3. 5.1.1. Компрессия видеоданных в mpeg

Эффективное сжатие видеоинформации базируется на удалении несущественных для визуального восприятия мелких деталей пространственного распределения отдельных кадров и устранении временной избыточности в последовательности этих кадров. Соответственно говорят о пространственной и временной компрессии.

В пространственной компрессии используется экспериментально установленная низкая чувствительность человеческого восприятия к искажениям мелких деталей изображения. Глаз быстрее замечает неоднородность равномерного фона, чем искривление тонкой границы или изменение яркости и цвета малого участка. Из математики известно два эквивалентных представления изображения: пространственное распределение яркости и цвета и так называемое частотное распределение, связанное с пространственным дискретным косинусным преобразованием (ДКП). В теории они равнозначны и обратимы, но сохраняют информацию о структуре изображения совершенно по-разному: передачу плавных изменений фона обеспечивают низкочастотные (центральные) значения частотного распределения, а за мелкие детали пространственного распределения отвечают высокочастотные коэффициенты.

Такой подход позволяет использовать следующий алгоритм сжатия. Кадр разбивается на блоки размером 16×16 пикселов (размеру 720×576 пикселов соответствует 45×36 блоков), каждый из которых ДКП переводится в частотную область. Затем соответствующие частотные коэффициенты подвергаются квантованию (округлению значений с задаваемым интервалом). Если само по себе ДКП не приводит к потере данных, то квантование коэффициентов, очевидно, вызывает огрубление изображения. Операция квантования выполняется с переменным интервалом - наиболее точно передается низкочастотная информация, в то время как многие высокочастотные коэффициенты принимают нулевые значения. Это обеспечивает значительное сжатие потока данных, но приводит к снижению эффективного разрешения и возможному появлению незначительных ложных деталей (в частности, на границе блоков). Очевидно, что чем более грубое квантование используется, тем больше степень сжатия, но и тем ниже качество результирующего сигнала.

3.5.1.2. Формат mpeg-1

По стандарту MPEG-1 потоки видео- и звуковых данных передаются со скоростью 150 Кбайт/с (с такой же скоростью, как и односкоростной CD-ROM проигрыватель) и управляются путем выборки ключевых видеокадров и заполнением только областей, изменяющихся между кадрами. MPEG-1 обеспечивает качество видеоизображения более низкое, чем передаваемое по телевизионному стандарту.

MPEG-1 был разработан и оптимизирован для работы с кадрами с разрешением 352 ppl (point per line - точек на линии) ×240 lpf (line per frame - линий в кадре) [ 30 fps (frame per second -кадров в секунду), что соответствует скорости передачи CD-звука высокого качества. Используется цветовая схема - YCbCr (где Y - яркостная плоскость, Cb и Cr - цветовые плоскости).

Параметры MPEG-1 (утверждены в 1992 г.):

Параметры аудиоинформации: 48, 44,1, 32 кГц, mono, dual (два моноканала), стерео, интенсивное стерео (объединяются сигналы с частотой выше 2000 Гц), m/s stereo (один канал переносит сумму, другой - разницу). Сжатие и скорость передачи звука для одного канала для частоты 32 кГц представлены в табл. 3.5.1.

Таблица 3.5.1

Способ кодирования Скорость передачи, Kбит/с Kоэффициент сжатия

Layer I 192 1 : 4

Layer II 128...96 1 : (6...8)

Layer III 64...56 1 : (10...12)

Параметры видеоинформации: с помощью MPEG-1 можно передавать изображения с разрешением вплоть до 4095×4095×60. В этих пределах кадр может быть произвольного размера. Общее число макроблоков в изображении кадра: 396 для скорости < 25 fps и 330 для скорости < 30 fps.

Существует более высокое разрешение для MPEG-1 - так называемый MPEG-1 Plus, разрешение которого приближается к формату MPEG-2.