7.7 СТАНДАРТЫ КОМПРЕССИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ MPEG

7.6.1 Стандарт MPEG -1

Основы разработки стандарта MPEG были заложены группой ученых из

MPEG (Motion Picture Experts Group) еще в 80х годах прошлого века[8]. Ос-

новной принцип MPEG сжатия это сравнение двух последовательных образов и передача по сети только небольшого количества кадров(так называемые I- frame или ключевые кадры), содержащих полную информацию об изображе-

нии. Остальные кадры (промежуточные кадры, P-frame) содержат только отли-

чия этого кадра от предыдущего. Иногда применяют двунаправленные кадры

(B-frame), информация в которых кодируется на основании предыдущего и по-

следующего кадров, что позволяет дополнительно повысить степень сжатия видео. Во всех форматах MPEG используется метод компенсации движения.

Все стандарты MPEG созданы как основные. Это значит, что они пред-

назначены для обеспечения сжатия видеоизображений для широкого набора приложений.

Чрезвычайно широкий набор приложений требует соответствующего набора скоростей, разрешений и качества видео. Для соответствия этому ши-

рокому набору параметров в MPEG использована концепция профилей и уров-

ней.

Профиль – это определенный поднабор полного синтаксиса потока дан-

ных. В рамках каждого профиля имеется широкий набор допустимых пара-

метров. Уровень отражает этот набор. В восьмой части ISO 13818 - 2 описан набор таблиц определяющих параметры профилей и уровней.

Всего существует 11 комбинаций из пяти профилей и четырех уровней,

которые представлены в таблице 7.3:

Таблица 7.3 – Комбинации профилей и уровней

Профиль	Уровень
Простой	Основной
Основной	Основной
	Высокий 1440
	Высокий

306

Продолжении таблицы 7.3

SNR	Низкий
	Основной
Пространственный	Высокий 1440
Высокий	Основной
	Высокий 1440
	Высокий

Эти уровни покрывают чрезвычайно широкий диапазон видео пара-

метров. Так, например, в DBS (Direct Broadband Satellite) системах в настоящее время используется Основной профиль(Main Profile) с Основным уровнем

(Main Level), что обычно обозначается какMP@ML. В будущем в DBS систе-

мах, возможно, будет использован Высокий профиль (High Profile).

Несмотря на большую сложность при кодировании/декодировании -ви део сигнала, MPEG сжатие позволяет значительно снизить (в разы) объемы пе-

редаваемой по сети информации по сравнениюMotionJPEGс . Передаются только различия между кадрами.

Это достаточно схематичное объяснение, алгоритмы MPEG намного сложнее. При кодировании учитывается текстура изображения, используются методы предсказания движения, квантизация и статистическое кодирование.

Основа кодирования у группы алгоритмовMPEG общая. Основные идеи, применяемые в ходе сжатия видеоданных с ее помощью, следующие:

- устранение временной избыточности видео, учитывающее тот факт,

что в пределах коротких интервалов времени большинство фрагментов сцены оказываются неподвижными или незначительно смещаются по полю;

-устранение пространственной избыточности изображений путем -по давления мелких деталей сцены, несущественных для визуального восприятия человеком;

-использование более низкого цветового разрешения yuvпри-

представлении изображений (y – яркость, u и v – цветоразностные сигналы) –

установлено, что глаз менее чувствителен к пространственным изменениям от-

тенков цвета по сравнению с изменениями яркости;

- повышение информационной плотности результирующего цифрового потока путем выбора оптимального математического кода для его описания

307

(например, использование более коротких кодовых слов для наиболее часто повторяемых значений) [2, 7].

MPEG-1 был стандартизован и начал использоваться в1993 г. Он был предназначен для сжатия и хранения видео на компакт дисках [8]. Большинство кодирующих устройств MPEG-1 и декодеров разработаны для скорости переда-

чи данных порядка1.5 Мбит/с при разрешенииCIF. Основной упор при его разработке делался на сохранении постоянной скорости передачи, при пере-

менном качестве видео изображения, сравнимым с качеством VHS. Скорость передачи видео изображения вMPEG-1 ограничена 25 кадрами в секунду в стандарте PAL и 30 в NTSC. Алгоритм работы MPEG-1 основан на ДКП. Ви-

деокадр разбивается на макроблоки размером16 x 16 отсчетов, каждый из ко-

торых содержит по 4 блока отсчетов яркости размером 8 x 8 пикселей и по од-

ному блоку отсчетов сигналов CR и CB . при кодировании макроблока в составе

I-кадра вычисляются коэффициенты ДКП, затем они квантуются с использова-

нием таблицы квантования, имеющейся и в памяти кодера, и декодера. Кодер может изменить элементы таблицы, тогда он сообщает об этом декодеру и по-

сылает новые делители.

Если кодируется макроблок из состава предсказанного кадра, ищется сопряженный блок из опорного кадра, его значения поэлементно вычитаются из элементов кодируемого блока, и уже для этих разностей вычисляются коэффи-

циенты ДКП и производится их квантование. Таблица квантования для макро-

блоков из P- и B-кадров содержит число 16 во всех позициях, но также может быть изменена кодером. При поиске сопряженных блоков используются только отсчеты яркости. Полученные при этом векторы перемещения применяются и при кодировании блоков отсчетов цветоразностных сигналов.

Постоянство выходной скорости цифрового потока обеспечивается ис-

пользованием буферной памяти в кодере и декодере. Для сохранения приемли-

мого качества изображения при постоянной скорости потока необходимо, во-

первых, регулировать шкалу квантования и, во-вторых, адаптивно распределять имеющийся ресурс битов между разными типами кадров с учетом их сложно-

сти. Эти задачи решаются в кодере специальным устройством– контроллером битов [16].

В данный момент этот стандарт практически не используется.

308

7.7.2 Стандарт MPEG-2

Стандарт MPEG-2 был принят в 1994 г. При разработке этого стандарта усилия были сосредоточены на расширении техники сжатияMPEG-1, позво-

ляющей обрабатывать большие изображения с более высоким качеством при более низкой степени сжатия и более высокой скорости побитной передачи данных. Так же, как и вMPEG-1 при кодировании используется дискретно-

косинусное преобразование, но обрабатываемые блоки увеличены в4 раза - 16х16 пикселей. Скорость передачи видео изображения ограничена25 кадрами в секунду в стандарте PAL и 30 в NTSC, так же, как в MPEG-1 [9].

Для создания цветного изображения, требуется три цветовых оси (со-

ставляющих). Большинство устройств отображения видео используют три основных цвета для получения цветных изображений: красный (red), зеленый

(green) и синий (blue). При этом RGB составляющие коррелированны друг с другом. В соответствии с этим все алгоритмы сжатия выполняют шаг предва-

рительной обработки, который состоит в преобразовании координат цвета в яркостную составляющую (Y) и две цветовые компоненты (Cr и Сb). Y компо-

нента отображается так, как она есть в черно-белом видео. На выходе декоде-

ра идет шаг заключительной обработки, конвертирующий цветовое простран-

ство обратно в RGB схему для дальнейшего воспроизведения.

Преобразование координат цвета состоит в перемножении трехкомпо-

нентного вектора (RGB) с матрицей размером 3x3.

éY	ù		é0.299	0.587	0.114ù			éR ù
ê	ú	=	ê	-0.334	0.500	ú	*	ê	ú	(7.32)
êCr	ú		ê-0.169			ú		êG	ú
ê	ú		ê	-0.419	-0.081	ú		ê	ú
ëCbû			ë0.500			û		ëB	û

На выходе декодера, на шаге заключительной обработки происходит конвертация вектора (Y, Сr, Сb) обратно в вектор [R, G, В] путем следующей операции умножения матрицы на вектор.

éR ù			é1.000	0	1.404	ù		éY	ù
êG	ú	=	ê1.000	-0.3434	-0.712	ú	*	êCr	ú	(7.33)
ê	ú		ê			ú		ê	ú
ê	ú		ê	1.773	0	ú		ê	ú
ëB	û		ë1.000			û		ëCbû

Сжатие видео вMPEG-2 состоит из следующих шагов: пространст-

венное сжатие и временное сжатие (рисунок 7.11).

309

Вход	Пространственное		квантование		Код переменной	кодированное
видео	преобразование				длины	сжатое
						видео

Рисунок 7.11 – Этапы пространственного сжатия

Сначала изображение разбивается на блоки размером8x8 элемен-

тов, над которыми выполняется дискретно-косинусное преобразование(ДКП).

Затем коэффициенты преобразования кодируются при помощи кодирования с переменной длинной. Затем идет процесс квантования [1].

На вход ДКП поступают 8x8 массивы пикселей изображения, в котором значение интенсивности каждого пикселя может принимать значения от0

до 255 для каждого цвета. На выходе уже другой массив размером8x8 — мас-

сив чисел. Пространственное преобразование преобразует блок изображе-

ния размером 8x8 элементов в блок коэффициентов того же размера, кото-

рый может быть закодирован с использованием значительно меньшего количества бит, чем оригинальный блок, который имелся на первом эта-

пе.

Самый первый коэффициент преобразования, имеющий индекс (0, 0) представляет среднее значение 64 входящих пикселей. При движении коэф-

фициента слева направо по горизонтали или вниз по вертикали преобразо-

вания говорят о росте пространственной частоты. ДКП эффективно из-за то-

го, что оно имеет тенденцию концентрировать энергию преобразования в коэффициентах преобразования, расположенных в верхнем левом углу матрицы, где наименьшая пространственная частота.

Блок размером NxN определяется как:

		2			N -1 N -1
F (u, v )=			*C (u )*C v( *)åå f (x, y *)
		N			x=0 y =0
é(2 * x +1)*u *p ù					é(2 * y +1)* v *p ù ,				(7.34)
*cos ê				ú	* cos ê			ú
		2 * N					2 * N
ë				û	ë			û

где и, v, х, у принимают значения 0, 1,...,7, х и у – пространственные ко-

ординаты в области выборки, и и v – координаты в области преобразования,

и

C (u ), C v(	ì				(7.35)
	=)íï1/ 2, при _ u, v = 0 .
	ï1,	при _ u, v ¹ 0
	î

310

Для того чтобы получить блоки размером 8x8, значение N = 8.

Второй шаг пространственного сжатия– квантование коэффициентов преобразования, которое уменьшает число бит для представления -про странственных коэффициентов. Квантование выполняется путем деления коэффициентов преобразования на целое число с последующим округ-

лением до ближайшего целого числа.

Целый делитель каждого такого коэффициента состоит из двух частей.

Первая часть уникальна для каждого коэффициента в пространственной матрице 8x8. Набор этих уникальных чисел также является матрицей и назы-

вается матрицей квантования. Вторая часть делителя – это целое число, ко-

торое фиксировано для каждого следующего макроблока.

Для не масштабируемых частейMPEG-2, которые представляют наи-

больший интерес для DBS систем, существуют две матрицы квантования: одна для Intra-кадров, другая для не Intra-кадров. Эти две матрицы показаны в таб-

лицах 7.4 и 7.5.

Таблица 7.4 – Матрица квантования для I-кадров

	0	1	2	3	4	5		6	7
0	8	16	19	22	26	27		29	34
1	16	16	22	24	27	29		34	37
2	19	22	26	27	29	34		34	38
3	22	22	26	27	29	34		37	40
4	22	26	27	29	32	35		40	48
5	26	27	29	32	35	40		48	58
6	26	27	29	34	38	46		56	69
7	27	29	35	38	46	56		69	83
	Таблица 7.5 – Матрица квантования для не I-кадров
	0	1	2	3	4	5		6	7
0	16	16	16	16	16	16		16	16
1	16	16	16	16	16	16		16	16
2	16	16	16	16	16	16		16	16
3	16	16	16	16	16	16		16	16
4	16	16	16	16	16	16		16	16
5	16	16	16	16	16	16		16	16
6	16	16	16	16	16	16		16	16
7	16	16	16	16	16	16		16	16

311