2.8. Видеостандарт mpeg

Первоначально стандарт MPEG был разработан для компактной записи динамических изображений на оптические диски (так называемые CD-ROM); тогда он имел название MPEG-1. Дальнейшие версии этого стандарта появились при введении цифрового телевидения, что оказалось особенно важно при организации спутниковой трансляции телепередач, а также в связи с широким распространением передачи видеофильмов и организацией телеконференций во всемирной информационной сети INTERNET.

Стандарт определяет разрешение изображения количеством пикселов (стандарт PAL) или (стандарт NTSC, европейский) с частотой смены кадров 25 кадров в секунду.

MPEG-компрессия использует следующие идеи:

– устранение временной избыточности видеоизображений, вытекающей из сравнительно небольших изменений в последующем кадре относительно предыдущего;

– устранение пространственной избыточности за счёт удаления ненужных деталей, не воспринимаемых человеком (та же идея использована и в стандарте JPEG, но здесь она ещё более эффективна, поскольку в меняющемся с большой частотой изображении детали его ещё менее значимы);

– использование более низкого цветового разрешения: установлено, что глаз менее чувствителен к пространственным изменениям оттенков цвета по сравнению с изменениями яркости.

Изображение в MPEG-последовательности подразделяется на следующие типы:

– I – играющие роль опорных при восстановлении остальных изображений по их разностям;

– P – содержащие разность текущего изображения с предыдущим с учётом смещений отдельных фрагментов;

– В – содержащие разность текущего изображения с предыдущим и последующим (трёхточечное оценивание).

Изображения объединяются в группы, представляющие собой минимальный повторяемый набор последовательных изображений, которые могут быть декодированы независимо от других., причём интенсивность повторения каждого типа изображения разная. Типичной является группа вида

I0, B1, B2, P3, B4, B5, P6, B7, B8, P9, B10, B11, I12, B13, B14, P15, B16, ...

Видно, что наиболее часто повторяются изображения типа В (вторые разности), затем типа Р, и в последнюю очередь – типа I. Обычно изображения типа I повторяется каждые 0,5 секунды; остальные типы кадров строятся также на основе предыдущих того же вида: так, Р6 получается на базе Р3, Р9 на базе Р6 и т.д. В то же время кадры типа В предсказываются как полусуммы изображений предыдущих типов (В1 и В2 – на базе I0 и Р3, В4 и В5 – из Р3 и Р6, В7 и В8 – из Р6 и Р9 и т.д.). В силу взаимозависимости изображений в процессе кодирования меняется порядок их следования; для вышеупомянутой последовательности он будет следующим:

I0, P3, B1, B2, P6, B4, B5, P9, B7, B8, I12, B10, B11, P15, B13, B14, ...

Понятно, что точность кодирования должна быть максимальной для I, ниже – для Р и ещё ниже – для В. Установлено, что для типичных сцен хорошие результаты достигаются при отведении числа разрядов для I в 3 раза больше, чем для Р, и для Р – в 2 -5 раз больше, чем для В. Эти значения уменьшаются при воспроизведении динамичных сцен (иначе появляется эффект «дрожания» изображений).

Отдельные изображения состоят из макроблоков. Макроблок соответствует участку изображения размером пикселов. Общее число макроблоков в изображении – 396. Каждый макроблок состоит из шести блоков, четыре из которых несут информацию о яркости, а по одному определяют цветовые эквиваленты. Каждый блок представлен матрицей пикселов.

Упрощенно процесс MPEG-кодирования сводится к следующему. На этапе предварительной обработки видеосигнал оцифровывается и форматируется по размеру с цифровой выборкой 2:1 (на каждые 2 отсчёта по яркости приходится по одному отсчёту цветности). После этого кодер делает выбор структуры группы (она может меняться в зависимости от содержания изображения и разрешённой скорости передачи информации), задаёт типы всех изображений и при необходимости меняет их последовательность. После этого для I-изображений он осуществляет ДКП (как в стандарте JPEG), а перед преобразованием изображений Р и В предварительно оценивает их разрядность. Полученные коэффициенты так же взвешиваются и округляются, как в JPEG, после чего кодируются по модифицированному алгоритму Хафмана.

Процедура сжатия адаптивная, т. е. кодер в течение времени может менять параметры алгоритма. Для организации слежения за качеством изображения он должен хранить предыдущие кадры, поэтому предусмотрен буфер ёмкостью в 40 кбайт. Такая сложная структура кодирования объясняет то, что MPEG-кодеры существуют только в студийном варианте, тогда как декодеры возможны в доступном исполнении.

Алгоритм MPEG осуществляют очень высокую степень сжатия: при хорошем разрешении коэффициент сжатия составляет 80 – 100, что на порядок выше, чем для JPEG.

В завершение данного раздела отметим, что сжатие информации – очень быстро развивающаяся отрасль знаний, опирающаяся на последние достижения в области математики (теория чисел, теория групп, прикладная топология, распознавание образов, теория оптимизации и т.д.) и находящая очень быстрое применение.

Контрольные вопросы

1. Для чего проводится сжатие информации? В чем его прикладное значение?

2. В чем смысл коэффициента качества в стандарте GPEG?

3. Чем отличается сжатие динамических изображений от сжатия статических изображений?