Сжатие, технологии, методы, MPEG.
Существует множество технологий сжатия цифрового видео, однако остановимся на тех из них, которые легли в основу наиболее популярных компрессоров видео. Некоторые из рассматриваемых компрессоров используют не одну технологию сжатия, а некоторую их совокупность. Например, и Indeo 3.2, и Cinepak используют векторную квантизацию. Международные стандарты MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.261 и H.263 используют комбинированную технологию БДКП и компенсацию движения. Некоторые современные алгоритмы используют технологию ДВП (DiscreteWaveletTransform, или DWT). Другие технологии включают Фрактальное сжатие изображений (FractalImageCompression). Уровни качества сжатия:
· Сжатие без потерь качества;
· Сжатие с потерями качества;
· Сжатие без потерь с точки зрения восприятия;
· Сжатие с естественной потерей качества;
· Сжатие с неестественными потерями качества;
Методы.
Векторная квантизация (VectorQuantization,VQ) . Компрессорами, использующими технологию VQ, являются Indeo 3.2 и Cinepac. Оба они применяют цветовую схему YUV (использует три компоненты, Y – яркость (может быть использована как чёрно – белое изображение), U – голубизна, V – краснота). Процесс кодирования очень трудоемок и практически неосуществим без специального дополнительного оборудования. Процесс декодирования очень быстр. Имеют место блоковые искажения при высоких коэффициентах сжатия.Основная идея векторной квантизации заключается в разбиении изображения на блоки (размером 4x4 пикселя в цветовой схеме YUV для компрессоров Indeo и Cinepac). Как правило, некоторые блоки оказываются похожими друг на друга. В этом случае компрессор идентифицирует класс похожих блоков и заменяет их одним общим блоком. Кроме того, генерируется двоичная таблица (карта) таких общих блоков из самых коротких кодовых слов. VQ-декодер затем, используя таблицу, собирает изображение поблочно из общих блоков.
|
|
|
Дискретное Косинусное Преобразование (ДКП) См. JPEG (???).
Дискретное Wavelet - преобразование (DWT).Большинство как статических, так и динамических изображений, сжатых при помощи алгоритма DWT, не имеет характерной для алгоритма ДКП блочной структуры. Наблюдается относительно высокое качество изображений, сжатых с использованием DWT, превосходит качество изображений, сжатых при помощи ДКП, при тех же коэффициентах сжатия. DWT несколько размазывает, закругляет острые контуры изображения. DWT - алгоритм основан на передаче сигнала, например изображения, через пару фильтров: низкочастотный и высокочастотный. Низкочастотный фильтр выдает грубую форму исходного сигнала. Высокочастотный фильтр выдает сигнал разности или дополнительной детализации. В свою очередь, результат на выходе высокочастотного фильтра (добавочный сигнал детализации) может быть подвернут той же процедуре и так далее.Простым примером DWT является DWT Хара.
|
|
|
Разность кадров. Компрессорами, использующими технологию разницы кадров, являются: Cinepac. В целом может обеспечивать сжатие, лучшее, чем независимое сжатие отдельных кадров. Возникающие в ходе кодирования ошибки накапливаясь, требуют наличия дополнительного ключевого кадра.
Алгоритм разницы кадров использует то обстоятельство, что во многих видео изображение от кадра к кадру мало чем различается. По мере применения алгоритма векторной квантизации для кодирования каждого следующего кадра и получения при этом малых коэффициентов, которые трудно кодируются, в кадры постепенно вкрадывается ошибка. Это требует включения в видеоряд так называемых ключевых кадров, которые кодируются без учета предыдущих и являются так называемыми “опорными точками” в видео.
Компенсация движения.Компрессорами, использующими технологию компенсации движения, являются: MPEG-1,2 и 4.
По сравнению с механизмом разницы кадров механизм компенсации движения позволяет достигать большей степени сжатия. Кодирование весьма трудоемко и требует специальной аппаратуры. Технология компенсации движения используется в таких международных стандартах сжатия цифрового видео, как: MPEG, H.261 и H.263. Наибольшее сжатие достигается в сценах с пониженным движением.
|
|
|
Компенсация движения основана на использовании ряда сложных алгоритмов. Сфера, где данная технология сжатия эффективна, как правило, сводится к видеоряду, в котором объект изменяет свое местоположение относительно неподвижного фона. Объекты, изменяющиеся по форме, приближающиеся или удаляющиеся (движущаяся камера), не подлежат эффективному сжатию посредством алгоритма компенсации движения. Сжатие возможно заданием вектора смешения элементов изображения вместо хранения больших значений новых координат данных элементов изображения. Основным блоком (относительно которого задается вектор смещения остальных блоков) может являться любой блок изображения размером 16x16 пикселей, максимально похожий на кодируемый (предсказываемый) блок. Ясно, что кадр, на который ссылаются таким образом другие кадры, должен быть декодирован ранее. Однако совсем не обязательно, чтобы опорный кадр предшествовал предсказываемому кадру. MPEG позволяет производить предсказание в обоих направлениях путем введения так называемых B - (bidirectionallypredicted) кадров.
|
|
|
MPEG.Технология сжатия видео в MPEG решает следующие задачи:
Устранение временной избыточности видео (в пределах коротких интервалов времени большинство фрагментов сцены остаётся неподвижными).
Устранение пространственной избыточности изображения путём подавления мелких несущественных деталей.
Использование более низкого цветового разрешения YOV.
Повышение информационной плотности результирующего потока путём выбора оптимального математического кода для его описания.
На этапе предварительной обработки входной видеосигнал оцифровывается и форматируется согласно заданному размеру и цветовой выборке (например, для PAL 352*288 и 2:1:1). Изображение делится на макроблоки размером 16*16 пикселей.
Каждый макроблок состоит из шести блоков, четыре из которых несут информацию о яркости, а два – определяют цвет. Каждый блок имеет размер 8*8. Блоки являются основными единицами, над которыми осуществляется дискретное косинусоидальное преобразование и квантование.
I - кадры - независимо сжатые (I - Intrapictures). Являются опорными и кодируются независимо методом JPEG. Требуют для своего кодирования большого объёма информации и обеспечивают большую точность восстановления. Стандарт не ограничивает алгоритма определения вектора смещения. Кадры I - типа сжаты описанным выше методом и не содержат ссылок на какие-либо другие кадры. Средняя степень сжатия составляет примерно 2 бита на точку. Подобный кадр является первым кадром последовательности, с него начинается новый видеоряд, при этом между двумя I - кадрами может находиться не более 12 кадров других типов. Обычно последовательность выглядит следующим образом:
IBBPBBPBBPBBIBBPBBPB
Р - кадры - сжатые с использованием ссылки на одно изображение (P - Predicted). МакроблокиP – типа могут кодироваться по уже описанной схеме и предсказываемые, которые формируют разность, текущего макроблока и подобного ему предыдущего I или P блока. В основном, в P – блоках используется вторая схема.
В - кадры - сжатые с использованием ссылки на два изображения (В - Bidirection). Могут быть I, P и B – типа. Могут кодироваться с предсказанием вперёд, назад, и интерполируемые, как полусумма обоих предсказаний. В данном случае кодеру предстоит наиболее сложная работа по выбору наиболее эффективного варианта, реализующего компромисс между длиной кода и качеством восстанавливаемого изображения. Положительным является тот факт, что при этом не происходит накапливания ошибок в отличие от предыдущих этапов.
ВС - кадры - независимо сжатые с большой потерей качества (используются только при быстром поиске).
Каждый кадр, таким образом, кроме служебной информации включает в себя переменное число кодов
 |
Кадры P - типа, или предсказанные кадры, обычно следуют через два B - кадра.
Поскольку B - кадры ссылаются как назад, так и вперед по последовательности, то для оптимизации процесса воспроизведения кадры в потоке перераспределяются следующим образом: компенсация движения является методом увеличения степени сжатия Р - и В - кадров путем использования информации из предыдущих кадров. Этот алгоритм действует на уровне макроблоков и обеспечивает примерно трехкратное сжатие по сравнению с I - кадрами.
Сжатый с его использованием кадр содержит дополнительно вектор перемещения макроблока, на который имеется ссылка и отличия между кодируемым макроблоком и макроблоком по ссылке.
Обычно не вся информация в кадре может быть эффективно описана методом компенсации движения. В подобном случае макроблок, не имеющийанологов в предыдущих кадрах, кодируется так же, как и все макроблоки в I - кадре.
Для B - кадра компенсация движения может осуществляться как вперед, так и назад, поэтому для данного типа возможно четыре варианта кодирования макроблоков:
· кодирование без компенсации движения;
· компенсация с прямым предсказанием;
· компенсация с обратным предсказанием;
· компенсация с двунаправленным предсказанием.
Обратное предсказание применяется тогда, когда нет возможности выполнить прямое.
Частота I - кадров выбирается в зависимости от требований на время произвольного доступа. Соотношение Р - и В - кадров подбирается, исходя из требований к величине компрессии и ограничений декодера. Именно варьирование частоты кадров разных типов обеспечивает алгоритму необходимую гибкость и возможность расширения.
Стандарт MPEG, DVD.
MPEGсм. выше.
Для воспроизведения DVD с видео необходим DVD-оптический привод и декодер MPEG-2 (то есть либо бытовой DVD-проигрыватель с аппаратным декодером, либо компьютерный DVD-привод и программный проигрыватель с установленным декодером). Фильмы на DVD сжаты с использованием алгоритма MPEG-2 для видео и различных (часто многоканальных) форматов для звука. Битрейт сжатого видео варьируется от 2000 до 9800 Кбит/с, часто бывает переменным (VBR). Размер видео кадра для стандарта PAL равен 720×576 точек, а для стандарта NTSC — 720×480 точек.
Аудиоданные в DVD-фильме могут быть в формате PCM, DTS, MPEG или DolbyDigital (AC-3). В странах, использующих стандарт NTSC, все фильмы на DVD должны содержать звуковую дорожку в формате PCM или AC-3, а все NTSC-плееры должны эти форматы поддерживать. Таким образом, любой стандартный диск может быть воспроизведён на любом стандартном оборудовании.
В странах, использующих стандарт PAL (большинство стран Европы), сначала хотели ввести в качестве стандарта звука для DVD форматы PCM и MPEG-2, но под общественным давлением и вразрез с пожеланиями Philips DVD-Forum включил Dolby AC-3 в список опциональных форматов звука на дисках и обязательных форматов в плеерах.
Слово MPEG является сокращением от MovingPictureExpertGroup - названия экспертной группы ISO, действующая в направлении разработки стандартов кодирования и сжатия видео- и аудиоданных. Официальное название группы - ISO/IEC JTC1 SC29 WG11. Часто аббревиатуру MPEG используют для ссылки на стандарты, разработанные этой группой. MPEG - 2 - предназначен для обработки видеоизображения соизмеримого по качеству с телевизионным при пропускной способности системы передачи данных в пределах от 3 до 15 Мбит/с, профессионалы используют и большие потоки.аппаратуре используются потоки до 50 Мбит/с. На технологии, основанные на MPEG - 2, переходят многие телеканалы, сигнал сжатый в соответствии с этим стандартом транслируется через телевизионные спутники, используется для архивации больших объёмов видеоматериала.
DVD-диск имеет множество приложений: в качестве носителя видеоизображений (DVD -Video), аудиозаписи (DVD -Audio), хранения данных (DVD - ROM), для записи информации (DVD - R) и т.д. Стандарты DVD -диска (физические особенности, файловая система, области использования) описываются в регламентирующих изданиях, полностью совместимых с "YellowBook" (описание стандарта CD-ROM) и "RedBook" (описание стандарта Audio CD). Они делятся на следующие группы:
Book A Readonly - Стандарт диска, предназначенного только для считывания
Book B Video - Стандарт диска для видеоинформации
Book C Audio - Стандарт диска для аудиоинформации
Book D Write-once - Стандарт диска для однократной записи
Book E Rewritable - Стандарт многократно перезаписываемого диска
Структура организации данных на диске
В DVD-дисках (книги A, B, C) будет применяться единая файловая система как для компьютерных приложений, так и для видеопрограмм, названная UDF Bridge, которая является комбинацией систем Micro UDF и ISO-9660. Структура представления данных UDF (UniversalDiskFormat), разработанная ассоциацией OSTA (OpticalStorageTechnologyAssociation) на базе стандарта ISO / IEC 13346, определяет все параметры структур файла и диска, а также метода записи и считывания информации. Файловая система UDF - это очень гибкий, многоплатформенный и многопользовательский стандарт, который был адаптирован для применения в DVD. В частности, гарантирована совместимость со стандартом ISO-9660 для работы с существующим программным обеспечением. Окончательный вариант универсальной файловой структуры DVD еще не сформирован. Он будет зависеть от новых требований, предъявляемых компанией Microsoft к операционной системе. Поэтому на первом этапе домашние DVD-плейеры будут использовать файловую структуру UDF, в то время как компьютерные DVD-устройства пока ограничатся стандартом ISO-9660, до тех пор, пока UDF не распространится повсеместно.
Таким образом, после полной реализации заложенных в UDF возможностей пользователь сможет одновременно хранить на одном DVD - диске видеофильмы, аудиозаписи, оцифрованные фотографии и свои компьютерные файлы. Наконец, пользователь ПК может забыть о межплатформенной несовместимости. DVD -диск должен стать единым носителем и для Macintosh, и для DOS / Windows, и для OS/2, и для Unix.
Основные черты
диаметр DVD – диска составляет 120 мм (4,75 дюйма), а толщина - 1,2 мм. DVD-диск может быть как односторонним, так и двухсторонним. Причем на каждой стороне DVD - диска может быть один или два рабочих слоя. Таким образом, различают следующие типы DVD -дисков:
DVD-5 (Single-sided, single-layerdisc)
Одностороннийоднослойныйдиск 4,7 Гбайт
DVD-9 (Single-sided, double-layer disc)
Одностороннийдвухслойныйдиск 8,5 Гбайт
DVD-10 (Double-sided, single-layer disc)
Двухстороннийоднослойныйдиск 9,4 Гбайт
DVD-18 (Double-sided, double-layer disc)
Двухсторонний двухслойный диск 17 Гбайт
Конструктивно двухсторонний DVD-диск выглядит как два склеенных между собой CD -диска толщиной 0,6 мм.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 454; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!