Сжатие видеоданных

Учитывая, что в процессе преобразования в цифровую форму, существенно расширяется полоса частот, которую занимает телевизионный сигнал (более 100 МГц), для организации цифрового вещания на базе существующих аналоговых каналов необходимо производить сжатие видеоданных.
Сжатие, в идеальном случае, должно производиться без потерь информации, чтобы на приемной стороне восстановить исходный сигнал без искажений. Следовательно, сжатие должно устранять избыточную информацию, т.е. информацию, передача которой не нужна.

Телевизионный сигнал содержит следующие виды избыточности:

- структурную, которая основана на существовании участков телевизионного сигнала, не несущих информацию об изображении (обратный ход);

- психо-физиологическую, которая основана на существовании элементов телевизионного сигнала, которые на воспринимаются зрителем (например цвет мелких деталей);

- статистическая, которая основана на схожести соседних строк и кадров. Устранение именно данного вида избыточности позволяет в значительной степени производить сжатие видеоданных.

Статистическая избыточность делится на временную и пространственную. Временная избыточность возникает из-за схожести соседних кадров. Пространственная из-за схожести соседних элементов в кадре.

Устранение временной избыточности осуществляется за счет использования межкадрового кодирования. Межкадровое кодирование осуществляется за счет передачи информации не о целом кадре, а об изменениях относительно предшествующего.

В процессе межкадрового кодирования формируются следующие типы кадров:

- I-кадры (Intro – опорные). Данные кадры формируются как обычно, без какого-либо сжатия. Они предназначены для создания контрольных точек в процессе передачи и предотвращения размножения ошибок накопления.

- Р-кадры (Predicted – предсказанные). В кадрах данного типа передается разница между текущим кадром и предшествующим. Они обеспечивают хорошую степень сжатия при слабо изменяющихся изображения.

- В-кадры (Bidirection – двунаправленные). В кадрах данного типа передается разница между текущим предшествующим и последующим кадрами. Они обеспечивают хорошее сжатие при изменениях изображения связанных с постепенно открывающимися объектами, но при этом они не могут использоваться как кадры на основании которых может производиться предсказание.

Кадры в процессе межкадрового кодирования объединяются в группы (GOP – Group of Pictures – группы изображений). Размер группы и ее состав не ограничен, но как правило используются группы из 12 кадров следующей структуры:

[I0, B1, B2, P3, B4, B5, P6, B7, B8, P9, B10, B11] и т. д., в которых I кадры следуют с интервалом: (1/25 Гц) х 12= 0,48 с.

При передаче по каналу связи порядок следования I, Р и В кадров меняется. В декодер в начале поступают опорные I и Р кадры, без которых нельзя начать декодирование. Типичным является следующий порядок передачи I, P, B кадров:

[I0, P3, B1, B2, P6, B4, B5, P9, B7, B8, I12, B10, B11] и т. д.

Пространственная избыточность устраняется за счет использования внутрикадрового кодирования. Оно включает в себя дискретно-косинусное преобразование (ДКП) и кодирование кодом с переменной длинной слов (например кодом Хафмана).

В процессе ДКП кадр, прошедший межкадровое кодирование, делится на блоки размерностью 8х8 элементарных участков изображения. В результате формируется матрица размерностью 8х8, заполненная значениями отсчетов телевизионного сигнала для данного участка. Затем эти значения преобразуются в коэффициенты соответствующие спектральному распределению данного отрезка сигнала. Таким образом, получается матрица, в которой выше главной диагонали располагаются коэффициенты соответствующие низкочастотным составляющим, а ниже главной диагонали – высокочастотным. Учитывая что, как правило, высокочастотные составляющие имеют небольшой уровень, значения коэффициентов будут равны или близки к нулю. Следовательно, в матрице будет присутствовать большое количество небольших значений, которые можно округлить до нуля, но при этом и возникают потери информации. Учитывая слабую чувствительность человеческого глаза к искажениям мелких деталей, этими потерями можно пренебречь.

После получения матрицы производится зигзагообразное считывание коэффициентов.

В результате формируется последовательность с длинной серией нулей в конце, которую в процессе кодирования кодом с переменной длинной можно заменить короткой кодовой комбинацией означающей конец блока.

Рассмотрим структурную схему кодера видеоданных стандарта MPEG-2. На группирователь кадров поступают данные сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов. В результате происходит объединение кадров в группы в соответствии с выбранным алгоритмом. Так же осуществляется нарушение исходного порядка следования кадров, для того что бы обеспечить двунаправленное предсказание. Затем данные кадров поступают на вычитатель. Так же на вычитатель будут поступать данные кадра прошедшего ранее. В результате на выходе вычитателя будет формироваться разница между текущим кадром и кадром, прошедшим ранее, т.е. осуществляться межкадровое кодирование. После вычитателя данные будут поступать на блок ДКП, на выходе которого будет сформирована последовательность с длинной серией нулей в конце. Эта последовательность будет поступать на квантователь (Кв) с переменной шкалой квантования, а затем на кодер с переменной длинной слова (КПДС). На выходе КПДС будет сформирован сжатый, но не равномерный цифровой поток, который затруднительно передавать по реальным каналам с высокой вероятностью ошибок. Поэтому неравномерный поток записывается в буферную память (БП), а затем происходит равномерное считывание данных из памяти. В результате на выходе будет сформирован равномерный цифровой поток. В процессе записи и считывания данных может произойти переполнение или опустошение БП, что приведет к искажению данных и накоплению ошибок. Для предотвращения таких ситуаций ведена обратная связь между БП и Кв. Если возникает угроза переполнения, по цепи обратной связи поступает команда на уменьшения числа уровней квантования. В результате объем поступающих данных снижается. Если возникает угроза опустошения, то подается команд на увеличение числа уровней квантования и объем поступающих данных увеличивается.

Так же с КПДС данные поступают на блок памяти кадров, через цепочку декодера с переменной длинной слова (ДКПДС), деквантователя ДКв и блока инверсного дискретно-косинусного преобразования (ИДКП). Таким образом прошедший ранее кадр будет поступать на вычитатель для межкадрового кодирования. С блоком памяти кадров сопрягается блок компенсации движения, которые обеспечит замену движущихся от кадра к кадру объектов, на коэффициенты указывающие куду переместился объект и на сколько.

Восстановление сжатых видеоданных в декодере будет происходить в обратном порядке, т.е. сначала данные будут поступать на ДКПДС, затем на ДКв, после на ИДКП и потом на сумматор. После сумматора сигналы будут поступать на группирователь кадров, который восстановит исходный порядок следования кадров. Так же после сумматора сигналы будут поступать на блок памяти кадров, а с него на сумматор.

		СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ВИДЕОКОДЕРА MPEG

Поиск по сайту: