. Aby sprawdzić ilość bitów przypadających na blok lub makroblok należy kliknąć na blok lub makroblok i obejrzeć wykres [q_scale] w lewym górnym rogu okna programu. Prezentacja graficzna ilości bitów przypadających na makroblok 16x16 w obszarze obrazu Prezentacja graficzna ilości bitów przypadających na blok 8x8 w obszarze obrazu 7/18 July 2005
3.1.5.Siatka Makrobloków Po wybraniu opcji [Macroblok Grid] można obejrzeć przyporządkowanie makrobloków do odpowiednich fragmentów obrazu. Obraz z włączoną siatką makrobloków 3.1.6.Wektory Ruchu. Jedną z niezwykle istotnych cech kodowania MPEG jest kompresja obrazu z uwzględnieniem ruchu obiektów na obrazie. Niskie wartości Bit-Rate są osiągalne wyłącznie dla obrazów typu P i B. W tych przypadku procedury kodowania są bardzo efektywne. Program wyświetla wektory ruchu dla obrazów typu P i B. Wektory mogą być wyświetlane samodzielnie lub razem z innymi informacjami o obrazie lub makroblokach. Wyświetlenie wektorów ruchu w przód 8/18 July 2005
3.1.7.Składowe Częstotliwości Obrazu W opcji tej możliwa jest analiza składowych częstotliwościowych obrazu. Wartości [DTC Min] i [DTC Max] służą do określenia zakresu zobrazowania współczynników DCT podczas analizy. Każdy wyspecyfikowany w bloku 8x8 zestaw współczynników transformowany jest na analizowany obraz. Matryca 8x8 wyboru zakresu współczynników DCT do analizy Jeśli dla przykładu tylko jeden współczynnik zostanie wybrany (składowa DC lewy górny róg w matrycy) obraz pokazuje wyłącznie wartości składowej DC. Jest oczywiście możliwe, aby wybrać zobrazowanie np. wyłącznie składowych wysokoczęstotliwościowych obrazu. Dowolność wyboru zobrazowania daje możliwość prostego zrozumienia istotności zawartości różnych składowych częstotliwościowych w sygnale. Prezentacja składowej DC w obrazie 9/18 July 2005
Prezentacja składowych wysokoczęstotliwościowych w obrazie 3.2.Nagłówek Program VISUALmpeg PRO umożliwia obejrzenie informacji zawartych w zdekodowanym Nagłówku Strumienia po włączeniu przycisku ( ). Nagłówek Główny Strumienia, wyświetlany w lewej części okna Analizatora, zawiera następujące informacje: GOP Group of Pictures I, B, P Picture Header PCE Picture Coding Extension SEE Sequence Extension SEQ Sequence Header Celem wyświetlenia szczegółowych informacji o poszczególnych nagłówkach należy kliknąć na odpowiednią ikonę. Tablica, otwierająca się po prawej stronie Okna Analizatora, zawiera następujące szczegółowe informacje: nazwę [PARAMETER], kod binarny [BINARY CODE], zawartość [VALUE], opis [MEANING]. 10/18 July 2005
Prezentacja drzewa nagłówków oraz rozwinięcie wybranego nagłówka 3.3.Bufor VBV Poniższy wykres przedstawia wykorzystanie hipotetycznego Bufora VBV (Video Buffer Verifier). Dekoder sygnału MPEG powinien zapewniać optymalne warunki dekodowania poprzez niedopuszczanie do przeładowania bądź całkowitego opróżnienia bufora. Jest to warunek poprawnego dekodowania Strumienia Video. Bufor VBV jest zapełniany danymi w stałym tempie, zgodnie z Bit-Rate dekodowanego Strumienia. Dane z bufora VBV pobierane są każdorazowo w sposób skokowy podczas procesu dekodowania kolejnego obrazu przez dekoder. Zielone linie ukośne prezentują ładowanie, ze stałą prędkością, bufora VBV danymi, zaś pionowe odpowiadają opróżnianiu bufora podczas procesu dekodowania każdego obrazu (kadru). Przykład wykorzystania bufora VBV Tak więc, zielona linia łamana pokazuje aktualne zapełnienie bufora danymi, zaś linia czerwona określa maksymalną pojemność bufora. Przekroczenie przez linię zieloną linii czerwonej oznacza przepełnienie bufora. 11/18 July 2005
3.4.Szczegółowe Informacje o Makroblokach i Współczynnikach DCT Szczegółowe informacje o Makroblokach są dostępne po naciśnięciu przycisku [Detailed MB Info]. Wyboru makrobloku dokonuje się poprzez kliknięcie na interesujący makroblok. Wyświetlane są następujące informacje: - Zdekodowany nagłówek makrobloku; - Współczynniki DCT (Y0-Y3,Cr,Cb) przed lub po inwersji matrycy kwantyzacji; - Matrycę kwantyzacji; - Ilość pikseli po procesie IDCT. Korzystając z opcji umieszczonych na panelu informacyjnym makrobloków można wybrać wyświetlanie interesującego parametru oraz wskazać blok do wyświetlania danych (Y0- Y3,Cr,Cb). Szczegółowe informacje na temat makrobloków 12/18 July 2005
3.5.Składowe Różnicowe Obrazu Program VISUALmpeg PRO umożliwia analizę oraz wyświetlenie składowych różnicowych skompresowanych obrazów przed dodaniem ich do ramek referencyjnych. Celem wyświetlenia składowych należy wybrać opcję [Differential Frame]. Analiza ta obrazuje rozłożenie informacji odnośnie ruchu w nadawanej ramce obrazu. Opcja ta jest bardzo użyteczna przy demonstracji różnic w sposobach kodowania; np.: typu B I P. Informacje różnicowe dla obrazu 3.6.Obraz skompresowany względem elementów ruchomych Ważną częścią procesu kodowania w standardzie MPEG jest kompresja obrazu względem elementów ruchomych dla obrazów typu P i B. Dobrej jakości procedury kompresyjne mogą w znaczny sposób zmniejszyć ilość informacji niezbędną do zakodowania obrazu, a tym samy przyczynić się do zaoszczędzenia dużej ilości bitów, czyli w efekcie do zaoszczędzenia pasma. Program VISUALmpeg PRO umożliwia wyświetlenie skompresowanych obrazów przed dodaniem informacji różnicowej (ruchu) do danej ramki po wybraniu opcji [Motion Compensated]. Wyświetlany obraz umożliwia ocenę pracy procedur kompresji ruchu kodera. Obraz skompresowany pod względem ruchu Analiza obrazów skompresowanych ruchowo oraz obrazów zawierających informację różnicową o obrazie umożliwiają zorientowanie się w sposobie kompresji obrazów typu P i 13/18 July 2005
B przez koder MPEG. Równocześnie uzyskuje się w ten sposób wiedzę o sposobie rekonstrukcji obrazu przez dekoder MPEG: Obraz skompresowany + Składowe różnicowe obrazu Odtworzony obraz 14/18 July 2005
4.Analizator Jakości Video Chociaż obiektywny pomiar jakości obrazu video (bez posiadania wersji źródłowej) jest trudnym i złożonym zagadnieniem to dzięki zastosowaniu złożonych algorytmów program VISUALmpeg PRO umożliwia dokładne określanie jakości obrazu w czasie przy pomocy czterech niezależnych procedur testowych: - Prezentacji Graficznej Współczynnika Jakości Obrazu - Prezentacji Graficznej Współczynnika Zakłóceń - Prezentacji Graficznej Wartości Bit Rate - Prezentacji Graficznej Ilości Bitów na Ramkę (Obraz) 4.1.Wykres Współczynnika Jakości Obrazu Współczynnik Jakości Obrazu Qi odwzorowuje wiernie jakość obrazu dzięki zaawansowanej analizie kombinacji wielu różnych parametrów sygnału MPEG. 4.2.Wykres Współczynnika Zakłóceń Wykres ten pokazuje ilościowe występowanie różnych artefaktów MPEG (np. blocking), które są typowymi objawami złej jakości obrazu oraz/lub złej pracy dekodera. 15/18 July 2005
4.3.Wykres Bit-Rate Jedną z możliwych przyczyn utraty jakości obrazu jest gubienie bitów podczas procesu dekodowania sygnału. Poniższy wykres pokazuje wykres Bit-Rate sygnału użytego do dekodowania różnych elementów Strumienia. Program umożliwia, dla przykładu, pomiar odchyłki bieżącego Bit-Rate od wartości nominalnej (oryginalnej). 4.4.Wykres Ilości Bitów na Ramkę Techniki kodowania wykorzystywane przy przesyłaniu obrazów typu I, B, P wykorzystują diametralnie inne ilości przesyłanych bitów na obraz wynikłe ze stosowanych technologii. Poniższy wykres pokazuje statystykę ilości bitów ramkę (obraz), co ma bezpośredni związek z jakością przesyłanego video. 16/18 July 2005
5.Rejestracja Błędów Rejestrator Błędów umożliwia detekcję błędów składniowych w strumieniu MPEG. Uruchomienie rejestracji dokonywane jest poprzez naciśnięcie klawisza znajdującego się ba Belce Narzędziowej. Rejestrator uruchamiany jest we własnym oknie rozpoczynając natychmiast sprawdzanie poprawności Strumienia, ramka po ramce. Dla poprawnej ramki wyświetlany jest napis OK. Przy wystąpieniu błędu generowany jest automatycznie odpowiedni komunikat definiujący zdarzenie. 17/18 July 2005
6.Analizator Strumienia Transportowego Program VISUALmpeg PRO przeprowadzana podstawową analizę parametrów Strumienia Transportowego, a w szczególności wyświetlenie zawartych w Strumieniu pakietów video. Podstawową zadaniem analizatora jest umożliwienie wydzielenia ze Strumienia Transportowego Elementarnych Strumieni Video wraz z ich zapisem do pliku. Dokonuje się tego poprzez wskazania myszką interesującego pakietu i kliknięcie. Wskazany program zostaje wydzielony i zapisany na dysk. Od tej chwili można poddać wydzielony Strumień standardowej analizie programem VISUALmpeg PRO. Producent zastrzega możliwość zmian 18/18 July 2005