Избыточность ТВ изображений, видеокомпрессия. 
Основные принципы кодирования в стандарте NPEG

Если провести сжатие, характерное для стандартных спутниковых передач, к примеру, преобразование изображений P-типа, то размер изображений, полученных после такой процедуры, не будет превышать одной трети размера исходных изображений I-типа. Если же для трансляции применять видеоряд, построенный на изображениях B-типа, то размер переданных видеоданных не превысит и четверти исходного размера! Проще говоря, если провести эквивалентную параллель с исходной группой из 12-ти элементов, то после кодирования этой группы она будет представлена 4-мя изображениями I-типа. Приведение данной информации было вызвано необходимостью пояснения того, что устранение проблемы временной избыточности является приоритетным направлением при кодировании, иначе размер конечной видеопоследовательности данных был бы в три раза больше, нежели достигнутый. Для того, чтобы уменьшить скорость трансляции по спутниковым каналам, и применяется данный коэффициент, который позволяет передавать при втройне меньшей скорости видеоряд высокого качества, обработанный лишь MPEG-2 кодеком, работающим с группами исходных изображений смешанных типов. Важным моментом при организации вещательного канала является то, что работа с видеопоследовательностями, содержащими большее количество базовых изображений, позволяет получить еще более высокий КПД при ликвидации временной избыточности. Интересно, что необходимость выполнения этого необычного процесса приводит к появлению большего количества дефектов изображения по сравнению с более старыми технологиями компрессии. Однако отличительной особенностью рассматриваемого нами формата является то, что после применения MPEG-2, человек хуже замечает различные артефакты трансляции, если нестатические объекты движутся с максимально возможной для них скоростью. Однако, изучив оба этих довода, трудно отдать преимущество одному из режимов кодирования, однако в условиях высоких технологий, MPEG-2, с его инновационными решениями по сокращению временной избыточности, является наиболее уместным способом компрессии видеоданных на любом этапе последовательной структуры потока видеоинформации.

Следующим вопросом, на котором мы остановимся подробнее, станет изучение наиболее распространенных режимов работы кодирующих устройств, применяемых при компрессии видеоданных. Обычно выделяют два основных способа работы кодера компрессии — либо с неизменной скоростью потока информации, либо с неизменным качеством дважды преобразованного изображения. Для управления скоростью потока информации применяется, как правило, регуляция значений матрицы квантования: при использовании наиболее грубого квантования матрица базовых коэффициентов будет иметь наибольшее количество нулевых элементов в своей структуре, что автоматически означает, что объем транслируемых данных будет наименьшим и, скорее всего, недостаточным для необходимой трансляции информации о непосредственно самом изображении. Но если взглянуть на эту проблему под другим углом, то становится очевидным, что увеличение уровня сжатия не является панацеей, поскольку оно приводит к более широкому распространению шумов квантования, которые вызывают дефекты в изображениях видеопоследовательности.

Если провести подобные аналогии при рассмотрении режима с неизменным уровнем качества транслируемого сигнала, то можно заметить, что в этом режиме находит применение фиксированная матрица квантования, которая, однако, позволяет управлять скоростью потока сжатого видеоизображения. Число нулевых элементов в матрице коэффициентов, составленной при косинусном способе преобразования, будет меньше, если предмет движется с наибольшей скоростью в поле наблюдения, и если разрешение и разрядность изображения будут наивысшими. Также это позволяет передавать данные гораздо больших размеров при этом используя несравнимо большую скорость потока. Наиболее уместным применение данного режима работы кодирующего устройства выглядит в случае записи максимально сжатых потоков видеоинформации на дисковые и флэш-накопители, притом, что ограничения на размер записываемых на носитель данных не существуют. Естественно, что необходимым условием применения данного режима в этой конкретной ситуации будет ограничение на скорость записываемого потока видеоданных, что легко объяснимо, ведь эта характеристика коммуникационного вещания не может увеличиваться до сколь угодно больших значений.

Когда применяется способ передачи информации, при котором скорость самого потока информации не изменяется с течением времени, кодирующий элемент занимается беспрерывной вариацией коэффициентов матрицы квантования. В этом случае действует правило, при котором использование более мелких объектов изображения и постоянное изменение изображения во времени приводят к гораздо более жесткому квантованию, которое вынуждено применяться в кодере, иначе необходимая для трансляции скорость передачи видеоряда не будет достигнута ни при каких условиях. Вышеприведенная информация лишний раз подчеркивает то, что в преобразованных на каждом из этапов потоках видеоданных с достаточно большим числом разнообразных мелких деталей, динамически меняющих свое местоположение на поле изображения, будет заведомо большее количество случаев появления различного вида дефектов и артефактов из-за эфирных шумов квантования. Причем количество этих искажений будет значительно превышать число дефектов, которые можно обнаружить в статичных изображениях с более крупными, по сравнению с приведенными выше, элементами потока данных. Эта особенность рассматриваемого режима делает его привлекательным решением для применения в устройствах для трансляции сжатых изображений через любые каналы связи с ограниченной, неизменяемой пропускной способностью, а также в коммуникационных сетях спутникового, цифрового и кабельного телеи радиовещания.

Следует обратить особое внимание на тот факт, что если сжатие потока видеоданных происходит не в реальном времени, то возникает возможность применения иных способов, способных осуществлять контроль над скоростью трансляции видеопоследовательностей. В качестве самой простой альтернативы можно упомянуть о том, что существует весьма заманчивая возможность осуществления сжатия изображений не в один, как это обычно происходит, а в два прохода. В этом случае, во время первого прохода происходит поиск правил, по которым будет происходить компрессия, и которые помогут добиться получения изображения наилучшего качества при существовании ограничений на строго регламентированный объем свободного дискового пространства. Во время второго прохода найденные правила применяются во время сжатия, после чего полученные результаты будут удовлетворять всем необходимым требованиям. Еще одним не менее важным примером более рационального использования кодирующих устройств является поступательная запись исходных изображений с динамически перемещающимися в пределах поля изображения предметами. В этом случае, сначала происходит предварительный просмотр, который позволяет кодеру найти интервалы разбиения и промаркировать их для того, чтобы в них находились изображения I-типа, что увеличит размер компрессируемого видеоряда, однако позволит зрителю просматривать спутниковые трансляции более высокого качества. Этот способ применяется не только в сфере коммуникаций, но и при записи видео на лазерные накопители.

После прохождения процедуры сжатия начальные изображения потока данных уменьшаются в размере, что делает возможной их передачу по низкоскоростным каналам. Если применять двустороннее создание конечных шаблонов, можно добиться создания ситуации, при которой декодер будет осуществлять преобразование B-изображения после получения информации об успешном приеме и декодировании соседних начальных изображений, на основе которых были созданы оба конечных шаблона. Желательно, чтобы данные, выходящие из кодирующего устройства транслировались не в кодированном, а в декодированном виде (ряд I-B-P-P должен быть представлен в виде I-P-P-B), что позволит избежать применения в декодере буферов большого объема.

Заключение

Возможности формата MPEG-2 широки, поэтому он применяется во всех цифровых сферах современного общества. Это стало возможным еще и потому, что в режиме MPEG-2 для более удобной организации грамотной работы всех приложений были созданы так называемые профили, которые способствовали максимальной производительности устройств, разработанных сторонними производителями, но используемых при компрессии, трансляции и прочих операциях, связанных со стандартом MPEG-2. Чтобы не вдаваться в подробные описания понятия профиль, каждое из которых может кардинальным образом отличаться от другого, приведем наше определение. Итак, профиль — это подуровень стандарта, который используется для решения уникальных задач, способный создавать алгоритмы и пути наиболее уместной в каждом отдельном случае компрессии.

Выделяют несколько профилей: Simple, Main, SNR (Signal-to-Noise-Ratio), Spatial, High, 422. Расскажем про некоторые из них.

SNR — профиль с масштабируемым квантованием — способен работать с абсолютно любыми изображениями, в основе работы кодера лежит стандартное преобразование с применением конечного шаблона с восполнением движения, дискретного косинусного преобразования и квантования ошибки конечного шаблона. Интересно, что конечные данные этого кодирующего устройства образуют на выходе фундаментальный слой цифрового потока данных. Возникающая при начальной обработке ошибка квантования преобразуется и транслируется в вершину структуры потока информации. Ресивер вынужден декодировать один фундаментальный уровень потока, что приводит к изображению хорошей детализации, или оба фундаментальных уровня, что помогает существенно снизить шумы квантования.

Профиль Spatial — профиль с масштабируемым в пространстве разрешением — как и предыдущий профиль способен выполнять работу над любыми группами изображений. Этот профиль отличается от других тем, что помимо стандартного базового уровня в иерархической структуре имеет еще и несколько дополнительных уровней, при преобразовании которых можно получать видеопоследовательность с наивысшим разрешением.

Список литературы

Брайс Р. Справочник по цифровому телевидению.

М.: Эра., 2001/- 230с.

Зубарев Ю.Б., Кривошеев М. И., Красносельский И. Н. Цифровое телевизионное вещание. — М.: НИИР., 2001.-568 с.

Локшин Б. А. Цифровое вещание: от студии к телезрителю. — М.: Сайрус Системс., 2001. 446с.

Ситников В. П. Техника и технология средств массовой информации: Периодическая печать/ М.: Фак-т журн. МГУ, 2002. — 175 с.

Голядкин Н. А. Краткий очерк становления и развития отечественного и зарубежного телевидения. — М., 2001. — Ч.

1. — 92 с.; Ч. 2. — 72 с.

Локшин Б. А. Цифровое вещание: от студии к телезрителю. — М.: Компания Сайрус системе, 2001. — 446 с.

Лузин В. И. Основы телевизионной техники: Учебное пособие. — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. — 432 с.: ил.

Назарьев В. В. Цвет: компьютерная обработка цветных изображений. — М.: Эком, 1996. — С. 11−37, 38−45.

Саруханов В. А. Азбука телевидения: Учебное пособие для вузов. — М.: Аспект-Пресс, 2003 — 223 с.

Харитонов М. И. Цифровая видеозапись. — М.: Изд-во ИПК работников телевидения и радиовещания, 1992. — 147 с.