3.4 Режимы работы системы видеокомпрессии.

Схемы, иллюстрирующие в упрощенной форме внутрикадровое кодирование и декодирование на базе дискретного косинусного преобразования, представлены на рис.13. Они показывают последовательность выполнения основных операций внутрикадрового кодирования при видеокомпрессии: дискретного косинусного преобразования, квантования и энтропийного кодирования, или кодирования с переменной длиной слова. На их основе уместно обсудить два возможных режима работы кодера. Первый из них предполагает кодирование с постоянным уровнем качества восстанавливаемого изображения, что возможно за счет использования фиксированной матрицы квантования коэффициентов ДКП. Но, как следует из вышеприведенных рассуждений, это приводит к переменной и неуправляемой скорости следования данных на выходе энтропийного кодера, или кодера с переменной длиной слова. Скорость потока данных будет возрастать при увеличении уровня высокочастотных компонентов изображения (этот случай иллюстрируетрис.10) и убывать при передаче изображений с незначительной детальностью (примером может быть блок 1, показанный на рис.9, для которого символ EOB заменит подавляющую часть коэффициентов блока ДКП). Этот режим может использоваться в профессиональных применениях, требующих дальнейшей обработки изображения при сохранении высокого качества и не связанных с ограничениями в скорости передачи данных и в объемах памяти.

При передаче и распределении телевизионных программ колебания скорости передачи данных могут быть недопустимы. В этом случае используется второй режим работы кодера, при котором обеспечивается фиксированная скорость потока данных. Это можно осуществить за счет изменения матрицы квантования и, соответственно, воздействия на качество восстанавливаемого изображения. Но такое воздействие не может быть настолько быстрым, насколько это требуется для обеспечения постоянной скорости потока данных. Поэтому в схему включается буферная память. Данные заносятся в память с переменной скоростью, а считываются с постоянной. Для предотвращения переполнения буфера или его полного освобождения, что может привести к сбоям в работе системы компрессии, используется адаптивное квантование. Сведения о степени заполнения буферной памяти служат сигналом управления (пунктирная линия на рис.13), регулирующим шкалу квантования. Если, например, кодируемое изображение характеризуется высокой детальностью, то число ненулевых элементов матриц коэффициентов ДКП увеличивается. Возрастает и объем передаваемых данных, поэтому буфер заполняется с повышенной скоростью. Благодаря обратной связи квантование становится более грубым и скорость поступления данных в буфер уменьшается, но за счет увеличения шумов квантования и ухудшения качества изображения. Если кодируется простое по структуре изображение с малой детальностью, то число нулевых элементов матриц коэффициентов ДКП увеличивается и скорость поступления данных в буферную память снижается по сравнению со средней величиной. Тогда квантование становится менее грубым (большее число коэффициентов ДКП квантуется на максимальное число уровней). Таким образом скорость заполнения буфера в среднем поддерживается на постоянном уровне.

При степени 2:1 компрессия достигается в основном за счет энтропийного кодирования и исключения массива нулей в конце блоков коэффициентов ДКП (этот массив заменяется символом конца блока EOB). Влияние квантования коэффициентов ДКП невелико и необратимые искажения изображения незначительны. При большой степени 35:1 компрессия достигается за счет грубого квантования высокочастотных коэффициентов ДКП. Это приводит к значительным искажениям изображения.

Природа артефактов и искажений компрессии хорошо проявляется на искусственном изображении. Это изображение содержит много "плоских" участков с постоянной яркостью и хорошо подвергается компрессии, поэтому для получения заметных артефактов и искажений на восстановленном изображении пришлось использовать очень большую степень сжатия (54:1). Становится заметной блочная структура (как на рис.8), искажаются резкие яркостные и цветовые переходы, падает резкость и четкость. Появляются шумовые импульсы в окрестности контуров, похожие на комаров (их иногда называют москито-шумами). Кажется, что на изображение наложено грязное стекло.

На проявления артефактов и искажений сильно влияет обработка исходного изображения. Рассмотрим восстановленные изображения, сжатые со степенью компрессии 20:1. Оригинал изображения перед видеокомпрессией был подвергнут апертурной коррекции. Это означает, что при работе системы компрессии в режиме с постоянной скоростью потока данных увеличение резкости изображения и подчеркивание в нем высокочастотных деталей связано с ростом искажений. Если бы эти же изображения компрессировались в режиме с постоянным качеством (при фиксированной матрице квантования), то изображение с апертурной коррекцией заняло бы после компрессии примерно в 4 раза больший объем памяти, чем некорректированное. Аналогичным образом влияет и шум, сопутствующий изображению. Шум декоррелирует отсчеты изображения, затрудняет его компрессию (в том смысле, что увеличивается интенсивность высокочастотных коэффициентов блока ДКП). При компрессии в режиме с постоянной скоростью потока данных наличие шума приводит к большим искажениям и артефактам. При работе в режиме с постоянным качеством наличие шума увеличивает объем данных, требуемых для передачи или записи кадра изображения.