ГЛАВА 3. ОСНОВЫ ВИДЕОКОДИРОВАНИЯ

3.1. Введение

Сжатием или компрессией информации называется процесс ее «сгущения», при котором цифровые данные приводятся к форме, требующей меньше бит для их хранения. При сжатии (кодировании) видео происходит уменьшение объема цифрового видеосигнала, который отображает это видеоизображение. «Сырой», несжатый цифровой видеосигнал требует огромной битовой скорости для его передачи в реальном масштабе времени (примерно 216 Мбит/с для представления несжатого видео стандартного телевизионного качества, см. гл. 2). Поэтому компрессия видео необходима для его практического хранения и передачи по цифровым сетям.

Для сжатия цифрового видео необходимо иметь две дополняющие друг друга системы: компрессор (кодер) и декомпрессор (декодер). Кодер преобразует источник видеоданных в сжатую форму (занимающую меньший объем) для дальнейшей передачи или хранения видео, а декодер делает обратное преобразование, возвращая сжатую форму видеоданных к ее исходному виду, пригодному для показа зрителю. Пару кодер/декодер принято называть «кодек» (КОдер/ДЕКодер) (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Кодер/декодер.

Сжатие данных достигается с помощью удаления избыточности, т.е. таких компонентов данных, без которых можно обойтись для верного отображения исходной информации. Многие типы данных содержат в себе статистическую избыточность. Такие данные можно эффективно сжимать, используя компрессию без потерь.

Последнее означает, что при реконструкции данных на выходе декодера генерируется полная копия исходных данных. К сожалению, сжатие без потерь применительно к компрессии изображений и видео дает относительно небольшой выигрыш. Наилучший результат, который можно достичь с помощью известных стандартных алгоритмов, таких как JPEG-LS [1], дает коэффициент сжатия примерно в 3-4 раза по отношению к исходному объему данных. Для достижения большей эффективности сжатия приходится применять сжатие с потерями. В системе сжатия с потерями разжатые данные не совпадают с оригинальным источником, а для высокой степени сжатия приходится жертвовать визуальным качеством видеоданных. Методы видеосжатия с потерями основаны на удалении субъективной избыточности, т.е. тех элементов изображения которые можно удалить без заметного влияния на зрительское восприятие видео.

пространственная корреляция

Рис. 3.2. Пространственная и временная корреляция видеокадров.

Большинство методов видеокодировнния используют оба типа избыточности: временную и пространственную, для достижения эффекта сжатия. Во временной области имеется значительная корреляция (сходство) между видеокадрами, зафиксированными в близкие моменты времени. Смежные по времени кадры (следующие по порядку друг за другом) имеют высокую степень корреляции, особенно при большой частоте кадров. В пространственной области также наблюдается высокая зависимость величин пикселов (сэмплов), лежащих близко друг к другу (рис. 3.2).

Стандарты H.264 и MPEG-4 Visual (которые будут подробно описаны в гл. 5 и 6) имеют много общих черт. Оба стандарта подразумевают «модель» кодека, которая использует компенсацию движения на основе блоков, преобразование, квантование и энтропийное кодирование. В этой главе будут разобраны все основные компоненты этой модели, начиная с временной модели (оценки движения и компенсация) и продолжая преобразованием изображений, квантованием, прогнозирующим и энтропийным кодированием. В конце главы мы совершим экскурсию по базисной модели и проделаем процедуры кодирования и декодирования для конкретного блока сэмплов изображения.