Алгоритмы сжатия видеоизображений презентация

Алгоритмы сжатия видеоизображений

Введение

Основные понятия

Цифровое видео - это последовательность кадров, в которой каждый кадр рассматривается как набор отсчетов аналогового изображения. Цифровое видео - это последовательность кадров, в которой каждый кадр рассматривается как набор отсчетов аналогового изображения. Отдельные отсчеты называются элементами изображения или пикселами.

Разрешение определяется горизонтальным и вертикальным размерами кадра в пикселах Разрешение определяется горизонтальным и вертикальным размерами кадра в пикселах

При использовании некой системы цветопредставления каждый пиксел представляет собой запись (структуру), полями которой являются компоненты цвета. При использовании некой системы цветопредставления каждый пиксел представляет собой запись (структуру), полями которой являются компоненты цвета.

Самой распространенной является система RGB, в которой цвет представлен значениями интенсивности красной (R), зеленой (G) и синей (B) компонент. Самой распространенной является система RGB, в которой цвет представлен значениями интенсивности красной (R), зеленой (G) и синей (B) компонент.

Особенностям человеческого зрения наиболее соответствует другая цветовая система – YCrCb. Особенностям человеческого зрения наиболее соответствует другая цветовая система – YCrCb. В ней Y — яркостная составляющая, а Cr, Cb — компоненты, отвечающие за цвет (хроматический красный и хроматический синий).

Каждая из моделей RGB и YCrCb может быть представлена разными уровнями глубины цвета (максимального количества цветов). Каждая из моделей RGB и YCrCb может быть представлена разными уровнями глубины цвета (максимального количества цветов).

Требования, предъявляемые к алгоритму сжатия: Требования, предъявляемые к алгоритму сжатия:

Носители информации, на которые ориентированы алгоритмы сжатия: Носители информации, на которые ориентированы алгоритмы сжатия:

Обзор стандартов MPEG

Базовые технологии сжатия видеоданных

Блок Блок - наименьший синтаксический элемент структуры видеоданных MPEG. Блоки имеют размер 8x8 пикселей. Они являются основными элементами для DCT (Discrete Cosine Transform - дискретное косинусное преобразование) кодирования.

Макроблок Макроблок – это область, имеющая размер 16х16 пикселов. Макроблок складывается из блоков размером 8x8 элементов изображения.

MPEG использует цветовую схему YСbCr. Плоскости Y, Cr, Cb кодируются с разным разрешением. Соотношение между количеством отсчётов яркости и цветности определяется форматом дискретизации. MPEG использует цветовую схему YСbCr. Плоскости Y, Cr, Cb кодируются с разным разрешением. Соотношение между количеством отсчётов яркости и цветности определяется форматом дискретизации.

Срез

Для того чтобы увеличить гибкость алгоритма, рассматривается три типа кадров: Для того чтобы увеличить гибкость алгоритма, рассматривается три типа кадров: I-кадры - сжатые независимо от других кадров (I-Intra pictures); P-кадры - сжатые с использованием ссылки на одно изображение (Р-Predicted); B-кадры - сжатые с использованием ссылки на два изображения (В-Bidirection).

Группа изображений (Group of Pictures, GOP) GOP — это набор изображений, который включает в себя I-кадры, P-кадры и B-кадры. GOP может включать до 15 кадров и должна обязательно начинаться с I-кадра. Ее структуру описывают как M/N, где M - общее число кадров в группе, а N - интервал между P-кадрами.

GOP структуры 15/3

Общая схема алгоритма сжатия

Этапы сжатия: Этапы сжатия: Подготовка макроблоков. Перевод макроблока в цветовое пространство YCrCb. Получение нужного количества матриц 8x8. Для P- и В-блоков вычисление разности с соответствующим макроблоком в опорном кадре. Дискретное косинусное преобразование (ДКП) Квантование. Зигзаг-cканирование. Групповое кодирование. Кодирование Хаффмана.

Дискретное косинусное преобразование (ДКП) Дискретное косинусное преобразование (ДКП) Квантование Зигзагообразное сканирование Групповое кодирование Кодирование Хаффмана

Рассмотрим кодирование второго блока из макроблока компоненты яркости Y: Рассмотрим кодирование второго блока из макроблока компоненты яркости Y:

Дискретное косинусное преобразование (ДКП) Дискретное косинусное преобразование (ДКП)

Матрица ДКП имеет вид: Матрица ДКП имеет вид:

После применения ДКП получили матрицу: После применения ДКП получили матрицу:

Матрица квантования для q=2 : Матрица квантования для q=2 :

В результате квантования получили матрицу: В результате квантования получили матрицу:

Качество компрессированного изображения для различных значений сжатия информации

Элементы кодера MPEG

Профили и уровни

MPEG-2

Стандарт MPEG-2 состоит из 9 частей. Первые три части достигли статуса международного стандарта: Стандарт MPEG-2 состоит из 9 частей. Первые три части достигли статуса международного стандарта: ISO/IEC DIS 13818—1 Информационная технология – Обобщенное кодирование динамических изображений и звукового сопровождения – Часть 1: Системная часть. ISO/IEC DIS 13818—2 Информационная технология - Обобщенное кодирование динамических изображений и звукового сопровождения – Часть 2: Видеосигнал. ISO/IEC 13818—3:1995 Информационная технология - Обобщенное кодирование динамических изображений и звукового сопровождения – Часть 3: Звуковой сигнал.

Система MPEG-2 выполняет следующие функции: Система MPEG-2 выполняет следующие функции: Мультиплексирование отдельных потоков видео и аудио данных в единый поток данных. Обеспечение способов синхронизации компонентов потоков, которые формируют аудио- и/или видеосервисы. Преобразование непрерывного потока бит в пакеты так, чтобы ошибки в этих битах не могли распространяться за границы единичного пакета. Обеспечение наличия программно-зависимой информации (Program Specific Information, PSI) для декодирования входящего потока.

В стандарте MPEG-2 изображения (блоки представления) рассматриваются как результат декодирования компрессированных изображений - блоков доступа. В стандарте MPEG-2 изображения (блоки представления) рассматриваются как результат декодирования компрессированных изображений - блоков доступа.

Первый шаг на пути получения единого потока – формирование пакетного элементарного потока PES (Packetised Elementary Stream), представляющего собой последовательность PES-пакетов: Первый шаг на пути получения единого потока – формирование пакетного элементарного потока PES (Packetised Elementary Stream), представляющего собой последовательность PES-пакетов:

Программный поток Объединяет элементарные потоки, образующие телевизионную программу. При формировании программного потока образуются блоки из PES-пакетов. Блок содержит: заголовок блока – содержит опорное системное время, поэтому должен появляться не реже, чем через 0,7 с. системный заголовок – содержит информацию о характеристиках программного потока (скорость передачи данных, число видео и звуковых элементарных потоков) определенное количество PES-пакетов

Транспортный поток Объединяет пакетные элементарные потоки, переносящие данные нескольких программ с независимыми временными базами. Состоит из коротких пакетов фиксированной длины (188 байтов). Элементарные потоки видео, звука и дополнительный данных (например, телетекст) разбиваются на фрагменты, равные по длине полезной нагрузке транспортного пакета (184 байта) и мультиплексируются в единый поток. Этот процесс подчиняется ряду ограничений: первый байт каждого PES-пакета элементарного потока должен быть первым байтом полезной нагрузки транспортного пакета; каждый транспортный пакет может содержать данные лишь одного PES-пакета; если PES-пакет не имеет длину, кратную 184 байтам, то один из транспортных пакетов не заполняется данными PES-пакета полностью. В этом случае избыточное пространство заполняется полем адаптации.

Идентификатором принадлежности транспортного пакета к определенному элементарному потоку является значение PID. Идентификатором принадлежности транспортного пакета к определенному элементарному потоку является значение PID. Для распознавания элементарных потоков и объединения их в телевизионные программы служит программно-зависимая информация PSI, которая должна обязательно передаваться в транспортном потоке. В системной спецификации MPEG-2 определено 4 типа таблиц с программно-зависимой информацией: таблица соединения программ PAT (Program Association Table) таблица состава программы PMT (Program Map Table) таблица сетевой информации NIT (Network Information table) таблица условного доступа CAT (Conditional Access Table)

Применение MPEG-2

Использование MPEG-2 в инфраструктуре телевещания

Основные особенности цифровых ТВ-систем Эффективность затрат Рентабельность Качество сигнала Возможности применения Возможность масштабирования Совместимость

Ступени прохождения сигналов в телевещании