Форматы сжатия видеоинформации семейства MPEG

Компенсация движения состоит в том, что если перемещение объекта известно, то информацию об этом перемещении можно передавать в виде вектора движения, а декодер может использовать этот вектор для сдвига группы элементов изображения, описывающих объект в предыдущем кадре. Кодер с компенсацией движения действует следующим образом: очередной видеокадр подвергается кодированию, и не только передается, но и запоминается в кодере, чтобы его можно было сравнить со следующим кадром и вычислить векторы движения различных участков; затем предварительно сохраненный кадр смещается в соответствии с этими векторами, и сравнивается с текущим кадром для получения разностных данных. Разностные данные подвергаются сжатию. Таким образом, часть блоков кадра кодируются с помощью вектора движения и разностной информации, другая часть блоков – только с помощью разностной информации.

Компенсация движения и разностное кодирование применяются в стандартах MPEG.

Согласно стандартам MPEG, в потоке видео данных могут присутствовать кадры трех типов:

- полные (intra, I-frame) — их содержимое сохраняется целиком, часто их называют ключевыми, или опорными кадрами;

- предсказываемые (predictable, P-frame) — часть содержимого этих кадров предсказывается на основании содержимого предыдущего кадра типа I или P, часто их называют промежуточными кадрами;

- двунаправленные кадры (bidirectional, B-frames) — часть содержимого этих кадров предсказывается на основании содержимого предыдущих кадров (так же, как и у предсказуемых кадров), а часть — на основании содержимого последующих кадров (например, по мере движения объекта открываются скрытые ранее части фона). В декодере перед обработкой очередного B-кадра необходимо обработать последующий I- или P-кадр, поэтому при кодировании и декодировании требуется большая вычислительная мощность процессора и значительный объем оперативной памяти. Использование кадров типа B обеспечивает значительное увеличение коэффициента сжатия.

Пример последовательности кадров: I BBPBBP I BBPBB I BBP…

Обычно кадры типа I следуют с частотой 1-2 Гц, каждый 3-й кадр должен быть типа I или P.

MPEG-1 Стандарт выпущен в 1992 году. Использовался для передачи видеоинформации по относительно низкоскоростным спутниковым каналам, а также для записи видео на CD диск. Качество видео было сопоставимым с записанным на видеокассету (стандарты VHS и др.), зато качество звука – значительно выше.

Большинство кодеков, созданных на основе стандарта, поддерживают два формата: 352х240 элементов, 30 кадров в секунду, а также 352х288, 25 кадров в секунду («урезанный» стандарт PAL/SECAM), при этом скорость передачи данных не превышает 150 кбит/с. Наивысшее допустимое стандартом разрешение – 4095х4095 элементов, при этом скорость передачи данных достигает 1,5 Мбит/с.

Поддерживаются несколько вариантов разрешения по яркостной и цветоразностным компонентам.

Вариант кодирования	Отношение разрешений Сb/Y (Сr/Y) по горизонтали	Отношение разрешений Сb/Y (Сr/Y) по вертикали
4:4:4	1:1	1:1
4:2:2	1:2	1:1
4:2:0	1:2	1:2
4:1:1	1:4	1:1
4:1:0	1:4	1:4

Перед началом кодирования происходит анализ видеоинформации, выбираются ключевые кадры (типа I), которые не будут изменяться при сжатии, а так же кадры, при кодировании которых часть информации будет удаляться (типов P и B). Стандарт требует, чтобы как минимум каждый 132-й кадр имел тип I.

После разбивки кадров на разные типы осуществляется подготовка к кодированию. Кадр типа I разбивается на блоки 8х8 пикселов. Для кадров типа P и B используется алгоритм предсказания движения, в результате на выход передается следующая информация о блоке:

- вектор движения блока;

- разница между блоком в предыдущих и текущем кадрах, которая и будет подвергаться дальнейшему кодированию.

В случае корректного срабатывания алгоритма предсказания движения объемы кадров разного типа соотносятся друг с другом примерно следующим образом - I:P:B как 15:5:2. Таким образом, происходит значительное уменьшение объема видеоинформации уже на стадии подготовки к кодированию.

Далее производится кодирование, состоящее из трех этапов:

1 Дискретное косинусное преобразование.

2 Квантование с помощью матрицы квантования.

3 Преобразование полученных данных из двумерной формы в одномерную.

В ряде случаев для сглаживания артефактов ДКП применяется «размытие» внутри каждого блока 8х8 пикселов.

После преобразования данных в одномерный формат применяется алгоритм Хаффмана.

Один из недостатков стандарта MPEG-1 – поддержка только прогрессивной развертки.

MPEG-2 Появился в 1995 году. Является развитием стандарта MPEG-1. Главное отличие – повышение разрешения изображения (720х486 элементов, 30 кадров или 60 полукадров в секунду, т.е. поддерживается как прогрессивная, так и чересстрочная развертка). Скорость передачи данных – от 3 до 80 Мбит/с.

Первоначально стандарт использовался для высококачественного спутникового телевещания и студийной видеозаписи. После появления носителей формата DVD стандарт MPEG-2 стал основным для компрессии и хранения видеоданных.

В MPEG-2 стало возможным в процессе кодирования изменять разрядность представления данных – от 8 до 11 бит на одно значение элемента, что делает стандарт значительно более гибким по сравнению с MPEG-1, в котором было только одно фиксированное значение - 8 бит на элемент.

Появилась возможность загрузки отдельной матрицы квантования непосредственно перед каждым кадром, что позволяет добиться повышения качества изображения, особенно быстро движущихся участков.

Новые алгоритмы предсказания движения существенно повысили качество изображения и позволили вставлять ключевые кадры реже по сравнению с MPEG-1.

В стандарте MPEG-2 были введены еще несколько новых алгоритмов компрессии видеоданных.

Scalable Modes. Поток видеоданных делится на три слоя - base, middle и high. Наиболее приоритетный на данный момент слой (например, передний план) кодируется с большей битовой скоростью.

Data Partitioning (дробление данных). Производится дробление блоков размером 8х8 элементов на два потока. Один поток данных, более высокоприоритетный, состоит из низкочастотных (наиболее критичные к качеству) компонентов, другой - из высокочастотных компонентов. В дальнейшем эти потоки обрабатываются по-разному. Благодаря использованию данного алгоритма в MPEG-2 динамические сцены визуально воспринимаются гораздо лучше, чем в MPEG-1.

Temporal Scalability (временное масштабирование). У низкоприоритетного слоя уменьшается количество ключевых блоков информации, при этом высокоприоритетный слой, напротив, содержит дополнительную информацию, которая позволяют восстановить промежуточные кадры, используя для предсказания информацию менее приоритетного слоя

С целью окончательной стандартизации MPEG-2 были введены понятия уровней и профилей. Именно уровни и профили, а также их комбинации позволяют однозначно описать практически любой формат из семейства MPEG-2.

Дата добавления: 2014-01-04