5.19.1. Структурная схема видеокодера mpeg-2
Рассмотрим работу структурной схемы видеокодера MPEG-2 (рис. 5.49).
Цифровой видеосигнал импульсно-кодовой модуляции ИКМ поступает на вход блока предварительной обработки БПО, с выхода которого сигнал разделяется по трем каналам: по первому (верхнему) сигнал I через электронный ключ K поступает на ДКП, по второму – на устройство вычитания и по третьему (нижнему) на определитель движения ОД.
БПО производит:
1. Удаление избыточной информации.
Если фон состоит из множества идентичных пикселей (символов), то достаточно передать один символ с сообщением как часто он повторяется.
2. Преобразование разверток.
3. Преобразование формата цветности 4:4:4 в формат 4:2:2 (горизонтальная передискретизация) или в 4:2:0 (горизонтальная и вертикальная передискретизация).
4. Изображение разбивается на ряд макроблоков, каждый из которых состоит из 6 блоков 8×8 пикселей: 4 блока образуют матрицу 16×16 и несут информацию о яркости, по одному – определяет ЦРС CB и CR, которые соответствуют области изображения – матрице 16×16 пикселей.
4
:2:0
– макроблок: матрицы CB
и CR
в 2 раза меньше (по горизонтали и
вертикали), чем матрица Y.
Рис.5.49. Структурная схема видеокодера MPEG-2
Рис.5.50. Сопряжение блоков при компенсации движения
А. Квантование коэффициентов дкп
В кодере реализуются два режима кодирования: внутрикадровое и межкадровое с предсказанием и компенсацией движения.
Все макроблоки I-полей кодируются в режиме внутриполевого кодирования.
В квантователе KB происходит кодирование коэффициентов ДКП в соответствии с формулой [5.8]:
,
(5.8)
где
- коэффициенты квантования, задаваемые
в виде таблицы из 8×8 целых чисел (таблица
5.3, Q);
ρ - параметр, определяющий степень сжатия изображения;
-
операция округления до ближайшего
целого значения;
-
полученные в результате данной операции
квантованные коэффициенты ДКП, которые
могут быть как положительными, так и
отрицательными.
В результате выполнения операций деления и округления многие коэффициенты ДКП становятся равными нулю. Именно квантование создает возможность уменьшения числа двоичных символов, необходимых для представления информации о коэффициентах ДКП, то есть сжатия изображения. В то же время именно квантование является источником необратимых потерь информации при сжатии. Выбор конкретной таблицы квантования Q предоставляется на усмотрение пользователя.
Разностный сигнал и сигнал опорного кадра после ДКП квантуются по разным алгоритмам. Если для опорного кадра используется рассмотренная в п. 5.14 матрица квантования (таблица 5.3) для внутрикадрового кодирования, то для разностного сигнала применится другая, более однородная матрица. Это объясняется тем, что разностный сигнал в основном несет информацию о небольших изменениях в отдельных фрагментах изображения (в процессе их перемещения). И высокие частоты (коэффициенты ДКП правого нижнего угла), ответственные за детализацию изображения столь же важны, как и низкие. Конкретный вид матрицы в зависимости от сюжета может меняться, но по умолчанию используется однородная матрица квантования с постоянным значением 16 для всех частот, включая нулевую [9].
Подытоживая сказанное, подчеркнем, что каждый коэффициент ДКП содержит информацию не об одном элементе изображения, а о всех 64 элементах. Количество передаваемой информации при помощи ДКП уменьшается путем более грубого квантования части передаваемых коэффициентов Cq(m,n) (таблица 5.3), в результате которого уменьшается число двоичных разрядов, а многие из коэффициентов становятся равными “0”. Отбрасываемая информация “0” оказывается несущественной для зрительного восприятия и почти не снижают визуального качества изображения. Здесь НЧ-составляющие (коэффициенты Cq(0,0)) квантуются на максимальное число уровней, а ВЧ составляющие предаются с меньшей точностью – на меньшее число уровней.
Т.о., коэффициенты, расположенные в левом верхнем углу, квантуются на максимальное число уровней (128, 256). Остальные коэффициенты передаются с меньшей точностью, а их значения квантуются на меньшее число уровней.