5.19.3. Отличия mpeg-1 и mpeg-2 [8]

Стандарт MPEG-2 является развитием и расширением стандарта MPEG-1. Поток видеоданных MPEG-2 содержит составляющие, которых нет в MPEG-1. По-видимому, наиболее важным отличием двух стандартов является наличие в MPEG-2 масштабируемости и всех связанных с ней особенностей.

В стандарте MPEG-1 нет принципиальных ограничений на размеры кодируемых изображений и на использование чересстрочной развертки по сравнению с MPEG-2. Тем не менее, MPEG-1 предназначен для сжатия движущихся изображений с прогрессивной разверткой, частотой кадров до 30 Гц, количеством строк до 576 и количеством элементов в строке до 720. При этом получается поток данных со скоростью передачи данных символов до 1856000 бит/с.

Далее, MPEG-1 допускает кодирование телевизионных сигналов с чересстрочной разверткой только в кадровом режиме, а в MPEG-2 имеется полевой режим, более эффективный при наличии существенных изменений изображения от первого поля кадра ко второму.

В этом режиме два поля кадра кодируются независимо. Например, I-кадр может кодироваться как два I-поля или как I-поле и P-поле. Эти возможности придают дополнительную гибкость кодированию, что позволяет достичь боле высокой эффективности сжатия.

На практике MPEG-1 обычно используется для сжатия движущихся изображений размером 360×240 элементов с прогрессивной разверткой (формат SIF). Такое сжатие позволяет записывать видеопрограммы с некоторой потерей четкости на компакт-диски и воспроизводить их на ПК, выполняя декодирование в реальном времени чисто программными средствами. В то же время MPEG-2 является основой быстро развивающихся и распространяющихся систем цифрового телевизионного вещания, а также применяется для записи кинофильмов и другой видеоинформации на диски стандарта DVD, обеспечивающие высокое качество изображения и звука.

Группа MPEG начинала работу над стандартом MPEG-3, определяющим методы сжатия для телевидения высокой четкости (ТВЧ). Однако в процессе работ над стандартом MPEG-2 в него были включены уровни, соответствующие ТВЧ, поэтому необходимость в стандарте MPEG-3 отпала.

5.20. Искажения изображения при сжатии по стандартам mpeg. Достижимые степени сжатия [8]

Далее приведен перечень характерных искажений изображений, возникающих в результате кодирования по стандартам MPEG-1 или MPEG-2 при достаточно больших степенях сжатия. Искажения при внутрикадровом кодировании легко можно посмотреть на персональном компьютере, например, с помощью популярной программы Adobe Photoshop.

Искажения, создаваемые внутрикадровым кодированием:

1. Заметность границ блоков (блокинг - эффект). Так как соседние блоки кодируются и декодируются независимо друг от друга, то при больших степенях сжатия после квантования и деквантования в них могут получаться заметно различающиеся коэффициенты ДКП, соответствующие постоянным и низкочастотным составляющим. В результате изображения в соседних блоках могут сильно отличаться друг от друга по яркости, цвету, характеру деталей и текстуры.

2. Размытие изображения (“замыливание”). Наблюдается при большом коэффициенте сжатия изображения. Обусловлено ограничением либо полным занулением коэффициентов ДКП, соответствующих высоким пространственным частотам, в результате чего мелкие детали изображения становятся размытыми или полностью пропадают.

3. Появление окантовок на резких переходах яркости изображения. Этот эффект обусловлен значительными искажениями либо полным подавлением высокочастотных составляющих пространственного спектра.

4. Размытие цветов. Имеет ту же причину, что и эффект окантовки на границах, но проявляется на участках изображения с резкими скачками в сигнале яркости.

5. Эффект ступенек. Возникает как результат неправильного восстановления или передачи краев изображений внутри блока. Эффект проявляется, как правило, при восстановлении изображения в увеличенном масштабе.

Искажения, создаваемые межкадровым кодированием.

1. Ложные границы. Наблюдаются при компенсации движения. Этот эффект является прямым следствием межкадрового кодирования видеосигнала.

2. Эффект “комаров”. Проявляется как флуктуация яркости или цветности в блоке на границе между движущимся объектом и фоном. Эффект возникает вследствие изменения параметров квантования разности действительного и предсказанного изображений от кадра к кадру.

3. Зернистый шум в стационарной области. Проявляется как медленно движущиеся мерцающие шумы низкой интенсивности в областях, в которых имеется лишь малое движение либо движение отсутствует полностью.

4. Появление неправильных цветов в макроблоке по отношению к его исходным цветам и к цветам окружающей области.

5. Появление следов за движущимися объектами, которые могут сохраняться сравнительно долго.

Какие же степени сжатия реально достижимы при использовании MPEG-2? В соответствии с Рекомендацией 601 при дискретизации 4:2:2 получается скорость передачи двоичных символов 216 Мбит/с. При переходе к формату 4:2:0, который используется для телевизионного вещания “Main Profile @ Main Level”, скорость передачи двоичных символов сокращается до величины 162 Мбит/с, относительно которой и будем определять степень сжатия.

В технических журналах отмечалось, что на практике для получения студийного качества принятого изображения можно сжимать видеоинформацию до скорости передачи 9 Мбит/с, т.е. в 18 раз. Для получения качества изображения, сравнимого с обычным изображением по системе PAL, - до 4…5Мбит/с, т.е. в 30…40 раз. Качество изображения, сопоставимое с получаемым при воспроизведении видеозаписей стандарта VHS, достигается при сжатии до уровня около 1,5 Мбит/с, т.е. более чем в 100 раз.