3.15 Кодирование изображений: кодеки mpeg.

. Компрессия динамических изображений в формате MPEG.

Разработан как для целей цифрового телевидения, так и для применения в мультимедийных приложениях(MPEG-7).

MPEG-1 – в компьютерных мультимедийных системах. Максимальное число элементов изображения было ограничено матрицей 352*288 при частоте кадров 30 в 1с. Имеет мноо ограничений по качеству.

MPEG-4 - концепция изменена по отношению к MPEG-1, MPEG-2. Стратегия кодирования заключается в отказе от исходного представления изображения как единого видеоинформационного поля и опирается на его представление как совокупность видеообъектов. Они кодируются независимо в соответствии с алгоритмом соответствующим наибольшей степени сжатия данного вида объекта. Стандарт не определяет способов получения отдельных видеообъектов. При работе с реальными объектами они могут быть получены за счет сегментации, и каждому объекту ставиться модель и выбирается определенный способ кодирования.

MPEG-7 - новый стандарт. Будет поддерживать максимально широкий диапазон возможностей.

Структурная схема кодера MPEG.

В основе структурной схемы кодера(выделенной штрих-пунктирной линией) используется те же ступени что и в JPEG. Новым является дифференциальное кодирование с использованием кадровой памяти и предсказания. Обычное ДИКМ дает хорошее предсказание от кадра к кадру только на малоподвижных объектах. В MPEG используется предсказание с использованием векторов движения, которые ставят в соответствии каждому отдельному макроблоку 16*16 кодируемого кадра макроблок того же размера предыдущего опорного кадра смещенного таким образом чтобы между ними достигалась максимальная корреляция, по ним и производится ИКМ, величина определяется в блоке оценки движения. С целью устранения накопления ошибок квантования для предсказания в кодере последующего изображения используется декодированное предыдущее изображение, а не оригинал, то есть кодер содержит полный декодер. Генерируется декодированное предыдущее изображение, на основе которого и векторов движения далее производится предсказание. Предсказание вычитается из поступившего оригинала. Далее дифференциальные искажения подвергаются кодированию. После декодирования в кодере формируется дифференциальное искажение к которому должно быть добавлено предсказанное последующее. Для использования корреляции не только с предыдущими, но и с последующими кадрами, перед кодированием может производиться перестановка кадров. Существует дополнение заключающееся в управлении квантованием, для обеспечения постоянного цифрового потока. Для этого установлен буфер принимающий данные с переменным цифровым потоком и выдающим далее с постоянной скоростью. Его емкость при составляет порядка. При возникновении угрозы переполнения он влияет на коэффициент квантования, при этом степень огрубления возрастает и дальнейший поток данных уменьшается.

Структурная схема декодера MPEG.

Поступающий постоянный поток данных записывается в буфер и считывается в демультиплексор с необходимой переменной скоростью. Демультиплексор отделяет видеоданные от дополнительной информации. После декодирования производится инверсия квантования и обратное ДКП и прибавляется предсказание из предыдущего кадра с учетом переданных векторов движения. MPEG Представляет собой несимметричную схему в которой сложность кодера обусловлена наличием устройства выработки векторов движения, компенсируется относительной простотой декодера.

Оценка движения.

Оценка векторов движения производится для каждого из макроблоков(4 блока 8*8 кодирования ДКП). Использование макроблоков как основной единицы обладает тем преимуществом что один и тот же вектор применяется сигналов цвета и яркости. Алгоритм оценки движения обеспечивает поиск минимума дифференциала движения. Этот алгоритм поиска минимума сопряжен с большими вычислительными затратами, что ограничивает время поиска, а значит и качество. Для повышения эффективности предусмотрено предсказание не только из предыдущих, но и из последующих изображений – двунаправленное предсказание.

Пересортировка кадров.

Из представленной последовательности кадры могут относиться к одному из трех типов

I-тип внутрикадровое предсказание. Кадры данного типа являются опорными, так кА для их декодирования не требуется других кадров.

P-используют предсказание на основе предыдущего изображения.

B-используют двунаправленное предсказание.

Тип изображения передается в его заголовке. I-типа содержат только I макроблоки. P-типа могут содержать макроблоки P- и I-типа. B-типа содержат макроблоки всех трех типов.

Если бы предсказание применялось во всех кадрах, то было бы невозможно найти начальную точку декодирования, поэтому через определенные интервалы вводят кадры I-типа. Кроме того P-кадры предсказываются из предыдущих P- и I- кадров. Для правильного декодирования B-кадров декодер должен иметь информацию о последующих кадрах P- и I-типа, поэтому порядок кадров меняется. P- и I-кадры передаются всегда перед находящимися между ними B-кадрами, это позволяет в 2 раза уменьшить кадровую память.