3.5. Сравнение качества аналогового и цифрового изображения

Аналоговое телевидение обладает также многими искажениями, среди кото­рых наиболее заметны:

• множественные контуры ("двоение", "троение" и т. п.);

• тянущиеся продолжения ярких объектов ("факелы");

• яркие или темные узкие горизонтальные полосы ("выпадения строк" и ис­кровые помехи);

• разнообразные наклонные, горизонтальные или вертикальные полосы, вы­званные помехами в канале связи;

• небольшие "искорки", хаотически появляющиеся по всему экрану, возни­кающие при недостаточном уровне сигнала ("снег");

• кратковременное пропадание цвета при недостаточном уровне сигнала.

Если субъективно проанализировать качество компрессированного цифрово­го и аналогового изображений, то качество цифрового изображения окажется выше для небольших степеней компрессии (для D1 скорость потока не ниже 2 Мбит/сек по состоянию развития технологий кодирования на 2009 год).

Основное принципиальное отличие искажений цифрового сигнала от анало­гового заключаются в том, что аналоговые искажения охватывают обширные области экрана, а цифровые — небольшие.

Тем не менее, у многих зрителей формируется мнение, что "цифровое каче­ство" хуже. Как показывает многолетний опыт внедрения цифровых техноло­гий, это мнение объясняется непривычным характером артефактов компрес­сии, что делает их более заметными (и поначалу — непривычными), что свя­зано с особенностями человеческого восприятия. Таким образом, зрителю необходима адаптация к цифровому изображению. Аналоговое телевидение существует очень давно, и к перечисленным дефектам аналоговой картинки зрители привыкли. При просмотре головной мозг частично маскирует эти дефекты, выделяя содержательную часть изображения, которая и восприни­мается.

С другой стороны, артефакты компрессии приводят к небольшому, но все же искажению формы, текстуры и цвета предметов, на что человек реагирует особенно остро, что дополнительно делает артефакты компрессии более за­метными.

Тем не менее, человеческий мозг быстро привыкает к этим артефактам, вы­рабатывая привычку на их отбраковку.

На практике всегда можно подобрать параметры кодера, соответствующие характеру изображения, которые позволяют свести количество артефактов до минимума.

3.6. Особенности восприятия изображения и звука

Немного забежим вперед и рассмотрим особенности восприятия человеком звука и изображения, которые используются при кодировании. В этом разде­ле будет применяться терминология, которая объясняется в последующих разделах. Рекомендую вам перечитать этот раздел еще раз после того, как вы познакомитесь с основными идеями, использующимися в кодировании.

Существуют особенности восприятия изображения и звука, которые активно применяются при кодировании с целью уменьшить количество передаваемой информации. Особенно важны эти особенности для компрессии звука. В ос­новном эти особенности касаются так называемого эффекта маскирования (masking), суть которого заключается в том, что при определенных обстоя­тельствах часть получаемой информации не воспринимается головным моз­гом — и соответственно нет необходимости передавать эту информацию от телестанции абоненту, поскольку абонент все равно ее не воспримет.

Простейший пример: после очень громкого звука, некоторое время человек чувствует себя "оглушенным" и перестает слышать. Говорят, что тихий звук "маскируется" громким. Следовательно, после громкого звука можно некото­рый короткий промежуток времени компрессировать с худшим качеством (и меньшим битрейтом).

Подобным же образом, если звук какой-то одной частоты намного громче всех остальных, то восприятие звуков других частот ухудшается. Следова­тельно, при компрессии эти "остальные" частоты можно компрессировать сильнее, с большей потерей качества. Модель восприятия, использующаяся для управления преобразованием DCT в аудиокодеках, часто называется "психоакустической моделью" восприятия.

Далее рассмотрим наиболее важные особенности восприятия изображений.

Маскирование по яркости (luminance masking) — имеет отношение к разли­чимости деталей изображения. Для того чтобы различить на сером фоне се­рый же узор, должны соблюдаться некоторые условия — этот узор должен быть или чуть темнее или чуть ярче фона примерно на 2% от яркости самого фона.

Если разница меньше — человеческий глаз не сможет отличить узор от фона. Таким образом, можно не передавать информацию об объектах, яркость ко­торых отличается от яркости фона на величину, меньшую 2% от яркости фо­на. Эту особенность восприятия необходимо учитывать при квантизации ко­эффициентов DCT. На приведенной фотографии (рис. 3.4) детали на заднем фоне неразличимы по только что рассмотренной причине.

Сходный эффект с маскировкой по яркости называется фальшивыми конту­рами.

На фотографии (рис. 3.5) фальшивые контуры показаны стрелками. Этот эф­фект возникает, когда при квантизации выбрано недостаточное количество уровней и информация о непрерывных градиентах яркости передается с ис­кажениями. При компрессии необходимо сводить фальшивые контуры к ну­лю правильным выбором уровней квантизации.

Маскирование по времени (temporal masking) — при быстрой смене изобра­жения, например, на границе сцен, часть информации новой сцены не вос­принимается человеком. Зритель как бы кратковременно "привыкает" к но­вому изображению. Например, если в одном плане демонстрировалась дина­мичная сцена, а потом произошло переключение на спокойную сцену, то небольшая часть начала спокойной сцены будет проигнорирована головным мозгом. В течение этого короткого периода "адаптации" изображение может быть компрессировано чуть сильнее (с соответствующей потерей качества). Конечно, это не даст сэкономить много, но все же...

Маскирование по детализации (frequency masking) — в области изображения, где содержится большое количество мелких деталей, внимание зрителя ос­лабляется. Таким образом, зритель не видит каждую мелкую деталь по от­дельности, а видит их "совокупно". Пример — рябь на воде. В области же, где деталей мало, каждый мелкий элемент имеет свое значение. Таким обра­зом, области, где деталей больше, можно компрессировать чуть сильнее, чем области, в которых деталей меньше.

Рис. 3.4. Исходное изображение Рис. 3.5. Фальшивые контуры

(показаны стрелками)

Однако наиболее важное свойство человеческого глаза — это пониженная четкость цветового восприятия. Именно поэтому качество цветовой состав­ляющей изображения может быть в 4 раза снижено по сравнению с яркостной составляющей. Мы говорили об этом подробно в главе 1 "Сигналы и интер­фейсы", когда обсуждали форматы 4:4:4 и 4:2:2. Вследствие этого свойства восприятия, количество пикселов цветовой составляющей может быть уменьшено в 2 раза по сравнению с яркостной составляющей и человек при этом ничего не заметит. Очевидно, это дает хорошую выгоду при компрессии изображения.