2.1. Особливості передачі відеозображення в цифрових кодах графічної системи

Розглянемо особливість передачі відеозображення в цифровому вигляді, природному для графічної системи комп'ютера (Bitmap). Хай дозвіл відеоекрану складе 640 х 480 — максимально можливе для телевізійного зображення NTSC. Оскільки аналоговий телевізійний сигнал дозволяє передавати у принципі необмежене число кольорів, приймемо глибину кольору True Color — 24 біти на піксель. Тоді одному кадру зображення відповідатиме бітовий образ об'ємом 640 х 480 х 24 = 7 372 800 біт або близько 7 Мбіт на кадр. В телебаченні повні кадри зміняються з частотою 25 Гц (30 Гц в NTSC), так що для безпосередньої передачі телевізійного зображення у форматі Bitmap вимагається забезпечити потік даних в 7 х 25 = 175 Мбіт/с, або близько 22 Мбайт/с. Про те, щоб записувати такий потік даних навіть на найшвидший вінчестер, раніше не було і мови; але сучасні диски вже можуть його витримати. Але цей потік заповнює 1 Гбайт диска всього за 44 секунди. Звичайно, якщо пожертвувати кількістю кольорів і «опуститися», наприклад, до режиму High Color (16 біт на піксель), то необхідний потік зменшиться до 116 Мбіт/с. Але і такий потік дуже великий. Виходом може бути тільки стиснення передаваної інформації.

Оскільки, формат Bitmap є досить докладним способом опису зображень. Сусідні (по вертикалі і горизонталі) елементи реального зображення звичайно між собою сильно взаємозв'язані, тому є багаті можливості стиснення опису. Ілюстрація цьому — дуже великий коефіцієнт стиснення BMP-файлів будь-яким архіватором. Якщо стиснення файлів даних при архівації обов'язково вимагає можливості точного відновлення початкових даних при розпаковуванні, то при стисненні зображень в більшості випадків можна дозволити деякі вільності, коли відновлене зображення не зовсім точно відповідає оригіналу. І нарешті, сусідні кадри зображення, що рухається, між собою в більшості випадків теж сильно зв'язані, що наводить на роздуми про застосування диференціального опису кадрів. Всі ці міркування підводять нас до розуміння можливостей стиснення відеоінформації і принципів дії кодеків — компресорів-декомпресорів відеосигналу. Як і у разі програмного стиснення і відновлення даних, задача компресії виявляється складніше за задачу відновлення (легко помітити, що розпаковування файлів, наприклад, архіватором ARJ, відбувається набагато швидше за упаковку).

Процедура стиснення може виконуватися як одноступеневим, так і двухступеневим способом.

В першому випадку стиснення виконується одночасно із записом в реальному масштабі часу.

В другому випадку потік нестислих даних інтенсивністю в декілька десятків мегабайт в секунду записується на спеціальний (дуже великий і дуже швидкий) диск. Після закінчення запису фрагмента виконується його стиснення, яке може займати на порядок більше часу, ніж сам запис.

Декомпресія, природно, представляє інтерес лише в тому випадку, якщо вона виконується в реальному масштабі часу (вона і реалізується простіше). Ряд кодеків дозволяє здійснювати декомпресію в реальному часі чисто програмними способами, використовуючи стандартний графічний адаптер SVGA. Проте програмна декомпресія сильно завантажує процесор, що несприятливо позначається на багатозадачному використовуванні комп'ютера. Ряд сучасних дисплейних адаптерів мають спеціальні апаратні засоби декомпресії, що розвантажують центральний процесор. На частку процесора залишається лише організація доставки стислого потоку даних до плати адаптера.

А) компресія відео зображення

Стиснення зображень, що рухаються, включає внутрішньокадрове (intraframe compression) і міжкадрове (interframe compression) стиснення. Для внутрішньокадрового стиснення використовуються методи, вживані для стиснення нерухомих зображень. В міжкадровому стисненні застосовується система ключових кадрів (key frame), що містять повну інформацію про кадр, і дельта-кадрів (delta frame), що містять інформацію про послідовні зміни кадрів щодо ключових. Завдяки кореляції сусідніх кадрів дельта-кадри в загальному випадку несуть набагато менше інформацію, ніж ключові, і, отже, потік їх даних не так інтенсивний. Періодичне вкраплення ключових кадрів дозволяє уникнути накопичення помилки в зображенні, а також починати прийом потоку у будь-який момент (дочекавшися найближчого ключового кадру).

При зйомці різних сюжетів міжкадрова кореляція, звичайно ж, істотно варіюватиметься. Тому, щоб оцінити якість роботи кодека, застосовують, наприклад, сюжети типу «говорячі голови» (Talking heads) з високим ступенем кореляції кадрів і складніші зображення (Actions), що повнорухаються, — наприклад, карусель, де всі елементи переміщаються. Оцінка якості ведеться як по об'єктивних показником, так і по суб'єктивному сприйняттю. Об'єктивними показниками є максимальна частота кадрів (Frame Rate), яка забезпечується без відкидання кадрів, і відсоток відкиданих кадрів (Drop Frames) при обробці потоку із стандартною частотою кадрів. Ці показники характеризує продуктивність декомпресора, яка може виявитися і недостатньої для обробки потоку даних без втрат. Важливий також і коефіцієнт завантаження центрального процесора (CPU Utilization) при відробітку стандартного потоку, по якому можна судити про можливість виконання інших задач під час відтворення відео.

В) декомпресія відеозображення

В процесі декомпресії може бути потрібно масштабування кадрів, для того, щоб вписати зображення у вікно заданого розміру. В найпростішому випадку декомпресія проводиться в масштабі 1:1, при цьому відеозображення звичайно займає лише частину екрану. Примітивне масштабування досягається дублюванням пікселя — один піксель відео копіюється в декількох (наприклад, 4) суміжних пікселів графічного екрану. Проте при цьому якість зображення помітно падає — крупна «цегла», з якої будується зображення, з невеликої відстані виглядають погано. Більш тонкий механізм масштабування виконує інтерполяцію кольорів пікселів, при цьому якість зображення помітно поліпшується. Проте таке масштабування вже вимагає значних витрат обчислювальних ресурсів, і якщо їх недостатньо, то вивід відеозображення у вікно великого розміру супроводитиметься втратами кадрів і, можливо, перебоями звукового супроводу. Отже, кажучи про якість виводу відео, слід завжди обумовлювати масштаб або розмір відеоекрану.