Телевізійні стандарти стиснення

Стандарти стиснення відеоданих (телевізійні стандарти) розширюють трансформаційні методи стиснення нерухомих зображень, розглянуті в попередньому розділі, в сенсі скорочення часової або міжкадрової надлишковості. Хоча в даний час існує цілий ряд різних стандартів кодування, тим не менше, більшість з них засноване на використанні схожих методів стиснення відеоданих. В залежності від призначення, стандарти групуються в дві великі категорії: (1) стандарти для відеоконфепенцій, і (2) мультимедійні стандарти.

Багато зі стандартів для відеоконференцій, включаючи Н.261 (називаються також РХ64), Н.262, Н.263, і Н.320, визначені Міжнародним союзом з телекомунікацій (ITU), що є наступником Міжнародного консультативного комітету з телеграфії і телефонії (МККТТ). Стандарт Н.261 призначений для застосування при швидкостях, відповідних звичайними телефонними лініями, і забезпечує передачу відеоданих по лініях Т1 із затримками не більше 150 мс. (При затримках більше 150 мс. у спостерігача частково втрачається відчуття візуальної зворотнього зв'язку). Стандарт Н.263, навпаки, призначений для передачі відеоданих з дуже низькими швидкостями від 10 до 30 Кбіт/сек., а стандарт Н.320, який є розширенням Н.261, розроблений з урахуванням смуги пропускання Цифрових мереж з інтегрованими послугами (ISDN). У кожному з стандартів використовується схема кодування на основі дискретного косинусного перетворення (ДКП) з компенсацією руху. Здійснити оцінку руху по перетвореним данних складно, тому дана операція здійснюється в просторовій області. Блоки пікселів, називаються макроблоками, порівнюються з блоками попереднього кадру, знаходиться величина зсуву блоку, що забезпечує найменшу помилку пророкування, яка і є параметром компенсації руху. Помилка передбачення потім трансформується ДКП по блокам 8x8 пікслів, квантуєтся і кодується для передачі або зберігання.

Мультимедійні стандарти стиснення відеоданих для персоналізваного телебачення, цифрове широкомовне телебачення високої чіткості (ТВЧ), а також обслуговування баз даних зображень / відео використовують близькі методи оцінки руху і кодування. Три основні стандарти - MPEG-1, МРЕG-2 і МРЕG-4 були розроблені Групою Експертів по рухомих зображеннях (МРЕG), що діє під егідою ISO і МККТТ. МРЕG-1 є стандартом кодування «розважаючої якості», призначеного для запису та відтворення відеоданих на цифрові носії типу компакт-дисків (СD-RОМ); він забезпечує швидкість потоку даних близько 1,5 Мбіт/с. МРЕG-2 орієнтований на додатки, що вимагають телевізійного якості з рівнем між NTSC/PAL і CCIR 601 при швидкості передачі від 2 до 10 Мбіт/с. - даний параметр відповідає диапазону кабельного телебачення і вузькосмугових систем супутникової сигналізації. Метою як МРЕG-1, так і МРЕG-2 є забезпечення ефективності передачі та зберігання аудіо-і відеоданих (АВ). МРЕG-4, з іншого боку, забезпечує (1) підвищення ефективності стиснення відеоданих; (2) інтерактивність, засновану на зберіганні, наприклад, об'єктно-орієнтований доступ до АВ-об'єктам, або ефективну інтеграцію натурних і синтезованих даних, (3) універсальний доступ, що допускає нестійко працююче обладнання, можливість додавати або видаляти АВ-об'єкти або міняти масштаби розширення об'єктів. Хоча подібні функціональні можливості і призводять до необхідності сегментації відеоданих на об'єкти довільного виду, тим не менш, сегментація як така не є частиною стандарту. Значна частина відеоданих (наприклад, комп'ютерні ігри) виготовляється і легкодоступна у формі відео об'єктів. МРЕВ-4 націлений на швидкості передачі від 5 до 64 Кбіт / с. для мобільних і Комутованих телефонних мереж загального доступу (PSTN), а також на швидкості до 4 Мбіт / с. для передачі ТВ і фільмів. Крім того, він підтримує передачу як з постійною, так і зі змінною швидкостями кодування.

Також як і стандарти відеоконференцій ITU, стандарти МРЕG побудовані на основі гібридної блокової схеми ДІКМ/ДКП кодування. На Рис. 1.47 показаний типовий МРЕG-кодер. Він використовує надлишковості як всередині кадру, так і між сусідніми кадрами, одноманітність руху між кадрами, а також психофізичні властивості зорової системи людини. Входом кодера є масиви 8x8 пікселів, названі блоками зображення. Стандартами визначені також макроблоки розмірами 2x2 блоку зображення (тобто масиви з 16x16 пікселів) і так звані слайси - набори з послідовних неперекриваючих макроблоків. Для кольорового відео макроблок складається з чотирьох блоків яскравості, що позначаються від до , і двох блоків цветоразностей і

Рис. 1.47. Принципова схема ДІКМ / ДКП кодера для стиснення відео з компенсацією руху.

Нагадаємо, що , обчислюється як різниця синього і яскравості, а - як різниця червоного і яскравості. Оскільки роздільна здатність ока в області колірного зору значно нижче, ніж в області чорно-білого (тобто яркістного) зору, сигнали різних кольорів зазвичай оцифровують з удвічі нижчим просторовим розширенням, ніж сигнал яскравості. Це призводить до відповідності числа відліків між компонентами : : рівному 4:1:1.

Блоки основного потоку даних, відзначені сірим кольором на Рис. 1.47, аналогічні операціям перетворення, квантування і нерівномірного кодування JPEG-кодера. Принципова різниця полягає у вхідних даних, які можуть бути або звичайним блоком даних зображення, або різницею між звичайним блоком і його пророкуванням, зробленим на основі попереднього та / або подальшого кадрів відеопослідовності. Це призводить до трьох основних типів кодованих кадрів відеопослідовності:

1. Основний або незалежний кадр (І-кадр). І-кадр кодується незалежно від всіх як попередніх, так і наступних кадрів відео послідовності. Із всіх трьох можливих типів кадрів він найбільш схожий на JPEG-кодоване зображення. Більш того, він є точкою відліку для побудові послідовності із Р- і В – кадрів. Наявність І – кадрів забезпечує вільний доступ до відео послідовності, легкість її змін, а також захист від поширення помилок передачі. Як результат, всі стандарти вимагають періодичного вставляння подібних кадрів в стислий кодовий потік.

2. Передбачений кадр (Р-кадр). Р-кадр є стисла різниця між поточним кадром і його пророкуванням, зробленим на основі попереднього I-або Р-кадру. Різниця формується у блоці обчислення різниці на Рис. 1.47. Передбачення включає компенсацію руху, здійснювану зміщенням декодувати макроблоки в околиці своєї центральної точки, і обчисленням заходи кореляції (наприклад, суми квадратів різниць значень пікселів в пророкує зображенні і зрушеному макроблоків); ці операції показані в нижній частині схеми на Рис. 1.47. У дійсності процес пошуку оптимального передбачення часто проходить на більш точному рівні, ніж розмір одного елемента (наприклад, можливе зміщення макроблоку на 1/4 елемента), що вимагає здійснення інтерполяції значень елементів до обчислення заходів кореляції. Знайдений вектор руху потім кодується нерівномірним кодом і передається як частина загального кодованого потоку даних.

3. Двонаправлений кадр (В-кадр). В-кадр є стисла різниця між поточним кадром і його пророкуванням, заснованому на інтерполяції між попереднім I-або Р-кадром і наступним Р-кадром. Відповідно, декодер повинен мати доступ як до попередніх за часом, так і до майбутніх опорних кадрам. Для цього кодуються кадри перед передачею переставляється, так, що на вхід декодеру вони надходять в потрібному для декодування порядку; потім декодер відновлює початкову послідовність кадрів.

Кодер, показаний на схемі Рис. 1.47, повинен породжувати потік бітів, відповідний пропускної спроможності наявного каналу відеоданих. Для цього в схему введений контролер швидкості передачі, який на основі оцінки заповнювання буфера виходу управляє значенням параметрів квантування. При заповненні буфера квантування стає більш грубим, так, що в буфер надходить зменшений бітовий потік.

Висновок

Головні цілі цієї глави полягали в тому, щоб викласти теоретичні основи стиснення цифрових зображень, а також описати найбільш поширені методи стиску, складові основної існуючої на даний момент технології. Хоча матеріал представлений на ввідному рівні, його глибина і широта достатні для того, щоб стати основою для подальшого самостійного вивчення цієї області. Наведені нижче посилання дают тільки відправлені точки для знайомства з величезним обсягом літератури, присвяченим стисненню зображень і суміжних питань. На додаток до багатьом застосуванням методів стиснення в обробці чорно-білих зображень, ці методи відіграють все більш важливу роль в архівному збереженні зображень документів, а також при передачі даних, що випливає з появи міжнародних стандартів стиснення, розглянутих в Розділі 1.6. Поряд з обробкою медичних зображень, стиснення є однією з небагатьох областей обробки зображень, які придбали досить велику комерційну привабливість, що гарантує подальший розвиток, що мають широко поширених стандартів.

Поиск по сайту: