Кодирование/декодирование видеоинформации в стандарте MPEG-2

В современных системах цифрового многопрограммного телевизионного вещания для кодирования и обработки информации довольно широко используется группа алгоритмов, известная под названием стандарт MPEG-2. Стандарт создан объединенными усилиями Международной организации по стандартизации (ISO) и Международной электротехнической комиссии (IEC). Он содержит описание методов сжатия и декомпрессии видео- и аудиосигналов, способов мультиплексирования сжатых сигналов и служебной информации от нескольких источников в единый пакетированный (транспортный поток) цифровых данных, предназначенный для передачи по каналу связи. Большая гибкость алгоритмов MPEG-2 позволяет проектировать телевизионные системы различного назначения и качества от видеотелефона до ТВЧ.

На рис. 5.1 приведена упрощенная схема алгоритма работы видеокодера/декодера MPEG-2. При разомкнутых ключах К предикторов (предикторы отключены) в системе реализуется режим Motion JPEG, когда каждый кадр независимо от других кадров сжимается по алгоритму JPEG, разработанному для неподвижных изображений. Алгоритм основан на применении дискретного косинусного преобразования ДКП с последующим энтропийным кодированием. Эффект сжатия достигается за счет грубого квантования высокочастотных компонент пространственного спектра изображения. Возникающие при этом искажения в восстановленном изображении малозаметны для зрителя, если в сжатом сигнале передается в среднем не менее двух бит на пиксель. При 10-битном кодировании в формате 4: 2: 2 это приблизительно соответствует коэффициенту сжатия 10. Кадры, сжимаемые на основе внутрикадровой информации, обозначаются как I -кадры (Intra) и для них

. (5.3)

Более подробно алгоритм внутрикадрового сжатия будет рассмотрен позднее, а пока отметим, что степень сжатия (5.3) недостаточна для цифрового телевизионного вещания. При замыкании ключей К в предикторах кодер и декодер MPEG-2 переходят в режим работы, соответствующий дифференциальной импульсно-кодовой модуляции с изолированием ошибок. Теперь в канал связи поступают сжатые сигналы межкадровой разности (МКР). Поскольку объем сигнала МКР во много раз меньше объема входного видеокадра, коэффициент сжатия для таких сигналов также увеличивается приблизительно в три раза. Сигнал МКР формируется на входе процессора ДКП путем вычитания из сигнала текущего кадра его предсказанного значения. В роли предсказанного значения сигнала выступает реконструированный сигнал предыдущего кадра с выхода предиктора. Такой метод предсказания называется прямым предсказанием. Кадры, сжимаемые на основе прямого предсказания, обозначаются как P-кадры (previous) и для них

. (5.4)

Рис. 5.1. Видеокодер/декодер MPEG-2 (ДКП – дискретное косинусное преобразование; КВ – квантователь; предиктор – устройство предсказания)

Непрерывная работа в режиме P -кадров невозможна, так как в рециркуляторе на выходе декодера накапливаются ошибки за счет канала связи, которые, в конечном итоге, разрушают изображение. Необходимо периодическое обновление информации, циркулирующей в предикторах. Период обновления может быть любым, однако практически используется длительность цикла, равная 1÷4 с. На рис. 5.2 приведён пример, когда ключи К размыкаются на время кадра 1 раз за 12 кадров. В результате образуется группа кадров GOP, содержащая один I -кадр и одиннадцать P -кадров.

Обработка информации в группе ведется независимо от других групп. Во время I -кадра ошибки, накопленные в восстановленном изображении за время предыдущего цикла, обнуляются, а сам I -кадр является эталоном для формирования следующего за ним P -кадра.

Можно показать, что для группы кадров (рис. 5.2) справедливо соотношение:

. (5.5)

Рис. 5.2. Пример группы кадров GOP из I- и P- кадров

Дополнительно увеличить степень сжатия можно, если ввести в состав GOP так называемые B -кадры (Bidirectional), в которых осуществляется предсказание сигнала МКР на основе предшествующего и последующего кадров типа I и P. Фактически в B -кадрах передаются только векторы движения для подвижных фрагментов изображения, а остаточная ошибка предсказания близка к нулю. Коэффициент сжатия для B -кадров увеличивается в полтора раза по сравнению с B -кадрами и составляет примерно

. (5.6)

Типовая GOP, содержащая I -, P - и B -кадры, приведена на рис. 5.3. Для этой группы коэффициент сжатия составляет:

. (5.7)

Поскольку предсказание каждого из B-кадров производится на основе предыдущего и последующего кадров типа I или P, порядок поступления кадров на входе кодека должен быть изменён по сравнению с указанным на рис. 5.3. Эта задача решается путём переупорядочения (ПУ) кадров. Пример такого ПУ видеопоследовательности, разбитой на группы кадров (GOP) по 6 кадров, приведён в табл. 5.5.

Рис. 5.3. Пример GOP I-, P- и B- кадров

Таблица 5.5

Переупорядочение видеопоследовательностей

Параметры кадров	Тип видеопоследовательности
Номер кадра										А – исходная
Тип кадра	I 0	B 1	B 2	P 3	B 4	B 5	I 6	B 7	B 8
Номер кадра										Б – переупорядоченная
Тип кадра	I 0	P 3	B 1	B 2	I 6	B 4	B 5	P 9	B 7

Введение процедур переупорядочения видеопоследовательностей, а также формирование кадров P и B с компенсацией движения существенно усложняет устройство видеокомпрессии по сравнению со схемой рис. 5.1. Типовая схема [5.2, 5.3] видеокодека MPEG с компенсацией движения приведена на рис. 5.4.

ПУ кадров осуществляется в кодеке дважды: на входе, когда исходная видеопоследовательность А преобразуется в переупорядоченную последовательность Б, и на выходе кодека, когда компрессированная, переданная по каналу связи и декомпрессированная видеопоследовательность Б вновь преобразуется в исходную последовательность А, что делает её пригодной для просмотра ТВ программы.

Оценка движения (ОД) производится путём сравнения одноименных макроблоков в двух соседних кадрах (текущем и реконструированном предыдущем). В результате вычисляются по макроблокам векторы движения, которые вместе с квантованными значениями коэффициентов ДКП (поблочно) поступают для сжатия в энтропийный кодер (ЭК).

Рис. 5.4. Видеокодек MPEG с компенсацией движения (ПУ – переупорядочение, ОД – оценка движения, КД – компенсация движения, ЭК/ЭДК – энтропийный кодер/декодер)

Одновременно векторы движения используются в кодере для компенсации движения (КД) в прогнозируемом кадре (по макроблокам).

В декодере процедура КД аналогична, только векторы движения не вычисляются, а используются переданные по каналу связи и выделенные на соответствующем выходе энтропийного декодера (ЭДК).

Ключи К размыкаются на время обработки I – кадров.

Буфер обеспечивает стабилизацию скорости поступления на выход кодера сжатых данных на некотором оптимальном уровне, при котором буфер не перегружен, но и не недогружен.