2 ДЗ Вариант 2

Бронников Д. Д.

Группа 0182

Вариант 2

1. С какой целью при кодировании по стандарту MPEG выполняется дискретное косинусное преобразование (ДКП)?

ДКП применяется для ликвидации пространственной избыточности.

ДКП позволяет сократить объем памяти, необходимый для видео в разы (и, соответственно, увеличить скорость передачи) без ухудшения качества (для восприятия зрительным органом), т.к. оно является переходом в частотную область, в которой можно позволить себе больше (и в плане сжатия) операций над сигналом.

Иллюстрация ДКП в блоке 8x8 показана на рисунке ниже. Происходит значительное изменение содержания блока коэффициентов ДКП по отношению к блоку преобразуемого изображения.

2. Опишите механизмы возникновения смаза в фотоэлектрических преобразователях на ПЗС и методы борьбы с ним.

С маз возникает в матричных ПЗС (рисунок справа – ПЗС с кадровым переносом). Во время вывода (смещения вниз построчно, а затем посимвольный вывод каждой строки) зарядовые пакеты пребывают в позициях, соответствующих другим строкам. Продолжение освещения приводит к тому, что в зарядовые пакеты добавляются электроны. Это вызывает вертикальный смаз изображения, особенно сильно проявляющийся на верхней строчке, которая проходит все элементы.

Методы борьбы:

1. Клиппирование (перекрытие) светового потока на время перемещения зарядовых пакетов при выводе.

2. Сокращение времени пребывания зарядовых пакетов в несвойственных им позициях (Матричный ПЗС с кадровым переносом и секцией хранения).

В МПЗС добавляется защищенная от света секция памяти, имеющая столько же элементов хранения, сколько имеется светочувствительных элементов (рисунок справа). Зарядовые пакеты переносятся из светочувствительной секции в секцию памяти с максимальной скоростью, допускаемой вертикальными регистрами. После накопления кадра зарядовые пакеты переносятся в секцию памяти и уже из нее построчно передаются на выход. Смаз в таких МПЗС сказывается меньше, но не ликвидируется полностью, поскольку всё равно необходимо дождаться, пока перенесётся весь регистр.

3. Использование вертикальных регистров (Матричный ПЗС со строчным переносом).

Фоточувствительная зона собирается из вертикально расположенных линейных ПЗС с разделенными зонами фотогенерации и переноса (рисунок справа).

В таком МПЗС по окончании накопления все зарядовые пакеты переносятся из светочувствительных зон в защищенные от света вертикальные регистры переноса.

В этом датчике смаз существенно меньше, но не ликвидируется полностью, т.к. связан с эффектом тунелирования электронов сквозь закрытый затвор выборки из сильно освещенного пиксела в элемент регистра, содержащий меньший зарядовый пакет, пришедший из другой позиции.

4. О бъединение идей (Матричный ПЗС со строчно-кадровым переносом)

Даёт наилучшее устранение смаза.

Однако при этом имеются недостатки:

• Коэффициент использования площади кристалла для накопления световой энергии минимален среди рассмотренных схем.

• Количество переносов максимально, что повышает влияние неэффективности переноса.

Для его снижения выполняют МПЗС, имеющие две или четыре зоны памяти и выходных устройства.

3. Определите количество переносов (запишите формулу) зарядовых пакетов для левого верхнего и правого нижнего пикселов во всех известных Вам структурах ПЗС-матриц при прогрессивном разложении и кадре, содержащем m строк по n элементов в строке.

Механизм переноса см. в предыдущем вопросе.

1. Матричный ПЗС с кадровым переносом

Пусть – элемент i-ой строки, j-ого столбца регистра ПЗС

– аналогично, но для регистра переноса заряда

– выходной сигнал, соответствующий (i;j) элементу ПЗС-матрицы

Тогда для первого (левого верхнего) элемента матрицы:

Всего переносов: m+n

Для последнего (правого нижнего) элемента матрицы:

Всего переносов: 2

2. Матричный ПЗС с кадровым переносом и секцией хранения

– элемент защищенной от света секции памяти

Для первого (левого верхнего) элемента матрицы:

Всего переносов: 2m+n

Для последнего (правого нижнего) элемента матрицы:

Всего переносов: 1+m+1

3. Матричный ПЗС со строчным переносом

– элемент вертикального регистра

Для первого (левого верхнего) элемента матрицы:

Всего переносов: 1+m+n

Для последнего (правого нижнего) элемента матрицы:

Всего переносов: 3

4. Матричный ПЗС со строчно-кадровым переносом (один выход)

Для первого (левого верхнего) элемента матрицы:

Всего переносов: 1+2m+n

Для последнего (правого нижнего) элемента матрицы:

Всего переносов: 1+1+m+1

4. Сокращение временной избыточности в кодере MPEG.

Временная избыточность: из-за ограниченной критической частоты семантического восприятия (3 кадра/c) последовательные кадры существенно похожи. В стандарте MPEG предусмотрены механизмы:

1. Группировка кадров (GoP), в принципе действия которого предсказание на основе опорного кадра. Для этого необходимо иметь кадры:

• Inframe (I) – опорные кадры, кодируются по принципам JPEG без учета соседних кадров.

• Predicted (P) – «предсказанные» - кодируется поэлементная разность между передаваемым и предыдущим кадром.

• Bidirectional (B) – «двунаправленные» - кодируется поэлементная разность между передаваемым кадром и средним между предыдущим и последующим кадрами.

Передаются отличия от прямолинейной траектории смещения.

Тем самым в кадре, оставшемся после предсказания, содержится существенно меньше информации, чем в оригинальном кадре.

2. Кодирование с использованием векторов движения.

Предыдущий кадр разбивается на непересекающиеся блоки 8×8 элементов. Последующий кадр разбивается на макроблоки 16×16 элементов, следующие с шагом 8 элементов по обеим координатам. Блок предыдущего кадра накладывается на макроблок последующего и ищется наилучшее положение блока в макроблоке (по минимуму их суммы). Тем самым можно обнаружить произошедшее между кадрами движение, которое можно компенсировать. Полученное значение смещений по координатам блока – вектор движения – передается на приемную сторону для размещения переданного блока в выходном изображении.

3. Внутрикадровое кодирование на основе ДКП.

Совместное применение всех механизмов позволяет сократить информационный поток 32 раза без снижения кажущегося качества изображения.