- •ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
- •3.3 СИСТЕМА ЦТВ PAL
- •Таблица 5.1 - Основные характеристики стандартов ТВ вещания.
- •Стандарт
- •5.4 ПЕРЕДАЧА ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ В СОСТАВЕ ТВ СИГНАЛА
- •Международная стандартизация в области телетекста
- •Система А
- •Система В
- •Система С
- •Система D
- •Обобщенная структурная схема системы телетекста
- •7.3.2 Классификация способов устранения избыточности
- •7.4 СТАТИСТИЧЕСКОЕ КОДИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ
- •7.5 КОДИРОВАНИЕ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ
- •7.6 КОДИРОВАНИЕ С ПРЕДСКАЗАНИЕМ
- •7.7 СТАНДАРТЫ КОМПРЕССИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ MPEG
- •7.7.3 Стандарт MPEG-4
- •7.7.2 Стандарт MPEG-7
- •7.9 МЕТОДЫ КОМПРЕССИИ СИГНАЛОВ ЗВУКОВОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ
- •7.10.4 Формат DTS
7.6 КОДИРОВАНИЕ С ПРЕДСКАЗАНИЕМ
В результате дискретизации изображения и квантования по уровню формируются 8-битные слова для представления каждого пикселя. При этом представлении используется импульсно-кодовая модуляция(ИКМ).
Однако кодирование на основе ИКМ не позволяет сократить объем исход-
ной информации, т.к. оно не учитывает корреляционные связи между пик-
селями. Более эффективной является дифференциальная ИКМ(ДИКМ).
Структурная схема, поясняющая алгоритм ДИКМ, представлена на рисун-
ке 7.8.
X n _ en
Квантователь
^
X n Предсказатель
Рисунок 7.8 - Схема, поясняющая алгоритм ДИКМ
При ДИКМ вместо передачи значенияXn яркости n-го пикселя пе-
редается разность между Xn и его оценкой. Величина εn называется ошиб-
кой предсказания формула 7.29:
^ |
|
en = X n - X n . |
(7.29) |
Оценка формируется с использованием |
предсказателя, алгоритм |
работы которого должен быть согласован со статистикой передаваемого изображения. Наибольшее распространение получили методы линейного предсказания. Оценка яркости n-го пикселя определяется по формуле 7.30:
^ |
|
^ |
|
|
k |
|
|
X n |
= å a i X k - i , |
(7.30) |
|
|
i = |
0 |
|
где αi - коэффициенты, получаемые на основе корреляционных свя-
зей между пикселями, подбираются исходя из функции корреляции пиксе-
лей таким образом, чтобы минимизировать среднеквадратическое значение ошибки предсказания εn.
302
Диапазон изменения ε существенно меньше диапазона изменения
n
исходных пикселей изображения. Поэтому при одной и той же ошибке квантования для передачи εn требуется меньшее количество уровней кван-
тования, а следовательно и меньшее количество бит для кодирования. На некоторых изображениях, например, фон одинаковой яркости, величина ошибки может быть вообще равна нулю и для передачи таких изображений скорость цифрового потока снижается практически до нуля.
Для кодирования простых изображений используется дельта - моду-
ляция (ДМ). При ДМ предсказание производится только по одному пиксе-
лю, а квантование ошибки предсказания производится на два уровня, т.е.
каждый пиксель кодируется одним битом вместо 8.
На практике метод ДИКМ применяется для межкадрового кодиро-
вания. В стандартном телевизионном сигнале кадры следуют с частотой 25
Гц, т.е. очередной кадр передается через 40 мс. За столь короткий интервал времени изображение в соседних кадрах практически не успевает изме-
ниться. Поэтому весьма эффективно кодировать разность между пикселя-
ми изображения, имеющими одинаковые координаты в соседних кадрах. В
этом случае ошибка предсказания определяется по формуле 7.31: |
|
^ |
|
ek = Bk (x, y ) - Bk (x, y ) , |
(7.31) |
где k - номер кадра,
Вk(х,у) - значение пикселя с координатами х,у,
^
Bk (х,у) - предсказанное значение величины Вk(х,у).
В пределах кадра используются методы кодирования с преобразова-
нием, рассмотренные выше. Упрощенная структурная схема алгоритма межкадрового кодирования и декодирования приведена на рисунке 7.9.
Здесь для сформирования вектора оценки в обратной связи исполь-
зует деквантователь и обратный дискретный косинусный преобразователь,
которые восстанавливают блок изображения точно так же, как и в декоде-
ре.
Для улучшения результатов предсказания применяют процесс, на-
зываемый компенсацией движения.
303
Видео |
|
|
|
кодер |
цифровой |
||||
ДКП |
|
Кв |
|
|
КХ |
||||
данные |
|
|
|
|
|
поток |
ДКв
ОДКП
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
декодер |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
цифровой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Видео |
||||
|
ДКХ |
|
|
ДКв |
|
ОДКП |
|
|
|
|
|
|
||||
поток |
|
|
|
|
|
|
|
|
данные |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 7.9 - Упрощенная структурная схема алгоритма межкадро-
вого кодирования и декодирования Пр - предсказатель; остальные обозначения приведены в коммента-
риях к рисунку 7.7.
При передаче сюжета происходит изменение положения отдельных частей кадра из-за их движения, это уменьшает межкадровую корреляцию и снижает точность предсказания. Таким образом, возникает задача оценки вектора движения и его компенсации. Такая оценка получается проециро-
ванием блока на опорное изображение и сравнением со всеми блоками предыдущего кадра. Смещение между проецируемым блоком и опорным изображением по осям x и y определяет вектор движения. Эта информация используется для предсказания следующего кадра. Структурная схема ал-
горитма кодирования с компенсацией движения приведена на рисунк
7.10.
Кодер, структурная схема которого приведена на рисунке7.10, ра-
ботает аналогично кодеру, представленному на рисунке 7.9 с единствен-
ным отличием - здесь предсказатель ПрД работает с учетом информации,
полученной от блока оценки вектора движения - ОВ.
304
Видео |
|
|
|
|
|
|
|
|
ДКП |
|
Кв |
|
КХ |
|
|||
данные |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
ДКв
|
|
|
цифровой |
М |
|
БУФ |
|
|
|
|
поток |
|
|
|
ОДКП
ПрД декодер
ОВ КХ
Рисунок 7.10 - Структурная схема алгоритма кодирования с ком-
пенсацией движения Обозначения, принятые на рисунке 7.10, аналогичны приведенным
на рисунке 7.9. Новыми элементами являются: ОВ - определитель вектора движения; ПрД - предсказатель, учитывающий движение; М - мультип-
лексор; БУФ - буфер.
Вектор движения кодируется кодом Хаффмана, мультиплексируется и передается вместе с основным потоком через буфер- БУФ, от которого имеется обратная связь на квантователь. Эта связь обеспечивает постоян-
ную скорость цифрового потока. При возрастании уровня детальности изображения (высокочастотных компонент) число ненулевых элементов матрицы увеличивается и возрастает скорость цифрового потока, следова-
тельно, буфер заполняется с повышенной скоростью. Обратная связь дела-
ет квантование более грубым и скорость поступления данных уменьшает-
ся. Если кодируется простое изображение с малой детальностью, то ско-
рость потока становится ниже среднего значения, т.к. число нулевых эле-
ментов матрицы коэффициентов ДКП увеличивается. Тогда с помощью обратной связи число уровней квантования увеличивается. Буфер выпол-
няет функцию постоянной времени цепи регулирования [12].
305