Потребности и ресурсы видеокомпрессии

Глава 5. Видеокомпрессия

Стандарты видеокомпрессии

В настоящее время для целей цифрового телевизионного вещания (ЦТВ) используется два стандарта видеокомпрессии MPEG-2 (1995 г.) и MPEG-4 Part 10/ H.264 (2003 г.). Оба стандарта используют практически одинаковый набор процедур, только для стандарта нового поколения (H.264) эти процедуры подвергнуты существенной модернизации. Совершенствование процедур компрессии в стандарте H.264 привело к двукратному увеличению коэффициента сжатия по сравнению с MPEG-2 при одинаковым качестве компрессированного видео [5.1, 5.2].

В табл. 5.1 приведены данные, позволяющие сравнить стандарты компрессии MPEG-2 и H.264. Из таблицы видно, что преимущества стандарта H.264 достигаются за счёт следующих факторов:

- увеличена вдвое (до 0,25 пикселя) точность компенсации движения;

- для прогнозирования P- и B-кадров разрешено дополнительно использовать в качестве опорных любые 4 P-кадра в группе кадров (GOP);

- расширен ассортимент алгоритмов энтропийного кодирования;

- для уменьшения заметности блочной структуры в восстановленном (декомпрессированном) изображении предусмотрено применение деблочного фильтра (deblocking filter).

Потребности и ресурсы видеокомпрессии

В табл. 5.2 приведены данные, характеризирующие пропускную способность некоторых современных каналов ЦТВ.

Для сравнения в табл. 5.3 приведены значения скорости цифрового потока при цифровом представлении сигналов яркости и цветности стандартного телевидения и телевидения высокой чёткости. Из таблицы видно, что скорость цифрового потока на выходе ТВ датчиков многократно превышает пропускную способность доступных каналов связи.

Таблица 5.1 Сравнение стандартов видеокодирования
Параметр	Стандарт
MPEG-2	H.264
Сложность кодера	Средняя	Высокая
Совместимость с предыдущими стандартами	Да	Нет
Битовая скорость	2-15 Мбит/с	0,064-150 Мбит/с
Опорный кадр	Только один для GOP	До 5 в GOP
Размер макроблока	16×16 (прогрессивная развертка) 16×8 (чересстрочная развертка)	16×16
Размер блока	8×8	8×8, 8×16, 16×16, 4×8, 4×4
Точность компенсации движения	0,5 пикселя	0,5 или 0,25 пикселя
Тип преобразования	Дискретное косинусное (DCT)	Целочисленное 4×4
Размер блока для преобразования	8×8	4×4
Шаг квантования	Постоянный	Переменный
Энтропийное кодирование	RLE + Хаффман	Коды Голомба, адаптивные VLC, адаптивное арифметическое кодирование
Наличие деблочного фильтра	Нет	Да
Таблица 5.2 Пропускная способность каналов ЦТВ
Канал ЦТВ	Полоса частот П (МГц)	Вид модуляции	Спектральная эффективность модуляции	Пропускная способность канала ЦВТ
Спутниковый		4-КАМ
Наземный	7,61	COFDM (16-КАМ)	2,84	21,6
Кабельный		64-КАМ

Таблица 5.3

Цифровой поток на выходе ТВ датчика

Параметры	Стандартное ТВ	Телевидение высокой четкости ТВЧ
Регламентирующий документ	Рекомендация ITU-R ВТ.601	Рекомендация ITU-R ВТ.709
Разрешение (матрица отсчетов)	576×720	1080×1920
Формат цветовой дискретизации	4: 2: 2	4: 2: 2
Частота дискретизации сигнала яркости Y	13,5 МГц	74,25 МГц
Частота дискретизации цветоразностных сигналов и	6,75 МГц	37,125 МГц
Формат кадра	4: 3	16: 9
Скорость цифрового потока при кодировании 10 бит/отсчёт	270 Мбит/с	1485 Мбит/с

Разрыв между скоростью цифрового потока и пропускной способностью доступных каналов связи устраняется путем сжатия (компрессии) цифровых телевизионных сигналов. Принцип сжатия видеоданных основан на устранении избыточности, присущей стандартным сигналам аналогового телевидения. Различают следующие три вида избыточности:

1. Структурная избыточность заключается в том, что сигналы изображения передаются только во время прямого хода разверток, а время обратного хода расходуется на передачу служебных сигналов (гасящих и синхронизирующих импульсов). Коэффициент сжатия , достигаемый при устранении данного вида избыточности, вычисляется по формуле

, (5.1)

где , – периоды строчной и кадровой разверток, а , – длительности прямого хода строчной и кадровой разверток. Величина коэффициента показывает, во сколько раз может быть уменьшена полоса частот цифрового сигнала при сохранении качества изображения. Для стандарта России

. (5.2)

2. Физиологическая (психовизуальная) избыточность заключается в том, что пространственная разрешающая способность зрения различна для яркостной и цветовой компоненты изображения; контрастная чувствительность зрения к мелким деталям изображения значительно ниже, чем к крупным деталям; чувствительность зрения к яркостным и цветовым искажениям подвижных (динамических) фрагментов изображения существенно ниже, чем для неподвижного изображения. На основе сокращения физиологической избыточности построены, например, совместимые системы цветного телевидения, в которых полоса частот цветоразностных сигналов снижена в четыре раза по сравнению с яркостным сигналом. В стандарте MPEG-2 используется формат цветовой дискретизации 4: 2: 0, в котором на каждые четыре отсчета сигнала яркости Y, составляющие матрицу 2×2, приходится по одному отсчету цветоразностных сигналов и . Скорость передачи данных (по сравнению с форматом ) снижается вдвое, т.е. .

3. Статистическая избыточность заключается в наличии сильных корреляционных связей между соседними по пространству и во времени элементами изображения: коэффициент корреляции по горизонтали составляет (в среднем) 0,93; по вертикали – 0,95; межкадровая корреляция – 0,92. Это означает, что большинство значений сигнала можно с высокой точностью предсказать как внутри кадра, так и за его пределами. В простейшем случае предсказанное значение цвета (т.е. яркости и цветности) очередного элемента приравнивается к текущему значению, а по каналу связи передается разность между действительным и предсказанным значением цвета. Декоррелированное таким образом изображение соответствует сигналу, отсчеты которого в 90 и более процентах случаев равны нулю или близки к нулевому значению.

Для такого рода сигналов с целью уменьшения скорости передачи данных используется энтропийное кодирование, когда для наиболее вероятных и часто встречающихся значений сигнала используются короткие кодовые комбинации, а наиболее ценные «новые» значения сигнала, которые встречаются относительно редко, передаются длинными кодовыми словами. Примером энтропийного кодирования является кодирование Хаффмана, при котором длина кода обратно пропорциональна частоте появления передаваемого этим кодом уровня сигнала.

При использовании моды сжатия «без потерь» (в схеме рис. 2.14 отсутствует квантователь) преобразователь уменьшает энтропию источника, а энтропийный кодер устраняет кодовою избыточность путём построения эффективного кода, средняя длина которого равна энтропии источника. Коэффициент сжатия в коде «без потерь» невелик (не более 3), что явно недостаточно для обеспечения потребностей цифрового телевещания. Поэтому стандарты видеокомпрессии предусматривают сжатие с потерями, уровень которых может регулироваться на этапе квантования.

В табл. 5.4 приведены минимальные значения коэффициента компрессии для трёх уровней стандарта MPEG-2.

Потери информации при таких коэффициентах сжатия практически незаметны для зрителя, т.е. обеспечивается близкое к максимальному качество изображения при заданном разрешении. Дальнейшее увеличение сжатия (в несколько раз) возможно в рамках стандарта MPEG-2 путем увеличения допустимого уровня потерь, т.е. некоторого снижения качества изображения.

В связи с тем, что более поздние по сравнению с MPEG-2 стандарты компрессии имеют похожий набор инструментом, целесообразно подробное изучение процесса сжатия видеоданных провести на основе стандарта MPEG-2.

Таблица 5.4

Компрессия данных в стандарте MPEG-2