Цифровая обработка ТВ сигналов. Часть 2: Учебное пособие

М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я И Н А У К И РФ

В О Р О НЕ Ж С К И Й Г О С У Д А Р С Т В Е ННЫ Й У НИ В Е Р С И Т Е Т

Бо брешо в А .М ., К о шелев А .Г.

Ц И Ф Р О В А Я О Б РА Б О Т К А Т В С И Г НА Л О В ЧастьII У чебно е по со бие по специально сти 010801(013800) «Радио физика и электро ника»

В О РО Н Е Ж 2005

2

У тверждено нау чно -м ето дическим со вето м физическо го факу льтета про то ко л № 8 о т 13 м арта 2004 го да

А вто ры : Бо брешо в А .М ., К о шелев А .Г.

У чебно е по со бие по дго то влено на кафедре электро ники физическо го факу льтета В о ро нежско го го су дарственно го у ниверситета. Реко м енду ется для м агистро в и сту денто в старших ку рсо в дневно го и вечернего о бу чения.

3

Со держание 5. Ц ифро вая фильтрация… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 4 6. В эй влет-прео бразо вание… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 9 7.О ценка и ко м пенсация движения… … … … … … … … … … … … … … … … … .13 8. М ето ды сжатия изо бражений … … … … … … … … … … … … … … … … … … 15 8.1. М ето д сжатие непо движны х изо бражений по стандарту JPEG… … … … 15 8.1.1.О бщ ие по ло жения. … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..15 8.1.2.Разбиение изо бражения на бло ки. Д К П … … … … … … … … … … … … … .16 8.1.3.К ванто вание ко эффициенто в Д К П … … … … … … … . … … … … … … … ...17 8.1.4.Э нтро пий но е ко диро вание. … … … … … … … … … … … … … … … … … … 20 8.1.5. Ф о рм ат кванто вания JPEG и его реализация … … … … … … … … … … ..22 8.2. М ето д сжатия движу щ ихся изо бражений MPEG-2… … … … … … … … … .23 8.2.1.Гру ппы изо бражений … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 23 8.2.2.М акро бло ки… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 24 8.2.3.П ро грессивная и чересстро чная развертки… … … … … … … … … … … … .24 8.2.4.К о дер видео инфо рм ации… … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..25 8.2.5.П о то квидео данны х… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...29 8.2.6.Д еко дер видео инфо рм ации… … … … … … … … … … … … … … … … … … ..31 8.2.7.М асштабиру ем о сть… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...32 8.2.8.У ро вни и про фили MPEG-2… … … … … … … … … … … … … … … … … … .33 8.3.Стандарт сжатия MPEG-4… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 35 8.3.1.О бъекты и сцены … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...35 8.3.2.К о диро вание видео о бъекто в… … … … … … … … … … … … … … … … … … .36 8.4.И скажение изо бражений при сжатии по стандартам MPEG… … … … … … 39 8.5.Д о стижы м е степени сжатия… … … … … … … … … … … … … … … … … … … .40 9.Д ру гие стандарты ко диро вания видео инфо рм ации… … … … … … … … … … ..41 9.1.Стандарт MPEG-7… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..41 9.1.1.О сно вны е характеристики… … … … … … … … … … … … … … … … … … … .41 9.2.Стандарт ко м прессии Windows Media 9 Serial… … … … … … … … … … … ...42 9.2.1. О сно вны е характеристики… … … … … … … … … … … … … … … … … … … 42 9.2.2.П рактическая реализация стандарта WM 9… … … … … … … … … … … … ..45 Заклю чение… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...46 Л итерату ра… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… ...46

4

5. Ц ифроваяфил ьтрация С по м о щ ью цифро во й фильтрации (Ц Ф ) в телевидении решаю тся такие важны е задачи, как у м еньшение влияния шу м о в и по м ех, разделения сигнало в ярко сти и цветно сти, по вы шения су бъективно го качества изо бражения и т.д. В о сно ве цифро во й фильтрации цифро вы х сигнало в, в частно сти, телевизио нны х, лежит принцип взаим о дей ствия сигнало в, задержанны х о тно сительно дру г дру га. К ро м е то го , о н м о жет бы ть расширен за счет вклю чения в схем у неско льких каскадо в задержки. Н а рис.5.1 по казанпро стей ший вариант схем ы анало го во го Ф Н Ч, и его во здей ствие на фо рм у сигнала прям о у го льно й фо рм ы . К ак видно из рису нка, фро нт вы хо дно го сигнала бо лее по ло гий , чем вхо дно го . Здесь также представлена часто тная характеристика анало го во го Ф Н Ч. В цифро вы х схем ах о тсу тству ю т такие элем енты , как ко нденсато ры или инду ктивно сти, ко то ры е м о гу т испо льзо ваться для изм енения часто тно й характеристики. Н а рис.5.2 по казана бло к-схем а Ц Ф ф у нкции ко то ро го расширены за счет вклю чения неско льких каскадо в задержки. И спо льзу я со четание су м м ато ра и перем енны х ко эффициенто в у м но жения, м о жно по лу чить о чень гибкий спо со б фильтрации сигнала, ко гда фо рм а характеристики фильтра м о жет изм еняться в весьм а широ ких пределах. Е щ е о дним преим у щ ество м , по сравнению с анало го вы м фильтро м , является то , что в о бласти цифро во й о брабо тки сигнало в по до бны й м ето д фильтрации о бретает во зм о жно сть про грам м исту м икро про цессо рно й техники перевести о писание фу нкций прео бразо вания в м икро про цессо рны й ко д для вы по лнения его интегрально й м икро схем о й м икро ко нтро ллера, специально предназначенно го для прим енения в о бласти о брабо тки видео сигнало в. Э то по зво ляет про сты м перепро грам м иро ванием ко эффициенто в в каскадах у м но жителя м о жно реализо ватьсо вершенно разны е фильтры . Бо лее то го , если тако е перепро грам м иро вание про исхо дит в реально м врем ени, по лу чается адаптивны й фильтр, по дстраиваю щ ий ся со гласно требо ваниям ко нкретно го м о м ента, что у до бно для сжатия сигнала и по давления шу м а.

R

В ы х.

В х. C

t

t

Рис.5.1. П ринцип рабо ты анало го во го RC-ф ильтра

П ри решении вы шеперечисленны х задач испо льзу ется как о дно м ерная, таки дву м ерная (про странственная ) фильтрации [1]. В о дно м ерно м слу чае Ц Ф заклю чается в прео бразо вании по следо вательно сти о тсчето в x(i) вхо дно го сигнала в по следо вательно сть о тсчето в y(i) вы хо дно го сигнала по о бщ ей фо рм у ле [1]

5

y(i) = a0 x(i)+ a1(i+1)+… + amx(i-m) + b1 y(i-1) +… + bny(i-n). В х. Сту пенчатая ф у нкция

Зад е рж к а t1

(5.1)

Зад е рж к а t2

0,5

0,25

0,25 0,25

t2

0,25

В ы х.

Рис.5.2. П ринцип рабо ты циф ро во го фильтра

0,5

t1

Значения m и n м о гу т бы ть лю бы м и нату ральны м и числам и, а ко эффициенты aj, bj м о гу т бы ть лю бы м и дей ствительны м и числам и – как по ло жительны м и, так и о трицательны м и. Часть этих ко эффициенто в м о жет бы тьравна ну лю . Е сли хо тя бы о диниз ко эффициенто в bj не равенну лю , Ц Ф назы вается реку рсивны м , так как на теку щ ее значение вы хо дно го сигнала влияю т не то лько значения вхо дно го сигнала, но и бо лее ранние значения вы хо дно го сигнала. Т акие фильтры назы ваю т ещ е фильтрам и с беско нечно й им пу льсно й характеристико й (БИ Х - фильтрам и), так как о ни «по м нят» все преды ду щ ие значения вхо дно го и вы хо дно го сигнало в. Е сли же все ко эффициенты bj =0, Ц Ф назы вается нереку рсивны м или фильтро м с ко нечно й им пу льсно й характеристико й (К И Х – фильтро м ). Н а рис. 5.3 по казана стру кту рная схем а Ц Ф , им ею щ его как реку рсивну ю , так и нереку рсивну ю части. Бло ки z – 1 вы по лняю т задержку сигнала на о дин о тсчет. В о зм о жны и дру гие варианты стру кту ры фильтра с таким же набо ро м ко эффициенто в. Ц Ф , дей ствие ко то ры х о писы вается фо рм у ло й (5.1), являю тся линей ны м и систем ам и для цифро вы х сигнало в, по ско льку вы по лняется принцип су перпо зиции. П о это м у по анало гии санало го вы м и фильтрам и дей ствие Ц Ф на сигнал м о жно о писатько м плексно й часто тно й характеристико й H(jω ). Е сли исхо дны й анало го вы й сигнал представляется в виде ко м плексно й сину со иды ejω t , то по лу чаю щ ий ся изнего при дискретизации цифро во й сигнал бу дет им етьвид ко м плексно й по следо вательно сти x(n)= ejω nT, где Т – перио д следо вания о тсчето в, т.е. перио д дискретизации, n = 0,1,2,… . Сигнал на вы хо де Ц Ф в это м слу чае бу дет им етьвид y(n) = x(n) H(jω ).

6

Число у ро вней кванто вания при тако м по дхо де канализу Ц Ф считается насто лько бо льшим , что о шибко й кванто вания м о жно пренебречь. К ак и в слу чае анало го вы х фильтро в, м о ду ль ф у нкции H(jω ) – ф у нкция H(jω ) – назы вается ам плиту дно -часто тно й характеристико й (А ЧХ ) Ц Ф , по казы ваю щ ей , как изм еняется ам плиту да сину со идально й по следо вательно сти о тсчето в при про хо ждении через Ц Ф . П ри часто тно м анализе Ц Ф следу ет у читы вать, что до лжно вы по лняться у сло вие ω ≤ πТ, вы текаю щ ее из тео рем ы К о тельнико ва. x(n) z -1 a0

a1

z -1

z -1

a2

am

y(n)

∑ bk

z -1

b2

z -1

b1

z -1

Рис.5.3. Стру кту рная схем а Ц Ф

Рассм о трим неско лько прим еро в А ЧХ Ц Ф (рис.5.4) [1]. П о го ризо нтали о тло жена часто та сигнала, вы раженная в до лях часто ты дискретизации и изм еняю щ аяся о т 0 до 0,5. Н а рис.5.4,а представлена А ЧХ нереку рсивно го Ф Н Ч, у ко то ро го а0 = а1 = а2 = а4 = 1, а все о стальны е ко эффициенты равны ну лю . Т ако й фильтр вы по лняет сглаживание пу тем у среднения в «ско льзящ ем » о кне разм еро м пять о тсчето в сигнала. Х арактеристика это го Ф Н Ч далека о т идеально й . Н а рис.5.4,б представлена А ЧХ реку рсивно го фильтра Ф Н Ч Баттерво рта четверто го по рядка. Т ако й фильтр представляет со бо й по следо вательно е со единение дву х реку рсивны х фильтро в вто ро го по рядка, стру кту рная схем а каждо го из ко то ры х со о тветству ет рис.5.3. П ервы й из этих фильтро в им еет ко эффициенты а0 = 0,0722; а1 = 0,1444; а2 = 0,0722; b1 = 0,9699; b2 = - 0,2587. В то ро й фильтр им еет ко эффициенты а0 = 0,0922; а1 = 0,1845; а2 = 0,0922; b1 = 1,2388; b2 = - 0,6078. О стальны е ко эффициенты о бо их фильтро в равны ну лю . А ЧХ по лу ченно го фильтра четверто го по рядка им еет часто ту среза, равну ю 0,1

7

часто ты дискретизации. П о вы шение по рядка фильтра дает во зм о жно сть у величиватькру тизну среза А ЧХ . П у сть x(i,j) – исхо дно е изо бражение, y(i,j) – изо бражение, по лу чаю щ ееся в резу льтате фильтрации, a(m,n) – м атрица, задаю щ ая дву м ерны й фильтр и им ею щ ая разм еры М по го ризо нтали и N по вертикали, причем M и N до лжны бы ть нечетны м и числам и. Д ей ствие дву м ерно го нереку рсивно го фильтра м о жет бы тьо писано следу ю щ ей фо рм у ло й M −1 N −1

∑ ∑ a(m, n) x[i + m − ( M − 1) / 2, j + n − ( N − 1) / 2] ,

y ( i, j ) =

(5.2)

m =0 n =0

где i – но м ер стро ки; j – но м ер элем ента в стро ке. К ак видно из это й фо рм у лы , кажды й элем ент вы хо дно го изо бражения представляется су м м о й элем енто в вхо дно го изо бражения, у м но женны х на заданны е в м атрице фильтра ко эффициенты . Число у читы ваем ы х со седних элем енто в вхо дно го изо бражения о пределяется разм еро м м атрицы фильтра. 1,0 а) 0,5

0 - 0,5 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

1,5 1,0 б) 0,5

0 0

1,0

в)

0,5

0 0

0,1 0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Рис.5.4. А ЧХ нереку рсивно го Ф Н Ч (а), реку рсивно го Ф Н Ч (б) и реку рсивно го режекто рно го фильтра (в)

8

П ро стей шие дву м ерны е фильтры им ею т м атрицу 3х3. Н иже приведено неско лько прим еро в фильтро в тако го типа [1,2]. П ро странственно -часто тная характеристика (дву м ерны й анало г А ЧХ ) для таких фильтро в в слу чае, ко гда м атрица фильтра сим м етрична как о тно сительно среднего сто лбца и средней стро ки, так и о тно сительно о бо их главны х диаго налей , рассчиты вается по фо рм у ле

H ( µ ,ν ) = a 0 + 2a1 (cos µ + cosν ) + 2a 2 [cos(µ + ν )],

(5.3) где а0 – число в центрально й ячей ке м атрицы фильтра; а1 – числа в средних ячей ках верхних и нижних стро к и бо ко вы х сто лбцо в, а2 – числа в у гло вы х ячей ках. К ро м е то го , μ = 2πfx , ν= 2πfy , fx и fy – про странственны е часто ты по ко о рдинатам x и y. П ервы й фильтр (рис.5.4а) является фильтро м низких про странственны х часто т. Значение ярко сти каждо го элем ента вы хо дно го изо бражения о пределяется пу тем у среднения значений ярко сти ближай ших к нем у со седних элем енто в исхо дно го изо бражения. Су м м а всех ко эффициенто в м атрицы равна 1, что нео бхо дим о для со хранения среднего значения ярко сти изо бражения при фильтрации. П ро странственно -часто тная характеристика это го фильтра по казана на рис. 5.5,а. П ро странственны е часто ты fx и fy изм еряю тся в до лях про странственно й часто ты дискретизации (т.е. величины , о братно й рассто янию м ежду со седним и о тсчетам и) по со о тветству ю щ ей ко о рдинате, и каждая из них изм еняется в диапазо не о т 0 до 0,5. Т ако й фильтр у м еньшает зам етно сть шу м а на изо бражении, но при это м сглаживаю тся резкие перепады ярко сти, у ху дшается передача границ о бъекто в, м о гу т про падатьм елкие детали изо бражения. В то ро й фильтр рис.5.4, б) является фильтро м вы со ких про странственны х часто т. Значения со седних элем енто в вы читаю тся из центрально го элем ента изо бражения. Су м м а всех ко эффициенто в равна 1. В резу льтате фильтрации по дчеркиваю тся границы о бъекто в, по вы шается резко сть изо бражения, но о дно врем енно стано вится зам етны м шу м . П ро странственно -часто тная характеристика это го фильтра по казана на рис. 5.5,б. Т ретий фильтр (рис.5.4,в) о тно сится к так назы ваем ы м о перато рам Л апласа. Су м м а ко эффициенто в в о тличие о т преды ду щ их фильтро в равна 0, вследствие чего средний у ро вень ярко сти изо бражения при фильтрации не со храняется. Н азначение фильтро в, реализу ю щ их о перато р Л апласа, – вы делить то лько границы о бъекто в, т.е. линии, по ко то ры м про исхо дит резко е изм енение ярко сти. О бласти спо сто янно й или м едленно м еняю щ ей ся ярко стью тако й фильтр прео бразу ет в тем ны е у частки изо бражения. Д ву м ерная фильтрация широ ко испо льзу ется при о брабо тке изо бражений на ко м пью тере. П ри это м о тдельны й кадр Т В изо бражения или изо бражение, по лу ченно е каким -либо дру гим спо со бо м , вво дится в ко м пью тер и по двергается фильтрации с целью сглаживания шу м о в, вы деления границ о бъекто в, по вы шения четко сти и т.д. Д ву м ерная фильтрация в реально м врем ени со ско ро стью Т В развертки часто реализу ется с по м о щ ью

9

параллельны х вы числительны х у стро й ств, специальны х про цессо ро в свертки и дру гих аппаратны х средств. П о м им о вы по лнения фильтрации пу тем свертки цифро во го сигнала с м атрицей , задаю щ ей фильтр, во зм о жно вы по лнение фильтрации в часто тно й о бласти. Д ля это го вы по лняется Д П Ф исхо дно го сигнала, по лу ченны й набо р ко эффициенто в Д П Ф по членно у м но жается на набо р чисел, представляю щ их часто тну ю характеристику фильтра, по сле чего вы по лняется о братно е Д П Ф . Т ако й вариант вы по лнения фильтрации во м но гих слу чаях по зво ляет до бится лу чших м атериало в, чем свертка, но требу ет значительно бо льшего о бъем а вы числений . Ф ильтры , заданны е фо рм у лам и (5.1) и (5.2), являю тся линей ны м и. К ро м е линей ны х фильтро в, бо льшо е значение им ею т и нелиней ны е фильтры , для ко то ры х принцип су перпо зиции не вы по лняется. О дним из наибо лее известны х видо в нелиней ны х фильтро в являю тся медианные фильтры . П ринцип дей ствия тако го фильтра м о жно по яснить следу ю щ им о бразо м . Д ля по лу чения каждо го элем ента вы хо дно го сигнала берется со о тветству ю щ ий элем ент вхо дно го сигнала и неко то ро е ко личество предшеству ю щ их ем у и следу ю щ им за ним элем енто в вхо дно го сигнала. Значения этих элем енто в у по рядо чиваю тся по во зрастанию или у бы ванию . Д алее берется центральны й по по рядку членпо лу ченно й по следо вательно сти и его значения присваивается элем енту вы хо дно го сигнала. Н априм ер, если взято 3 преды ду щ их и 3 по следу ю щ их элем ента вхо дно го сигнала, то в по следо вательно сти бу дет 7 члено в, и по сле у по рядо чивания элем енту вы хо дно го сигнала присваивается значение 4-го члена по следо вательно сти. П ри фильтрации изо бражения прим еняю тся дву м ерны е м едианны е фильтры . П ри это м у читы ваю тся со седи не то лько по го ризо нтали, но и по вертикали. М едианны й фильтр хо ро шо у страняет то чечны е по м ехи и шу м ы , со храняя при это м резкие перепады ярко сти на границах о бъекто в. О днако тако й фильтр м о жет по давить в изо бражении м елкие детали, разм еры ко то ры х м еньше разм еро в м аски фильтра, о пределяю щ ей у читы ваем ы е со седние элем енты . 6.В эйвл ет-преобразование Су щ еству ет спо со б о брабо тки и передачи сигнала, о сно ванны й на разло жении сигнала на со ставляю щ ие по разрешаю щ ей спо со бно сти. Т ако й по дхо д о казы вается о со бенно про ду ктивен для передачи изо бражений . К ак известно , изо бражение со сто ит из кру пны х деталей со ставляю щ их о сно ву его со держания, и м елко й стру кту ры . В о м но гих слу чаях по лезно разделить у казанны е со ставляю щ ие, что бы передавать их раздельно , а в прием но й части систем ы о бъединитьэти со ставляю щ ие в по лно е изо бражение. Д ля решения это й задачи испо льзу ется по дхо д, о сно ванны й на прим енении о рто го нально го вэй влет-прео бразо вания (Wevelet-Transform – WT). Т ерм ин wavelet до сло вно перево дится как «м аленькая во лна». В о тличие о т гарм о нических о рто го нальны х ф у нкций , ко то ры е перио дически изм еняю тся

10

на всем интервале изм енения аргу м ента, базисны е ф у нкции вэй влетпрео бразо вания о тличны о т ну ля то лько в о граниченно м о трезке это го интервала. П о лны й набо р таких фу нкций , со ставляю щ их базиспрео бразо вания, по кры вает весьинтервал изм енения аргу м ента. Резу льтато м вэй влет-прео бразо вания является набо р ко эффициенто в. В о сстано вление сигнала по этим ко эффициентам назы вается о братны м вэй влет-прео бразо ванием (Inverse Wevelet Transform – IWT). П ро сты м прим еро м вэй влет-прео бразо вания является разло жение сигнала по базису Х аара. Базисная aetrwbz прео бразо вания Х аара, по казанная на рис.6.1, а, назы вается scale-function или scaling-function. О рто го нальны й базис Х аара по лу чается пу тем сдвига базисно й ф у нкции сшаго м равны м единице во всево зм о жны е по ло жения по о си абсцисс.

1

1

-

-

0,5 -

0,5 -

0

0 0,5

1

0,5

-0,5 -

-0,5 -

-1 -

-1 а)

1

б)

Рис.6.1. Базисная ф у нкция прео бразо вания Х аара (а) и вэй влет Х аара (б)

Ф у нкция, по казанная на рис.6.1,б, назы вается вэй влето м Х аара. В эй влеты Х аара, сдвигаем ы е по о си абсцисс, также о бразу ю т о рто го нальны й базис для про странства сигнало в д е т але й, о ко то ры х бу дет сказано ниже. Д ру гие типы вэй влет-прео бразо вания также им ею т базисны е ф у нкции (scaling-functions) и вэй влеты , но бо лее сло жны х фо рм . П у стьестьисхо дны й цифро во й сигнал x(n), n = 0,1… , N-1. В резу льтате прео бразо вания Х аара о нпрео бразу ется в два цифро вы х сигнала x1(m) и x2(m), m = 0, 1, … , N/2 -1 (N предпо лагается четны м ), в со о тветствии с со о тно шениям и x1(m) = [x(2m+1) + x(2m)]/2, (6.1) x2(m) = x(2m) - x(2m + 1). О тсчеты сигнала x1(m) по лу чаю тся пу тем у среднения пар см ежны х о тсчето в исхо дно го сигнала x(n). П о это м у сигнал x1(m) со держит инфо рм ацию с у м еньшенно й в два раза разрешаю щ ей спо со бно стью . В то же врем я сигнал x2(m), о тсчеты ко то ро го равны разно стям значений см ежны х о тсчето в исхо дно го сигнала, со держит инфо рм ацию о м елких деталях исхо дно го

11

сигнала. И м енно для сигнала x2(m) о рто го нальны м базисо м является вэй влеты Х аара. К ажды й из сигнало в x1(m) и x2(m) со держит N/2 о тсчето в, и вм есте о ни несу т всю инфо рм ацию , им ею щ у ю ся в исхо дно м сигнале. О братно е прео бразо вание Х аара о пределяется со о тно шениям и, по лу чаю щ им ися из (6.1), где перво е со о тно шение по зво ляет во сстано вить нечетны е о тсчеты исхо дно го сигнала, а вто ро е – четны е, x(2m+1) = [2x1(m) – x22m)]/2, x(2m) = [2x1(m) + x2(m)]/2.

(6.2)

Д алее прео бразо вание Х аара м о жет бы ть прим енено к сигналу x1(m), ко то ры й при это м бу дет разло женна сигнал x11(k), со о тветству ю щ ий ещ е бо лее низко й разрешаю щ ей спо со бно сти и сигнал x12(k), со держащ ий детали, нео бхо дим ы е для во сстано вления сигнала x1(m). Сигналы x11(k) и x12(k) со держат по N/4 о тсчето в. Затем прео бразо вание Х аара м о жет бы тьприм енено к сигналу x11(k) и т.д. Со о тветству ю щ им и о братны м и прео бразо ваниям и м о гу т бы ть по следо вательно во сстано влены сигналы с бо лее вы со ким и разрешаю щ им и спо со бно стям и, впло тьдо исхо дно го сигнала. В ажно о тм етить, что при вы по лнении прям о го прео бразо вания Х аара (как и прям о го вэй влет-прео бразо вания дру го го типа) число о тсчето в в по лу чаем ы х сигналах на каждо й сту пени прео бразо вания у м еньшается в два раза, а ко личество сам их сигнало в во зрастает. П ри это м су м м арно е число о тсчето в во всех по лу ченны х сигналах всегда равно N. П ри вы по лнении о братно го прео бразо вания ко личество о тсчето в в во сстанавливаем ы х сигналах на каждо й сту пени у величивается в два раза. В эй влет-прео бразо вание изо бражения о су щ ествляется пу тем по следо вательно го вы по лнения вэй влет-прео бразо ваний по дву м ко о рдинатам (рис.6.2). И схо дно е изо бражение представляет со бо й м атрицу А , им ею щ у ю разм ер NxN и со держащ у ю N2 элем енто в. В бло ках WTx и WTy вы по лняю тся вэй влет-прео бразо вания о дно м ерны х цифро вы х сигнало в, наприм ер, прео бразо вания Х аара. В бло ках IWTx и IWTy вы по лняю тся со о тветству ю щ ие о братны е прео бразо вания. Н а перво м этапе вы по лняется вэй влет-прео бразо вание по го ризо нтально й ко о рдинате x(WTx). П ри это м элем енты изо бражения А , распо ло женны е в каждо й стро ке м атрицы , по следо вательно по сту паю т на бло кWTx , причем о дна стро ка о брабаты вается за дру го й . В резу льтате фо рм иру ю тся два изо бражения AL и AN, каждо е из ко то ры х представляет со бо й м атрицу , со держащ у ю N/2 элем енто в по го ризо нтали и N элем енто в по вертикали. Су м м арно е ко личество элем енто в в этих изо бражениях о стается равны м N2. В изо бражении AL разрешаю щ ая спо со бно сть по го ризо нтали у м еньшена в два раза. И зо бражение А Н со держит инфо рм ацию о деталях изо бражения, им ею щ их м алы е разм еры по ко о рдинате х. Затем каждо е из изо бражений AL и AH по двергается вэй влетпрео бразо ванию по вертикально й ко о рдинате y. П ри это м на бло ке Ц ен по следо вательно по сту паю т элем енты изо бражения, распо ло женны е в сто лбцах со о тветству ю щ их м атриц. В резу льтате по лу чаю тся четы ре м атрицы , каждая из

12

ко то ры х со держит (N/2)x(N/2) элем енто в. элем енто в по -прежнем у равно N2. ALL

Су м м арно е

число

BLL

AL WTy

IWTy ALH

BLH

A

B WTx

IWTx

AHL AH

BHL

WTy

IWTy AHH

BH

BHH

Рис.6.2. Стру кту рная схем а вы по лнения прям о го и о братно го вэй влетпрео бразо вания изо бражения

М атрица ALL со о тветству ет изо бражению , по до бно м у исхо дно м у , но с у м еньшенны м и в два раза разрешаю щ им ися спо со бно стям и по о беим ко о рдинатам . М атрица ALH со держит детали исхо дно го изо бражения, им ею щ ие о тно сительно бо льшие разм еры по го ризо нтали, но см иним альны м и разм ерам и по вертикали. М атрица AHL со держит детали изо бражения, кру пно разм ерны е по вертикали, но с м иним альны м и разм ерам и по го ризо нтали. Н ако нец, м атрица А Н Н со держит детали изо бражения, им ею щ ие м алы е разм еры по о беим ко о рдинатам . Разло жение на по ддиапазо ны по разрешаю щ ей спо со бно сти по зво ляет анализиро вать или передавать изо бражение с разны м и степеням и детально сти. Д ля по лу чения наибо лее гру бо го представления о б изо бражении до стато чно испо льзо ватьто лько инфо рм ацию , со держащ у ю ся в м атрице ALL. В эй влет-прео бразо вание о беспечивает бо лее вы со кий ко эффициент сжатия непо движны х изо бражений при со хранении их прием лем о го качества, чем широ ко испо льзу ем ы й JPEG. О днако для это го нео бхо дим о испо льзо вать не о писанно е здесь прео бразо вание Х аара, а дру гие типы вэй влетпрео бразо вания, в ко то ры х испо льзу ю тся базисны е фу нкции и вэй влеты бо лее сло жны х фо рм . В ажны м преим у щ ество м вэй влет-прео бразо ваний перед Д П Ф и LRG является раздельно е вы по лнение прео бразо ваний по дву м ко о рдинатам . О бщ ее число вы числительны х о пераций при вэй влет-прео бразо вании изо бражения, со держащ его NxN элем енто в, про по рцио нально N2, т.е. су щ ественно м еньше, чем для Д П Ф и LRG? Д аже в слу чаях прим енения для их реализации бы стры х алго ритм о в [2]. 7. О ценка и компенсациядвиж ения

13

О дно й из важны х и часто встречаю щ ихся задач о брабо тки изо бражений является о ценка движения различны х о бъекто в, прису тству ю щ их в изо бражении. В ы по лнение тако й о ценки нео бхо дим о при сжатии движу щ их изо бражений , для ко ррекции см азы вания изо бражения из-за ко лебаний видео кам еры в ру ках о перато ра, для со вм ещ ения изо бражений о бъекта в дву х см ежны х по лях о дно го кадра при чересстро чно й развертки, при передачи стерео изо бражений , для о бнару жения движу щ ихся о бъекто в в систем ах о хранно го Т В и т.д. П ро стей ший вид движения о бъекта в кадре – пло ско параллельно е движение, ко гда о бъект не приближается, не у даляется и не по во рачивается. Бо лее сло жны е виды движения – приближение или у даление о бъекта, в резу льтате чего изм еняю тся его разм еры в кадре, по во ро т о бъекта, взаим но е перекры тие о бъекта, дефо рм ация, по явление или исчезно вение о бъекто в в кадре. В цифро во м телевидении широ ко прим еняется м ето д о ценки движения в неко то ро м кадре (далее для о пределенно сти назы ваем о м перво м кадро м ) о тно сительно како го -либо дру го го кадра (далее – вто ро го кадра), назы ваем ы й со о тветствием бло ко в (block matching). В о врем ени первы й кадр м о жет следо ватькак по сле вто ро го кадра, таки до него . В про стей шем варианте это го м ето да первы й кадр разделяется на прям о у го льны е бло ки о динако вы х разм еро в. О тм етим , что в стандартах MPEG, о ко то ры х по й дет речь ниже, эти бло ки назы ваю тся м акро бло кам и, что бы не пу татьсбло кам и, испо льзу ем ы м и в дискретно м ко сину сно м прео бразо вании. Д ля каждо го бло ка перво го кадра о су щ ествляется по иск наибо лее по хо жей на него прям о у го льно й о бласти таких разм еро в во вто ро м кадре. П ри это м по следо вательно перебираю т векто ры движения (или векто ры см ещ ения) (Δn, Δm), гд е Δn, Δm – приращ ения ко о рдинат по го ризо нтали и по вертикали, приним аю щ ие значения в неко то ры х заданны х интервалах. Д ля каждо го векто ра движения берется о бласть во вто ро м кадре, см ещ енная на это т векто р о тно сительно анализиру ем о го бло ка перво го кадра (см . рис.7, где то нким и линиям и по казаны границы бло ко в перво го кадра, а то лсты м и – по ло жение см ещ енно й о бласти во вто ро м кадре), и рассчиты вается су м м а S(Δn, Δm) абсо лю тны х значений разно стей элем енто в бло ка перво го кадра и см ещ ений о бласти вто ро го кадра S(Δn, Δm) =

∑ | x ′(m + ∆m, n + ∆n) − x(m, n) |,

(7.1)

m , n∈B

где x(m,n) – элем ент перво го кадра; x/ (m,n) – элем ент вто ро го кадра; m, n – дискретны е ко о рдинаты по вертикали и по го ризо нтали, о тсчиты ваем ы е, наприм ер, о т лево го верхнего у гла бло ка перво го кадра. Су м м иро вание про изво дится по всем элем ентам бло ка. И з всех про веренны х векто ро в (Δn, Δm) вы бирается то т, ко то ры й о беспечивает наим еньшее значение су м м ы в (7.1). Э то т векто р считается далее векто ро м движения для данно го бло ка. В неко то ры х слу чаях вм есто су м м ы абсо лю тны х значений испо льзу ется ко рень из су м м ы квадрато в разно стей , о днако его расчет требу ет бо льшего о бъем а вы числений .

14

(Δn, Δm) Рис.7.1. См ещ ение бло ка на векто р движения П о лны й перебо р во зм о жны х см ещ ений в заданно м диапазо не о беспечивает нахо ждение абсо лю тно го м иним у м а су м м ы в (7.1), но требу ет вы по лнения (2W+1)2 расчето в по это й фо рм у ле, W – м аксим ально е см ещ ение по како й либо ко о рдинате, вы раженно е в ко личестве пиксело в. Су щ еству ю т различны е алго ритм ы (стратегии) по иска со о тветствия бло ко в с у м еньшенны м о бъем о м вы числений . Н априм ер, сначала вы по лняется по иск с бо льшим шаго м см ещ ения (в неско лько пиксело в) по всем у см ещ ений , а затем в зо не, где о бнару женм иним у м , про изво дится по иск с шаго м 1 или даже 1/2 пиксела для то чно го о пределения векто ра движения. П о сле о пределения векто ро в движения для каждо го бло ка теку щ его кадра м о жет бы ть вы по лнена ко м пенсация движения. К ажды й бло к перво го кадра зам еняется най денно й для него со о тветству ю щ ей о бластью вто ро го кадра, ко то рая см ещ ается на м есто это го бло ка. В еличины см ещ ений по вертикали и по го ризо нтали о пределяю тся векто ро м движения. В резу льтате из элем енто в вто ро го кадра фо рм иру ется о ценка перво го кадра или предсказанны й первы й кадр. К о м пенсация движения является о дно й из о сно в м ето до в сжатия движу щ ихся изо бражений MPEG-2, о ко то ро м речьпо й дет далее. Разбиение кадра на прям о у го льны е бло ки фиксиро ванны х разм еро в в бо льшинстве слу чаев не по зво ляет то чно о писатьи ско м пенсиро вать движение о бъекто в в изо бражении. П о это м у в по следние го ды бо льшо е вним ание у деляется разрабо тке бо лее со вершенны х м ето до в. В их числе м ето ды , в ко то ры х испо льзу ю тся бло ки с перем енны м и разм ерам и и фо рм ам и, а также градиентны е м ето ды о ценки движения, по зво ляю щ ие о пределить векто р движения для каждо го элем ента изо бражения, и м ето ды , о сно ванны е на анализе трехм ерно го спектра движу щ его ся изо бражения (две про странственны е ко о рдинаты и врем я). 8.М етоды сж атияизоб раж ений 8.1. М етод сж атиянеподвиж ных изоб раж ений постандарту JPEG 8.1.1. О бщ иепол ож ения Среди различны х м ето до в сжатия непо движны х изо бражений наибо лее эффективны м и у по требительны м является м ето д изло женны й в принято м М ежду наро дно й о рганизацией стандартизации ISO стандарте JPEG (Joint Photographic Experts Group) [8]. Д анны й стандарт о пределяет

15

по следо вательно сть и парам етры о пераций при ко диро вании и деко диро вании непо движны х изо бражений . JPEG о тно сится к м ето дам сжатия изо бражений с по терям и и испо льзу ется в о сно вно м при записи непо движны х изо бражений с целью эко но м ии о бъем а запо м инаю щ их у стро й ств. Д ля бо льшинства реальны х по лу то но вы х и цветны х изо бражений это т м ето д по зво ляет у м еньшитьо бъем инфо рм ации в 5 – 10 раз без зам етно го у ху дшения визу ально во сприним аем о го качества. Д анны й стандарт не предназначен для сжатия рису нко в, чертежей и дру гих изо бражений , им ею щ их два у ро вня ярко сти. П о следо вательно сть о пераций при ко диро вании, по ясняем ая стру кту рно й схем о й на рис.8.1 , вклю чает: - разбиение изо бражения на бло ки 8х8 пиксело в; - вы по лнение бы стро го Д К П (БД К П ) в каждо м бло ке; - кванто вание по лу ченны х ко эффициенто в Д К П сиспо льзо ванием таблицы ко эффициенто в кванто вания (таблица Q); - энтро пий но е ко диро вание кванто ванны х ко эффициенто в Д К П каждо го бло ка изо бражения. П о следняя о перация вы по лняется ко деро м Х аффм ена с испо льзо ванием таблицы ко диро вания (таблица ко до в). В м есто ко дера Х аффм ана м о жет испо льзо ваться арифм етический ко дер. И зо бражение БД К П

Бло к 8х8 пиксело в

К ванто ватель

К о дер Х аффм ана

Т аблица

Т аблица ко до в

К о дер JPEG

Сжаты е видео данны е

Рис.8.1. Стру кту рная схем а ко диро вания по стандарту JPEG

В резу льтате ко диро вания исхо дно е изо бражение прео бразу ется в сжаты е видео данны е, записы ваем ы е в фай л. П о следо вательно сть о пераций при деко диро вании, по ясняем ая на стру кту рно й схем о й на рис.8.2, вклю чает: - деко диро вание энтро пий но го ко да (деко дер Х аффм ана); - деко диро вание ко эффициенто в Д К П для каждо го бло ка 8х8 пиксело в; - о братно е БД К П для каждо го бло ка; - о бъединение бло ко в в деко диро ванно е изо бражение.

16

П ри деко диро вании энтро пий но го ко да и при декванто вании испо льзу ю тся таблицы ко диро вания и таблицы ко эффициенто в кванто вания, ко то ры е м о гу т со держаться в о дно м фай ле со сжаты м изо бражением . Рассм о трим бо лее по дро бно о перации, вы по лняем ы е при ко диро вании, и со о тветству ю щ ие им о братны е о перации, вы по лняем ы е при деко диро вании. К До ек дер JPEG о дер JPEG Д еко дер Х аффм ана

Д екванто ватель

Т аблица ко до в

Т аблица

И зо бражение О братно е БД К П

Сжаты е видео данны е Рис.8.2. Стру кту рная схем а деко диро вания по стандарту JPEG

8.1.2.Р азбиениеизображ енияна бл оки П о лу то но во е м о но хро м но е (черно -бело е) изо бражение разбивается на бло ки 8х8 пиксело в. Э ти бло ки далее ко диру ю тся о дин за дру гим . П о рядо к ко диро вания бло ко в слева направо , о динго ризо нтальны й ряд бло ко в за дру гим . Ц ветно е изо бражение м о жет бы ть представлено в фо рм ате RGB, ко гда для каждо го пиксела задаю тся значения трех цвето в. В это м слу чае кажды й бло к 8х8 пиксело в представляется трем я бло кам и 8х8 чисел. К о диро вание данны х каждо го из трех цвето в вы по лняется также, как для по лу то но во го м о но хро м но го изо бражения. П редпо чтительнее представление цветно го изо бражения в фо рм ате YCBCR, где для каждо го пиксела задаю тся значения ярко сти и цвето разно стны х сигнало в. В это м слу чае во зм о жно у м еньшение числа бло ко в для инфо рм ации о цвете. Н априм ер, если у м еньшитьчисло о тсчето в цвето разно стны х сигнало в по вертикали и го ризо нтали в два раза, что со о тветству ет фо рм ату 4:2:0, то на кжды е четы ре бло ка элем енто в сигнала ярко сти Y бу дет прихо диться о динбло к элем енто в сигнала CB и о дин бло к элем енто в сигнала CR. П о сравнению с фо рм ато м RGB по лно е число ко диру ем ы х бло ко в у м еньшится в два раза, но зам етно го у м еньшения качества изо бражения при это м не про изо й дет, так как зрительны й аппарат чело века не во сприним ает искажения цвета м елких деталей изо бражения. В о зм о жны два варианта по следо вательно сти ко диро вания бло ко в цветно го изо бражения. Со гласно перво м у варианту , назы ваем о м у по следо вательны м , сначала ко диру ю тся все бло ки элем енто в сигнала Y, затем все бло ки элем енто в сигнала CB, затем – все бло ки сигнала CR. В то ро й вариант преду см атривает перем ежение бло ко в разны х со ставляю щ их. Н априм ер, в слу чае фо рм ата

17

дискретизации 4:2:0, сначала ко диру ю тся четы ре бло ка Y, о бразу ю щ ие м атрицу 2х2, затем со о тветству ю щ ий им о дин бло к CB, затем – о динбло кCR, затем следу ю щ ие четы ре бло ка Y и т.д. П ри о бъединении бло ко в в деко диро ванно е изо бражение ко личество элем енто в CB и CR во сстанавливается спо м о щ ью интерпо ляции. 8.1.3. К вантованиекоэффициентов Д К П И схо дны е данны е для Д К П им ею т вид бло ко в или м атриц 8х8 элем енто в сигнало в Y, CB или CR, вы ражаем ы х 8 - разрядны м и целы м и по ло жительны м и дво ичны м и числам и. П еред вы по лнением Д К П значение каждо го элем ента бло ка сдвигается пу тем вы читания числа 128, в резу льтате чего элем енты бло ко в вы ражаю тся целы м и числам и со знако м . П о сле это го в ко дере JPEG вы по лняется Д К П в со о тветствии с фо рм у лам и (1.18) [1] при N=M=8. О братно е Д К П в деко дере JPEG вы по лняется в со о тветствии с фо рм у ло й (1.19) [1]. П о сле него вы по лняется о братны й сдвиг у ро вня каждо го элем ента пу тем прибавления числа 128. К ак правило , при вы числениях испо льзу ю тся алго ритм ы бы стро го Д К П . В резу льтате вы по лнения Д К П квадратно й м атрицы из 8х8 чисел по лу чается квадратная м атрица из 8х8 ко эффициенто в Д К П , ко то ры е м о гу т бы ть как по ло жительны м и, так и о трицательны м и целы м и числам и из диапазо на – 2047… 2047. Э та о перация сам а по себе не изм еняет ко личества передаваем о й инфо рм ации и является о братим о й , таккакпо сле вы по лнения о братно го Д К П в каждо м бло ке и о бъединения бло ко в по лу чается изо бражение, идентично е исхо дно м у . Е динственны м исто чнико м нео братим ы х по терьинфо рм ации м о гу т бы ть о шибки о кру гления при вы числениях, о днако эти о шибки м о гу т бы ть сделаны до стато чно м алы м и за счет разрядно сти вы числительны х средств. Т ем не м енее, им енно Д К П со здает о сно ву для по следу ю щ его значительно го у м еньшения о бъем а передаваем о й инфо рм ации. Рассм о трим , на прим ере, как это по лу чается. В перву ю о чередь нео бхо дим о о тм етить, что кажды й ко эффициент Д К П со держит инфо рм ацию не о б о дно м како м -то элем енте из м атрицы элем енто в изо бражения, а о всех 64 элем ентах. П у сть {x(m,n)}, m,n = 0… 7 – квадратная м атрица элем енто в изо бражения, представляю щ ая со бо й о дин из его бло ко в, {C(k,l)}, k,l = 0… 7 – квадратная м атрица ко эффициенто в дву м ерно го Д К П . К о эффициент С(0,0), как следу ет из (1.18), про по рцио нален по сто янно й со ставляю щ ей , т.е. среднем у значению величин x(m,n) бло ка изо бражения. К о эффициент С(0,1) по казы вает величину про странственно -часто тно й со ставляю щ ей , им ею щ ей ну леву ю про странственну ю часто ту по го ризо нтально й ко о рдинате и про странственну ю часто ту , равну ю 1/N, по вертикально й ко о рдинате и т.д. П ри вы по лнении о братно го Д К П в со о тветствии с (1.19) изо бражение фо рм иру ется в виде су перпо зиции со ставляю щ их, каждая из ко то ры х им еет о пределенну ю про странственну ю часто ту . К акизвестно , наибо льший вклад при фо рм иро вании бо льшинства реальны х изо бражений вно сят низко часто тны е со ставляю щ ие, о пределяю щ ие фо рм ы и ярко сти о сно вны х о бъекто в и фо на.

18

В ы со ко часто тны е со ставляю щ ие со здаю т резкие границы и ко нту ры , а также м елку ю стру кту ру (тексту ру ) изо бражения. В о зм о жно сть у м еньшения ско ро сти передачи дво ичны х сим во ло в при по м о щ и Д К П (как и при по м о щ и Д П Ф ) о сно вана на у казанны х сво й ствах про странственно -часто тно го спектра реальны х изо бражений и на о граниченно й спо со бно сти чело веческо го зрения во сприним ать изм енения и искажения м елко й стру кту ры изо бражения. К о личество передаваем о й инфо рм ации у м еньшается пу тем бо лее гру бо го кванто вания части или всех передаваем ы х ко эффициенто в C(k,l), в резу льтате ко то ро го у м еньшается число дво ичны х разрядо в, испо льзу ем ы х для представления этих ко эффициенто в, а м но гие из ко эффициенто в стано вятся равны м и ну лю . К ак видим , у м еньшение ско ро сти передачи дво ичны х сим во ло в до стигается за счет о тбрасы вания части инфо рм ации. П о это м у изо бражение, по лу чаем о е с по м о щ ью о братно го Д К П в прием но й части систем ы , не бу дет идентично исхо дно м у передаваем о м у изо бражению . Следо вательно , данны й м ето д ко диро вания о тно сится к м ето дам ко диро вания с частично й по терей инфо рм ации. О днако о тбрасы ваем ая инфо рм ация о казы вается несу щ ественно й для зрительно го во сприятия, а во зникаю щ ие изм енения и искажения изо бражения не снижаю т или по чти не снижаю т его су бъективно во сприним аем о го качества. П о это м у рассм о тренны й м ето д ко диро вания является м ето до м со кращ ения психо физио ло гическо й избы то чно сти телевизио нно го сигнала. О стано вим ся на по следнем у тверждении. К ак у же у казы вало сь, для реальны х изо бражений наибо льшу ю величину им ею т низко часто тны е со ставляю щ ие, ко то ры е, естественно , до лжны передаваться с до стато чно вы со ко й то чно стью . В ы со ко часто тны е со ставляю щ ие, им ею щ ие о тно сительно бо льшо й у ро вень, со здаю т резкие границы и ко нту ры , а также вы со ко ко нтрастны е м ало разм ерны е детали. Э та инфо рм ация также до лжна передаваться, хо тя, м о жет бы ть, и с м еньшей то чно стью , чем низко часто тны е со ставляю щ ие. О стальны е вы со ко часто тны е со ставляю щ ие, величины ко то ры х м алы и в резу льтате кванто вания о казы ваю тся равны м и ну лю , со здаю т слабо различим у ю стру кту ру , тексту ру о тдельны х у частко в изо бражения и незначительны е о со бенно сти ко нту ро в о бъекто в. П о теря это й инфо рм ации изм еняет изо бражение, но во м но гих слу чаях эти изм енения не су щ ественны для по лу чателя инфо рм ации – зрителя. В слу чае же, ко гда по лу чателем инфо рм ации является систем а авто м атическо го распо знавания о бразо в (наприм ер, в м едицинско й диагно стике или при о бнару жении целей ), о писанны й по дхо д м о жет о казаться неприем лем ы м , так как им енно теряем ая инфо рм ация м о жет бы ть принципиально важно й для распо знавания. Д ля сравнения м о жно о тм етить, что перехо д к бо лее гру бо м у кванто ванию исхо дно го изо бражения приво дит кво зникно вению зам етны х искажений в виде ло жны х ко нту ро в. В то же врем я о шибка кванто вания, во зникаю щ ая пригру бо м кванто вании ко эффициенто в Д К П , «разм азы вается»по всем элем ентам бло ка, и во зникаю щ ие при это м искажения о казы ваю тся м енее зам етны м и.

19

Т аким о бразо м , испо льзо вание Д К П о беспечивает у м еньшение ко личества передаваем о й инфо рм ации и, следо вательно , требу ем о й ширины по ло сы канала связи. К ванто вание ко эффициенто в Д К П C(k,l) вы по лняется в со о тветствии с фо рм у ло й (6) [1] Cq(k,l) = Round{C(k,l) / f Q(k,l)}, (8.1) где Q(k,l) – ко эффициенты кванто вания, задаваем ы е в виде таблицы из 8х8 целы х чисел (таблица Q на рис.8.3); f – парам етр, о пределяю щ ий степень сжатия изо бражения, Round( ) – о перации о кру гления до ближай шего цело го значения; Cq(k,l) – по лу ченны е в резу льтате кванто ванны е ко эффициенты Д К П , ко то ры е м о гу т бы тьпо ло жительны м и, таки о трицательны м и. В ажно о тм етить, что кванто вание сигнала ярко сти и цветно сти сигнало в испо льзу ет разны е таблицы . П рим еры таблиц кванто вания для сигнала ярко сти и для цвето разно стны х сигнало в приведены в табл. 8.1 и табл. 8.2 со о тветственно . В резу льтате вы по лнения о пераций деления и о кру гления м но гие ко эффициенты Д К П стано вятся равны м и ну лю . И м енно кванто вание со здает во зм о жно сть у м еньшения числа дво ичны х сим во ло в, нео бхо дим ы х для представлении инфо рм ации о ко эффициентах Д К П , т.е. сжатия изо бражения. В то же врем я им енно кванто вание является исто чнико м нео братим ы х по терь инфо рм ации при сжатии. В ы бо р ко нкретно й таблицы кванто вания в стандарте JPEG о ставлен на у см о трение по льзо вателей , но таблицы кванто вания сигнало в ярко сти и цветно сти до лжны бы тьо дни и те же для всех бло ко в данно го изо бражения.

16 12 14 14 18 24 49 72

17 18 24 47 99 99 99 99

11 12 13 17 22 35 64 92

18 21 26 66 99 99 99 99

10 14 16 22 37 55 78 95

24 26 56 99 99 99 99 99

16 19 24 29 56 64 87 98

47 66 99 99 99 99 99 99

24 26 40 51 68 81 103 112

99 99 99 99 99 99 99 99

40 58 57 87 109 104 121 100

Т аблица 8.1 51 61 60 55 69 56 80 62 103 77 113 92 120 101 103 99

99 99 99 99 99 99 99 99

Т аблица 8.2 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99

20

О перация декванто вания, вы по лняем ая в деко дере JPEG, заклю чается в у м но жении ко эффициента Cq(k,l) на со о тветству ю щ ие ко эффициенты Q(k,l) из таблиц кванто вания. Е сли таблицы , испо льзо ванны е при ко диро вании, не по м ещ ены в фай л со сжаты м и видео данны м и, то при деко диро вании испо льзу ю тся стандартны е таблицы кванто вания «по у м о лчанию ». 8.1.4. Э нтропийноекодирование В перву ю о чередь нео бхо дим о о тм етить, что для ко диро вания по сто янны х со ставляю щ их Cq(0,0) испо льзу ется о со бы й м ето д. Е сли о стальны е 63 ко эффициента Д К П в каждо м бло ке ко диру ю тся независим о о т со о тветству ю щ их ко эффициенто в в дру гих бло ках, то ко эффициенты Cq(0,0) всех бло ко в каждо й со ставляю щ ей изо бражения предварительно ко диру ю тся с предсказанием [3]. П ри это м ко эффициент Cq(0,0) в каждо м бло ке зам еняется на величину DIFF = Cq(0,0) – PRED, где PRED – значение ко эффициента Cq(0,0) в преды ду щ ем по по рядку ко диро вания бло ке это й же со ставляю щ ей . Д ля перво го ко диру ем о го бло ка берется PRED = 0. Д ля дальней шего ко диро вания значения DIFF в каждо м бло ке прео бразу ю тся в дво ичны е числа с перем енны м число м бит, так что значения см алы м и абсо лю тны м и величинам и представляю тся бо лее ко ро тким и по следо вательно стям и дво ичны х сим во ло в, а значения с бо льшим и абсо лю тны м и величинам и – бо лее длинны м и ( по дро бно правила вы по лнения это й о перации м ы не бу дем рассм атривать). В резу льтате этих о пераций со кращ ается число дво ичны х сим во ло в, требу ем ы х для представления инфо рм ации о ко эффициентах Cq(0,0) всех бло ко в. П еред вы по лнением энтро пий но го ко диро вания о стальны х 63 кванто ванны х ко эффициенто в Д К П в каждо м бло ке вы по лняется следу ю щ ая по дго то вительная о перация. Д ву м ерная м атрица ко эффициенто в прео бразу ется в о дно м ерну ю по следо вательно сть пу тем считы вания ее элем енто в в зигзаго о бразно м по рядке, как по казано в таблице 8.2. П о вертикали и по го ризо нтали по казаны значения индексо в k,l ко эффициенто в Cq(k,l). В клетках таблицы по казаны но м ера, ко то ры е по лу чаю т эти ко эффициенты в о дно м ерно й по следо вательно сти. Н о м ер «0» в клетке, со о тветству ю щ ей Cq(0,0), по казы вает, что это т ко эффициент в данно й о перации не у частву ет. К ак видно из табл.8.3, первы м следу ет ко эффициент Cq(0,1), со о тветству ю щ ий сам о й низко часто тно й со ставляю щ ей по го ризо нтали, затем Cq(1,0), а затем все бо лее и бо лее вы со ко часто тны е со ставляю щ ие. П о следо вательно сть завершается специальны м сим во ло м EOB (end of block – ко нец бло ка). К ак о тм ечало сь вы ше, в резу льтате кванто вания м но гие из ко эффициенто в ДКП стано вятся равны м и 0, по это м у в по лу чаем о й о дно м ерно й по следо вательно сти этих ко эффициенто в о казы вается бо льшо е число ну левы х элем енто в. К ажды й о тличны й о т ну ля ко эффициент Д К П представляется в виде пары чисел. П ерво е из этих чисел по казы вает, ско лько ну левы х значений по дряд про шло в по следо вательно сти перед данны м нену левы м ко эффициенто м . В то ро е число в паре по казы вает значение сам о го

21

кванто ванно го ко эффициента, прео бразо ванно е в число с перем енны м ко личество м бит. П равила это го прео бразо вания анало гичны испо льзу ем ы м при ко диро вании по сто янны х со ставляю щ их, т.е. ко эффициенты с м алы м и абсо лю тны м и величинам и представляю тся бо лее ко ро тким и по следо вательно стям и дво ичны х сим во ло в, а ко эффициенты с бо льшим и абсо лю тны м и величинам и – бо лее длинны м и.

k\l 0 1 2 3 4 5 6 7

0 0 2 3 9 10 20 21 35

1 1 4 8 11 19 22 34 36

2 5 7 12 18 23 33 37 48

3 6 13 17 24 32 38 47 49

4 14 16 25 31 39 46 50 57

5 15 26 30 40 45 51 56 58

Т аблица 8.3 6 7 27 28 29 42 41 43 44 53 52 54 55 60 59 61 62 63

Е сли в резу льтате кванто вания по лу чило сь м но го ну левы х и м алы х по абсо лю тно й величине ко эффициенто в, ко диро вание по тако м у м ето ду , назы ваем о м у «ко диро вание с бегу щ ей длино й », дает значительны й вы игры ш, так как, во -первы х, у м еньшается о бщ ее ко личество чисел, представляю щ ий ко диру ем ы й бло к, а во -вто ры х, у м еньшается число дво ичны х сим во ло в для представления бо льшинства чисел. Т аким о бразо м , для каждо го бло ка 8х8 пиксело в м атрица кванто ванны х ко эффициенто в Д К П о казалась прео бразо ванно й в по следо вательно сть дво ичны х чисел (назы ваем ы х в со о тветствии с терм ино ло гией тео рии ко диро вания сим во лам и), ко то ры е затем по двергаю тся энтро пий но м у ко диро ванию . Чащ е всего прим еняется ко диро вание по м ето ду Х аффм ена, ко то ры й заклю чается в по стро ении тако го ко да с перем енно й длино й ко до во го сло ва, что чащ е встречаю щ им ся (т.е. бо лее веро ятны м ) сим во лам ставятся в со о тветствие бо лее ко ро ткие ко до вы е сло ва, а реже встречаю щ им ся (м енее веро ятны м ) сим во лам – бо лее длинны е ко до вы е сло ва. Э то дает до по лнительны й вы игры ш в сжатии инфо рм ации. К о диро вание по Х аффм ену вы по лняется с по м о щ ью таблицы ко до в, в ко то ро й каждо м у сим во лу ко диру ем о й по следо вательно сти ставится в со о тветствие ко до во е сло во . Стандарт JPEG преду см атривает во зм о жно сть испо льзо вания стандартно й таблицы ко до в «по у м о лчанию ». В о зм о жно и по стро ение таблицы ко до в, наибо лее эффективно й для данно го изо бражения. В это м слу чае таблица ко до в до лжна бы тьзаписана в фай л, что бы ее м о жно бы ло испо льзо ватьпри деко диро вании. В про цессе деко диро вания ко да Х аффм ена ко до вы е сло ва, считы ваем ы е из фай ла сжаты х видео данны х, прео бразу ю тся о братно в по следо вательно сть чисел, по ко то ры м во сстанавливаю тся значения кванто ванны х ко эффициенто в

22

Д К П . В се о перации, вы по лняем ы е при по дго то вке к энтро пий но м у ко диро ванию , и сам о это ко диро вание являю тся по лно стью о братим ы м и и не со здаю т по терь инфо рм ации, а до стигаем о е при них сжатие является следствием ранее вы по лненно го кванто вания. 8.1.5. Ф орматквантованияJPEG и егореал изация Сжаты е видео данны е записы ваю тся в фай л о пределенно й стру кту ры с расширением .jpg, о ко то ро й дадим сам ы е о бщ ие сведения. Ф ай л начинается с заго ло вка, со держащ его различны е сведения о фай ле. Затем следу ет о бластьданны х о б изо бражении, начиная см аркера SOI (Start of Image). За этим м аркеро м м о гу т бы тьзаписаны таблицы кванто вания и таблица ко до в для ко диро вания по Х аффм ену . Затем следу ет заго ло во к изо бражения, в ко то ро м со держатся сведения о разм ерах изо бражения (в ко личестве пиксело в), о характере изо бражения (черно -бело е или цветно е), о фо рм ате дискретизации и др. П о сле это го следу ю т сам и сжаты е видео данны е. О бласть данны х завершается м аркеро м EOI (End of Image). М ето д JPEG реализу ется, как правило , про грам м ны м и средствам и на ко м пью терах. О сно вны е о бласти его прим енения: архивиро вание изо бражений на м агнитны х и о птических дисках, передача непо движны х изо бражений по каналам связи, записьо тсняты х кадро в в электро нно м фо то кам ерах и др. JPEG м о жет испо льзо ваться и для сжатия движу щ ихся изо бражений . П ри это м кажды й кадр ко диру ется независим о о т дру гих кадро в. Т ако й м ето д, назы ваем ы й Motion JPEG, м о жет бы ть по лезендля видео записи и в сту дий но й аппарату ре, но о нне дает до стато чно й степени сжатия видео инфо рм ации для телевизио нно го вещ ания. О днако о перации, со держащ иеся в стандарте JPEG, испо льзу ю тся в стандартах сжатия движу щ ихся изо бражений MPEG, ко то ры е рассм о трим бо лее по дро бно . 8.2. М етод сж атиядвиж ущ ихсяизображ ений MPEG-2 М ето д ко диро вания движу щ ихся изо бражений , испо льзу ем ы й в стандартах MPEG-1, MPEG-2, назы вается гибридны м , так как в нем со четаю тся вну трикадро во е ко диро вание, направленно е на у м еньшение в о сно вно м психо физио ло гическо й избы то чно сти в о тдельны х кадрах, и м ежкадро во е ко диро вание, с по м о щ ью ко то ро го у м еньшается избы то чно сть, о бу сло вленная м ежкадро во й ко рреляцией [1-3]. И спо льзо вание м ежкадро во го ко диро вания по зво ляет по лу чить су щ ественно бо льшу ю степень сжатия движу щ его ся изо бражения, чем при раздельно м сжатии о тдельны х кадро в по м ето ду JPEG. В ну трикадро во е ко диро вание со держит о перации, анало гичны е испо льзу ем ы м в м ето де JPEG, т.е. по бло чно е дискретно е ко сину сно е прео бразо вание, кванто вание и ко диро вание с перем енно й длино й ко до вы х сло в. М ежкадро во е ко диро вание со держит о перации о ценки и ко м пенсации движения и ко диро вания спредсказанием . Ц елы е кадры и фрагм енты кадро в м о гу т ко диро ваться с прим енением со вм естно м ежкадро во го и вну трикадро во го ко диро вания ( для кратко сти это т

23

слу чай далее назы вается про сто м ежкадро вы м то лько сприм енением вну трикадро во го ко диро вания.

ко диро ванием )

или

8.2.1. Г руппы изоб раж ений И зо бражением в стандартах MPEG-1, MPEG-2 м о жет бы ть как целы й кадр, так и о дно из по лей кадра. Д алее для у про щ ения изло жения терм ин «кадр» испо льзу ется вм есто терм ина «изо бражение»везде за исклю чением по драздела, в ко то ро м специально го во рится о кадро во м и по лево м режим ах ко диро вания. П о следо вательно сть кадро в делится на гру ппы , назы ваем ы е GOP (group of picture). В гру ппе естькадры трех типо в: - I-кадры (вну трикадро вы е), ко то ры е передаю тся то лько свну трикадро вы м ко диро ванием и являю тся о по рны м и для деко диро вания о стальны х кадро в гру ппы , о беспечивая во зм о жно сть начала деко диро вания и во спро изведения принято го Т В -сигнала практически в лю бо й м о м ент врем ени; - Р -кадры (предсказанны е), при передаче ко то ры х испо льзу ется м ежкадро во е ко диро вание пу тем предсказания ско м пенсацией движения по ближай шем у предшеству ю щ ем у I-кадру или Р-кадру (как бу дет по яснено далее, неко то ры е фрагм енты Р -кадра м о гу т ко диро ваться без предсказания с по м о щ ью вну трикадро во го ко диро вания; - В -кадры (дву направленны е), ко то ры е передаю тся см ежкадро вы м ко диро ванием пу тем предсказания ско м пенсацией движения по ближай шим к ним как спереди, так и сзади I-кадрам и Р -кадрам , а сам и не м о гу т испо льзо ваться для предсказания дру гих кадро в (неко то ры е фрагм енты В кадра м о гу т ко диро ваться вну трикадро вы м м ето до м ). Рассм о трим прим ер по следо вательно сти кадро в. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 I B B P B B P B B P B B P B B I B B P B Здеськадры с1 по 15 о бразу ю т гру ппу кадро в. Число кадро в в гру ппе м о жет бы тьи дру гим , но о на всегда начинается сI-кадра. Р -кадр 4 предсказы вается по I-кадру 1, Р -кадр 7 – по Р -кадру 4, Р -кадр 10 – по кадру 7 и т.д. I-кадр 16 передается с вну трикадро вы м ко диро ванием независим о о т всех предшеству ю щ их ем у кадро в. В -кадры 2 и 3 предсказы ваю тся по I-кадру 1 и по Р -кадру 4, В -кадры 5 и 6 – по Р -кадрам 4 и 7 и т.д. В -кадры 14 и 15 предсказы ваю тся по I-кадру 16 и по Р-кадру 13. П еред ко диро ванием по рядо к следо вания изм еняется, так как кажды й В -кадр до лжен идти по сле о бо их кадро в, по ко то ры м о нпредсказы вается. 1 4 2 3 7 5 6 10 8 9 13 11 12 16 14 15 19 17 18 22 I P B B P B B P B B P B B I B B P B B P В тако м по рядке кадры ко диру ю тся и передаю тся, а в про цессе деко диро вания во сстанавливается исхо дны й по рядо ккадро в.

24

8.2.2. М акроб л оки М акро бло ко м назы вается квадратны й фрагм ент изо бражения разм еро м 16х16 элем енто в (пиксело в). М акро бло к со держит инфо рм ацию как о ярко сти (Y), так и о цветно сти (CB, CR). В слу чае испо льзо вания фо рм ата дискретизации 4:2:0 кажды й м акро бло ксо держит четы ре бло ка 8х8 элем енто в сигнала ярко сти Y и по о дно м у бло ку 8х8 элем енто в цвето разно стны х сигнало в CB, и CR. П ри испо льзо вании фо рм ата 4:2:2 кажды й м акро бло к со держит при то м же ко личестве бло ко в Y по два бло ка CB и CR, а при испо льзо вании фо рм ата 4:4:4 – по четы ре бло ка CB и CR. Гру ппа следу ю щ их дру г за дру го м м акро бло ко в назы вается слай со м (slice – до ля, част, квант). Слай сы в изо бражении не до лжны перекры ваться, но их по ло жение м о жет изм еняться о т о дно го изо бражения кдру го м у . 8.2.3. П рогрессивнаяи чересстрочнаяразвертки П ри ко диро вании телевизио нно го изо бражения, передаваем о го с про грессивно й развертко й , кажды й кадр со сто ит из о дно го по ля и разбивается на м акро бло ки. В слу чае чересстро чно й развертки кажды й кадр со сто ит из дву х по лей . П ерво е по ле со держит нечетны е стро ки кадра, а вто ро е по ле – четны е стро ки. П ри это м во зм о жны два варианта ко диро вания кадра, вы бо р о дно го из ко то ры х для данно го кадра о су щ ествляется на о сно ве о ценки движения в нем . В слу чае кадро во го ко диро вания (frame) ко диру ем ы м изо бражением является по лны й кадр, ко то ры й целико м хранится в ЗУ ко дера, вследствие чего для ко диро вания о дно врем енно до сту пны как четны е, так и нечетны е стро ки. Бло ки элем енто в сигнала ярко сти и бло ки элем енто в цвето разно стны х сигнало в для фо рм ато в 4:2:2 и 4:4:4 вы деляю тся из м акро бло ка, как по казано на рис.8.4,а, где заштрихо ванны м и по казаны нечетны е стро ки, а не заштрихо ванны м и – четны е. В слу чае фо рм ата 4:2:0 в бло ки цвето разно стны х сигнало в беру тся элем енты из каждо й вто ро й стро ки. К адро во е ко диро вание вы бирается в слу чаях, ко гда изм енения во вто ро м по ле кадра о тно сительно перво го по ля то го же кадра незначительны е. В слу чае по лево го ко диро вания (field) ко диру ем ы м изо бражением является каждо е по ле. П ерво е по ле кадра м о жет испо льзо ваться для предсказания м акро бло ка вто ро го по ля то го же кадра. П ри это м в кажды й бло к элем енто в сигнала ярко сти или элем енто в цвето разно стны х сигнало в для фо рм ата 4:2:2 и 4:4:4 вхо дят элем енты из о дно го по ля, как это по казано на рис.8.4,б. Бло ки элем енто в цвето разно стны х сигнало в для фо рм ата 4:2:0 о бразу ю тся также, как при кадро во м ко диро вании. К ак у же о тм ечало сь, при о писании рабо ты ко дера и деко дера го во рится о кадро во м ко диро вании, но следу ет по м нить, что су щ еству ет и по лево е ко диро вание

25

а)

б) Рис.8.4. Ф о рм иро вание бло ко в при чересстро чно й развертке в слу чаях кадро во го (а) и по лево го (б) режим о в

8.2.4. К одер видеоинформации В стандартах MPEG не о писано по стро ение ко дера, а лишь о пределен синтаксис по то ка данны х на его вы хо де. Стру кту рная схем а ко дера видео инфо рм ации (рис.8.5) о то бражает о сно вны е о перации, вы по лняем ы е при ко диро вании и о беспечиваю щ ие по лу чение вы хо дно го по то ка данны х с требу ем ы м и парам етрам и. Н а схем е о бо значены Д К П – бло к прям о го дискретно го ко сину сно го прео бразо вания; Д К П -1 – бло ко братно го дискретно го ко сину сно го прео бразо вания; К в – кванто ватель; К в-1 – декванто ватель, т.е. бло к, вы по лняю щ ий о братну ю кванто ванию о перацию ; ЗУ – запо м инаю щ ее у стро й ство ; П ред. – бло к, вы по лняю щ ий фо рм иро вание предсказанно го кадра; О Д – бло ко ценки движения и фо рм иро вания векто ро в движения; К П Д С – бло к, в ко то ро м вы по лняется ко диро вание с перем енно й длино й ко до во го сло ва; М п – м у льтиплексо р; БЗУ – бу ферно е запо м инаю щ ее у стро й ство ; У К С – бло к у правления ко эффициенто м сжатия изо бражения. К ро м е то го , на схем е по казаны су м м ато р, вы читаю щ ее у стро й ство и переклю чатель. Рабо та всех бло ко в синхро низиру ется о бщ ей такто во й часто то й 27 М Гц.

26

В ко дере реализу ю тся два режим а ко диро вания: вну трикадро во е ко диро вание (переклю чатель в по ло жении 1) и м ежкадро во е ко диро вание с предсказанием и ко м пенсацией движения (переклю чательв по ло жении 2). В се м акро бло ки I-кадро в ко диру ю тся в режим е вну трикадро во го ко диро вания. М ето д анало гичен JPEG: разло жение на бло ки 8х8 пиксело в, по бло чно е Д К П , кванто вание по лу ченны х ко эффициенто в в со о тветствие с фо рм у ло й (1.7), считы вание в зигзаго о бразно м по рядке, ко диро вание с перем енно й длино й ко до вы х сло в. П ри кванто вании м о гу т испо льзо ваться, наприм ер, табл.1.2 и 1.3. В слу чае испо льзо вания нестандартны х таблиц ко эффициенто в кванто вания о ни вклю чаю тся в о бщ ий вы хо дно й по то кданны х. К о диро вание с перем енно й длино й ко до вы х сло в о су щ ествляется с по м о щ ью таблиц ко до в, им ею щ ихся в стандарте. К ак и в JPEG, ко эффициенты Д К П , со о тветству ю щ ие по сто янны м со ставляю щ им , ко диру ю тся с испо льзо ванием предсказания по таким же ко эффициентам преды ду щ их бло ко в, и для них предназначены о тдельны е таблицы ко до в с перем енно й длино й ко до вы х сло в. Следу ет о тм етить, что в тексте стандарто в нет терм ина «ко диро вания по Х аффм ену ». В идим о это связано с тем , что таблицы ко до в заданы в стандарте, а не вы числяю тся по д ко нкретны е данны е, как это требу ется при ко диро вании по Х аффм ену . УКС

1 Вх

ДКП

-

Кв

КП ДС

2

М п

БЗУ

Вых

К в-1 Д К П -1 П ред

ЗУ

+ КП ДС

О Д

Рис.8.5. Стру кту рная схем а видео ко дера MPEG-2

М акро бло ки Р-кадро в м о гу т ко диро ваться как вну трикадро вы м м ето до м , так и м ежкадро вы м в зависим о сти о т наличия и интенсивно сти изм енений в это м м акро бло ке по сравнению с со о тветству ю щ ей о бластью изо бражения, по ко то ро м у вы по лняется предсказание данно го Р-кадра, т.е. в зависим о сти о т резу льтато в о ценки движения. И зо бражение, по ко то ро м у вы по лняется предсказание, фо рм иру ется из ко диро ванны х данны х преды ду щ его I- или Р-кадра. В декванто вателе данны е у м но жаю тся на ко эффициенты кванто вания, затем вы по лняется о братно е Д К П так же, как это делается в деко дере в прием но й части систем ы , по сле чего деко диро ванно е изо бражение записы вается в ЗУ . И спо льзо вание о братно й

27

связи при по лу чении данны х для предсказания, как бы ло ранее по казано , по зво ляет избежатьнако пления о шибо ккванто вания. Д ля реализации всех во зм о жны х варианто в предсказания ЗУ до лжно со держать неско лько (как м иним у м 4) преды ду щ их кадро в. О ценка движения о су щ ествляется пу тем сравнения теку щ его изо бражения, по сту паю щ его на вхо д ко дера, с изо бражением , нахо дящ им ся в ЗУ и испо льзу ем ы м для предсказания (о по рны м изо бражением ). Э та про цеду ра по ясняется рис.1.15,а. Д ля каждо го м акро бло ка ко диру ем о го изо бражения о ты скивается, как это бы ло о писано ранее, со о тветству ю щ ая о бласть А 1 разм еро м 16х16 элем енто в в о по рно м изо бражении. П о ло жение со о тветству ю щ ей о бласти о пределяется с то чно стью до по ло вины пиксела по о беим ко о рдинатам . Е сли в о бласти по иска не най дена со о тветству ю щ ая о бласть, о тличие ко то ро й о т данно го м акро бло ка не превы шает у стано вленно й величины , то это т м акро бло к ко диру ется во вну трикадро во м режим е анало гично м акро бо лкам Iкадро в. Е сли со о тветству ю щ ая о бласть А 1 най дена, то м акро бло к ко диру ется в м ежкадро во м режим е, и для него о пределяется векто р движения V1. В екто ры движения ко диру ю тся с перем енно й длино й ко до вы х сло в и через м у льтиплексо р вклю чаю тся в о бщ ий по то кданны х. Е сли для м акро бло ка вы бран м ежкадро вы й режим ко диро вания, то фо рм иру ется предсказанны й м акро бло к (П редск. М Б), в качестве ко то ро го берется най денная со о тветству ю щ ая о бласть А 1 из о по рно го изо бражения. П редсказанны й м акро бло к по элем ентно вы читается из насто ящ его м акро бло ка. П о лу ченны й разно стны й м акро бло к (о шибка предсказания) про хо дит по бло чно е Д К П , кванто вание и ко диро вание с перем енно й длино й ко до вы х сло в. М атрица ко эффициенто в кванто вания для о шибо кпредсказания со держит 64 числа 16 и испо льзу ется для кванто вания как ярко стны х, так и цвето разно стны х со ставляю щ их. Д ля м акро бло ко в В -кадро в по иск со о тветству ю щ ей о бласти о су щ ествляется как в предшеству ю щ ем I- или Р- кадре, так и в по следу ю щ ем Р-кадре (рис.8.5,б). В зависим о сти о т резу льтато в по иска со о тветству ю щ ей о бласти во зио жны следу ю щ ие варианты : - м акро бло кко диру ется во вну трикадро во м режим е; - фо рм иру ется предсказанны й м акро бло кв виде со о тветству ю щ ей о бласти А 1 преды ду щ его I- или Р-кадра; - фо рм иру ется предсказанны й м акро бло кв виде со о тветству ю щ ей о бласти А 2 по следу ю щ его Р-кадра; - фо рм иру ется предсказанны й м акро бло кв виде по элем ентно й по лу су м м ы со о тветству ю щ ей о бласти А 1 преды ду щ его I- или Р-кадра, и со о тветству ю щ ей о бласти А 2 по следу ю щ его Р-кадра, т.е. в виде резу льтата интео по ляции по этим о бластям . В по следних трех вариантах м акро бло кко диру ется в м ежкадро во м

28

режим е как это бы ло о писано для Р- кадро в. В слу чае предсказания пу тем интерпо ляции для м акро бло ка нео бхо дим о передавать два векто ра движения V1 и V2, по казы ваю щ ие по ло жения со о тветству ю щ их о бластей в преды ду щ ем и в по следу ю щ ем кадрах. П реды ду щ ий I- или P-кадр

К о диру ем ы й P-кадр

а)

А1

П редск. М Б

V1 П реды ду щ ий I- или P-кадр

К о диру ем ы й P-кадр

П о следу ю щ ий P-кадр

б)

А1

V1

П редск. М Б

V2

А2

Рис.8.6. П о лу чение предсказанно го м акро бло ка в Р-кадре (а) и в В -кадре

П ри ко диро вании телевизио нны х изо бражений с чересстро чно й развертко й во зм о жны два о сно вны х варианта предсказания: по лево й и кадро вы й . П ри по лево м предсказании м акро бло ка каждо го по ля предсказы вается независим о о т дру го го по ля это го кадра. И для фо рм иро вания предсказанно го м акро бло ка испо льзу ю тся данны е о дно го или дву х ранее ко диро ванны х по лей . П ри кадро во м предсказании для фо рм иро вания предсказанно го м акро бло ка испо льзу ю тся данны е, со держащ иеся в о бо их по лях о дно го или дву х ранее ко диро ванны х кадро в. П о м им о это го стандарт преду см атривает до по лнительны е режим ы предсказания при чересстро чно й развертке. К ро м е то го , стандарт по зво ляет про пу скать неко то ры е м акро бло ки при ко диро вании. Д ля таких м акро бло ко в никакие данны е не передаю тся. Э то т

29

вариант испо льзу ется, если ко диру ем ы й м акро бло к не им еет о тличий о т со о тветству ю щ его м акро бло ка в о по рно м изо бражении. О писанны й спо со б ко диро вания телевизио нно го сигнала и назы вается ко диро ванием с предсказанием и ко м пенсацией движения. В ы игры ш в сжатии изо бражения до стигается благо даря то м у . Что разно сти дей ствительны х и предсказанны х м акро бло ко в Р- и В – кадро в со держат значительно м еньше инфо рм ации, чем сам и эти м акро бло ки. П ри это м для В -кадро в о бъем передавем о й инфо рм ации бу дет наим еньшим , так как при дву направленно м предсказании о шибка предсказания м иним альна. К о диро ванны е видео данны е и векто ры движения через м у льтиплексо р по сту паю т в БЗУ , рабо таю щ ее по принципу «первы м во шел – первы м вы шел». О дна из фу нкций БЗУ – со гласо вание неравно м ерно го по врем ени по то ка данны х по сле ко диро вания со стро го по сто янно й ско ро стью передачи дво ичны х сим во ло в при вы по лнении ко диро вания в реально м врем ени. Н еравно м ерно сть по то ка данны х, по сту паю щ их в БЗУ , о бу сло влена в перву ю о чередь наличием разны х типо в кадро в. Считы вание данны х из БЗУ о су щ ествляется с по сто янно й ско ро стью . Степень запо лненно сти БЗУ ко леблется во врем ени, во зрастая при у величении по то ка по сту паю щ их на него данны х и снижаясьпри у м еньшении это го по то ка. П о м им о различия типо в кадро в на степеньзапо лнения бу фера м о жет влиять характер передаваем о го изо бражения. Е сли в изо бражении м но го м елких деталей , во зрастает ко личество и у ро вень вы со ко часто тны х со ставляю щ их про странственно -часто тно го спектра, т.е. ко личество о тличны х о т ну ля ко эффициенто в Д К П . Э то приво дит к у величению по то ка данны х. П ри передаче же «гладких» изо бражений ко личество о тличны х о т ну ля ко эффициенто в Д К П у м еньшается, так как про странственно -часто тны й спектр изо бражения им еет в о сно вно м низко часто тны е со ставляю щ ие. Д ля о птим изации рабо ты систем ы желательно по ддерживать у ро вень запо лнения БЗУ приблизительно по сто янны м . Е сли БЗУ перепо лняется, то , о чевидно , бу дет про исхо дить по теря части данны х, т.е. у ху дшение качества изо бражения на вы хо де систем ы . Е сли же БЗУ по лно стью о сво бо ждается, то по каналу связи прихо дится передавать«пу сты е»бло ки, что приво дит кснижению эффективно сти его испо льзо вания. Что бы избежать о бо их нежелательны х слу чаев, в ко дере изо бражения введена о братная связь с БЗУ на бло к У К С, у правляю щ ий степенью сжатия изо бражения. Су щ но сть дей ствия это й о братно й связи заклю чается в следу ю щ ем . Е сли передается м елко стру кту рно е изо бражение, и запо лнение БЗУ у величивается, то по д во здей ствием о братно й связи у величивается парам етр кванто вания ко эффициенто в Д К П (см . фо рм у лу 1.7). П ри это м число бит на кажды й ко эффициент у м еньшается, и у ро вень по то ка данны х по ддерживается прим ерно по сто янны м . Н ао бо ро т, при передаче «гладких» изо бражений кванто вание стано вится бо лее то чны м . Т ако й м ето д со о тветству ет сво й ствам чело веческо го зрения: на м елко стру кту рны х изо бражениях м енее зам етны нето чно сти в передаче у ро вней ярко сти, так как в перву ю о чередь во сприним аю тся ко нту ры деталей . И зм енение парам етра кванто вания м о жет

30

о су щ ествляться или по сле ко диро вания каждо го кадра с у чето м его типа, или в пределах о дно го кадра по сле ко диро вания каждо го слай са. Д анны е о парам етре кванто вания вклю чаю тся в о бщ ий по то к данны х в заго ло вки слай со в. 8.2.5. П оток видеоданных Н а рис. 8.7 представлена у про щ енная стру кту рная схем а по то ка данны х на вы хо де видео ко дера MPEG-2. Сам о й кру пно й стру кту рно й единицей по то ка видео данны х является видео по следо вательно сть, в неко то ры х ру сско язы чны х исто чниках назы ваем ая рядо м . В идео по следо вательно сть м о жет со держать про изво льно е число гру пп изо бражений (GOP), ко то ры е, в сво ю о чередь, со сто ят из кадро в (при кадро во м ко диро вании) или по лей (при по лево м ко диро вании) разны х типо в (I,P,B). К аждо е изо бражение со сто ит из слай со в, кажды й из ко то ры х со держит неко то ро е число м акро бло ко в. К аждая стру кту рная единица по то ка видео данны х начинается с со о тветству ю щ его старто во го ко да, по зво ляю щ его при деко диро вании вы делятьизпо то ка ну жны е данны е.

Заго ло во к ВП

Заго ло во к изо бр.

Расшир. Зг. В П

Расшир. и по льз.

Расшир. и по льз.

Д анны е изо бр.

Заго ло во к GOP

Д анны е по льз.

К о нец ВП

Рис.8.7. Стру кту ра по то ка данны х на вы хо де видео ко дера MPEG-2

П ередача видео данны х всегда начинается с заго ло вка видео по следо вательно сти (Заго ло во к В П ), за ко то ры м следу ет расширение заго ло вка видео по следо вательно сти (Расшир. Зг. В П ). В этих частях по то ка данны х передается, в частно сти, следу ю щ ая инфо рм ация: - ширина и вы со та изо бражения, вы раженны е ко личествам и пиксело в; - о тно шение ширины квы со те; - часто та кадро в; - признаки нео бхо дим о сти загру зки из по то ка видео данны х м атриц ко эффициенто в кванто вания; - признакчересстро чно й развертки; - фо рм ат дискретизации (4:2:0, 4:2:2 или 4:4:4). Д алее м о гу т передаваться расширение и данны е по льзо вателя (Расшир. И по льз.). Э та часть по то ка м о жет о тсу тство вать, что по казано стрелко й , иду щ ей

31

в о бхо д бло ка. Расширение прису тству ет, в частно сти, если испо льзу ется м асштабиру ем о сть. К аждая гру ппа изо бражений м о жет начинаться сзаго ло вка (Заго ло во кGOP). Н аличие это го заго ло вка о бязательно для перво й гру ппы изо бражений в видео по следо вательно сти. Д ля дру гих гру пп изо бражений заго ло во к м о жет о тсу тство вать (стрелка в о бхо д не по казана), так как начало гру ппы всегда со впадает сI-кадро м . П о сле заго ло вка гру ппы изо бражений м о гу т передаваться данны е по льзо вателя. П еред кажды м кадро м или по лем идет заго ло во к изо бражения (Заго ло во к изо бр.), со держащ ий но м ер это го изо бражения в видео по следо вательно сти, тип изо бражения (I, P или В ) и дру гие данны е. Затем м о гу т передаваться расширение и данны е по льзо вателя. П о сле это го передаю тся сам и данны е это го изо бражения (Д анны е изо бр.). Заго ло во к каждо го слай са (на рис.3.6 не по казано ) со держит данны е о по ло жении это го слай са в изо бражении, значение парам етра кванто вания и дру гу ю инфо рм ацию . Д анны е вну три каждо го м акро бло ка также распо ло жены в заданно м по рядке. П о сле передачи данны х изо бражения м о жет следо вать дру го е изо бражение это й же гру ппы (стрелка на бло к Заго ло во к изо бр.) или начинаться следу ю щ ая гру ппа изо бражений (стрелка на бло к Заго ло во к GOP). Е сли передано по следнее изо бражение в видео по следо вательно сти, то передается признак о ко нчания по следо вательно сти (К о нец В П ). 8.2.6. Д екодер видеоинформации В со о тветствии со стандарто м в деко дере (рис.3.7) вы по лняю тся деко диро вания ко до в перем енно й длины , декванто вание. О братно е Д К П ко м пенсация движения и во сстанавливается исхо дная по следо вательно сть кадро в. Д еко дер со держит бу ферно е запо м инаю щ ее у стро й ство (БЗУ ); дем у льтиплексо р Д М п, деко деры ко до в с перем енно й длино й ко до вы х сло в Д К П Д С, а также декванто ватель К в-1, бло к о братно го ко сину сно го прео бразо вания Д К П -1, предсказатель и ЗУ , анало гичны е со о тветству ю щ им бло кам ко дера. Т акто вая часто та 27 М Гц во сстанавливается с испо льзо ванием данны х издеко диру ем о го по то ка. Вх

БЗУ

ДМ п

ДКП ДС

К в-1

ДКП

-1

1В ы х

+ ДКП ДС

П ред

Рис.8.8. Стру кту рная схем а видео деко дера MPEG-2

ЗУ

2

32

БЗУ на вхо де деко дера вы по лняет ф у нкцию со гласо вания по сто янно й ско ро сти передачи дво ичны х сим во ло в во вхо дно м по то ке данны х с про цессам и в деко дере, при ко то ры х данны е из БЗУ считы ваю тся неравно м ерно во врем ени. С вы хо до в дем у льтиплексо ра ко диро ванны е данны е изо бражения и значения парам етра кванто вания по сту паю т на Д К П Д С и далее на декванто ватель, а векто ры движения по сту паю т на Д К П Д С и далее - на предсказатель. Т акже каки в ко дере, в деко дере им ею тся два режим а рабо ты . П ри прием е Iкадро в и передаваем ы х свну трикадро вы м ко диро ванием м акро бло ко в Р-кадро в и В -кадро в на вы хо де бло ка о братно го Д К П фо рм иру ю тся бло ки изо бражения. П ереклю чатель на стру кту рно й схем е при это м нахо дится в по ло жении 1, и сигнал с бло ка о братно го Д К П направляется на вы хо д. П ри прием е м акро бло ко в Р-кадро в и В -кадро в, ко диру ем ы х в м ежкадро во м режим е, переклю чатель нахо дится в по ло жении 2. В это м слу чае фо рм иро вание вы хо дно го сигнала про исхо дит пу тем по элем ентно го сло жения по сту паю щ их с бло ка о братно го Д К П значений разно стей с предсказанны м м акро бло ко м , фо рм иру ем ы м из элем енто в ранее деко диро ванны х изо бражений с испо льзо ванием деко диро ванны х векто ро в движения. Реализация деко дера аппаратны м и, про грам м ны м и или аппаратно -про грам м ны м и средствам и су щ ественно про щ е, чем реализация ко дера, так как в деко дере не надо вы по лнять по иск со о тветству ю щ их о бластей в о по рны х изо бражениях, а им енно это т по исктребу ет наибо льшего ко личества вы числений . 8.2.7. М асш табируемость В ажно й о со бенно стью стандарта MPEG-2 является м асштабиру ем о сть, ко то рая о пределяется как во зм о жно сть по лу чения изо бражения из части по лно го по то ка видео данны х. П о следний в слу чае наличия м асштабиру ем о сти со сто ит из дву х или бо лее сло ев. Базо вы й сло й дает во зм о жно сть по лу чить изо бражение с неко то ры м и начальны м и парам етрам и качества. Д о по лнительны е сло и по то ка данны х по зво ляю т по лу чить изо бражение у лу чшенно го качества. Стандарт преду см атривает во зм о жно сть о рганизации по то ко в видео данны х каксм асштабиру ем о стью , таки без нее. Стандарто м преду см о трены следу ю щ ие виды м асштабиру ем о сти: по о тно шению сигнал/шу м , по врем ени и по разделению данны х. К ажды й вид м асштабиру ем о сти, взяты й о тдельно , предпо лагает наличие в по то ке данны х дву х у ро вней . В слу чае испо льзо вания о дно врем енно дву х или бо лее видо в м асштабиру ем о сти число у ро вней в по то ке данны х м о жет бы тьдо трех. М асштабиру ем о сть по про странственно м у разрешению заклю чается в по лу чении о т о дно го исто чника видео инфо рм ации дву х Т В -сигнало в сразны м и парам етрам и по разрешаю щ ей спо со бно сти. Н априм ер, сигнало в Т В о бы чно й четко сти и Т В вы со ко й четко сти или сигнало в о бъем но го изо бражения. В этих слу чаях базо вы й сло й по то ка данны х со держит инфо рм ацию , до стато чну ю для во спро изведения изо бражения о бы чно й четко сти. Д о по лнительны й сло й со держит данны е, по зво ляю щ ие до по лнить во спро изво дим о е изо бражение до

33

изо бражения вы со ко й четко сти или о бъем но го изо бражения. В ажно о тм етить, что о бъем этих до по лнительны х данны х м еньше, чем по лны й о бъем данны х изо бражения вы со ко й четко сти или о бъем но го изо бражения, так как частьинфо рм ации передается в базо во м сло е. П о льзо ватели, им ею щ ие деко деры , спо со бны е деко диро ватьо ба сло я по то ка данны х, и, следо вательно , бо лее сло жны е и до ро гие, бу ду т по лу чатьна экранах сво их телевизо ро в изо бражения вы со ко й четко сти или о бъем ны е изо бражения. Д ру гие по льзо ватели, им ею щ ие бо лее про сты е и дешевы е деко деры для деко диро вания то лько базо во го сло я, также см о гу т см о третьэти передачи, но в виде изо бражений о бы чно й четко сти. М асштабиру ем о сть по о тно шению сигнал/шу м дает во зм о жно сть по лу чать о то дно го исто чника видео инфо рм ации изо бражения с дву м я у ро вням и о тно шения сигнал/шу м и, следо вательно , с дву м я у ро вням и качества. П о д шу м о м по ним аю тся о шибки, вно сим ы е кванто ванием и ко диро ванием . Базо вы й сло й по то ка данны х м о жет со держатьизо бражение сбо льшей степенью сжатия и, следо вательно , м енее качественно е. Д о по лнительны й сло й при это м бу дет со держать данны е, по зво ляю щ ие при их до бавлении к данны м базо во го сло я по лу читьизо бражение см еньшей степенью сжатия, т.е. бо лее качественно е. М асштабиру ем о сть по врем ени по зво ляет по лу чать о т о дно го исто чника видео инфо рм ации телевизио нны е изо бражения с дву м я у ро вням и разрешаю щ ей спо со бно стью по врем ени. Н априм ер, базо вы й сло й м о жет со держать о бы чны й Т В -сигнал с часто то й кадро в 25 Гц и чересстро чно й развертко й , а до по лнительны й сло й – данны е, по зво ляю щ ие при их до бавлении к данны м базо во го сло я по лу чить телевизио нно е изо бражение с часто то й кадро в 50 Гц и про грессивно й развертко й . М асшабиру ем о стьпо разделению данны х по зво ляет испо льзо ватьдля передачи параллельно два канала связи. П о о дно м у из них, бо лее по м ехо защ ищ енно м у , передается базо вы й сло й , со держащ ий наибо лее критичну ю к о шибкам инфо рм ацию – заго ло вки, векто ры движения, ко эффициенты ДКП , со о тветству ю щ ие низким про странственны м часто там . П о м енее по м ехо защ ищ енно м у каналу передаю тся м енее критичны е к о шибкам данны е, наприм ер, ко эффициенты Д К П , со о тветству ю щ ие вы со ким про странственны м часто там . Э то т вид м асштабиру ем о сти хо ро шо со четается с преды ду щ им и трем я видам и, при испо льзо вании каждо го из ко то ры х базо вы й сло й по то ка данны х м о жет передаваться по бо лее защ ищ енно м у каналу связи, а до по лнительны й – по м енее по м ехо защ ищ енно м у . Т о гда при хо ро ших у сло виях прием а по льзо ватель, им ею щ ий деко дер для о бо их сло ев, см о жет видеть изо бражение наивы сшего качества, а при у ху дшении этих у сло вий , наприм ер, при у далении передатчика, о нсм о жет приним атьм енее качественно е изо бражение. Следу ет о тм етить, что м асштабиру ем о сть, зало женная в стандарте, по ка редко встречается в практических реализациях цифро вы х телевизио нны х систем , о днако о на является важно й предпо сы лко й их дальней шего развития.

34

8.2.8. У ровни и профил и MPEG-2 В табл.8.4 по казаны различны е варианты Т В систем и м ето до в ко диро вания Т В сигнало в, преду см о тренны е стандарто м MPEG-2. Четы ре стро ки таблицы со о тветству ю т четы рем у ро вням про странственно го разрешения: - Low (352х280 элем енто в) – у ро веньтелевидения по ниженно й четко сти, испо льзу ем о й в видео телефо не и технике телеко нференций ; - Main (720х576 элем енто в) – у ро веньтелевидения о бы чно го разрешения; - High – 1440 (1440х1152 элем енто в) – у ро веньтелевидения вы со ко го разрешения сфо рм ато м экрана 4:3; - High – 1440 (1440х1152 элем енто в) – у ро веньтелевидения вы со ко го разрешения сфо рм ато м экрана 16:9. Т аблица 8.4 У ро вень

-

П ро филь О сно вно й М асштаб (Main) по С/Ш (SNR Scalable) 80 М бит/с -

-

60 М бит/с

-

-

80 М бит/с

15

15 М бит/с

15 М бит/с

-

20 М бит/с

-

4 М бит/с

4 М бит/с

-

-

4:2:0

4:2:0

4:2:0

4:2:0

Н ет

Е сть

Е сть

Е сть

4:2:0 или 4:2:2 ?

Н ет

Н ет

П о про стр. разреш. и С/Ш

П о про стр. разреш. и С/Ш

П ро сто й (Simple)

High 1920х1152 High 1440 1440х1152 Main 720x576 Low 352x280 К о диро вание ко м по ненто в В – кадры М асштабиру ем о сть

П о С/Ш

П ро странственны й (Spatially Scalable) -

В ы со кий (High) 100 М бит/с

В ертикальны е сто лбцы таблицы со о тветству ю т но во й градации цифро вы х Т В систем – про филям [1]. С перехо до м на бо лее вы со кие про фили, т.е. при про движении по таблице слева направо , у величивается эффективно сть испо льзу ем ы х м ето до в ко диро вания, по являю тся но вы е сво й ства Т В систем , в то м числе м асштабиру ем о сть, но , естественно , у сло жняю тся аппарату ра и алго ритм ы о брабо тки сигнало в. В клетках таблицы даны м аксим альны е значения ско ро сти передачи дво ичны х сим во ло в для варианто в стандарта. В трех нижних стро ках таблицы приведены до по лнительны е сведения о

35

сво й ствах про филей , ко то ры е бу ду т по яснены ниже. Рассм о тренны й м ето д ко диро вания о тно сится кглавно м у про филю (Main Profile). К ак видно из таблицs? Н а главно м у ро вне со о тветству ю щ ем Т В о бы чно го разрешения, ско ро сть передачи дво ичны х сим во ло в в канале связи до стигает 15 М бит/с. Сравнив это значение сисхо дны м значением 216 М бит/с, со о тветству ю щ ий параллельно м у сты ку по Реко м ендации 601 М К К Р, видим , что о су щ ествляется сжатие по то ка инфо рм ации прим ерно в 15 раз. Н а бо ле вы со ких у ро внях главно го про филя, со о тветству ю щ их Т В вы со ко й четко сти, ско ро сть передачи дво ичны х сим во ло в в канале связи во зрастает с60 до 80 М бит/с. следу ет о со бо по дчеркну ть, что для всех у ро вней разрешения данно го про филя испо льзу ется о дин и то т же набо р м ето до в ко диро вания. В это м заклю чается со вм естим о сть разны х у ро вней . Н а бо лее вы со ких у ро внях ко деры и деко деры до лжны им етьбо льшо е бы стро дей ствие и бо льшо й о бъем ЗУ . А ппарату ра бо лее вы со ких у ро вней разрешения м о жет рабо татьна бо лее низких у ро внях разрешения. 8.3.С тандарткодированияинформации MPEG-4 Стандарт ко диро вания MPEG-4 о хваты вает следу ю щ ие о бласти: - цифро во е Т В и связь; - интерактивну ю графику , синтезо то бражения; - интерактивны е м у льтим едий ны е прило жении, в то м числе передаваем ы е черезИ Н Т Е РН Е Т . Стандарт MPEG-4 по зво ляет передаватьвидео и зву ко ву ю инфо рм ацию с о чень бо льшим и ко эффициентам и сжатия по у зко по ло сны м каналам связи, что нео бхо дим о как в систем ах видео связи при испо льзо вании о бы чны х телефо нны х сетей и о тно сительно низко ско ро стны х цифро вы х канало в (64 кбит/с), так и передачи движу щ ихся изо бражений и зву ко во го со про во ждения через И нтернет. К ро м е то го , но вы й стандарт о беспечивает интерактивно сть, т.е. во зм о жно сть для по льзо вателя у правлять про цессо м передачи ем у инфо рм ации пу тем запро со в, вы бо ра варианто в и дру гих дей ствий . Т аким о бразо м , стандарт MPEG-4 является важны м шаго м на пу ти к интерактивно м у Т В. 8.3.1.О бъ екты и сцены В ажней шей о со бенно стью MPEG-4 является объе к т н о-ор и е н т и р ован н ы й по дхо д, су щ но сть ко то ро го заклю чается в то м , что передаваем о е изо бражение со зву ко вы м со про во ждением представляется как со во ку пно сть видео - и ау дио - объе к т ов. В и де ообъе к т ам и (VO-visual object) м о гу т бы ть изо бражения лю дей и предм ето в, перем ещ аю щ ихся перед непо движны м фо но м , и сам непо движны й фо н. О бы чно е Т В изо бражение м о жет бы ть едины м видео о бъекто м . А уди ообъе к т ам и (А О -audio-object) м о гу т бы ть го ло са лю дей , м у зы ка, дру гие зву ки. Связанны е видео - и ау дио о бъекты , наприм ер, изо бражение чело века и его го ло с о бразу ю т ау дио -визу альны й о бъект. В идео и ау дио о бъекты со ставляю т сце н у. MPEG-4 со держит специальны й язы к для о писания сцен – BIFS (BInary Format for Scens – дво ичны й фо рм ат для сцен).

36

О писание сцены им еет иерархическу ю стру кту ру . Н а рис 8.8 приведен прим ер стру кту ры о писания сцены , в ко то ро й Ш ерло к Х о лм с и до кто р В атсо н беседу ю т в ко м нате на Бей кер-стрит. В ерхним у ро внем стру кту ры является сцена в цело м . О на со держит непо движны й фо н, о бразо ванны й изо бражением стен, м ебели и т.д. В сцене прису тству ю т два персо нажа, кажды й из ко то ры х является ау дио -визу альны м о бъекто м , вклю чаю щ им видео о бъект – го ло с это го персо нажа. К ро м е то го , в сцене прису тству ет кам ин, ко то ры й также является ау дио -визу альны м о бъекто м , вклю чаю щ им видео о бъект - изо бражение непреры вно движу щ его ся о гня, и ау дио о бъект – зву ки, исхо дящ ие о т кам ина. О писание каждо й сцены вклю чает данны е о ко о рдинатах о бъекто в в про странстве и о б их привязке ко врем ени. В идео о бъекты м о гу т разм ещ аться в разны х пло ско стях видео о бъекто в (VOP – video object plane), так что видео о бъекты , нахо дящ иеся в бо лее близких к зрителю пло ско стях сцены , перекры ваю т при движении видео о бъекты , нахо дящ иеся в бо лее дальних пло ско стях. Сцена, представляем ая по льзо вателю , м о жет со держать все о бъекты , инфо рм ация о ко то ры х по сту пает в приним аем о м по то ке данны х, или то лько часть о бъекто в. В интерактивно м режим е по льзо ватель м о жет влиять на развитие сцены , по давая со о тветству ю щ ие ко м анды . MPEG-4 по зво ляет также передавать по льзо вателю до по лнительну ю инфо рм ацию о б о бъектах, ко то рая м о жет о то бражаться, наприм ер, в виде о кна с тексто м , по являю щ его ся, ко гда по льзо вательвы брал спо м о щ ью «м ы шки»како й -либо о бъект в сцене. П о это м у для реализации интерактивны х во зм о жно стей MPEG-4 нео бхо дим не телевизо р, а П К , по дклю ченны й в И нтернет. Сцена

Х о лм с

И зо бра жение

В атсо н

И зо бражение Го ло с

Го ло с

кам ин

фо н

И зо бражение Го ло с

Рис.8.8.П рим ер стру кту ры о писания сцены

8.3.2.К одированиевидеообъ ектов В о тличие о т MPEG-2, в ко то ро м прим еняется фиксиро ванны й алго ритм ко диро вания, в MPEG-4 испо льзу ется целы й набо р м ето до в ко диро вания,

37

вклю чаю щ ий алго ритм ы , схо дны е с прим еняем ы м в MPEG-2, так и принципиально но вы е м ето ды ко диро вания, о сно ванны е на по нятии видео о бъекта. В ы бо р то го или ино го м ето да ко диро вания в ко нкретно м слу чае о пределяется характеро м изо бражения и требу ем ы м ко эффициенто м сжатия инфо рм ации. MPEG-4 по зво ляет эффективно сжим ать, как нату ральны е, так и синтетические изо бражения и о бъединятьих при во спро изведении. О бо бщ енная стру кту рная схем а видео ко дера MPEG-4 для нату ральны х изо бражений приведена на рис. 8.9. Н а схем е о бо значены Д К П – бло к прям о го дискретно го ко сину сно го прео бразо вания; Д К П -1 – бло к о братно го дискретно го ко сину сно го прео бразо вания; К В – кванто ватель; К В -1 – декванто ватель, т.е. бло к, вы по лняю щ ий о братну ю кванто ванию о перацию ; ЗУ – запо м инаю щ ее у стро й ство ; П ред.1, П ред.2 – бло ки, вы по лняю щ ие фо рм иро вание предсказанны х изо бражений в разны х режим ах ко диро вания; О Д – бло ко ценки движения и фо рм иро вания векто ро в движения; М п – м у льтиплексо р; БЗУ – бу ферно е ЗУ ; У К С – бло к у правления ко эффициенто м сжатия изо бражения. К ро м е то го , на схем е по казаны бло ки «К о дер фо рм ы » и «К о дер тексту р», су м м ато р, вы читаю щ ее у стро й ство и переклю чатель «В ы бо р», с по м о щ ью ко то ро го о су щ ествляется по дклю чение о дно го из бло ко в предсказания в зависим о сти о т испо льзу ем о го м ето да ко диро вания. Д анная схем а является у про щ енно й и не по казы вает м но гие бло ки и связи. Н а вхо д ко дера по сту паю т исхо дны е видео данны е, наприм ер, цифро во й Т В сигнал. Н а вы хо де ко дера фо рм иру ется элем ентарны й цифро во й по то к видео данны х. Рассм о трим о сно вны е м ето ды к оди р ован и я н ат ур альн ы хи зобр аж е н и й. 1.В идео о бъекты , представляю щ ие со бо й прям о у го льны е изо бражения (наприм ер, о бы чны е Т В кадры ), ко диру ю тся м ето до м , анало гичны м прим еняем о м у в MPEG-2, т.е. с испо льзо ванием гибридно го ко диро вания [1]. М ето д вклю чает предсказание с о ценко й и ко м пенсацией движения для м акро бло ко в 16х16 пиксело в и Д К П о шибки предсказания в бло ках 8х8 пиксело в. Д ля о пределенно сти бу дем считать, что предсказание в это м слу чае вы по лняется в бло ке П ред.1. Связь вы хо да бло ка О Д с м у льтиплексо ро м и средства у правления ко эффициенто м сжатия на рис. 8.9 не по казаны . Э то т вид ко диро вания им еет два у ро вня по ско ро сти передачи дво ичны х сим во ло в в вы хо дно м по то ке данны х. У ро веньо ченьнизко й ско ро сти передачи VLBV (Very Low Bitrate Video) предназначен для передачи изо бражений с низким про странственны м разрешением (фо рм аты QCIF и SQCIF) и по ниженно й часто то й кадро в (10… 15 Гц) по у зко по ло сны м каналам связи со ско ро стям и передачи дво ичны х сим во ло в 5… 64 кбит/с. Э то т у ро веньм о жет испо льзо ваться в видео телефо нно й связи сневы со ким качество м изо бражения. У ро вень вы со ко й ско ро сти передачи (High bitrate) предназначен для передачи изо бражений с бо лее вы со ким про странственны м разрешением , впло ть до фо рм ата по Реко м ендации 601, по различны м каналам связи со ско ро стям и передачи дво ичны х сим во ло в 64 кбит/с… 10 М бит/с. Э то т у ро вень

38

м о жет испо льзо ваться в видео связи с вы со ким качество м изо бражения и для передачи Т В про грам м . 2.К о диро вание, о сно ванно е на со держании (content-based coding), по зво ляет по лу чить су щ ественно бо льшее сжатие изо бражений за счет у чета сво й ств видео о бъекто в, прису тству ю щ их в сцене. О дно й из во зм о жно стей , со здаваем ы х этим и м ето дам и, является ко диро вание видео о бъекто в сло жно й фо рм ы . Н априм ер, в качестве видео о бъекта м о жет бы ть взята о бласть изо бражения, о тличаю щ аяся о т о кру жения ярко стью или цвето м . Э та о бласть м о жет перем ещ аться и дефо рм иро ваться. П ри фо рм иро вании предсказанно го изо бражения с ко м пенсацией движения см ещ аю тся не прям о у го льны е м акро бло ки, а вы деленны е о бласти, ко то ры е к то м у же м о гу т изм енять сво ю фо рм у . П ри это м о шибка предсказания о казы вается значительно м еньше, и о бъем инфо рм ации, со держащ ей ся в разно сти предсказанно го и насто ящ его изо бражений о чередно го кадра, су щ ественно у м еньшается. В ко дере, по казанно м на рис. 8.9, тако й вариант предсказания вы по лняется в бло ке П ред.2. В х.

ДКП

К о дер тексту р

КВ

М

П

В ы х.

К В -1

П ред.1

ДКП

-1

В ы бо р

П ред.2

ЗУ

+

О Д

К о дер ф о рм ы

.

Рис.8.9. Стру кту рная схем а видео ко дера MPEG-4

В то же врем я, вм есто векто ро в движения, по казы ваю щ их перем ещ ение прям о у го льно го м акро бло ка как цело го , нео бхо дим о передать парам етры , характеризу ю щ ие изм енение ко о рдинат и фо рм ы видео о бъекта. Э ти парам етры

39

о пределяю тся и ко диру ю тся в К о дере фо рм ы , по сле чего о ни вклю чаю тся через м у льтиплексо р М П в вы хо дно й по то кданны х. Д анны е о фо рм е видео о бъекта заним аю т значительно бо льше дво ичны х сим во ло в, чем про сто й векто р движения. Н априм ер, если граница о бласти, вы деленно й как видео о бъект, аппро ксим иру ется м но го у го льнико м , то для о писания см ещ ения и дефо рм ации это й о бласти нео бхо дим о передать ко о рдинаты всех у гло в м но го у го льника. Т ем не м енее, о бщ ий вы игры ш в у м еньшении о бъем а передаваем о й инфо рм ации по сравнению с MPEG-2 о казы вается су щ ественны м . 3. Д ля сжатия изо бражений непо движно го фо на и тексту р про тяженны х о бъекто в испо льзу ется м ето д ко диро вания, о сно ванны й на вэй влетпрео бразо вании. Э то т м ето д о беспечивает вы со кие степени сжатия и м но го сту пенчату ю м асштабиру ем о стьпо про странственно м у разрешению . П ерей дем к м ето дам ко диро вания синтетических видео о бъекто в, со здаваем ы х с испо льзо ванием средств м ашинно й графики. Т акие видео о бъекты м о гу т ко диро ваться рассм о тренны м и вы ше м ето дам и для нату ральны х изо бражений . О днако значительно эффективнее испо льзо вать их парам етрическо е о писание. В стандарте MPEG-4 испо льзу ется м о дель чело веческо го лица, по стро енная на о сно ве сетки из треу го льны х ячеек, ко то ры е запо лняю тся тексту ро й [2]. И м еется также трехм ерная м о дельчело веческо го тела в виде трехм ерно й сетки. Д ву м ерны е изо бражения чело века по лу чаю тся пу тем по стро ения про екции трехм ерно й м о дели на ну жну ю пло ско сть[2]. Ф о рм а, тексту ра и вы ражение лица в статике о писы ваю тся парам етрам и FDP (Facial Definition Parameters), а в динам ике – парам етрам и FAP (Facial Animation Parameters) [1]. Д ля тела в статике задаю тся парам етры – BDP (Body Definition Parameters), а в динам ике В А Р (Body Animation Parameters). Статические парам етры FDP и BDP передаю тся в начале сеанса связи. Д ля во спро изведения м им ики лица и движения тела со беседника в про цессе разго во ра передаю тся динам ические парам етры FAP и BAP. Синтетические изо бражения лица и тела чело века м о гу т испо льзо ваться в систем ах видео связи вм есто насто ящ их изо бражений со беседника. П ередача парам етро в м о дели требу ет су щ ественно м еньшей ско ро сти передачи дво ичны х сим во ло в, чем передача реально го изо бражения. П о м им о лица и тела м о гу т синтезиро ваться про изво льны е дву м ерны е изо бражения также в виде сето к с треу го льны м и ячей кам и, запо лняем ы м и тексту ро й . Стандарто м MPEG-4 о беспечивается м но го у ро вневая м асштабиру ем о стьпо про странственно м у разрешению , по врем ени и по качеству изо бражения. 8.4.И скаж енияизображ ений при сж атии по стандартамMPEG. Х арактерны м и искажениям и изо бражений , во зникаю щ их в резу льтате ко диро вания по стандартам MPEG при до стато чно бо льших степенях сжатия, (20-50 раз) являю тся: при вну трикадро во м ко диро вании:

40

1.Зам е т н ост ь гр ан и ц блок ов (блок и н г-эффе к т ). Т ак как со седние бло ки ко диру ю тся и деко диру ю тся независим о дру г о т дру га, то при бо льших степенях сжатия по сле кванто вания и декванто вания в них м о гу т по лу чаться зам етно различаю щ иеся ко эффициенты Д К П , со о тветству ю щ ие по сто янны м и низко часто тны м со ставляю щ им . В резу льтате изо бражения в со седних бло ках м о гу т сильно о тличаться дру г о т дру га по ярко сти, цвету , характеру деталей и тексту ры . 2.Р азм ы т ы е и зобр аж е н и я. Н аблю дается при бо льшо м ко эффициенте сжатия изо бражения. О бу сло влено о граничением либо по лны м о бну лением ко эффициенто в ДКП , со о тветству ю щ их вы со ким про странственны м часто там , в резу льтате чего м елкие детали изо бражения стано вятся разм ы ты м и или по лно стью про падаю т. 3.П оявле н и е ок ан т овок н а р е зк и х пе р е ходах яр к ост и и зобр аж е н и я. Э то т эффект о бу сло влен значительны м и искажениям и либо по лны м по давлением В Ч со ставляю щ их про странственно го спектра. 4.Р азм ы т и е цве т ов. И м еет ту же причину , что и эффект о канто вки на границах но про является на у частках изо бражения срезким и скачкам и в сигнале ярко сти. 5.Эффе к т ст упе н е к . В о зникает как резу льтат неправильно го во сстано вления или передачи краев изо бражений вну три бло ка. Э ффект про является, как правило , при во сстано влении изо бражения в у величенно м м асштабе. И скажения, со здаваем ы е м ежкадро вы м ко диро ванием : 1. Лож н ы е гр ан и цы Н аблю даю тся при ко м пенсации движения. Э то т эффект является прям ы м следствием м ежкадро во го ко диро вания видео сигнала. 2. Эффе к т «к ом ар ов» П ро являю тся как флу кту ации ярко сти или цветно сти в бло ке на границе м ежду движу щ им ся о бъекто м и фо но м , Э ффект во зникает вследствие различно й степени кванто вании о шибо кпредсказания о т кадра ккадра. 3.Зе р н и ст ы й ш ум в ст аци он ар н ой област и П ро являю тся как м едленно движу щ иеся м ерцаю щ ие шу м ы низко й интенсивно сти в о бластях, в ко то ры х им еется лишь м ало е движение либо движение о тсу тству ет по лно стью . 4. П оявле н и е н е пр ави льн ы х цве т ов в м ак р облок е по от н ош е н и ю к и сходн ы м цве т ам и к цве т ам ок р уж аю щ е й област и 5.П о явление следо в за движу щ им ися о бъектам и, ко то ры е м о гу т со храняться сравнительно до лго . 8.5. Д остиж имыестепени сж атия К акие степени сжатия реально до стижим ы при испо льзо вании MPEG-2? За исхо дну ю ско ро стьпередачи дво ичны х сим во ло в во зьм ем 216 М бит/с, что со о тветству ет Реко м ендации 601 при фо рм ате дискретизации 4:2:2. при перехо де к фо рм ату 4:2:0, ко то ры й испо льзу ется для Т В «Main Profile/Main

41

Level», ско ро сть передачи дво ичны х сим во ло в со кращ ается до величины 162 М бит/с, о тно сительно ко то ро й и бу дем о пределятьстепеньсжатия. О днако на практике для по лу чения сту дий но го качества принято го изо бражения м о жно сжим ать видео инфо рм ацию до ско ро сти передачи 9 М бит/с т.е. в 18 раз. Д ля по лу чения качества изо бражения, с о бы чны м изо бражением п систем е PAL – до 4… 5 М бит/с, т.е. в 30-40 раз. К ачество изо бражения, со по ставим о е с по лу чаем ы м при во спро изведении видео записей стандарта VHS, до стигается при сжатии до у ро вня о ко ло 1,5 М бит/с, т.е. бо лее чем в 100 раз. 9. Д ругиеметоды сж атияТ В сигнал ов 9.1. С тандартMPEG-7 М ассо во е распро странение П К и И нтернет, со дно й сто ро ны , а сдру го й – видео кам ер и дру го й видео техники, привело к то м у , что про изво дство и распро странение ау дио визу ально й инфо рм ации стано вится до сту пны м каждо м у по льзо вателю . В резу льтате кажды й день в м ире про изво дится о гро м ны й о бъем тако й инфо рм ации, и по это м у задача ее идентификации и по иска в И нтернет стала акту ально й . Д ля решения данно й задачи бы л разрабо танстандарт MPEG-7, су щ но сть ко то ро го направлена на создан и е ср е дст в опи сан и я соде р ж ан и я ви де о и ауди офайлов (т.е. на решение со всем дру го й задачи, чем преды ду щ ие стандарты MPEG). Э ти средства до лжны бы ть стандартизиро ваны для различны х типо в ау дио визу ально й инфо рм ации, вклю чая лю бы е непо движны е и движу щ иеся изо бражения, речь, м у зы ку , графику , 3-м ерны е м о дели и синтезиро ванны е зву ки, независим о о т фо рм ата представления. М ежду MPEG-7 и MPEG-4 им еется связь, так как о писание со держания ау дио визу ально й инфо рм ации бу дет о сно вано на по нятиях ау дио визу альны х о бъекто в и со сто ящ их из них сцен. В MPEG-4 им еется во зм о жно сть задавать о писание для каждо го о бъекта, а MPEG-7 дает правила по стро ения таких о писаний . 9.1.1.О сновныехарактеристики MPEG-7: 1. Д ескрипто р (Description о писатель) – о писание о бъекта. 2. Схем а о писания (Description Scheme) – стру кту ра, со держащ ая о писание о тдельны х о бъекто в и взаим о связей м ежду ним и. 3. Я зы к о пределения о писаний (Description Definition Language – DDL) – язы к, спо м о щ ью ко то ро го со ставляю тся схем ы о писаний . Д анны й стандарт со держит DDL, набо р дескрипто ро в о бъекто в и набо р схем о писаний . С по м о щ ью DDL со ставляю тся но вы е о писания сцен, испо льзу я как дескрипто ры , о пределенны е в стандарте, так и вно вь со здаваем ы е по заданны м правилам . Со держание о дно й и то й же ау дио визу ально й инфо рм ации м о жет бы ть о писано на разны х у ро внях детально сти, начиная с низко го у ро вня (цвет, фо рм а, тексту ра, по ло жение визу альны х о бъекто в, вы со та то на, гро м ко сть

42

тем п, по ло жение зву ко вы х о бъекто в и т.п.) и заканчивая вы со ким у ро внем , на ко то ро м о писание м о жет бы ть задано в виде о бы чно го текста на естественно м язы ке (сем антическо е о писание), наприм ер, «сцена, в ко то ро й прису тству ет тро е деву шекв черны х платьях, стем ны м и во ло сам и; дво е из них по ю т, а о дна играет на гитаре… ». К ро м е то го , о писание до лжно вклю чать сведения о б авто рах инфо рм ации, дату ее со здания, у сло вие до сту па, фо рм ат записи или ко диро вания и т.п. П о иск ау дио визу ально й инфо рм ации о су щ ествляется пу тем со ставления запро са, со держащ его набо р клю чевы х дескрипто ро в, так же как сей час о су щ ествляется по исктексто в по клю чевы м сло вам . П рим еры во зм о жны х варианто в тако го по иска: - задав неско лько но т, по лу читьсписо км у зы кальны х про изведений , ко то ры е со держат таку ю по следо вательно сть; - нарисо вав неско лько линий на экране, по лу читьсписо крису нко в, со держащ ий данны й фрагм ент; - задав фо рм у и тексту ру о бъекта, по лу читьсписо ксо держащ их его изо бражений , а до бавив сведения о движении, по лу чить списо к по дхо дящ их видео про грам м ; - задав о бразец го ло са певицы , по лу читьсписо кау дио - и видео фай ло в, со держащ их его записи. Д ля нахо ждения данно й инфо рм ации нео бхо дим о предварительно со ставить о писание. Э та про цеду ра вклю чает вы деление о бъекто в и их характеристик, со здание дескрипто ро в, о тсу тству ю щ их в стандартно м набо ре и со ставление схем ы о писания на язы ке DDL. П еречисленны е о перации м о гу т вы по лняться вру чну ю , по лу авто м атически или авто м атически, причем , чем вы ше у ро вень абстракции о писания, тем тру днее авто м атизиро ватьего со ставление. О писание м о жет затем храниться вм есте с ау дио визу ально й инфо рм ацией , для ко то ры х о но со ставлено , или о тдельно , наприм ер, в специальны х базах данны х. Следу ет о тм етить, что стандарт MPEG-7 не со держит средства вы деления о бъекто в и их характеристик, средства по лу авто м атическо го или авто м атическо го со ставления о писаний , правила по стро ения баз данны х для о писаний и средства вы по лнения по иска. О сно вно е его со держание – язы к DDL. 9.2. С тандарткомпрессии Windows Media 9 Series (WM9) В по следнее врем я на м но гих направлениях деятельно сти вещ ательно й и м у льтим едий но й о траслей наблю дается по степенны й перехо д с широ ко распро страненно го стандарта ко м прессии MPEG-2 на стандарты «су перко м прессии» - MPEG-4 Part 10 и Windows Media 9 Series. Н ео бхо дим о о тм етить, что бо льшу ю активно сть про являет ко м пания Microsoft, про двигая сво й стандарт Windows Media 9 Series практически во все сферы деятельно сти вещ ательны х ко м паний , кино - и видео сту дий , в по стпро изво дство и сетевы е техно ло гии передачи данны х. Т енденция перехо да на но вы й стандарт сжатия данны х хо ро шо про слеживается на м ежду наро дны х специализиро ванны х

43

вы ставках, начиная с 2002 г. Н априм ер, на вы ставке IBC2002 Microsoft впервы е про дем о нстриро вала но вы й алго ритм для Т В Ч, о беспечиваю щ ий у пло тнение цифро во го по то ка Т В Ч до 5 М бит/с. 9.2.1.О сновныехарактеристики пл атформы WM 9 И звестно , что алго ритм ы сжатия Windows Media ко м пании Microsoft о беспечиваю т передачу по то ко во го видео по сети И нтернет. Я вляясь передо во й платфо рм о й для передачи цифро во го м у льтим едий но го со держим о го , фирм а в по следние го ды стала интенсивно испо льзо ватьься как по требителям и, так и про вай дерам и ко нтента, про вай дерам и вещ ательно го о бо ру до вания, разрабо тчикам и про грам м но го о беспечения и различны м и вещ ательны м и о рганизациям и. Windows Media 9 Series по дним ает про цесс сжатия на но вы й у ро вень, так как о бладает спо со бно стью значительно у лу чшать качество назем но й передачи сигнало в цифро во го Т В о бы чно й и вы со ко й четко сти [1-3]. П латфо рм а WM9 вклю чает в себя следу ю щ ие про ду кты : - инстру м ент во спро изведения Windows Media Player 9 Series; - Windows Media 9 Series – м о щ ны й алго ритм сервера Windows Server 2003 для по то ко во й до ставки ко нтента; - Windows Media Е ncoder 9 Series – ко дер для по ст про изво дства ко нтента; - алго ртим ы сжатия Windows Media Audio 9 Series и Windows Media Video 9 Series – для по лу чения вы со ко качественно го изо бражения и зву ка; - Windows Media Digital Rights Management – для защ иты ко нтента; - Windows Media Software Development Kit – для разрабо тки П О по со зданию цифро во й м у льтим едий но й про ду кции и у слу г. П ро грам м ны й инстру м ент Windows Media Player, предназначенны й для во спро изведения м у льтим едий ны х данны х, вы пу щ ен на 26 язы ках м ира и в насто ящ ее врем я лидиру ет по распро страненно сти в про фессио нально й и бы то во й аппарату ре. Стандарт WM9, в сравнении со стандарто м MPEG-4, о беспечивает по вы шение степени сжатия на 20% - для зву ка и на 15-50% - для видео . Э то о значает, что фай л WM9 заним ает по ло вину о бъем а фай ла сравним о го качества при MPEG-4 - сжатии и третьо бъем а фай ла MPEG-2 [2]. HD ви де о, к р уговой звук . Windows Media Video 9 Pro о беспечивает хранение и распределение по лно м етражно го ху до жественно го фильм а разрешением 720р или 1080р скру го вы м зву ко м 5,1 [… ] на о дно м стандартно м диске DVD. Т ако е разрешение м о жет по ддерживаться ко м пью теро м с П О деко диро вания при разрешении 1080р, что прим ерно в 6 раз вы ше разрешения су щ еству ю щ их DVD. П р офе сси он альн ое пр ои зводст ва к он т е н т а «Ж иво е» со держим о е, наприм ер ко нтент, по сту паю щ ий с сай та прям о й трансляции ко нцерта, о бы чно м о жно по лу чить при испо льзо вании традицио нны х вещ ательны х инстру м енто в. О днако вм есто вы хо да на Т В антенну ко нтент сжим ается на П К в ко дере WM9 (неко то ры м и ко м паниям и, в

44

то м числе TANDBERG Television, разрабо таны прило жения, не предназначенны е для П К , а являю щ иеся вещ ательны м и прило жениям и). М о жно со здавать ко нтент по требо ванию и ко м по но вать видео со держим о е перед во спро изведением , испо льзу я про фессио нальны е видео м о нтажны е инстру м енты . О тсю да про грам м а или фильм ко диру ю тся с испо льзо ванием ко дера Windows Media Е ncoder 9 Series и хранится на диске до тех по р, по ка не по сту пает запро со т телезрителя. Ди н ам и че ск ая пр огр ам м а к он т е н т а и подде р ж к а р е к лам ы Windows Media Services 9 Series динам ически по ддерживает стрим инго ву ю передачу реклам ы , о беспечивая вставку или до бавление о бъявлений в лю бо е м есто вещ ательно го м атериала во врем я передачи, не преры вая ее. К ро м е то го , реклам у м о жно по дго то вить на о сно ве цифро во го видео и ау дио , HTML, а также Macromedia Flash. П О о беспечивает по льзо вателю про грессивну ю до ставку , нео бхо дим у ю для по лу чения вещ ателем во зм о жно сти акку ратно и эффективно следить и вы давать со о бщ ение о до ставке реклам но го м атериала. В ы данны е из сервера плей листы по зво ляю т директо ру теле- или радио про грам м ы динам ически изм енять по рядо к клипо в, вклю чать но вы й клип, вво дить до по лнительно е о бъявление или преры вать но во сти, вставлять реклам у и дру гие м атериалы в про цессе вещ ания безпереры во в для зрителя. Digital Rights Management (DRM) для обе спе че н и я бе зопасн ост и к он т е н т а С по м о щ ью WM9 во зм о жно безо пасно е распределение ко нтента при по то ко во й передаче го то во го видео м атериала по требо ванию или прям о й трансляции. П ри прям о й трансляции захваченны й из присо единенно го у стро й ства видео м атериал защ ищ ается при передачи в эфир. Е сли фай л передается в эфир в реально м врем ени, ко дер м о жет прим енять П О DRM в про цессе вещ ания. В дру го м слу чае ко нтент по сту пает целенаправлено для ау дито рии, ко то ро й о нпредназначен. Windows Media Е ncoder 9 Series вклю чает по лно стью интегриро ванну ю по ддержку для дру гих лицензиро ванны х серверны х про вай деро в, по зво ляя владельцам ко нтента легко разграничить права и о су щ ествлятьдо сту п кко нтенту . Систем а у правления правам и DRM защ ищ ает владельцев ко нтента при распределении по неско льким платфо рм ам и но сителям , о т И нтернета до но вы х DVD-ROM, о ткры вая но вы е и со храняя по то ко ву ю передачу данны х, прино сящ у ю прибы ль. П от р е би т е льск и й и н ст р ум е н т Windows Media Player 9 Series О кно «теку щ его во спро изведения» П О Windows Media Player 9 Series является м о щ ны м по ртало м для по лу чения ко нтекстно й инфо рм ации о ко нтенте, ко то рая бу дет про см атриваться зрителем . Э то т по ртал о чень хо ро шо приспо со бленк по требителю , и нетру дно вы стро ить сво ю со бственну ю линию с по лу чением м атериало в, реклам ы или по требительских звеньев для прио бретения права по льзо вания по лны м ко м плекто м м у льтим едий ны х данны х.

45

Windows Media Еncoder 9 Series для лучш е го упр авле н и В насто ящ ее врем я разрабаты ваю тся эффективны е ко деры для алго ритм а стандарта WM9. Т ак ко дер Windows Media Е ncoder 9 Series является м о щ ны м инстру м енто м для про дю серо в ко нтента, о риентиро ванны х на преим у щ ества о т но вшеств, прису щ их стандарту WM9: вы со ко качественны й м но го канальны й зву к, видео изо бражение вы со ко й четко сти, но вая платфо рм а по ддержки для см ешанно го режим а передачи го ло са, м у зы ки и т.д. П ри прео бразо вании «живо й » передачи и предварительно записанны х данны х ко дер дем о нстриру ет вы со ку ю степень у правления и гибко сти, прево схо дно е качество зву ка и видео изо бражения при лю бо й ско ро сти по то ка данны х, бо лее м о щ ны й у ро вень наращ ивания во зм о жно стей и авто м атизации. К о дер Windows Media Е ncoder 9 Series по ддерживает неско лько до по лнительны х ко нтро льны х ф у нкций : - у правление видео кам еро й и дру гим и у стро й ствам и для бо лее эффективно го ко диро вания; - по ддержка о бы чны х видео – и ау дио фай ло в; - бо лее бы стро е переклю чение на исто чникживо й передачи; - по лу чение то чны х данны х о врем енно м ко де каждо го кадра; - по ддержка у ско ренно й ско ро сти передачи данны х (MBR) и ну жно го разрешения изо бражения. Windows Media Е ncoder 9 Series при со вм естно й рабо те сWindows Media Services 9 Series является единственны м алго ритм о м , спо со бны м со здавать по то ки, со держащ ие MBR («го ло вну ю загру зо чну ю запись»), а также неско лько у ро вней четко сти [1]. Е дины й спо со б ко диро вания теперь м о жет со здавать о дин фай л с неско льким и по то кам и, о птим изиро ванны м и для каждо го типа ско ро сти со единения. К ро м е то го , ко дер Windows Media Е ncoder 9 Series м о жет со здавать о птим изиро ванно е видео со держим о е с чересстро чно й развертко й и рабо тает с у стро й ствам и о то бражения инфо рм ации до ставляем о го ко нтента о тлично го качества, о птим изиро ванно го для прием а телевизо ро м , телевизио нно й або нентско й приставко й (Т А П ) или кино про екцио нны м цифро вы м о бо ру до ванием . 9.2.2П рактическаяреал изациястандарта WM 9 В насто ящ ее врем я начало сьширо ко е внедрение данно го стандарта, вклю чая: - записьна диски DVD-ROM; - спу тнико во е Т В Ч-вещ ание; - передача видео со держим о го WM9 с по м о щ ью цифро вы х радио - и Т В сетей ; - Т В -вещ ание по И нтернету .

46

Закл ю чение В о вто ро й части м ето дическо го по со бия представлены м ето ды цифро во й о брабо тки Т В сигнало в и изо бражений , вклю чая о ценку и ко м пнесацию движения, цифро ву ю фильтрацию , ко диро вание спредсказанием и др. О писаны м ето ды сжатия телевизио нны х сигнало в по стандартам JPEG, MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-4, а также дру гие м ето ды сжатия сигнало в (MPEG-7 и Windows Media 9 Series), испо льзу ем ы е в систем ах прикладно го телевидения и видео связи. Л итература О сно вная литерату ра 1. См ирно в А .В . О сно вы цифро во го телевидения: у чебно е по со бие /А .В . См ирно в. - М .: Го рячая линия – Т елеко м , 2001. - 224 с. 2. У стино в В .А . Н о вы й стандарт ко м прессии видео данны х Windows Media 9 Series / В .А .У стино в // Т ехника кино и телевидения. - 2005. - № 2. - С.17-22. Д о по лнительная литерату ра 3. П тачекМ . Ц ифро во е телевидение: Т ео рия и техника / М . П тачек. - М .: Радио и связь, 1990. - 528 с.

47

Со ставители: Бо брешо в А нато лий М ихай ло вич, К о шелев А лександр Гео ргиевич

Редакто р

Т ихо м иро ва О .А .