Сжатие цифрового телевизионного сигнала

Возможность значительного уменьшения объема видеосигнала основана на наличии в нем значительной избыточности.

В видеоизображении присутствуют следующие виды избыточности:

Пространственная избыточность. Она состоит в том, что значения

соседних пикселей внутри кадра изображения очень похожи друг на друга

(коррелированны между собой). Другими словами – яркости и цвета соседних точек на изображении близки друг к другу. (Внутрикадровая избыточность).

Временная избыточность. Этот вид избыточности состоит в сильной похожести и предсказуемости соседних кадров видеоизображения. (Межкадровая избыточность).

Энтропийная (вероятностная) избыточность. Состоит в существенной неодинаковости частот встречаемости разных яркостей и цветов на изображении.

Психовизуальная избыточность, состоящая в том, что глаз имеет различную чувствительность к изменениям яркости и цветов, а также,

различную чувствительность к крупным и мелким деталям изображения.

Процесс экономного кодирования, или сжатия видеоизображения состоит в существенном сокращении этой избыточности.

Основные идеи, с использованием которых можно сократить различные виды

избыточности в видеоизображении были известны достаточно давно, как только появилось аналоговое телевидение. Однако серьезные практические шаги были

сделаны только тогда, когда разработчики вплотную подступились к реализации

принципов цифрового телевидения и столкнулись с огромными потоками передаваемых при этом данных.

В 1988 году для разработки методов сжатия и восстановления цифрового видеосигнала была организована специальная группа экспертов – Motion Pictures Expert Group (MPEG). Результатом исследований этой группы явилось создание международных стандартов для сжатия цифрового телевизионного сигнала, также

получивших название MPEG.

Краткий обзор стандартов сжатия видео

В сентябре 1990 был представлен предварительный стандарт кодирования MPEG-1

со скоростью кодирования 1 - 3 Мбит/сек. В январе 1992 работа над MPEG-1 была

завершена, и начата работа над MPEG-2, в задачу которого входило описание потока данных со скоростью от 3 до 10 Мбит/сек. Практически в то же время была начата работа над MPEG-3, который был предназначен для описания потоков 20 - 40

Мбит/сек. Однако вскоре выяснилось, что алгоритмические решения для MPEG-2 и MPEG-3 принципиально близки, и можно безболезненно расширить рамки MPEG-2

до потоков в 40 Мбит/сек. В результате работа над MPEG-3 была прекращена. MPEG-2 был окончательно доработан к 1995 году.

MPEG-4 изначально был задуман как стандарт для работы со сверхнизкими

потоками. Однако в процессе довольно долгой подготовки стандарт претерпел совершенно революционные изменения и сейчас собственно сжатие с низким потоком входит в него как одна составная часть, причем достаточно небольшая. Cам формат сегодня включает в себя такие вещи, как синтез речи и изображений,

описания параметров визуализации лица и т.д..

Форматы MPEG-5 и MPEG-6 в ходе разработки показали свою невысокую эффективность, и работа над ними была остановлена. Информация по их содержанию практически отсутствует.

Разработка MPEG-7 была начата в 1996. Собственно к алгоритмам сжатия видео

этот стандарт имеет еще меньшее отношение, чем MPEG-4, поскольку его основная задача заключается в описании содержания потока и управлении им. Описание

MPEG-7 выходит за рамки нашего рассмотрения.

Параллельно все это время существовали форматы Motion-JPEG и недавно появившийся Motion-JPEG2000, предназначенные в основном для сжатия бытового видео.

Рассмотрим основные стандарты и лежащие в их основе алгоритмы более подробно.