10. Виды передаваемой информации: сокращение избыточности в видеосигналах.

Исходный телевизионный сигнал требует большой ёмкости памяти для его запоминания – одна секунда записи цветного сигнала стандарта CCIR требует примерно 25 Мбайт. Целью цифрового кодирования при видеозаписи является сокращение требуемой ёмкости памяти путём сокращения пространственной, временной и спектральной избыточности сигнала изображения. Устранение избыточности производится линейной фильтрацией, уменьшающей коррелированность отсчётов видеосигнала. Первый этап сокращения избыточности осуществляется в телекамере в ходе операций накопления по площади элемента разложения, времени кадра и длине волны фотонного изображения. Второй этап сокращения избыточности, также характеризующийся необратимыми потерями информации, производится в ходе аналого-цифрового преобразования. Цифровой видеосигнал может быть подвергнут как обратимой (с нулевой ошибкой восстановления), так и необратимой компрессии. В системах цифровой видеозаписи используется, как правило, необратимое сжатие цифрового потока, сопровождающееся возникновением некоторой дополнительной по отношению к содержащейся в исходном видеосигнале ошибки передачи видеоинформации. В соответствии с фундаментальным учением В. К. Зворыкина численное значение допустимой ошибки передачи изображений определяется свойствами зрения человека. Это положение можно распространить и на кодирование при записи – восстановленное изображение субъективно не должно отличаться от исходного.

В системах цифровой видеорегистрации производится так называемое кодирование с преобразованием, когда обработке подвергаются не отсчёты исходного изображения, а отсчёты его коэффициентов разложения в ряды по различным базисам. Главными операциями по сокращению избыточности являются усечение числа членов ряда, адаптивное квантование оставленных коэффициентов разложения и статистическое кодирование. Коэффициент сжатия при заданной ошибке воспроизведения зависит от выбранного базиса, который может выбираться одинаковым для всех изображений или быть адаптивным к характеристикам изображения. Например, при преобразовании Фурье, не зависящем от кодируемого сигнала, изображение представляется в виде суммы синусоидальных и косинусоидальных функций с кратными частотами. Энергия пространственного спектра большинства изображений сосредоточена в низкочастотной области, поэтому при кодировании обычно производится усечение коэффициентов ряда, соответствующих высокочастотным компонентам изображения. Определённое уменьшение ошибки воспроизведения при заданном коэффициенте сжатия может быть осуществлено путём учёта свойств типовых изображений без адаптации базиса. Например, большинство изображений характеризуется скорее чётной симметрией, чем нечётной. Это позволяет исключить из разложения Фурье синусоидальные базисные функции и перейти к дискретному косинусному преобразованию, лежащему в основе множества алгоритмов компрессии изображений.

Технология сжатия изображений на основе дискретного косинусного преобразования первоначально была разработана применительно к задаче хранения фотографических изображений в памяти компьютера. Стандарт, разработанный Объединённой группой экспертов по фотографии (Joint Photographic Experts Group) Международной организации по стандартизации (ISO) получил название JPEG [http://www.cctv-information.co.uk]. Несмотря на то, что алгоритм JPEG разработан для сжатия неподвижных изображений, он применяется и в системах цифровой видеозаписи; коэффициент сжатия этого алгоритма при пренебрежимой ошибке восстановления достигает 8. При большей степени сжатия ошибка воспроизведения становится заметной и проявляется в виде паразитных узоров, потерь деталей изображения – так называемых артефактов.

Специально для кодирования подвижных изображений Группой экспертов по вопросам кинотехники (Motion Picture Experts Group) был разработан ряд стандартов для компрессии и обработки изображения, звука и их комбинации (MPEG) [31]. В настоящее время Международной организацией по стандартизации утверждены три стандарта MPEG-1 (кодирование изображения при скорости передачи данных до 1.5 Мбит/с), MPEG-2 (обобщённое кодирование изображения и звука при скорости передачи данных от 1.5 до 50 Мбит/с), MPEG-4 (кодирование аудио-визуальных объектов). В соответствии с используемыми методами дифференциального кодирования стандарт MPEG включает в себя три типа изображений:

I (Intra-coded picture) – изображения, которые кодируются с использованием только той информации, которая содержится в нём самом, т.е. устраняется только пространственная избыточность;

P (Predictive-coded picture) – изображение, при кодировании которого формируется разность между исходным изображением и предсказанием, полученным на основе предшествующего или последующего изображения типа I;

B (Bidirectionally-predicted-coded picture) – изображение, при кодировании которого используется предсказание, сформированное на основе предшествующего или последующего изображения типа I или типа P.

Сокращение пространственной избыточности выполняется в изображениях типа I и достигается на уровне блоков размером 8 8 элементов. Набор операций такого кодирования – дискретное косинусное преобразование, взвешенное квантование и энтропийное кодирование серии коэффициентов косинусного преобразования. При кодировании типов P и B изображений используется межкадровое кодирование, устраняющее и пространственную и временную избыточность изображений. После компрессии объём изображений типа Р для типичных сюжетов составляет примерно 35% объема изображения типа I, а В-изображения – 25%.Таким образом, примерно в три раза уменьшается скорость потока данных при такой же заметности искажений компрессии.

В результате может быть достигнута степень сжатия до 100.

Стандарт MPEG-2 используется при записи видеоинформации на цифровой видеодиск (DVD) и позволяет произвести видеозапись продолжительностью 90 мин с качеством VHS на стандартный CD-ROM ёмкостью 650 Мбайт [http://www.cctv-information.co.uk]. К сожалению, у форматов сжатия MPEG имеются существенные недостатки. Во-первых, большая степень сжатия достигается только при статических изображениях, поэтому для динамических изображений на практике коэффициент сжатия не превышает 15. Во-вторых, алгоритм MPEG не применим при регистрации сигналов от нескольких камер с временным мультиплексированием, поскольку временная корреляция соседних кадров на выходе мультиплексора отсутствует. Кроме того, реализация этих алгоритмов использует операции с плавающей запятой и неизбежно сопровождается появлением ошибок округления результатов вычислений коэффициентов разложения изображения по базисным функциям