4. Межкадровое кодирование.

4.1 Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция.

Цель межкадрового кодирования - сокращение временной избыточности телевизионных изображений, вызванной сильными корреляционными связями между соседними кадрами. Если изображения двух соседних кадров очень похожи, то скорость цифрового потока можно сократить, предсказывая текущий кадр на основе предыдущего и передавая лишь разницу между действительным и предсказанным изображением текущего кадра (рис.17). Разностное изображение, или ошибка предсказания обычно содержит много нулевых областей (ошибка предсказания показана на рис.17 на сером фоне, который соответствует нулевому уровню видеосигнала), что позволяет обойтись при ее передаче меньшим числом кодовых слов. Такой способ известен под названием дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ).

Схемы кодера и декодера ДИКМ показаны нарис.18. В качестве простейшего предсказателя можно использовать память на кадр. Предсказание не должно осуществляться путем задержки на кадр входного сигнала изображения, получаемого непосредственно от источника. Дело в том, что предсказание должно выполняться и в декодере, которому уже недоступны изображения источника. Восстанавливаемые в декодере изображения, которые только и могут использоваться для предсказания, прошли процедуру квантования в процессе внутрикадрового кодирования и, следовательно, претерпели некоторые необратимые преобразования. Поэтому в кодер включены инверсный квантователь и инверсный дискретный косинусный преобразователь, которые реконструируют блок изображения точно так же, как и в декодере. С использованием именно реконструируемого изображения формируются сигналы ошибки предсказания: (I1 - I0'), (I2 - I1'), где I0 , I1 , I2 - сигналы исходной последовательности кадров, I0', I1' - сигналы предсказанных кадров. Для первого кадра последовательности предсказание не может быть сформировано, поэтому он должен подвергаться внутрикадровому кодированию .

4.2 Компенсация движения.

До сих пор предполагалось, что при передаче некоторого блока изображения текущего кадра для предсказания используется блок предыдущего кадра с теми же пространственными координатами (предсказателем служит память на кадр). Чем быстрее движутся снимаемые объекты, тем больше отличаются текущий блок и опорный блок из предыдущего кадра и тем больше данных об ошибке предсказания должно быть передано, а это снижает эффективность компрессии.

Точность предсказания при передаче изображений движущихся объектов можно увеличить за счет оценки вектора движения и компенсации этого движения. ПринципДИКМ с компенсацией движения иллюстрируется на рис.19. Если оценить смещение изображения воздушного шара от кадра к кадру по горизонтали Vx и вертикали Vy, то в качестве предсказания можно использовать изображение предыдущего кадра, смещенное по горизонтали и вертикали на величины Vx и Vy соответственно. Набор чисел V=(Vx , Vy) и принято называть вектором движения. Компенсация движения при формировании предсказания уменьшает ошибку предсказания. Для того, чтобы убедиться в этом, целесообразно сравнить картинки на рис.17 и рис.19. Ошибка предсказания не может быть сведена к нулю. Этому мешает изменение размеров движущегося объекта, его повороты, неточности в определения вектора движения и т.п. (в примере рис.19 - это некоторое изменение размеров воздушного шара). Однако предсказание с компенсацией движения позволяет значительно повысить эффективность ДИКМ при видеокомпрессии.

Вектор движения используется для предсказания с компенсацией движения (схема кодера ДИКМ с компенсацией движения приведена на рис.21). В кодере вычисляется ошибка предсказания, т.е. разность между фактическим и предсказанным с использованием вектора движения блоками изображения, что сокращает временную избыточность. Ошибка предсказания подвергается ДКП, квантуется и кодируется в кодере с переменной длиной слова. Такой процесс уменьшает и временную, и пространственную, и психофизическую избыточность. Вектор движения также кодируется словами переменной длины. Кодированная ошибка предсказания объединяется с кодами вектора движения, после чего формируется передаваемый цифровой поток.

Вдекодере выполняется инверсное квантование, инверсное ДКП, в результате чего формируется ошибка предсказания. Упрощенная схема такого декодера похожа на нижнюю схемурис.18, только в ней должен использоваться предсказатель с компенсацией движения, работающий на основе данных о векторе движения, переданных от кодера. Ошибка предсказания складывается с декодированным изображением предыдущего кадра, образуя декодированное изображение текущего кадра.

Предсказатели с компенсацией движения в современных системах видеокомпрессии могут использовать целый ряд методов. Например, блок может предсказываться на основе предыдущего изображения (как было описано выше), на основе последующего изображения, а также на основе и предыдущего, и последующего. В чересстрочных системах поля одного кадра могут предсказываться раздельно с использованием разных векторов движения или вместе с использованием общего вектора. Существует также возможность нулевого предсказания (если не найден подходящий опорный блок). При этом сам текущий блок будет кодироваться вместо ошибки предсказания, что означает отказ от межкадрового кодирования и переход к внутрикадровому. Для каждого текущего блока кодер выбирает метод предсказания, обеспечивающий наивысшее качество декодированного изображения с учетом ограничений на скорость передачи данных. Сведения о методе предсказания включаются в общий поток и передаются декодеру для верного восстановления изображения.

Оценка вектора движения и определение наилучшей стратегии предсказания требуют применения сложных вычислительных процедур, которые должны осуществляться в реальном времени. Поэтому кодер гораздо сложнее декодера, т.е. система компрессии на базе ДИКМ с компенсацией движения является асимметричной.