3.2.3. Кодируемые кадры

Базовым объектом кодирования в стандарте MPEG-2 является кадр телевизионного изображения. При этом очевидно, что для телевизионных сигналов, в которых смешаны различные сюжеты с разными типами движений«от ничего до много»простое предсказание, в принципе, не обеспечит высокую эффективность. По этой причине в стандартеMPEG-2 используются три вида предсказаний: внутрикадровое и межкадровое предсказание вперед с компенсацией движения, межкадровое двунаправленное предсказание также с компенсацией движения.

Формат видеоинформации в стандарте MPEG-2 содержит три типа кадров (I,P,B) [25, 26].

Основные, так называемые I-кадры(Intraframes) обрабатываются только с применением внутрикадрового предсказания. Они кодируются независимо от других кадров, так как обрабатываются с использованием собственной информации, то есть по принципу случайного доступа к сжатым видеоданным. Они при­меняют кодовое преобразование блоков элементов изображения и обеспечивают умеренное сжатие. Это первый этап сжатия видеоданных. Зато при восстановлении телевизионного изображения поI-кад­рам оно менее всего деградирует и зависит от ошибок кодирования и передачи видеоданных по каналу связи.I-кадры служат опорными при межкадровом предсказанииPиBкадров.

Р-кадры (Predicted Frames), то есть кадры с предсказанием, с компенсацией движения. Кодирование осуществляется с учетом ближайших предшествующих I или P-кадров. Этот способ назы­вается с предсказанием вперед, так как используется «разностная» схема сжатия, при которой сохраняются только отличия от предшествующего кадра. В P-кадрах, если сравнивать их с I-кад­рами, в три раза выше достижимая степень сжатия видеоданных.

Обработка видеоданных в Р-кадре выполняется по макроблокам. Каждый макроблок обрабатывается с использованием алгоритмов компенсации движения и предсказания вперед, пока в блоке не появится новый объект. С этого момента процесс кодирования переключается на алгоритмы, используемые вI-кадрах, то есть на внутрикадровое предсказание.Р-кадры являются опорными для последующихPилиB-кадров. Отметим, что необходима высокая точность восстановления исходного изображения при декодировании опорныхР-кадров. Дело в том, что ошибки опорного кадра распределяются по всем кадрам, связанным с опорным.

При компенсации движения, применяемой к макроблокам Р-кадров, вырабатывается два вида информации: векторы движения (разница между базовыми и кодированными макроблоками) и значения ошибок (разница между предсказанными величинами и действительными результатами). Если макроблок в Р-кадре не может быть описан с использованием компенсации движения, что случается при появлении некоторого неизвестного объекта, то он кодируется тем же способом, что и макроблок вI-кадре.

B-кадры (Bi-Directional Frames), то есть кадры с двунаправленным предсказанием, с компенсацией движения. Для формирования B-кадров также используется «разностная» схема сжатия аналогично Р-кадрам, однако, в качестве «базовых» кадров используются оба соседних кадра: предыдущий и последующий. Этот способ называется двунаправленным предсказанием.

Алгоритмы кодирования B-кадров зависят от характера телевизионного изображения. Предусмотрено четыре способа кодирования. В одном применяется компенсация движения и предсказание вперед по ближайшим предшествующим опорнымIилиР-кадрам, в другом – компенсация движения и обратное предсказание по ближайшим последующимIилиР-кадрам. Обратное предсказание используется в тех случаях, когда в кодируемомB-кадре появляются новые объекты изображения. Третий алгоритм – компенсация движения и двунаправленное предсказание, при котором опорными являются предшествующий или последующийIилиР-кадры. И, наконец, это внутрикадровое предсказание без компенсации движения. Такое кодирование нужно при резкой смене передаваемых сюжетов, а также при больших скоростях перемещения объектов телевизионного изображения. СB-кадрами связано наиболее глубокое сжатие видеоданных. Поскольку высокая степень сжатия снижает точность восстановления исходного телевизионного изображения,B-кадры не используются в качестве опорных. Ошибки при их декодировании не распределяются по другим кадрам.

Очевидно, что точность кодирования должна быть максимальной для I-кадров, ниже дляР-кадров и минимальной дляB-кадров.

В стандарте MPEG-2 порядок записи информации о телевизионных кадрах не совпадает с порядком кодирования и декодирования. Так, для декодирования текущегоB-кадра требуется обработать следующий кадр, поэтому необходимо иметь дополнительный буферный блок памяти в декодирующем устройстве для хранения информации об очередном кадре. Рассмотренное усложнение декодирующего устройства компенсируется улучшением субъективного качества воспроизводимого изображения за счетB-кадров на 20%.

Изображения различных типов объединяются в повторяющиеся серии, называемые группами видеокадров(ГВК). Порядок кодирования, декодирования и воспроизведения видеокадров указанных трех типов может быть различным. Для примера на рис. 3.4 изображен один из вариантов сочетания видеокадров, обеспечивающих минимизациюэнтропии, то есть количества бит на элемент изображения. Группа начинается с изображения типаI, образующего опорный сигнал для предсказания при кодировании изображений других типов. Группа изображений должна быть достаточно большой, если необходимо добиться высокой степени компрессии. ГВК заканчивается непосредственно перед появлением следующегоI-кадра. ГВК определяет границы межкадрового кодирования. Многочисленные исследования эффективности различных сочетанийРиB-кадров в ГВК показали, что последовательности длинных ГВК целесообразно использовать только для высококачественных незашумленных изображений. Однако большое числоB-кадров означает значительную задержку, так какIилиР-кадры, окружающие кадрыB-типа, уже должны быть в декодере к моменту декодированияB-кадра.

В

Рис. 3.4.Цикл кодирования и декодирования по стандарту MPEG:

а) порядок кодирования и декодирования изображений; б) порядок воспроизведения изображений

начале каждого сюжета должен стоятьI-кадр, в конце –P-кадр. Увеличивать долюВ-кадров можно только в рамках одного сюжета, иначе возникнут большие ошибки предсказания и компенсации движения. Поскольку типичная длительность группы кадров (во временнóм представлении – примерно 0,5 с) значительно меньше характерного расстояния между границами сюжетов, то в большинстве случаев жесткое задание структуры ГВК не приводит к существенным визуальным ошибкам из-за того, что смена сюжета попадает внутрь группы кадров.

При передаче по каналу связи порядок следования I,РиB-кадров меняется.