Разработка программы компрессий цифрового видеосигнала

    При внутрикадровой компрессии каждый кадр сжимается безотносительно ко всем остальным. Поскольку компрессия каждого  кадра происходит заново, даже если изменения в следующем кадре  минимальны, то степень сжатия информационного  потока получается ограниченной.

    Межкадровая компрессия основана на том обстоятельстве, что большая часть изображения  остается неизменной от кадра к кадру. Аппаратура цифровой компрессии проводит сравнительный анализ кадровой последовательности и пересылает только информацию об изменениях в кадрах, а не сами кадры. Это позволяет значительно уменьшить цифровой поток и достигать больших коэффициентов компрессии по сравнению со внутрикадровым сжатием.

    После того, как аналоговые сигналы -звуковой, видео, телетекст, служебная информация - подвергаются оцифровке и сжатию, они пересылаются по спутниковым или наземным каналам связи для распространения. На выходе приемной аппаратуры происходит обратное преобразование - сигналы разделяются на звуковой, видео, телетекст, служебную информацию и принимают первоначальную аналоговую форму.  

    2.1.2 Преимущества цифровой  видеокомпрессии 
 

    В отличие от аналоговой технологии цифровая видеокомпрессия обеспечивает устойчивый, высококачественный сигнал по всему  тракту. Поскольку цифровой сигнал не подвержен деградации, как аналоговый, то телевизионного приемника достигает тот же сигнал, который выходит со студии.

    Цифровая  видеокомпрессия позволяет пропустить гораздо больше информации по спутниковому каналу, что повышает экономичность  системы связи. Обычно сжатый сигнал занимает 50% и меньше полосы канала связи по сравнению с несжатым.

    При стоимости аренды спутникового ствола свыше 200000 долларов США в месяц  эффект применения компрессии составит свыше миллиона долларов в год. Дефицит  спутниковых каналов и связанный с этим обстоятельством рост цен на услуги спутниковой связи делают применение технологии цифровой видеокомпрессии особенно выгодной.

    По  мере распространения цифровой телевизионной  технологии и применения для доставки сигнала кабельных, спутниковых, телефонных каналов связи необыкновенно важной становится стандартизация цифровой видеокомпрессии. Разработанные такими организациями, как MPEG (Moving Picture Experts Group) и DVB (Digital Video Broadcasting) стандарты обеспечивают качество сигнала и его совместимость как для фирмразработчиков и производителей оборудования, так и для потребителей во всем мире. Благодаря этим стандартам можно быть уверенным, что аппаратура различных производителей, объединенная в комплекс, будет работать должным образом.

    

    • Спектр применения цифровой видеокомпрессии  чрезвычайно широк и примеры  использования MPEG-компресии по всему  миру множатся и множатся.

    • Крупная международная компания спутниковой связи применяет цифровую видеокомпрессию для доставки видеосигнала высокого качества своим клиентам в Pacific Rim. Через один спутник одновременно может передаваться до шести программ различным пользователям.

    • Крупнейшая азиатская кабельная телесеть использует MPEG-компрессию для доставки 16-ти телевизионных каналов через спутник к приемным узлам сети.

    • MPEG-видео вещательного качества, хранимое в компьютере, используется для введения в программу ТВ коммерческой и  социальной рекламы. Вместо традиционных видеокассет составители программ принимают цифровой сигнал со спутника, хранят его в устройствах памяти компьютера и мгновенно вводят его в программу в любой момент времени.

    • Ближневосточная служба многоязычного  спутникового вещания применяет цифровую MPEG-технологию для доставки сигнала прямо в дома своих клиентов. Цифровая шифровка обеспечивает доступ к программам только подписчиков канала.

    С помощью домашних терминалов, называемых также set-up box, и домашних спутниковых антенн обеспечивается спутниковая или наземная доставка интерактивных мультимедийных продуктов.

    Сжатие  цифрового видеосигнала дает возможность  вещателям транслировать больше программ в пределах той же емкости  канала связи без потерь качества и дополнительных затрат. Например, за те деньги, в которые одному американскому вещателю обходился единственный аналоговый канал, он теперь обладает четырьмя цифровыми.

    Полученный  видеосигнал необходимо подвергать компрессии. Существуют два варианта компрессии видеосигнала:

    1. Программная компрессия.

    2. Аппаратная компрессия (Wavelet, MPEG 2, JPEG и др.).

    Программная компрессия имеет относительную  простоту реализации. Требуется программа, которая будет обрабатывать оцифрованные видеоданные. Основной минус – серьезная потеря в стабильности работы системы (постоянная перекачка и обработка огромного объема данных).

    Аппаратная  компрессия - поток оцифрованных данных направляется не в процессор, а непосредственно  на плату компрессии, где сжимается  в 10-100 раз. После компрессии данные представляют собой уже небольшой поток, который не нагружает ресурсы системы и не угрожает подорвать ее стабильность.

    При установке системы видеозаписи  необходимо учитывать срок службы устройства. Срок службы профессионального регистратора составляет, как правило, 6-8 лет (Dallmeier electronic), тогда как срок службы системы на основе обычного ПК оценивается в 2 года.

    СЦВРС надежна настолько, насколько надежен  ее самый слабый компонент. Для соблюдения высокого уровня безопасности и надежности всей системы, каждый без исключения компонент должен соответствовать одним и тем же требованиям (стандарты ISO 9001, VdS).

    Уязвимыми местами ЦВ являются:

    1. Жесткие диски (HDD) - перегрев и  износ компонентов.

    2. Система охлаждения – перегрев  узлов системы.

    3. Блок питания – перегрев из-за  отказа элементов (вентилятор  и др.).

    4. Механическая защита – несанкционированное  вскрытие, перенос.

    5. Компоненты самодиагностики –  отказ элементов, вибрации.

    6. Операционная система – предпочтительно  использование открытых (Linux) или защищенных систем обработки информации (международный 
сертификат безопасности: ОС Unix CX/SX, HP-UX BLS и др.).

    Основными hi-tec параметрами современных камер  СЦВРС являются:

    1. Технология прогрессивной развертки  - отсутствие эффекта интерлейсинга позволяет получить идеально точные кадры движущихся объектов (DSS, DIS, AGC).

    2. Ультраширокий динамический диапазон (WDR). Инсталлятору приходиться искать  компромисс между желаемым полем  обзора и возможностями камеры. Профессиональная цифровая камера обеспечивает динамический диапазон 1: 200.000.

    Администратор может контролировать видеосигнал  с помощью систем интеллектуальной обработки и анализа:

    1. Режим Future Parc – технология дополнительной  реальности, позволяющая формировать  трехмерное изображение на основе информации всех видеокамер с разных сторон. Функция дистанционного доступа (стек протоколов TCP/IP, GPRS).

    2. Оценка ситуации в кадре –  распознавание статических объектов, слежение за объектом, классификация  объекта, распознавание номера 
автотранспорта.

    В последние годы интенсивно развиваются  СМЦВ, которые призваны решать задачи обеспечения безопасности специальных  транспортных средств.

     
 

 
 
Рис2.1 Схема построения СМЦВ.

     
 
Дадим краткую классификацию применяемых  в СЦВРС алгоритмов сжатия:

    1. Потоковые и статические, то  есть работающие с последовательностями  кадров (потоком), или с каждым  из кадров отдельно.

    Самыми  распространенными статическими алгоритмами на сегодняшний момент являются алгоритмы группы Wavelet и Jpeg, потоковыми - алгоритмы групп MPEG и MJPEG (кодировка MPEG 2 – поток до 16 Мбит/с).

    2. По признаку отличия декомпрессованного  видеоизображения от оригинала  на следующие: сжатие без потерь данных, сжатие с потерями данных. Сжатие без потерь данных: полученное после декомпрессии изображение в точности (побитно) совпадает с оригиналом. Сжатие с потерей данных: два оцифрованных изображения - от оригинала и от сжатого и восстановленного с использованием того или иного декомпрессора файла побитно не совпадают. Так например работают JPEG для сжатия статической графики и алгоритм M-JPEG для сжатия видео. 

    2.2 Алгоритм компрессии JPEG и его производные 
 

    Стандарт  JPEG  (Joint  Photographic  Experts  Group,  группа  экспертов по фотографическим изображениям)  является   стандартом   ISO   (International Standards Organization, Международная организация по  стандартизации). 

    Этот стандарт поддерживает компрессию как с потерями, так и  без  потерь. Однако если термин "формат стандарта JPEG" употребляется без  каких-либо  оговорок, то обычно это означает, что подразумевается компрессия  с  потерями.  Сжатие изображения по методу JPEG предполагает преобразование блоков изображения  в реальном цвете размером 8х8 пикселов в набор уровней яркости и цветности.  К каждому блоку  применяется  двумерное  дискретное  преобразование  Фурье,  в результате чего получается набор из 64 коэффициентов, представляющих  данный блок.

    Затем коэффициенты квантуются с помощью таблиц компонентов  яркости  и цветности, после чего  информация  о  блоке  упаковывается  в  коэффициенты, соответствующие меньшим  частотам.  В  результате  получается  представление коэффициентов в двоичном виде. Этот метод обеспечивает сжатие изображения  в пределах от 10:1  до  20:1  при  приемлемом  качестве.  Основное  назначение формата JPEG с потерями --  получение  фотографических  изображений  высокой степени сжатия при незначительных видимых потерях  качества. 

    Формат  MJPEG, или  Motion  JPEG  (JPEG  для подвижных изображений)  стандартом  ISO   не является.  Тем  не  менее,  так  принято  называть   цифровой   видеосигнал, представляющий собой последовательность изображений,  сжатых  с  потерями  в стандарте JPEG.

    JPEG - один из наиболее распространенных алгоритмов, используемых для компрессии цветных изображений. Алгоритм оперирует блоками 8х8 писклей. Вследствие этого при разложении матрицы такой области в двойной ряд по косинусам значимыми оказываются только первые коэффициенты.

    Таким образом, сжатие в JPEG осуществляется за счет плавности изменения цветов в изображении.

    Алгоритм  разработан группой экспертов в  области фотографии специально для  сжатия 24-битных изображений (JPEG - Joint Photographic Expert Group, является подразделением в рамках ISO - Международной организации по стандартизации). В целом алгоритм основан на дискретном косинусоидальном преобразовании (в дальнейшем ДКП), применяемом к матрице изображения для получения некоторой новой матрицы коэффициентов. Для получения исходного изображения применяется обратное преобразование.

    ДКП раскладывает изображение по амплитудам некоторых частот. Таким образом, при преобразовании получается матрица, в которой многие коэффициенты либо близки, либо равны 0. Кроме того, благодаря  особенностям человеческого зрения, можно аппроксимировать коэффициенты более грубо, без заметной потери качества изображения.

    JPEG применительно к компрессии потокового  видео 

    Алгоритм JPEG-компрессии изначально создавался для сжатия отдельных изображений  и является алгоритмом покадровой компрессии. Все алгоритмы покадровой компрессии обладают рядом недостатков при потоковом сжатии видеосигнала.

    Основной  недостаток всех покадровых алгоритмов заключается в независимой обработке  каждого изображения потока. При этом не учитывается, что основная информация уже присутствовала в предыдущем кадре. Результатом является довольно низкая способность сжатия потокового видеосигнала.

    Применительно к цифровым системам записи видеоизображения алгоритм JPEG компрессии имеет ряд преимуществ и недостатков.

    Основные  преимущества JPEG-компрессии:

    - возможность выбора степени сжатия;