КОДЕР ВИДЕОИНФОРМАЦИИ

В стандартах МРЕG не описано построение кодера, а лишь определен синтаксис потока данных на его выходе. Структурная схема кодера видеоинформации (рис. 1.14) отображает основные операции, выполняемые при кодировании и обеспечивающие по­лучение выходного потока данных с требуемыми параметрами.

Рис. 1.14. Структурная схема видеокодера МРЕG-2

На схеме обозначены ДКП - блок прямого дискретного синусного преобразования; ДКП^-1 - блок обратного дискретного косинусного преобразования; Кв – квантователь; Кв^-1 - деквантователь, т. е. блок, выполняющий обратную квантованию операцию; ЗУ - запоминающее устройство; Пред - блок, выполняющий формирование предсказанного кадра; ОД — блок оценки движения и формирования векторов движения; КПДС - блок, в котором вы­полняется кодирование с переменной длиной кодового слова; Мп -мультиплексор; БЗУ - буферное запоминающее устройство; УКС -блок управления коэффициентом сжатия изображения. Кроме того, на схеме показаны сумматор, вычитающее устройство и переклю­чатель. Работа всех блоков синхронизируется общей тактовой час­тотой 27 МГц.

В кодере реализуются два режима кодирования: внутрикадровое кодирование (переключатель в положении 1) и межкадровое кодирование с предсказанием и компенсацией движения (переклю­чатель в положении 2).

Все макроблоки I-кадров кодируются в режиме внутрикадрового кодирования. Метод аналогичен MPEG: разложение на блоки 8x8 пикселов, поблочное ДКП, квантование полученных коэффи­циентов в соответствии с формулой (1.11), считывание в зигзагооб­разном порядке, кодирование с переменной длиной кодовых слов. При квантовании по умолчанию используется табл. 1.9. В случае использования нестандартных таблиц коэффициентов квантования они включаются в общий выходной поток данных.

Кодирование с переменной длиной кодовых слов осуществ­ляется с помощью таблиц кодов, имеющихся в стандарте. Как и в JPEG, коэффициенты ДКП, соответствующие постоянным состав­ляющим, кодируются с использованием предсказания по таким же коэффициентам предыдущих блоков, и для них предназначены от­дельные таблицы кодов с переменной длиной кодовых слов. Отме­тим, что в тексте стандартов нет термина "кодирование по Хаффмену". Видимо это связано с тем, что таблицы кодов заданы в стандарте, а не вычисляются под конкретные данные, как это требуется при кодировании по Хаффмену.

Макроблоки Р-кадров могут кодироваться как внутрикадровым методом, так и межкадровым в зависимости от наличия и ин­тенсивности изменений в этом макроблоке по сравнению с соот­ветствующей областью изображения, по которому выполняется предсказание данного Р-кадра, т. е. в зависимости от результатов оценки движения.

Изображение, по которому выполняется предсказание, фор­мируется из кодированных данных предыдущего I- или Р-кадра.

В деквантователе данные умножаются на коэффициенты квантова­ния, затем выполняется обратное ДКП так же, как это делается в декодере в приемной части системы, после чего декодированное изображение записывается в ЗУ. Использование обратной связи при получении данных для предсказа­ния позволяет избежать накопления ошибок квантования. Для реа­лизации всех возможных вариантов предсказания ЗУ должно содержать несколько (как минимум 4) предыдущих кадров.

Оценка движения осуществляется путем сравнения текущего изображения, поступающего на вход кодера, с изображением, находящимся в ЗУ и используемым для предсказания (опорным изображением). Эта процедура поясняется рис. 1.15,а. Для каждого макроблока кодируемого изображения отыскивается, как это было описано ранее, соответствующая ему область А1 размером 16x16 элементов в опорном изображении. Положение соответствующей области определяется с точностью до половины пиксела по обеим координатам.

Рис. 1.15. Получение предсказанного макроблока в Р-кадре (а) и в В-кадре (б)

Если в области поиска не найдена соответствующая область, отличие которой от данного макроблока не превышает установленной величины, то этот макроблок кодируется во внутрикадровом режиме аналогично макроблокам 1-кадров.

Если соответствующая область А1 найдена, то макроблок ко­дируется в межкадровом режиме, и для него определяется вектор движения VI. Векторы движения кодируются с переменной длиной кодовых слов и через мультиплексор включаются в общий поток данных.

Если для макроблока выбран межкадровый режим кодирова­ния, то формируется предсказанный макроблок (Предск.МБ), в ка­честве которого берется найденная соответствующая область А1 из опорного изображения. Предсказанный макроблок поэлементно вычитается из настоящего макроблока. Полученный разностный макроблок (ошибка предсказания) проходит поблочное ДКП, кван­тование и кодирование с переменной длиной кодовых слов. Мат­рица коэффициентов квантования для ошибок предсказания со­держит 64 числа 16 и используется для квантования как яркостных, так и цветоразностных составляющих.

Для макроблоков В-кадров поиск соответствующей области осуществляется как в предшествующем I- или Р-кадре так и в по­следующем Р-кадре (рис. 1.15,б). В зависимости от результатов по­иска соответствующей области возможны следующие варианты:

- макроблок кодируется во внутрикадровом режиме;

- формируется предсказанный макроблок в виде соответст­вующей области А1 предыдущего I- или Р-кадра;

- формируется предсказанный макроблок в виде соответст­вующей области А2 последующего Р-кадра;

- формируется предсказанный макроблок в виде поэлемент­ной полусуммы соответствующей области А1 предыдущего I- или Р-кадра, и соответствующей области А2 последующего Р-кадра, т. е. в виде результата интерполяции по этим областям.

В последних трех вариантах макроблок кодируется в меж­кадровом режиме, как это было описано для Р-кадров. В случае предсказания путем интерполяции для макроблока необходимо пе­редавать два вектора движения VI и V2, показывающие положения соответствующих областей в предыдущем и в последующем кадрах.

При кодировании телевизионных изображений с чересстрочной разверткой возможны два основных варианта предсказания: полевой и кадровый. При полевом предсказании макроблоки каж­дого поля предсказывается независимо от другого поля этого кад­ра, и для формирования предсказанного макроблока используются данные одного или двух ранее кодированных полей. При кадровом предсказании для формирования предсказанного макроблока ис­пользуются данные, содержащиеся в обоих полях одного или двух ранее кодированных кадров. Помимо этого стандарт предусматри­вает дополнительные режимы предсказания при чересстрочной развертке.

Кроме того, стандарт позволяет пропускать некоторые мак­роблоки при кодировании (skipped macroblock). Для таких макро­блоков никакие данные не передаются. Этот вариант используется, если кодируемый макроблок не имеет отличий от соответствующе­го макроблока в опорном изображении.

Описанный способ кодирования телевизионного сигнала Я называется кодированием с предсказанием и компенсацией движе­ния. Выигрыш в сжатии изображения достигается благодаря тому, что разности действительных и предсказанных макроблоков Р- и В-кадров содержат значительно меньше информации, чем сами эти макроблоки. При этом для В-кадров объем передаваемой информа­ции будет наименьшим, так как при двунаправленном предсказа­нии ошибка предсказания минимальна.

Кодированные видеоданные и векторы движения через муль­типлексор поступают в БЗУ, работающее по принципу "первым вошел - первым вышел".

Одна из функций БЗУ - согласование неравномерного во времени потока данных после кодирования со строго постоянной скоростью передачи двоичных символов при выполнении кодиро­вания в реальном времени. Неравномерность потока данных, по­ступающих в БЗУ, обусловлена в первую очередь наличием разных типов кадров. Считывание данных из БЗУ осуществляется с посто­янной скоростью. Степень заполненности БЗУ колеблется во вре­мени, возрастая при увеличении потока поступающих на него данных и снижаясь при уменьшении этого потока.

Помимо различия типов кадров на степень заполнения буфера может влиять характер передаваемого изображения. Если в изображении много мелких деталей, возрастает количество и уровней высокочастотных составляющих пространственно-частотного спектра, т. е. количество отличных от нуля коэффициентов ДКП. Это приводит к увеличению потока данных. При передаче же "гладких" изображений количество отличных от нуля коэффициен­тов ДКП уменьшается, так как пространственно-частотный спектр изображения имеет в основном низкочастотные составляющие.

Для оптимизации работы системы желательно поддерживать уровень заполнения БЗУ приблизительно постоянным. Если БЗУ переполняется, то, очевидно, будет происходить потеря части дан­ных, т. е. ухудшение качества изображения на выходе системы. Ес­ли же БЗУ полностью освобождается, то по каналу связи прихо­дится передавать "пустые" блоки, что приводит к снижению эф­фективности его использования. Чтобы избежать обоих нежелательных случаев, в кодере изображения введена обратная связь с БЗУ на блок УКС, управляющий степенью сжатия изобра­жения.

Сущность действия этой обратной связи заключается в сле­дующем. Если передается мелкоструктурное изображение, и за­полнение БЗУ увеличивается, то под воздействием обратной связи увеличивается параметр квантования коэффициентов ДКП [см. формулу (1.13)]. При этом число бит на каждый коэффициент уменьшается, и уровень потока данных поддерживается примерно постоянным. Наоборот, при передаче "гладких" изображений кван­тование становится более точным. Такой метод соответствует свойствам человеческого зрения: на мелкоструктурных изображе­ниях менее заметны неточности в передаче уровней яркости, так как в первую очередь воспринимаются контуры деталей. Измене­ние параметра квантования может осуществляться или после коди­рования каждого кадра с учетом его типа, или в пределах одного кадра после кодирования каждого слайса. Данные о параметре квантования включаются в общий поток данных в заголовки слайсов.

(1.13)

где Q(k,l) - коэффициенты квантования, задаваемые в виде табли­цы из 8x8 целых чисел (таблица Q на рис. 1,9); f- параметр, опре­деляющий степень сжатия изображения, Round() - операция округления до ближайшего целого значения; С_q(k,l) – полученные результате данной операции квантованные коэффициенты ДКП, которые могут быть как положительными, так и отрицательными.

Поиск по сайту: