7.6 КОДИРОВАНИЕ С ПРЕДСКАЗАНИЕМ

В результате дискретизации изображения и квантования по уровню формируются 8-битные слова для представления каждого пикселя. При этом представлении используется импульсно-кодовая модуляция(ИКМ).

Однако кодирование на основе ИКМ не позволяет сократить объем исход-

ной информации, т.к. оно не учитывает корреляционные связи между пик-

селями. Более эффективной является дифференциальная ИКМ(ДИКМ).

Структурная схема, поясняющая алгоритм ДИКМ, представлена на рисун-

ке 7.8.

X n _ en

Квантователь

^

X n Предсказатель

Рисунок 7.8 - Схема, поясняющая алгоритм ДИКМ

При ДИКМ вместо передачи значенияXn яркости n-го пикселя пе-

редается разность между Xn и его оценкой. Величина εn называется ошиб-

кой предсказания формула 7.29:

^
en = X n - X n .	(7.29)
Оценка формируется с использованием	предсказателя, алгоритм

работы которого должен быть согласован со статистикой передаваемого изображения. Наибольшее распространение получили методы линейного предсказания. Оценка яркости n-го пикселя определяется по формуле 7.30:

^		^
	k
X n	= å a i X k - i ,		(7.30)
	i =	0

где αi - коэффициенты, получаемые на основе корреляционных свя-

зей между пикселями, подбираются исходя из функции корреляции пиксе-

лей таким образом, чтобы минимизировать среднеквадратическое значение ошибки предсказания εn.

302

Диапазон изменения ε существенно меньше диапазона изменения

n

исходных пикселей изображения. Поэтому при одной и той же ошибке квантования для передачи εn требуется меньшее количество уровней кван-

тования, а следовательно и меньшее количество бит для кодирования. На некоторых изображениях, например, фон одинаковой яркости, величина ошибки может быть вообще равна нулю и для передачи таких изображений скорость цифрового потока снижается практически до нуля.

Для кодирования простых изображений используется дельта - моду-

ляция (ДМ). При ДМ предсказание производится только по одному пиксе-

лю, а квантование ошибки предсказания производится на два уровня, т.е.

каждый пиксель кодируется одним битом вместо 8.

На практике метод ДИКМ применяется для межкадрового кодиро-

вания. В стандартном телевизионном сигнале кадры следуют с частотой 25

Гц, т.е. очередной кадр передается через 40 мс. За столь короткий интервал времени изображение в соседних кадрах практически не успевает изме-

ниться. Поэтому весьма эффективно кодировать разность между пикселя-

ми изображения, имеющими одинаковые координаты в соседних кадрах. В

этом случае ошибка предсказания определяется по формуле 7.31:
^
ek = Bk (x, y ) - Bk (x, y ) ,	(7.31)

где k - номер кадра,

Вk(х,у) - значение пикселя с координатами х,у,

^

Bk (х,у) - предсказанное значение величины Вk(х,у).

В пределах кадра используются методы кодирования с преобразова-

нием, рассмотренные выше. Упрощенная структурная схема алгоритма межкадрового кодирования и декодирования приведена на рисунке 7.9.

Здесь для сформирования вектора оценки в обратной связи исполь-

зует деквантователь и обратный дискретный косинусный преобразователь,

которые восстанавливают блок изображения точно так же, как и в декоде-

ре.

Для улучшения результатов предсказания применяют процесс, на-

зываемый компенсацией движения.

303

Видео						кодер			цифровой
			ДКП		Кв			КХ
данные									поток

ДКв

ОДКП

Пр

декодер

цифровой

Видео

ДКХ

ДКв

ОДКП

поток

данные

Пр

Рисунок 7.9 - Упрощенная структурная схема алгоритма межкадро-

вого кодирования и декодирования Пр - предсказатель; остальные обозначения приведены в коммента-

риях к рисунку 7.7.

При передаче сюжета происходит изменение положения отдельных частей кадра из-за их движения, это уменьшает межкадровую корреляцию и снижает точность предсказания. Таким образом, возникает задача оценки вектора движения и его компенсации. Такая оценка получается проециро-

ванием блока на опорное изображение и сравнением со всеми блоками предыдущего кадра. Смещение между проецируемым блоком и опорным изображением по осям x и y определяет вектор движения. Эта информация используется для предсказания следующего кадра. Структурная схема ал-

горитма кодирования с компенсацией движения приведена на рисунк

7.10.

Кодер, структурная схема которого приведена на рисунке7.10, ра-

ботает аналогично кодеру, представленному на рисунке 7.9 с единствен-

ным отличием - здесь предсказатель ПрД работает с учетом информации,

полученной от блока оценки вектора движения - ОВ.

304

Видео
			ДКП		Кв		КХ
данные

ДКв

			цифровой
М		БУФ
			поток

ОДКП

ПрД декодер

ОВ КХ

Рисунок 7.10 - Структурная схема алгоритма кодирования с ком-

пенсацией движения Обозначения, принятые на рисунке 7.10, аналогичны приведенным

на рисунке 7.9. Новыми элементами являются: ОВ - определитель вектора движения; ПрД - предсказатель, учитывающий движение; М - мультип-

лексор; БУФ - буфер.

Вектор движения кодируется кодом Хаффмана, мультиплексируется и передается вместе с основным потоком через буфер- БУФ, от которого имеется обратная связь на квантователь. Эта связь обеспечивает постоян-

ную скорость цифрового потока. При возрастании уровня детальности изображения (высокочастотных компонент) число ненулевых элементов матрицы увеличивается и возрастает скорость цифрового потока, следова-

тельно, буфер заполняется с повышенной скоростью. Обратная связь дела-

ет квантование более грубым и скорость поступления данных уменьшает-

ся. Если кодируется простое изображение с малой детальностью, то ско-

рость потока становится ниже среднего значения, т.к. число нулевых эле-

ментов матрицы коэффициентов ДКП увеличивается. Тогда с помощью обратной связи число уровней квантования увеличивается. Буфер выпол-

няет функцию постоянной времени цепи регулирования [12].

305