8. Искажения и артефакты видеокомпрессии

Видеокомпрессия часто может дополняться изменением формата представления изображения, например, уменьшением частоты дискретизации и числа уровней квантования компонентов изображения. Это приводит к уменьшению разрешения и возрастанию шумов квантования. В результате применения видеокомпрессии устраняется не только избыточность, обусловленная статистикой изображений, но и психофизическая избыточность, что связано с необратимыми преобразованиями изображения. Эти преобразования обычно не замечаются зрителем при сравнительно малых степенях компрессии, но при больших степенях сжатия они приводят к появлению артефактов - различного рода посторонних узоров и муаров на изображении, которые по своему проявлению значительно отличаются от искажений, типичных для аналогового телевидения.

Артефакты прежде всего зависят от алгоритма компрессии. Например, артефакты компрессии на базе Wavelet-преобразования выглядят более "естественными", чем артефакты компрессии на базе дискретного косинусного преобразования, выполняемого над блоками изображения. При одном и том же алгоритме компрессии количество и заметность артефактов пропорциональны степени компрессии, хотя эта зависимость и не является линейной. Артефакты сильно коррелированны с изображением. Они наиболее заметны, если изображения содержат мелкие детали, фрагменты с быстрым или сложным движением. Их появлению способствуют быстрые смены сюжета, панорамирование и применение объективов-трансфокаторов. Большой уровень шума в исходном изображении декоррелирует его, маскирует собственную избыточность изображения и приводит к появлению артефактов.

Проявления артефактов весьма многообразны. Например, шумы квантования возникают как при аналого-цифровом преобразовании, так и в результате квантования при компрессии. Они наиболее заметны в виде ложных контуров на участках изображения с плавно меняющейся яркостью

Блочная структура изображения, напоминающая шахматную доску, проявляется как следствие блочной организации данных при дискретном косинусном преобразовании. Она наиболее заметна при грубом квантовании, когда от матрицы коэффициентов дискретного косинусного преобразования остается лишь малая часть около постоянной составляющей (пример блочной структуры показан на рис.8). Большое количество мелких деталей, быстро меняющиеся сюжеты, наличие в изображении шумов требуют увеличения количества передаваемых данных и приводят к быстрому заполнению буфера кодера. Вследствие обратной связи вводится более грубое квантование, а это увеличивает количество артефактов (рис.16).

Проявлением необратимых искажений при компрессии является неустойчивость и нестабильность контуров, окантовки и шумы в области резких яркостных и цветовых переходов, эффект "грязного стекла", потеря разрешения (рис.14 и 15). Традиционные критерии, например, отношение сигнал/шум мало применимы для оценки искажений и артефактов компрессии. Например, отношение сигнал/шум может возрасти в результате цикла компрессии-декомпрессии, но полученное в итоге изображение может быть совершенно неприемлемым.

При производстве телевизионных программ объединяются изображения разных источников, в том числе материалы, прошедшие циклы компрессии-декомпрессии. Например, видеоматериалы, записанные по системе Digital Betacam и прошедшие цикл с мягкой компрессией 2:1, могут монтироваться с использованием системы нелинейного монтажа, использующей сжатие видеоданных 10:1. Информация по спутниковой линии связи со скоростью передачи данных 8 Мбит/с объединяется со студийными архивными материалами, записанными со скоростью 30 Мбит/с, а также с некомпрессированными студийными изображениями и затем передается с использованием компрессии до 4 Мбит/с. Таким образом, перед предъявлением зрителю, телевизионная программа может пройти каскадное соединение многих систем компрессии. Каждая из систем компрессии создает свои необратимые искажения и артефакты, которые могут усиливаться или замещаться искажениями других систем. Эта проблема очень многогранна. В системах семейства MPEG используются группы изображений, что создает дополнительные сложности. При каскадировании MPEG кодеков наивысшее качество достигается в том случае, если в них используются группы изображений одной и той же длины, структуры и фазы. Можно также отметить, что качество результирующего изображения практически будет предопределяться показателями системы компрессии самого низкого уровня.