3.3 Компресія відеоданих

ТБ сигнал, як відомо, надлишковий, що обумовлено значною надмірністю изобра-жений, типових для ТБ мовлення. Зображення сусідніх кадрів в телебаченні зазвичай дуже схожі один на одного, навіть при показі об'єктів, що рухаються. Переходи від сюжету до сюжету зустрічаються рідко. Міжкадрового різниця на значній частині площі зображення звичайні-но близька до нуля. Знаючи розподіл яскравості в одному кадрі, можна з високим ступенем впевненості передбачити розподіл яскравості наступного кадру. Таким чином, в телебаченні розрізняють статистичну надмірність, надмірність по сприйняттю, структурну і спік-центральну надмірність. По теорії ймовірностей надмірність є наслідком певних кореляційних зв'язків. Кореляція означає, що деякий елемент зображення більш-менш істотно залежить від сусідів у просторі і в часі. Під статистич-ської надмірністю розуміють кореляційні зв'язки між сусідніми (по вертикалі і гори-зонталі) отсчетами ТВ сигналу. Надмірність за сприйняттям пов'язана з особливостями зору людини. Наприклад, колірне дозвіл нашого зору нижче яркостного. Ця особливість врахована у всіх стандартних аналогових системах колірного кодування.

Враховуючи цю особливість нашого зору по сприйняттю дрібних деталей кольорового ізо-бражения, можна в кілька разів скоротити смугу частот при передачі і кодуванні сигналів кольоровості.

Спектральна надмірність проявляється як результат надлишку високої частоти Дискр-тизації. Зокрема, прийнята ортогональна структура дискретизації ТБ зображення в об-щем випадку не є оптимальною в частотному просторі. Можна скоротити передавав-мий цифровий потік, якщо перетворити використовувану структуру дискретизації в іншу, яка характеризується меншим числом відліків в кадрі, наприклад, від формату 4:2:2 пе-Рейті до формату 4:2:0 або 4:2:1. Отже, в MPEG-2 застосовані відомі, давно апробований-ні методи скорочення надмірності. Разом з ними використані і нові підходи. У осо-сті це відноситься до сукупності узгоджених алгоритмів скорочення статистичної надмірності. Тут особливо ефективними виявилися два методи: кодування ТБ відліків з пророкуванням і ДКП.

Кодування з пророкуванням реалізується за допомогою диференціальної імпульсно-кодової модуляції (ДИКМ). При кодуванні з пророкуванням обчислюється різниця між істинним і передвіщеним значенням відліку. Потім різниця квантуется за рівнем. Від точності передбачення залежить середнє число біт, необхідних для передачі різницевої інформа-ції.

Стандарт MPEG-2 фактично не регламентує методи стиснення відеосигналу, а тільки оп-ределяет структуру бітового потоку кодованого відеосигналу. Тому конкретно викорис-вуються алгоритми залежать від власних розробок фірм-виробників обладнання. Процес стиснення цифрового відеосигналу може бути розбитий на ряд послідовних опера-цій: перетворення аналогового сигналу в цифрову форму, попередня обробка сиг-налу, ДКП (скорочує надмірність і високочастотну інформацію в межах кадру. Це дозволяє одержати високу якість кодованих зображень з стисненням), квантування , кодування (малюнок 6)

Рисунок 6 – Функциональная схема устройства кодирования с информационным сжатием по

стандарту MPEG-2

Базовим об'єктом кодування в стандарті MPEG-2 Базовим об'єктом кодування в стандарті MPEG-2 є кадр ТВ зображення. При цьому очевидно, що для ТБ сигналів, в яких змішані різні сюжети з різними типами рухів «від нічого до багато» просте передбачення, в принципі, не забезпечить високу ефек-тивність. З цієї причини в стандарті MPEG-2 використовуються три види пророкувань: Внутрікадровий і міжкадрове пророкування вперед з компенсацією руху, міжкадрове двонаправлене пророкування також з компенсацією руху.

Формат відеоінформації в стандарті MPEG-2 містить три типи кадрів (I, P, B).

Так звані I-кадри (алгоритм внутрікадрового стиснення) обробляються тільки із застосуванням внутрікад-рового передбачення. Вони кодуються незалежно від інших кадрів, так як обробляються з використанням власної інформації, тобто за принципом випадкового доступу до стисненим ві-деоданним. Вони застосовують кодове перетворення блоків елементів зображення і забез-чивают помірне стиск. Це перший етап стиснення відеоданих. Зате при відновленні ТБ зображення по I-кадрів воно найменше деградує і залежить від помилок кодування і пе-редачі відеоданих по каналу зв'язку. I-кадри служать опорними при міжкадрового предсказа-ванні P і B кадрів.

Р-кадри (передвіщених кадрів), тобто кадри з пророкуванням, з компенсацією руху. Коді-вання здійснюється з урахуванням найближчих попередніх I або P-кадрів. Цей спосіб називається з пророкуванням вперед, так як використовується «різницева» схема стиснення, при кото-рій зберігаються тільки відмінності від попереднього кадру. У P-кадрах, якщо порівнювати їх з I-кадрами, в три рази вище досяжна ступінь стиснення відеоданих.

Обробка відеоданих в Р-кадрі виконується за макроблок. Це квадратні матриці 16  16 (відліків  рядків). Такий макроблок обробляється з використанням алгоритмів компенсації руху і пророкування вперед, поки в блоці чи не з'явиться новий об'єкт. З цього моменту процес кодування перемикається на алгоритми, використовувані в I-кадрах, тобто на Внутрікадровий пророкування. Р-кадри є опорними для наступних P або B-кадрів. Зазначимо, що необхідна висока точність відновлення вихідного зображення при декодуванні опорних Р-кадрів. Справа в тому, що помилки опорного кадру розподіляються по всіх кадрів, пов'язаних з опорним.

B-кадри (двонаправлені кадри), тобто кадри з двонаправленим передбаченням, з кім-пенсаціі руху. Для формування B-кадрів також використовується «різницева» схема стиснення аналогічно Р-кадрам, однак, в якості «базових» кадрів використовуються обидва сусідніх кадру: попередній і наступний. Цей спосіб називається двонапрямленим пророкуванням.

Алгоритми кодування B-кадрів залежать від характеру ТБ зображення. Передбачено чотири способи кодування. В одному застосовується компенсація руху і пророкування вперед по найближчих попереднім опорним I або Р-кадрам, в іншому - компенсація руху і зворотне пророкування по найближчим наступним I або Р-кадрам. Зворотне пророкування використовується в тих випадках, коли в кодованої B-кадрі з'являються нові об'єкти зображення. Третій алгоритм - компенсація руху і двонаправлене пророкування, при якому опорними є попередній чи наступний I або Р-кадри. І, нарешті, це Внутрікадровий пророкування без компенсації руху. Таке кодування потрібно при різкій зміні переданих сюжетів, а також при великих швидкостях переміщення об'єктів ТБ зображення. З B-кадрами пов'язане найбільш глибоке стиснення відеоданих. Оскільки висока ступінь стиснення знижує точність відновлення вихідного ТВ зображення. B-кадри не використовуються в якості опорних. Помилки при їх декодуванні НЕ розподіляються по іншим кадрам.

Очевидно, що точність кодування повинна бути максимальною для I-кадрів, нижче для Р-кадрів і мінімальної для B-кадрів.

У стандарті MPEG-2 порядок запису інформації про ТБ кадрах не співпадає з порядком кодування і декодування. Так, для декодування поточного B-кадру потрібно обробити наступний кадр, тому необхідно мати додатковий буферний блок пам'яті в деко-дірующем пристрої для зберігання інформації про чергове кадрі. Розглянуте ускладнений-ня декодуючого пристрої компенсується поліпшенням суб'єктивного якості відтворюваного зображення за рахунок B-кадрів на 20%.