39. Стандарты mpeg

Ко́дек (codec —coder/decoder (кодировщик/декодировщик) или compressor/decompressor) — устройство или программа, способная выполнять преобразование данных или сигнала.

Идеи MPEG-компрессии

устранение временной избыточности видео, так как в пределах коротких интервалов времени большинство фрагментов сцены оказываются неподвижными или незначительно смещаются по полю; устранение пространственной избыточности изображений подавлением мелких деталей сцены, несущественных для ее визуального восприятия человеком; использование более низкого цветового разрешения при YUV-представлении изображений (Y -яркость, U и V - цветоразностные сигналы) - установлено, что глаз менее чувствителен к пространственным изменениям оттенков цвета по сравнению с изменениями яркости; повышение информационной плотности результирующего цифрового потока путем выбора оптимального математического кода для его описания (например, использование более коротких кодовых слов для наиболее часто повторяемых значений).

MPEG-последовательности могут быть следующих типов: • I (intra), играющие роль опорных при восстановлении остальных изображений по их разностям; • Р (predicted), содержащие разность текущего изображения с предыдущим 1 или Р с учетом смещений отдельных фрагментов; • В (bidirectionally predicted), содержащие разность текущего изображения с предыдущим и последующим изображениями типов 1 или Р с учетом смещений отдельных фрагментов;

Изображения объединяются в группы - минимальные повторяемые наборы последовательных изображений, которые могут декодированы независимо от других изображений в последовательности. Типичной является группа вида I0 В1 В2 РЗ В4 В5 Р6 В7 В8 Р9 В10 В11)(I12 В13 В14 Р15 В16 В17 Р18..., I-тип повторяется каждые полсекунды.

В РЗ основная часть сцены предсказывается на основании соответствующих смещенных фрагментов изображения I0. Собственно кодированию подвергаются только разности этих пар фрагментов. Р6 "строится" из РЗ, Р9 - из Р6 и т.д. В то же время большинство фрагментов В1 и В2 предсказываются как полусумма смещенных фрагментов из I0 и РЗ, В4 и В5 -из РЗ и Р6, В7 и В8 - из Р6 и Р9 и т.д. В-изображения не используются для предсказания никаких других изображений.

Точность кодирования должна быть максимальной для I, ниже - для R и минимальной - для В.

Установлено, что для типичных сцен хорошие результаты достигаются при отведении числа бит для I в 3 раза больше, чем для Р, и для Р в 2-5 раз больше, чем для В.

Эти отношения уменьшаются для динамичных сцен и увеличиваются для статичных.

Отдельные изображения состоят из макроблоков.

Макроблок - это основная структурная единица фрагментации изображеия. Он соответствует участку изображения размером 16х16 пикселей.

Общее число макроблоков в изображении - 396.

Преобразование макроблоков I-изображений. Все макроблоки I-изображения являются опорными (имеют тип intra) и подвергаются независимому преобразованию. Оно начинается с DCT каждого из шести блоков макроблока. Двумерное DCT определяется как

По физическому смыслу DCT сводится к представлению изображения в виде суммы (ко)синусоидальных гармоник (волн), значения F определяют амплитуды этих гармоник, а координаты m,n - их частоты.

Преобразование макроблоков Р-изображений Макроблоки Р-изображений могут быть :

опорные (intra), кодируемые согласно уже описанной схеме, предсказываемые (predicted), у которых формируются и аналогичным образом преобразуются разности текущего макроблока и подобного ему (смещенного) макроблока из предыдущего I- или Р-изображения.

Опорные блоки обычно требуют для своего кодирования существенно больше информации, но и обеспечивают более высокую точность при восстановлении. Очевидно, что в основном в Р-изображениях присутствуют макроблоки второго типа.

Макроблоки В-изображений могут быть следующих типов –

• опорные (intra), кодируемые сами по себе,

• предсказываемые вперед ( forward predicted) на основании предыдущего изображения,

• предсказываемые назад ( backward predicted) на основании последующего изображения,

• интерполируемые (interpolated) как полусумма обоих предсказаний.

Кодеру предстоит сложная работа с рассмотрением множества различных вариантов и выбора компромиссного между длиной кода и качеством восстанавливаемого изображения.

Ошибки В-изображений в отличие от I- и Р- не накапливаются. Более того, за счет быстрой смены изображений эти случайные ошибки менее заметны.

Стандарт описывает лишь общие принципы компрессии, оставляя детали для изготовителей кодеров

В основе алгоритма заложены особенности восприятия изображения человеком.

Глаз человека намного лучше воспринимает градации яркости, чем цветности; градации одних цветов воспринимаются лучше, других - хуже.

Чаще на экране показывается неподвижный фон и несколько движущихся объектов. Поэтому достаточно лишь передать информацию о базовом кадре, а затем передавать кадры, содержащие информацию о движущихся объектах.

Еще один принцип, который применяется при компрессии изображения в стандарте MPEG2 - это отбрасывание малозначимой информации, аналогичный принципам, используемым в графическом формате JPEG.

Стандарт MPEG-2 [Moving Picture Experts Group][/b] Стандарт MPEG-2 был специально разработан для кодирования ТВ сигналов вещательного телевидения. Он позволяет получить полную четкость декодированного ТВ изображения

Идея стандарта MPEG4 заключается не в стандартизации одного продукта, а в объединении нескольких подстандартов из которых поставщики могут выбрать один, наиболее соответствующий их задачам.

Стандарт H.264/AVC/MPEG-4 Part 10 содержит ряд новых возможностей, позволяющих значительно повысить эффективность сжатия видео по сравнению с предыдущими стандартами,

Использование сжатых ранее кадров в качестве опорных более гибко, чем в предыдущих стандартах. Позволяется использование до 32 ссылок на другие кадры

Независимость порядка воспроизведения изображений и порядка опорных изображений. В предшествующих стандартах устанавливалась жесткая зависимость

Независимость методов обработки изображений и возможности их использования для предсказания движения. В предшествующих стандартах изображения, (например, В-кадры), не использовались в качестве опорных

Компенсация движения с переменным размером блока (от 16x16 до 4x4 пикселя) позволяет крайне точно выделять области движения.