Зависимость скорости цифрового потока на выхо- де типового кодера от требуемого разрешения

Разрешающая способность			Скорость потока, Мбит/с
Число пикселей в строке	Число строк
720	576	4...8
544	576	2,5...6
480	576	2...6
352	576	1,5...4
544	288	1,5...3
480	288	1,5...3
352	288	1...2,5

В кодерах E-IxOO стандартной конфигурации имеются выходные интерфейсы DVB- ASI и RS-422, как опция могут быть заказаны стыки G.703 (потоки El, Е2, ЕЗ) и DS-3 (ATM/AAL-I).

Подробные технические характеристики кодеров E-IxOO приведены в табл. Al При- ложения А.

Появившиеся в последние два года кодеры ТВЧ обрабатывают входные отсчеты на скорости »1,5 ^г6ит/с. Современные процессоры не обеспечивают достаточного быст- родействия, поэюму входной сигнал разделяется на шесть потоков меньшей скорости, соответствующих изображению, разделенному на шесть горизонтальных полос (с до- вольно большим перекрытием), и обрабатывается параллельно в шести предпроцессо- рах и шести видеокодерах. Отсчеты сжатых видеоданных с выходов видеокодеров на- капливаются в буферной памяти, а затем считываются и объединяются в единый цифровой поток. Главный процессор следит за тем, чтобы изображение на стыках полос сшива- лось гладко и не испытывало скачков и перепадов яркости, такие же меры принимают- ся и по обеспечению эффективной компенсации движения по всему экрану. Микросхе- мы кодеров взаимодействуют между собой и непосредственно по сверхбыстродействующим шинам.

Характеристики моделей кодеров цифрового сжатия различных компаний-произво- дителей приведены в табл. Al Приложения А. Здесь же в табл. А4 можно найти сведе- ния по перевозимым комплектам для цифровой видеожурналистики (DSNG).

Заслуживают упоминания новые тенденции в развитии кодеров сжатия, отмеченные в [11.1]. До сих пор соперничество конкурирующих компаний происходило в направле- ниях улучшения качества кодирования при низких скоростях потока и расширения функциональных возможностей («полевое» кодирование наряду с «кадровым», расши- рение области поиска при компенсации движения, поддержка профессионального про- филя «4:2:2», поддержка кодирования ТВЧ изображений). Разработаны уже по край- ней мере два поколения кодеров. В первом во главу угла ставилось достижение параметров, второе поколение отличается усовершенствованной архитектурой и конст- рукцией (уменьшены размеры, улучшено программное обеспечение в части управления работой кодера в системе). Сейчас основное внимание уделяется реализации предель- ных, энтропийных возможностей кодирования, и ключевое слово для этого этапа адаптация. Рассматриваются следующие направления усовершенствования:

Адаптация сцены к кодеру (шумоподавление)

Первые модели кодеров имели простые системы шумоподавления типа простран- ственной фильтрации, которые давали положительный эффект в некоторых случаях, но портили изображение во всех остальных, и их приходилось отключать. Новые схе- мы шумоподавления используют пространственно-временные фильтры с компенсацией движения и эффективно подавляют шумы различного происхождения: из-за зернистос- ти кинопленки, пыли, грязи и царапин, шумы выпадений магнитной ленты, шумы композитного декодирования и т.д. На изображениях с высоким уровнем шума удается экономить до 20...30% битов. Достижение наибольшей эффективности требует ручной настройки порога подавления, а это неудобно в условиях эксплуатации. Усредненная настройка приводит к некоторому ухудшению изображения для медленных движений и больших однородных областей. Исследования ведутся в направлении адаптивных са- монастраивающихся систем с динамическим шумоподавлением для Гауссова шума и медианной фильтрацией для «местных» шумов. Необходимо найти компромисс между шумоподавлением и потерей разрешения, к которой неизбежно приводит простран- ственная фильтрация. Первые результаты показывают, что выигрыш в отношении сиг- нал-шум на выходе может составить от 0,5 до 3 дБ.

Изменение пространственного разрешения

Исследования показывают, что понижающая передискретизация по горизонтали мо- жет улучшить качество изображения за счет снижения числа обрабатываемых пиксе- лей, хотя при этом несколько снижается разрешение. Пока нет ясного ответа, какая разрешающая способность оптимальна в каждом конкретном случае, однако не вызыва- ет сомнения, что она связана со скоростью передачи, и ведутся поиски алгоритма авто- матического выбора оптимального разрешения. Возможно, вместо передискретизации будет применяться фильтрация как механизм, теснее связанный с содержанием изобра- жения.

Адаптация кодера к сцене (структура ГВК)

Размер и структура ГВК — параметры, наиболее тесно связанные с изображением, и удачный их выбор позволил бы значительно улучшить качество изображения. Одно из возможных решений — двухпроходное кодирование, когда на первом проходе выбира- ется структура ГВК, близкая к оптимальной, а на втором проходе осуществляется соб- ственно компрессия изображения. Расчеты показывают, что выигрыш составляет около 1 дБ в среднем и до 5 дБ на отдельных сюжетах.

Выбор метода кодирования

В стандарте MPEG-2 уже заложен механизм адаптации — выбор полевого или кад- рового кодирования. Кадровое кодирование более подходит для медленных движений, полевое для быстрых. Оптимизация может дать выигрыш в отношении сигнал-шум 0,7 дБ в среднем и до 3 дБ на пиках при быстром движении.

Многопроходное и итеративное кодирование

При цифровом сжатии видеоданных наступают моменты, когда качество изображе- ния ухудшается весьма существенно смена кадра, очень быстрые движения, всплес- ки шума. Предотвратить срывы можно путем усложнения алгоритма кодирования — использования двух или нескольких проходов кодера по кадру. При первом проходе кодер получает полезную информацию о кадре, оценивает сложность сцены, движение, скорость потока, шаг квантования, обнаруживает момент смены кадра. Эти данные ис- пользуются при втором проходе для сохранения постоянного качества изображения. С увеличением быстродействия процессоров возможно будет перейти к многопроходному кодированию и даже к итеративному режиму, когда процесс кодирования повторяется до тех пор, пока не будут достигнуты удовлетворительные характеристики качества на всей длине ГВК.

Использование дополнительных данных при перекодировании

При многократной последовательной компрессии-декомпрессии цифрового сигнала качество изображения заметно ухудшается, если скорость потока не очень велика. За- мечено, что процесс деградации можно существенно замедлить, если сообщать каждому следующему кодеру некоторые параметры предыдущего. Использование единой сфази- рованной структуры ГВК позволяет уменьшить проигрыш в отношении сигнал-шум после восемь перекодирований с 6 до 1,5 дБ. Добавление информации о шкале кванто- вания и векторах перемещения позволяет отыграть еще 0,9 дБ. Этот метод положен в основу разработанной компанией Snell&Wilcos технологии MOLE, в которой дополни- тельная информация передается от декодера к следующему кодеру в двух младших битах компонента цветности SDI сигнала.