Лекции / Лекция 15

//Лекция 15// Методы сжатия графических данных. JPEG и MPEG сжатия.

Сжатие Jpeg

Joint photograph expert group – сформирована в 1982.

Сжатие с потерями, но сильное (20:1 – 25:1)

Jpg не является алгоритмом .Это целый набор методов сжатия.

В процессе кодирования отбрасывается та информация, которую трудно заметить визуально.

Jpg разрабатывался для уменьшения (сжатия) цветных и полутоновых фото изображений, телезаставок и др.сложной графики. Используется для сжатия видео внутри стандарта mpeg.

Объём зависит от содержимого изображения . Степень сжатия составляет 25:1 без заметной потери качества. Ничего не остается от исходного файла. Пользователь регулирует качество jpg, используя его параметр Q фактор – установка качества изменяется от1 до 100 при Q=1 создается изображение самого маленького размера и плохого качества при Q=100 наилучшее качество при большом размере.

Начальное Q=75 , если качество нормальное понижается Q, если нет – наоборот.

Алгоритм Jpeg

Он основан на схеме кодирования с помощью дискретных косинус преобразований (Дкп).

Дкп всегда с потерями, но обеспечивает высокую степень сжатия при минимальных потерях.

Схема Jpeg , используется только при сжатии многоцветных изображений в которых различие между соседними пиксельными значениями незначительно. Пиксельная глубина >=5 битов на цветовой канал : 65000 цветов.

Процесс сжатия делится на:

1. преобразование изображения в оптимальное цветовое пространство

2. субдискретизация усреднением групп пикселей

3. применение дкс для снижения избыточности данных изображения.

4. квантование блока коэффициентов Дкп

5. кодирование результирующих коэффициентов

Декодирование Jpeg в обратном порядке.

Преобразование изображения

Алгоритм кодирует каждое изображение, основанное на любом типе цветового пространства. Jpeg преобразует каждый компонент отдельно в модель YCB or YCBCR, потому что в ней достигаются нужные:

Y – яркость

CB,CR – цветность(взять у Оли)

Субдискретизация компонентов цветности

Воспользовавшись меньшей чувствительностью человеческого глаза, к информации уменьшая количество пикселей для каналов цветности, оставляя без изменения количество пикселей для каналов яркости.

При поступлении не сжатых данных в общепринятом формате, т. е. одинаковое разрешение для всех каналов цветности, компрессор Jpeg уменьшает разрешение каналов цветности путем СКЦ или усреднения групп пикселей. Канал яркости с полным разрешением (1:1). Оба канала цветности подвергаются СКЦ (2:1) в горизонтальном направлении и (1:1) или (2:1) в вертикальном, т. е. пиксель цветности охватывает ту же область , что и блок (2:1) ,(2:2) пикселей яркости. Согласно Jpeg эти процессы называются 2h1v and 2h2v

Дкп

применяются к любому блоку 8*8 пикселей преобразовывает пространство в его спектральное представление. В спектральном преставлении можно разделить высоко и низко частотную информацию и отбросить высокочастотную информацию без потерь низкочастотной, т. к. высокочастотная информация не воспринимается человеческим глазом.

Воздействуя на спектральное представление можно балансировать между качеством воспроизведения и степенью сжатия.

Квантование

Прежде чем отбросить объём информации, компрессор делит выходное значение матрицы ДКП на коэффициенты квантования. Коэффициенты квантования – величина обратная Q. После деления результат округляется до целого. Чем больше коэффициент, тем больше данных теряется, т. к. реальное значение всё менее точное. На этом этапе мы управляем Jpg компрессором за счет установки качества.

Кодирование результирующих коэффициентов

Они содержат объём избыточных данных кодируемых по алгоритму Хаффмана. Это позволяет понизить объём данных, удалив избыточность информации без потерь.

Сжатие Mpeg

Применяется при обработке видео этот метод ассиметричного сжатия. Процесс сжатия сложнее, чем распаковка.

В Mpeg используется 2 типа:

• внутрикадровое

• межкадровое

Кодирование с предсказаниями и интерполятивное кодирование.

Кадры, идущие друг за другом содержат множество идентичных данных, поэтому кодируются лишь часть информации этих кадров. В результате повышается степень сжатия, поскольку кодируется меньший объем информации. Такой тип – кодирование с предсказаниями. Можно уменьшить размер данных, если применить двунаправленное предсказание.

Схема позволяет кодировать видео кадр на основе между ним, предыдущим и следующим кадром видео.

Это называют интерполятивным кодированием. Для поддержки межкадрового и внутрикадрового кодирования поток данных mpeg содержит 3 типа закодированных кадров.

I – внутрикадровое кодирование, записывает один кадр , не связанный с информацией , любого другого кадра. Любой поток данных начинается с I кадра.

P – различие между текущим и предыдущими I и P кадрами

B – состоит из различии между текущими и двумя предыдущими и последующим I или P кадрами.

IBBPBBPBBPBB

Между двумя любыми I кадрами располагаются 12 P и B кадрами.

Данные Mpeg декодируют раньше , чем B кадры.

1. I

2. P

3. B

I,P,B кадры сжимаются с использованием метода ДКП. Но в межкадровом для P и B . снижается также временная избыточность.

Размер:

I=150kBit

P=50kBit

B=20kBit

I кадры очень похожи на Jpeg можно закодировать с использованием внутрикадрового кодирования выполняется быстрее, чем кодирование с использованием внутри межкадрового.

Mpeg кодирование

movie picture expert group

Сравнительный анализ Mpeg стандартов

Mpeg 1 рассчитан на передачу видео по низкоскоростным сетям и для записи на CD со скоростью 150 kBit/с . Разрешающая способность уменьшается в два раза (по обеим осям ) по сравнению с разверткой вещательного канала(720*576) , т. к. 288 строк и 360 отчетов по оси Х . При внутрикадровом сжатии появились «квадратики» .Полный фильм занимал 2 CD.

Super video CD повышено разрешение и понижена степень сжатия Jpeg компрессором, добавлено поддержка хорошего звука.(3 CD)

Mpeg 2(1995) _это доработка Mpeg 1 под новые возможности. Используются для обработки видео изображения согласованные по качеству при способности каналов передачи данных от 3 до 15 Мбаит /с.

Это DVD продукция, изначально использовалась для спутникового телевидения (НТВ+,HOT BIRD).

20 каналов.

DVD digital video disk – однослойный (4,7Гбайта)

Отличие Mpeg 1 от Mpeg 2

1. После разбивки на кадры и группы кодер анализирует на предмет повторяющихся данных. Составляется список оригинальных и повторяющихся участков. Оригиналы сохраняются, копии повторяются. Таблицы используются при декодировании.

2. При внутрикадровом сжатии вместо линейного преобразования используется нелинейное преобразование.

3. Оптимизирован алгоритм предсказания движения

4. в процессе кодирования можно задавать точность частотных коэффициентов матрицы квантования. Точность 8-11 бит на одно значение в зависимости от пропускной способности сети или ёмкости носителя.

5. Добавлен многоканальный звук Dolby digital 5.1 и DTS

Mpeg 3

Для использования в системах телевидения с высокой четкостью со скоростью 40 Мбит/с. Параметры необходимы для HDTV.отдельно он не используется.

Mpeg4

появился в конце 1999.Этот стандарт задает принципы работы с цифровым представлением медиаданных (контентом).

Для трёх областей мультимедиа данные, графические приложения, цифровое телевидение. Определен двоичный язык описания объектов, классов и сцен.

Помимо видео и аудио объектов работает с естественными и с синтезированными 2 и 3D объектами.

Картина разделяется на составные элементы – медиа объекты, описываются структура этих объектов, их взаимосвязь. Для сборки в единую видео-звуковую сцену. Результирующая сцена состоит из объектов содержащихся в иерархической структуре.

• Неподвижная картинка(фон)

• Видео объект (говор. человек)

• Аудио (голос видео объекта)

• текст, связанный с данной сценой

• Синтетические объекты

• текст для синтетических объектов, преобразуемый в синтетический голос

Такой способ представления данных позволяет перемещать и помещать объекты в любое место сцены, трансформировать объекты, изменяя их отдельные составляющие и производить над ними любые возможные операции; менять точку наблюдения за всей сценой

МР4 –фильм сжатый кодером со стандартом Mpeg 4 . Отличие алгоритма компрессии от предыдущих стандартов:

• Кадр делится на блоки, кодер оперирует целыми объектами произвольной формы в зависимости от содержимого.

• Интеллектуальный способ расстановки ключевых I – кадров. Выделяются только в момент смены сюжета, хотя расстанавливаются с определенной регулярностью.

• Эффект компрессии увеличен в несколько раз и фильм помещается на 1CD=670 Mbait

DivX кодер позволяет компрессировать видео в соответствие со стандартом Mpeg 4

Mpeg7 (MCDI)

обеспечивает формирование и стандартизацию описания любых типов мультимедиа информации, чтобы организовать эффектный её поиск.

В нем описан стандартный набор дескрипторов для различных типов мультимедиа.

Основная цель – поиск машиной специальной мультимедийной информации.

несколько звуков – мелодия

эскиз – набор картин

видео – набор роликов и видео клипов

голос – набор песен или видео клипов