2. СтандартыMpeg-·1иMpeg-2

СтандартысжатиядвижущихсяизображенийMPEG(MotionPictureExpertsGroup)разрабатываютсяипринимаютсяимеющейтакоеженазваниегруппойэкспертовприМеждународнойорганизациистандартизацииISO.СтандартMPEG-1,используемыйвосновномпризаписивидеопрограммнакомпакт­диски,былокончательноутвержденв1993г.[13-15],астандартMPEG-2,пред­назначенныйвпервуюочередьдлятелевизионноговещания,былпринятвноябре1994г.[16-18].

СтандартыMPEG-1иMPEG-2имеютмногообщего,номеждунимиестьиразличия.ВданномразделевосновномизлагаетсясодержаниестандартаMPEG-2,иуказываютсяегоотличияотMPEG-1.

4.3.1.Кодированиеидекодированиедвижущихсяизображений

Методкодированиядвижущихсяизображений,используемыйвстандартахMPEG-1иMPEG-2,называетсягибридным,таккаквнемсочетаютсявнутри­кадровое(intraframe)кодирование,направленноенауменьшениевосновномпространственнойизбыточностивотдельныхкадрах,имежкадровое(inter­frame)кодирование,спомощьюкоторогоуменьшаетсяизбыточность,обуслов­леннаямежкадровойкорреляцией.Использованиемежкадровогокодированияпозволяетполучитьсущественнобольшуюстепеньсжатиядвижущегосяизо­uражения,чемnрираздельномсжатииотдельныхкадровпометодуJPEG.

Внутрикадровоекодированиесодержитоперации,вомногоманалогичныеис­пользуемымвметодеJPEG,т.е.поблочноедискретноекосинусноепреобразо­вание,квантованиеикодированиеспеременнойдлинойкодовыхслов.Межкад­ровоекодированиесодержитоперацииоценкиикомпенсациидвиженияикоди­рованияспредсказанием.Сущностьэтихоперацийбудетизложенаниже.

Целыекадрыифрагментыкадровмогуткодироватьсясприменениемсо­

вместномежкадровогоивнутрикадровогометодов(длякраткостиэтотслучайдалееназываетсяпростомежкадровымкодированием)илитолькоспримене­ниемвнутрикадровогокодирования.

Группыизображений

Изображением(picture)встандартахMPEG-1,2можетбытькакцелыйкадр,такиодноизполейкадра.Далеедляупрощенияизложениятермин«кадр»ис­пользуетсявместотерминассизображение»вездезаисключениемподраздела,вкоторомспециальноговоритсяокадровомиполевомрежимахкодирования.

Последовательностькадровделитсянагруппы,называемыеGOP(groupofpictire).Вгруппеестькадрытрехтипов:

• /-кадры(iпtraframe-внутрикадровые),которыепередаютсятолькосвнут­

рикадровымкодированиемиявляютсяопорнымидлядекодированияосталь­ныхкадровгруппы,обеспечиваявозможностьначаладекодированияивоспро­изведенияпринятогоТВ-сигналапрактическивлюбоймоментвремени;

• Р-кадры(Predictive-предсказанные),припередачекоторыхиспользуетсямежкадровоекодированиепутемпредсказанияскомпенсациейдвиженияпоближайшемупредшествующему1-кадруилиР-кадру(какбудетпоясненодалее,некоторыефрагментыР-кадрамогуткодироватьсябезпредсказанияспомо­щьювнутрикадровогокодирования);

• В-кадры(Bidirectional-двунаправленные),которыепередаютсясмежкад­

ровымкодированиемпутемпредсказанияскомпенсациейдвиженияпобли­жайшимкнимкакспереди,такисзади/-кадрамиР-кадрам,асаминемогутиспользоватьсядляпредсказаниядругихкадров(некоторыефрагментыВ-кадрамогуткодироватьсявнутрикадровымметодом).

Рассмотримпримерпоследовательностикадров.

2 3 4

в в ^р

5 6 7

в в ^р

8 9 1о11

_{в в} р в

121314151617181920

в р в в в в р в

Здеськадрыс1по15образуютгруппукадров.Количествокадроввгруппеможетбытьидругим,ноонавсегданачинаетсяс/-кадра.Р-кадр4предсказы­ваетсяпо/-кадру1,Р-кадр7-поР-кадру4,Р-кадр1О-поР-кадру7ит.д.

/-кадр16передаетсясвнутрикадровымкодированиемнезависимоотвсехпредшествующихемукадров.В-кадры2иЗпредсказываютсяпо/-кадру1ипоР-кадру4,В-кадры5и6-поР-кадрам4и7ит.д.В-кадры14и15предсказы­ваютсяпо/-кадру16ипоР-кадру1З.Передкодированиемпорядокследованиякадровизменяется,таккаккаждыйВ-кадрдолженидтипослеобоихкадров.покоторымонпредсказывается.ДляперестановкикадровнеобходимоЗУсобъ­емомминимумна4несжатыхкадра.

4 2 3 ⁷

р _{в в} р

5 6 10 8

в в ^р в

9 1311

_в р в

1216141519171822

в 1 ввр ввр

Втакомпорядкекадрыкодируютсяипередаются,авпроцесседекодирова­ниявосстанавливаетсяисходныйпорядоккадров,длячеготожетребуетсяЗУнанесколькокадров.

Макроблаки

Макроблакомназываетсяквадратныйфрагментизображенияразмером16х16элементов(пикселов).Макроблаксодержитинформациюкакояркости(У),такиоцветности(Св,CR).Вслучаеиспользованияформатадискретизации4:2:0каждыймакроблаксодержит4блока8х8элементовсигналаяркостиУипоодномублоку8х8элементовцветаразностныхсигналовCRиСв.Приис­пользованииформата4:2:2каждыймакроблаксодержитподваблокаCRиСв,априиспользованииформата4:4:4-почетыреблокаCRиСв.

Группаследующихдругзадругоммакроблаковназываетсяспайсом(slice­доля,часть,квант).Количествомакроблаковвслайсеможетбытьпроизволь­ным.Слайсывизображениинедолжныперекрываться,ноихположениеможетизменятьсяотодногоизображениякдругому.Впределахслайсасохраняютсяпостоянныепараметрысжатия.Крометого,заголовкисnайсовобеспечиваютвосстановлениеправильногодекодированияпослесбоя.

Прогрессивнаяичересстрочнаяразвертки

Прикодированиителевизионногоизображения,передаваемогоспрогрес­сивнойразверткой,каждыйкадрсостоитизодногополяиразбиваетсянамак­роблоки.

Вслучаечересстрочнойразверткикаждыйкадрсостоитиздвухполей.Пер­воеполесодержитнечетныестрокикадра,автороеполе-четныестроки.Приэтомвозможныдвавариантакодированиякадра,выбородногоизкоторыхдляданногокадраосуществляетсянаосновеоценкидвижениявнем.

Вслучаекадровогокодирования(frame)кодируемымизображениемявля­етсяполныйкадр,которыйцеликомхранитсявЗУкодера,вследствиечегодлякодированияодновременнодоступныкакчетные,такинечетныестроки.Блокиэлементовсигналаяркостииблокиэлементовцветаразностныхсигналовдляформатов4:2:2и4:4:4выделяютсяизмакроблока,какэтопоказанонарис.4.6,а,гдезаштрихованнымипоказанынечетныестроки,анезаштрихованными

-четные.Вслучаеформата4:2:0вблокицветаразностныхсигналоввходят

элементыизкаждойвторойстроки.Кадровоекодированиевыбираетсявслу­чаях,когдаизменениявовторомполекадраотносительнопервогополятогожекадранезначительные.

Вслучаеполевогокодирования(f1eld)кодируемымизображениемявляетсякаждоеполе.Первоеполекадраможетиспользоватьсядляпредсказаниямак­роблаковвторогополятогожекадра.Приэтомвкаждыйблокэлементовсиг­налаяркостиилиэлементовцветаразностныхсигналовдляформатов4:2:2и4:4:4входятэлементыизодногополя,какэтопоказанонарис.4.6,6Блокиэлементовцветаразностныхсигналовдляформата4:2:0образуютсятакже,

-

¹ _...

--

1 _-

¹ --+

..

1 -------.

1 -------.

----^----.

-

¹ _-----.

1

¹ -------.

а)

Рис.4.6.Формированиеблоковпричересстрочнойразверткевслучаяхкадрового(а)иполевого{б)режимов

Сжатиетелевизионныхсигналов

Какужеуказывалось,приописанииработыкодераидекодераговоритсяокадровомкодировании,носледуетпомнить,чтосуществуетиполевоекодиро­вание.

Кодервидеоинформации

ВстандартахMPEGнеописанопостроениекодера,алишьопределенсин­таксиспотокаданныхнаеговыходе.Структурнаясхемакодеравидеоинфор­мации(рис.4.7)отображаетосновныеоперации,выполняемыеприкодирова­ниииобеспечивающиеполучениевыходногопотокаданныхстребуемымипа­раметрами.

Насхемеобозначены:ДКП-блокпрямогодискретногокосинусногаnреоб­разования;дкп-^1-блокобратногодискретногокосинусногапреобразования:

Кв-квантователь;кв-¹

• деквантователь,т.е.блок,выполняющийобратную

квантованиюоперацию;ЗУ-запоминающееустройство:Пред-блок,выnол­няющийформированиепредсказанногокадра:ОД-блокоценкидвиженияиформированиявекторовдвижения:КПДС-блок,вкоторомвыполняетсякоди­рованиеспеременнойдлинойкодовогослова;Мп·-мультиплексор;БЗУ-бу­ферноезапоминающееустройство;УКС-блокуnравлениякоэффициентомсжатияизображения.Крометого,насхемепоказанысумматор,вычитающееустройствоипереключатель.Работавсехблоковсинхронизируетсяобщейтак­товойчастотой27МГц.

Вход

Рис.4.7.СтруктурнаясхемавидеокодераMPEG-2

Выход

Вкодеререализуютсядварежимакодирования:внутрикадровоекодирова­ние(переключательвположении1)имежкадровоекодированиеспредсказа­ниемикомпенсациейдвижения(переключательвположении2).

Всемакроблаки/-кадровкодируютсяврежимевнутрикадровогокодирова­

ния.МетодвосновноманалогиченJPEG:разложениенаблоки8х8пикселов,поблочноеДКП,квантованиеполученныхкоэффициентов,считываниевзигза­гообразномпорядке,кодированиеспеременнойдлинойкодовыхслов.

Квантованиевыполняетсявсоответствииссоотношением

Cq(k,l)=Round(C(k,/))

fQ(k,/)

(4.2)

гдеиспользованытежеобозначения,чтоив(4.1),аf-масштабныйкоэффи­циент.Приквантованиииспользуютсятаблицы,аналогичныетабл.4.1итабл.4.2.Вслучаеиспользованиянестандартныхтаблицкоэффициентовкван­тованияонивключаютсявобщийвыходнойпотокданных.Степеньсжатияре­гулируетсямасштабнымкоэффициентом,принимающимзначенияот1доЗ1.Этоткоэффициентможетменятьсявпроцессепередачи.Дляпостоянныхсо­ставляющихCq(O,O)коэффициентквантованияравен8инезависитотмас­штабногокоэффициента.

Кодированиеспеременнойдлинойкодовыхсловосуществляетсяспомо­щьютаблицкодов,заданныхвстандарте.КакивJPEG,коэфициентыДКП,со­ответствующиепостояннымсоставляющим,кодируютсясиспользованиемnредсказанияпотакимжекоэфициенiампредыдущихблоков,идлянихпред­назначеныотдельныетаблицыкодовспеременнойдлинойкодовыхслов.От­дельныетаблицыкодированияпредусмотреныдляразличныхвидовслужеб­нойинформации.

МакроблакиР-кадровмогуткодироватьсякаквнутрикадровымметодом,такимежкадровым,основаннымнапредсказанииикомпенсациидвижения.Примежкадровомкодированиипередаютсякодированныеошибкипредсказания.Изображение,покоторомувыполняетсяпредсказание,формируетсяизкоди­рованных,азатемдекодированныхданныхпредыдущего/-илиР-кадра.Вде­квантователеданныеумножаютсянакоэффициентыквантования,затемвы­полняетсяобратноеДКПтакже,какЭтоделаетсявдекодереприемнойчастисистемы,послечегодекодированноеизображениезаписываетсявЗУ.Такимобразом,дляпредсказанияиспользуютсяизображения,содержащиеошибки,внесенныеквантователем.Этиошибкипопадаютвпредсказанныеизображе­ния,априформированииразностиистинногоипредсказанногоизображенийсновапопадаютвкодер,ноужеспротивоположнымзнаком.Врезультатепо­лучаетсяотрицательнаяобратнаясвязь,котораяпозволяетизбежатьнакопле­нияошибокквантования.Дляреализациивсехвозможныхвариантовпредска­занияЗУдолжносодержатьнесколько(какминимум4)предыдущихкадров.

Приформированиипредсказанногомакроблакаиспользуетсяоценкаиком­пенсациядвиженияметодомсоответствияблоков(BiockMatching).Оценкадвиженияосуществляетсяпутемсравнениякодируемогоизображения(кадраилиполя),поступающегонавходкодера,сранеепереданнымизображением,находящимсявЗУииспользуемымдляпредсказания(опорнымизображени­ем).Этапроцедурапоясняетсярис.4.8,а.Длякаждогомакроблакакодируемогоизображенияотыскиваетсясоответствующаяему,т.е.наиболеепохожаянанегообластьА1размером16х16элементоввопорномизображении.

Приэтомпоследовательноперебираютсявекторыдвижения(иливекторысмещения)(n,1!!1т),где1!!1n,1!!1т-приращениякоординатпогоризонталииповертикали,принимающиезначениявнекоторыхзаданныхинтервалах.Дляка­ждоговекторадвиженияберетсяобласть16х16пикселоввопорномизображе­нии,смещеннаянаэтотвекторотносительноанализируемогомакроблакако­дируемогоизображения,ирассчитываетсясуммаS(!!in,1!!1m)абсолютныхзна-