Раздел: Документация
0 ... 8 9 10 11 12 13 14 ... 55 Подобное преобразование полного цветового сигнала системы SECAM (Sequentiel couleur а memoire), отличительной чертой которой является поочередная передача двух цветоразностных сигналов через строку на ЧМ поднесущей, требует скорости цифрового потока, достигающей величины 158,6 Мбит/с [24]. Раздельное цифровое преобразование компонент цветового видеосигнала, некоторое снижение цветовой четкости изображения по вертикали, устранение пассивных участков строк и полей позволяют несколько снизить требования к пропускной способности канала передачи цифрового потока, однако уровень требуемой скорости по-прежнему составит величину не менее 60-80 Мбит/с, что совершенно неприемлемо для целей компьютерной видеоконференцсвязи. При рассмотрении различных подходов к решению проблемы компрессии видеосигнала принимают во внимание следующие обстоятельства [14]: Потери при компрессии. Может быть поставлено условие компрессии без потерь, т.е. с возможностью восстановления изображения без искажений. Разумеется, такое условие не является выполнимым в принципе, и можно говорить лишь о некотором разумном допустимом уровне искажений. Проблема задержки. Большинство методов эффективной компрессии приводят к задержке сигнала, особенно в тех случаях, когда компрессия основана на анализе изменений информации от кадра к кадру. В видеотелефонии большая задержка является нежелательной, поскольку она нарушала бы естественный ход беседы. В то же время при просмотре видеосюжетов такая задержка вообще может оказаться не замеченной. Проблема «симметрии». Применяемый алгоритм может потребовать существенно больше времени для компрессии, чем для декомпрессии. За счет этого, применяя сложное устройство компрессии и достигая высокий уровень компрессии, можно обойтись достаточно простым процессором, обеспечивающим декомпрессию. Такой метод очень хорош для просмотра видеосюжетов и фильмов, но не подходит для КВКС. Многофункциональность. При рассмотрении методов компрессии применительно к цифровым устройствам видеозаписи необходимо иметь в виду возможность просмотра с любого места, остановки в любой момент, ускоренного просмотра, возврата к предыдущим сюжетам и т.п. В то же время все эти функции не являются необходимыми для КВКС в реальном масштабе времени. Качество. Качество «домашнего» кино обычно существенно уступает требуемому качеству изображения на рабочих станциях, особенно для таких приложений, как медицина. В то же время, в системах КВКС с малым размером изображения на мониторе персонального компьютера может оказаться возможным в определенной степени пожертвовать качеством ради снижения требований к пропускной способности канала. Проблема передачи подвижного изображения. Наиболее эффективные алгоритмы компрессии видеоизображения рассчитаны на передачу относительно медленно меняющихся изображений (во всяком случае, за время между соседними кадрами). В то же время попытка использовать их для передачи не сголь мало подвижных изображений неизбежно приведет к разрыву изображения между соседними кадрами. Требуемые программно-аппаратные средства. Большое число различных алгоритмов компрессии практически исключают использование отдельных аппаратных средств для каждого алгоритма. Можно предположить лишь возможность использования определенного аппаратного средства для целой группы алгоритмов. Так, например, стандартные платы ввода видеосигнала в персональный компьютер (типа Video Blaster SE100 и т.п.) позволяют использовать практически любое программное обеспечение КВКС для работы в Интернет. 2.7. СТАНДАРТЫ ДЛЯ ВИДЕОТЕЛЕФОНИИ Основной целью разработки методов компрессии видеосигнала является снижение скорости передачи цифрового видеопотока до уровней от 40 кбит/с до 2 Мбит/с. Группа Н.261/Н.263 как часть рекомендаций Н.320 содержит рекомендации по передаче видео и аудио соответственно со скоростями 46,4 кбит/с и 16 кбит/с в В-канале (64 кбит/с) совместно с необходимой служебной информацией, требуемой рекомендациями Н.221. При этом, в том числе, должны обеспечиваться [14]: -обнаружение и коррекция ошибок -поддержка многоточечных соединений -поддержка связи в обоих направлениях -поддержка комбинации с аудиопотоком Источником видео может быть сигнал в стандарте как PAL, так и NTSC, конвертируемый далее в общий стандарт одного из двух типов: CIF или QCIF. Стандарт Common Intermediate Format (CIF) обеспечивает более высокое качество, но требует более широкую полосу частот (при использовании современных методов компрессии рекомендуемые скорости передачи 384 кбит/с и выше). Достигаемое разрешение оказывается всего лишь вдвое хуже, чем в системе NTSC. Стандарт Quarter Common Intermediate Format (QCIF) имеет разрешение вдвое ниже CIF по каждому измерению, т.е. в четыре раза меньшее общее число пикселей, однако требуемая скорость передачи может быть снижена до 64 кбит/с. Все Н.261-кодеки предусматривают использование стандарта QCIF даже в том случае, если они используют также и стандарт CIF. Оба стандарта предусматривают формирование яркостной (Y) и цветоразностных (Св и Cr) составляющих. Некоторые сравнительные характеристики этих стандартов приведены в Таблице 2.2. Таблица 2.2
Таким образом, при использовании стандарта OF необходимо передать 352x288+176x144x2 = 152064 пикселов на один кадр, или 152064 х 30 = 4561920 пикселов в секунду. Применение метода ИКМ при 8-разрядном кодировании потребовало бы при этом скорости 4561920 х 8 = 36,495 Мбит/с для стандарта CIF и 9,12 Мбит/с - для QCIF. С целью существенного снижения требуемой скорости передачи в канале рекомендации Н.261/Н.263 предполагают следующие меры: межкадровое предсказание - передаче подлежит только информация о различии между предсказанным и истинным изображением; кодирование на основе дискретно-косинусного преобразоания ДКП - эффект применения ДКП связан с концентрацией энергии передаваемого сигнала в области низких пространственных частот; компенсацию движения - может быть выделена область кадра, связанная с передачей движущегося изображения. Далее, вместо передачи всего изображения этой области будет передаваться лишь информация о соответствующем изменении изображения; пропуск кадров - с целью выполнения требований по обеспечению необходимой скорости передачи данных может быть использовано периодическое исключение одного, двух или трех кадров между передаваемыми кадрами. Выполнение рекомендаций Н.261 обеспечивает на скорости передачи 1,5-2,0 Мбит/с практически то же качество переданного изображения, что и при воспроизведении стандартного телевизионного изображения с помощью бытового видеомагнитофона. На низких же скоростях передачи (около 64 кбит/с) при частоте кадров около 15 кадров/с изображение оказывается вполне узнаваемым, но может быть несколько размытым. Практически все методы компрессии видеосигнала, используемые в кодеках систем КВКС, предусматривают три основные процедуры обработки входного цифрового сигнала стандарта OF (QCIF) [87]- -анализ -квантование -кодирование методом VLC (Variable Lenghth Code) Процедура анализа предполагает обработку входного, не подвергнутого компрессии, сигнала, представляющего собой последовательность представленных в цифровом виде выборочных значений (пикселов) яркостного и цветоразностных сигналов. Производится вычисление ошибки предсказания, коэффициентов преобразования (как правило, дискретно-косинусного - ДКП), корреляции текущего изображения с предсказанным квантованным вектором и т.п. Измерения осуществляются как в пределах одного кадра, так и межкадровые. Как правило, на этапе анализа собственно компрессия изрображения не производится, а осуществляется лишь то или иное преобразование входной последовательности пикселов в другой формат, более приспособленный для процедуры компрессии. Типичным преобразованием, например, является замена блока 8x8 пикселов (макроблок) матрицей 8x8 коэффициентов ДКП. При этом на этапе оценки движения (motion estimation) [88] (рис. 2.10) для каждого макроблока текущего кадра формируется так называемый «вектор движения» (motion vector), отражающий положение соответствующих пикселов предыдущего кадра, имеющих ту же интенсивность. Оценка движения Предыдущий кадр Компенсация движения Векторы движения ДКП Квантование коэффициентов Энтропийное кодирование ДКП Восстановление коэффициентов Обратное ДКП Рис. 2.10. Кодирование видеосигнала На этапе компенсации движения (motion compensation) векторы движения по всем макроблокам текущего кадра сравниваются с макроблоками предшествующего кадра, и формируется так называемый «кадр с компенсацией движения» (motion-compensated frame), представляющий собой оценку (предсказание) текущего кадра, произведенную на основании анализа лишь предыдущего кадра. Сформированный таким образом кадр с компенсацией движения сравнивается затем с текущим кадром с целью вычисления ошибки предсказания движения. В результате формируется так называемый «остаточный» кадр (residual frame), отражающий ту информацию текущего кадра, которая не может быть предсказана на основании анализа предыдущего кадра, и представляющий по существу компенсацию ошибки предсказания. Именно этот остаточный кадр далее подвергается преобразованию ДКП, в результате чего образуются блоки 8x8 коэффициентов ДКП. После завершения процедуры анализа выходная последовательность коэффициентов преобразования (как правило, 8- или 12-битовая) сохраняет исходную точность представления видеосигнала. Следующая процедура (квантование) снижает эту точность, но так, чтобы это наименьшим образом сказалось на восприятии изображения человеческим глазом. Типичной процедурой является просто отбрасывание (квантование по нулевому уровню) тех коэффициентов преобразования, величины которых достаточно малы. Заключительным этапом процесса компрессии явялется кодирование квантованной последовательности коэффициентов преобразования неравномерным кодом VLC с комбинациями переменной длины (например, кодом Хаффмена) по принципу замены наиболее часто встречающихся коэффициентов наиболее короткими кодовыми комбинациями. Компрессия при этом достигается за счет снижения избыточности входной последовательности («энтропийное» кодирование), а непосредственным результатодл является снижение средней длины кодовой комбинации без потери качества результирующего изображения Таким образом, вместо передачи очередного кадра стандарта CIF(QCIF) методом, например, РСМ, производится передача векторов движения и квантованных коэффициентов ДКП. При этом векторы движения передаются также с использованием кодирования VLC. Сформированный таким образом кадр называется «кадр предсказания» (predictive frame), или интер-кадр (inter frame). Некоторые кадры передаваемой исходной видео последовательности кодируются непосредственно без компенсации движения («интра-кадры», intra frames). 2.8. СТАНДАРТЫ ДЛЯ РАБОЧИХ СТАНЦИЙ 2.8.1. Стандарт JPEG Стандарт компрессии неподвижных полутоновых и цветных изображений JPEG, разработанный группой Joint Photographic Expert Group Международной организации по стандартизации ISO (International Organization for Standartization), предполагает возможность [23,25]: -оптимизации соотношения между степенью сжатия и качеством воспроизведения изображения путем выбора параметров сжатия -применения одной и той же процедуры обработки изображений любого вида и размеров -реализации на основе как программных, так и аппаратных средств -поддержки четырех видов обработки: -последовательного кодирования, когда каждая компонента изображения кодируется в соответствии со сканированием кадра; -прогрессивного кодирования, когда сжатие изображения осуществляется многоэтапно с последовательной детализацией; -кодирования без потерь, гарантирующего точное восстановление сообщений кодируемого источника; 0 ... 8 9 10 11 12 13 14 ... 55
|
