2. Избыточность телевизионных изображений.

Изображения, типичные для телевизионного вещания, обладают значительной избыточностью. Большая часть изображения одного кадра обычно приходится на поля, имеющие постоянную или мало меняющуюся в пространстве яркость, а резкие световые переходы и детали малых размеров занимают малую долю площади изображения. Это будет особенно заметно, если построить осциллограмму межэлементной разности, которая большую часть интервала строки очень мала и лишь изредка значительно отклоняется от нуля (рис.4). Коэффициент корреляции соседних элементов изображения, описывающий статистическую связь между яркостями этих элементов, близок к 1. Зная яркость одного элемента, можно с высокой степенью вероятности предсказать яркость соседнего, например, полагая их просто равными. Такого рода избыточность можно назвать пространственной избыточностью изображения.

Изображения соседних кадров в телевидении обычно очень похожи друг на друга, даже при съемке движущихся объектов. Переходы от сюжета к сюжету встречаются редко. Межкадровая разность на значительной части площади изображения обычно близка к нулю(рис.5). Зная распределение яркости в одном кадре, можно с высокой степенью уверенности предсказать распределение яркости следующего кадра. Эта предска-зуемость указывает на временную избыточность изображения.

Пространственная и временная формы избыточности связаны со статистическими свойствами телевизионных изображений. Применяя, например, энтропийное кодирование, можно сократить скорость передачи данных. Сокращение цифрового потока возможно также благодаря структуре видеосигнала. Можно передавать только активную часть изображения. В стандарте 4:2:2 при 10 битах на отсчет скорость передачи данных за счет этого может сократиться с 270 Мбит/с до 207 Мбит/с. С другой стороны, можно использовать интервалы гашения для передачи дополнительной информации, например, звукового сопровождения, что также является формой экономного использования канала связи. Можно сократить передаваемый цифровой поток, если преобразовать используемую структуру дискретизации в другую, которая характеризуется меньшим числом отсчетов в кадре, например, от формата 4:2:2 перейти к формату 4:2:0 или 4:1:1. Но такой способ означает, конечно, сокращение потока за счет уменьшения разрешения в изображении.

Значительные резервы для сокращения скорости цифрового потока представляет использование свойств зрения. Например, шумы квантования хорошо различаются глазом на крупных деталях изображения в виде ложных контуров. Однако они мало заметны на резких перепадах яркости и мелких деталях. Это позволяет ввести более грубое квантование видеосигнала в окрестности переходов. Возможно также более грубое квантование высокочастотных компонент видеосигнала. Искажения изображения не заметны глазу в течение нескольких десятых долей секунды после резкой смены сюжета. В течение этого времени четкость изображения может быть в несколько раз меньше нормальной. Эти и другие особенности зрительного восприятия обусловливают так называемую психофизическую избыточность. Ее использование позволяет значительно сокращать скорость потока видеоданных. Вносимые при этом необратимые искажения изображения должны быть незаметны наблюдателям.

В первых методах видеокомпрессии, разработанных для телевидения, избыточность сокращалась за счет применения энтропийных кодов, или кодов переменной длины (Шеннона-Фано, Хаффмана) к элементам изображения и их комбинациям. Это были метод поэлементного статистического кодирования (учет различия в вероятностях уровней видеосигнала), метод кодирования с учетом предшествующего элемента (использование наиболее коротких кодовых комбинаций для наиболее вероятных переходов между яркостями элементов), метод кодирования длин серий (передача кода величины сигнала серии элементов изображения, имеющих одинаковую яркость, а также кода длины серии). При доступных аппаратурных ресурсах эти методы позволяли добиться лишь небольшой степени видеокомпрессии. В современных системах компрессии они также используются, но в сочетании с методами ортогональных преобразований (блочного кодирования) и дифференциальной импульсно-кодовой модуляции с компенсацией внутрикадрового движения.