Модуль арифметического кодирования

Арифметический кодер подробно описан в стандарте, и он имеет три специфических свойства.

1. Оценка вероятностей осуществляется переходным процессом между 64 отдельными состояниями вероятностей для «символа с наименьшей вероятностью» LPS(он является наименее вероятным из двух возможных решений 0 или 1).

2. Область Rпредставления текущего состояния арифметического кодера квантуется на маленькие области заранее заданных значений перед вычислением новых областей на каждом шаге, при этом имеется возможность табличного определения новых областей (то есть без использования сложной операции умножения).

3. Используются упрощенные процессы кодирования и декодирования (в которых опущена часть контекстного моделирования) для символов с распределением вероятностей, близким к равномерному.

Процесс декодирования спроектирован так, чтобы облегчить программную реализацию схемы арифметического кодирования и декодирования. В среднем алгоритм САВАС обеспечивает лучшее сжатие по сравнению со схемой кодирования VLC.

3.4.4. Расширенный профиль

Расширенный профиль может оказаться особенно полезным в приложениях типа потоковое видео. Он включает все инструменты кодирования базового профиля (то есть он является действительным расширением базового про­филя в отличие от основного), а также В-слои и взвешенное прогнозирование. Помимо этого, здесь имеются дополнительные инструменты, обеспечивающие эффективную передачу потоковых данных по сетям типа Интернет. Слои SP и SI облегчают переключение между разными кодовыми потоками, а функционирование по типу VCR и слои разделения данных позволяют повысить устойчивость передачи по каналам, подверженным ошибкам [33].

Слои sPиSi

SP- иSI-слои представляют собой слои, закодированные специальным способом, которые обеспечивают, помимо всего прочего, эффективное переключение между видеопотоками и организуют быстрый случайный доступ для видеокодеров. Общее требование к потоковым приложениям заключается в обеспечении возможности декодеру переключаться между одним или несколькими кодированными потоками. Например, один и тот же видеоматериал кодируется на нескольких битовых скоростях для передачи по Интернету, и декодер сначала пытается декодировать самый высокоскоростной видеопоток, который он может получить, а потом ему может понадобиться переключиться на более низкую скорость видеопотока, например, из-за падения пропускной способности сети.

S

Рис. 3.47.Схема переключения потоков с помощьюSP-слоев

P-слои были разработаны для обеспечения переключений между подобными кодированными видеопоследовательностями (например, для кодирования одного и того же видеоконтента с разными битовыми скоростями), но без недостатка увеличения битовой скорости при использованииI-слоев (рис. 3.47).

В точке переключения (кадр 2 в каждой последовательности) ставятся три SP-слоя, каждый из которых кодируется с использованием прогноза компенсации движения (что делает их более эффективными по сравнению сI-слоями).SP-слойA₂можно декодировать с помощью ссылочного снимкаА₁, а слойВ₂– с помощью снимкаВ₁. Ключевым элементом процесса переключения служитSP-слойАВ₂(он называетсяпереключающим SP-слоем), который построен таким образом, что его можно декодировать с использованием ссылочного снимкаА₁для получения декодированного кадраВ₂(то есть выход декодераВ₂будет идентичен, как если бы ему предшествовал кадрВ₁). В каждой точке переключения требуется поместитьSP-слой (на самом деле еще одинSP-слойВА₂, который будет необходим при переключении в обратном направлении), однако это займет меньший информационный объем, чем кодированиеА₂иВ₂какI-слоев. В табл. 3.20 перечислены шаги, которые необходимо совершить декодеру при переключении с потокаАна потокВ.

Н

Таблица 3.20

Схема переключения с потока Ана потокВс помощьюSP-слоев

Вход декодера	Ссылочный МС	Выход декодера
Р-слой А0 Р-слой А1 SР-слой АВ2 Р-слой В3 …	[Более ранний кадр] Декодир. кадр А0 Декодир. кадр А1 Декодир. кадр В2 …	Декодир. кадр А0 Декодир. кадр А1 Декодир. кадр В2 Декодир. кадр В3 …

арис. 3.48показана упрощенная блок-схема процесса кодированияSP-слоя, при котором совершается вычитание версии с компенсацией движения(декодированного кадра) из кадра, за которым следует кодирование получившегося остатка. В отличие от «обычного»Р-слоя вычитание производится в области преобразования (после совершения преобразования блока).SP-слойВ₂кодируется аналогично (см. рис. 3.49).

Декодер, имея предыдущий кадр А₂, может декодироватьSP-слойА₂, как показано на рис. 3.50.

Заметим, что приведенные структурные схемы являются упрощенными. На практике требуются еще шаги квантования и деквантования во избежание разночтений кодера и декодера.

Рис. 3.48.Упрощенная схема кодированияSP-слояА₂

Рис. 3.49.Упрощенная схема кодированияSP-слояВ₂

Рис. 3.50.Упрощенная схема декодированияSP-слояА₂

Рис. 3.51.Упрощенная схема кодированияSP-слояАВ₂

Рис. 3.52.Упрощенная схема декодированияSP-слояАВ₂

Упрощенное кодирование SP-слояАВ₂показано на рис. 3.51.

Кадр В₂(это кадр потока, куда происходит переключение) преобразуется и прогноз компенсации движения строится по(это кадр потока, откуда идет переключение). Блок МС на этой блок-схеме пытается обнаружить наилучшее совпадение для каждого макроблока кадраВ₂, используя в качестве ссылки кадрА₁. Прогноз компенсации движения преобразуется, затем вычитается из преобразованногоВ₂(то есть в случае слояSPвычитание производится в области преобразования). Остаток (после вычитания) квантуется, кодируется и посылается.

Декодер, который ранее декодировал , может декодироватьSP-слойАВ₂для построения(рис. 3.52). Кадрпрогнозируется с компенсацией движения (с помощью вектора движения, закодированного как частьАВ₂), преобразуется и прибавляется к декодированному и деквантованному остатку, после чего к результату применяется обратное преобразование для получения.

Если потоки АиВпредставляют собой версии одной и той же видеопоследовательности, закодированной с разными битовыми скоростями, то прогноз компенсации движения кадраВ₂по кадру(SP-слойАВ₂) должен быть достаточно эффективным. Дополнительные исследования показывают, что использованиеSP-слоев при переключении между различными версиями одной и той же последовательности является значительно более эффективным, чем вставкаI-слоев в точках переключения. Другое применениеSP-слоев заключается в обеспечении случайного доступа и функционирования по типуVCR. Например,SP-слой и переключающийSP-слой помещаются вместо кадра 10 (см. рис. 3.53). Декодер может быстро перейти вперед от кадраА₀к кадруА₁₀, продекодировавА₀, а затем продекодировав переключающийSP-слойА_0–10для полученияА₁₀, прогнозируя его поА₀.

Расширенный профиль поддерживает еще один тип переключающих слоев, а именно SI-слои. Эти слои используются так же, как иSP-слои, за исключением того, что прогнозы формируются в модах прогнозовintra-б

Рис. 3.53.Схема быстрого перехода вперед с использованиемSP-слоев

локов 44 по ранее декодированным пикселям реконструируемого кадра. Этот слой можно использовать, например, при переключении от одной последовательности к другой (в этом случае нет смысла строить прогноз компенсации движения, так как нет корреляции между двумя этими последовательностями).