Разработка программы компрессий цифрового видеосигнала

tify">    - сравнительно небольшая потребность в ресурсах для кодирования и декодирования;

    - наиболее эффективен при низкоскоростной записи (1-2 кадр/с).

    Основные  недостатки JPEG-компрессии:

    - при повышении степени сжатия изображение распадается на отдельные квадраты (8x8). Это связано с тем, что происходят большие потери в низких частотах при квантовании и восстановить исходные данные становится невозможно;

    - проявляется эффект Гиббса - ореолы по границам резких переходов цветов;

    более низкая степень компрессии потокового видеоизображения, по сравнению с  алгоритмами дельта-компрессии семейства MPEG.  

    2.3 Видео семейства MPEG 
 

    Наиболее  распространенными методами сжатия видео в последнее время стали MPEG-алгоритмы, основным принципом которых  является устранение временной избыточности видеоданных. Упрощенно говоря, уменьшение скорости цифрового потока достигается за счет передачи только опорных кадров и различий между соседними изображениями. Качество MPEG видео довольно сильно зависит от применяемого кодека. Это в равной степени относится как к аппаратным средствам, так и к программному обеспечению.

    Первая  редакция алгоритма сжатия, - MPEG-1, - подразумевала  разрешение 352x240 точек с частотой обновления 25 кадров в секунду при  потоке порядка 200 Кб/с. Сжатие видео  с таким качеством до сих пор  применяется при создании видеодисков  формата Video CD. Качество цифрового изображения при этом сравнимо с качеством обычной видеокассеты, однако не подвержено механическому износу.

    Алгоритм  сжатия MPEG-1 весьма сложный. В частности, если в каком-то месте кадра произошло  изменение по сравнению с предыдущим кадром, то сначала предпринимается попытка обнаружить "куда сместился" исходный объект. Например, если автомобиль движется в поле зрения камеры видеонаблюдения, то совсем необязательно каждый раз его перерисовывать: изображение автомобиля однажды уже сохранено, теперь надо только указать, куда оно сместилось.

    Сжатие  видео в формате MPEG-2 распространилось после появления DVD. Качество изображения  возросло до 500 … 600 ТВЛ, а скорость потока данных несколько снизилась за счет возможности кодирования с переменным битрейтом. При этом, хотя количество передаваемых данных и уменьшается, скорость цифрового потока для сохранения высокого качества картинки все равно не удается сделать меньшей, чем несколько Мбит/с. Иначе обстоит дело с алгоритмом сжатия видео MPEG-4, специально созданным для передачи видео по низкоскоростным линиям связи.

    Сжатие  видео по алгоритму MPEG-4 состоит в  том, что исходная картинка как бы разбирается на отдельные составные  части. То есть в кадре выделяются контуры объектов [например, в группе людей очерчивается силуэт каждого из персонажей], затем цифровые потоки от этих объектов обрабатываются по специальному алгоритму и раздельно передаются независимо друг от друга по каналу связи.

    На  приемной стороне изображение собирается в обратном порядке, при этом декодер MPEG-4 восстанавливает первоначальное положение в кадре каждого из выделенных при передаче объектов. При перемещении объектов в кадре передается только информация о векторе этого движения, а интеллектуальный декодер синтезирует и сам объект, и его новое местоположение, что позволяет многократно уменьшать объем передаваемой информации.

    Сжатие  видео по алгоритму MPEG-4 обеспечивает уменьшение скорости цифрового потока до нескольких сотен кбит/с практически  без ущерба для качества изображения.

    Цветное цифровое изображение из сжимаемой  последовательности  переводится  в цветовое  пространство  YUV  (YCbCr).  Компонента   Y   представляет   собой интенсивность, а U  и  V  -  цветность.  Так  как  человеческий  глаз  менее восприимчив  к  цветности,  чем  к  интенсивности,  то  разрешений  цветовых компонент может быть уменьшено в 2 раза по вертикали, или и по  вертикали  и по  горизонтали.  К  анимации   и   высококачественному   студийному   видео уменьшение  разрешения  не  применяется  для  сохранения  качества,  а   для бытового применения, где потоки более низкие, а  аппаратура  более  дешевая, такое действие не приводит  к  заметным  потерям  в  визуальном  восприятии, сохраняя в то же время драгоценные биты данных.

    Основная  идея всей схемы - это предсказывать движение от кадра  к  кадру,  а затем  применить   дискретное   косинусное   преобразование   (ДКП),   чтобы перераспределить избыточность в пространстве. ДКП выполняется на блоках  8х8 точек, предсказание движения выполняется  на  канале  интенсивности (Y)  на блоках  16х16  точек,  или,  в   зависимости   от   характеристик   исходной последовательности изображении  (чересстрочная  развертка,  содержимое),  на блоках 16х8 точек. Другими словами, данный блок 16х16 точек в текущем  кадре ищется  в  соответствующей  области  большего  размера  в   предыдущих   или последующих кадрах.

    Коэффициенты  ДКП (исходных  данных  или  разности  этого блока и ему соответствующего)  квантуются,  то  есть  делятся  на  некоторое число, чтобы отбросить несущественные биты. Многие коэффициенты после такой операции оказываются нулями. Коэффициент квантизации  может  изменяться  для каждого  "макроблока"  (макроблок  -  блок  16х16  точек  из  Y-компонент  и соответствующие блоки 8х8 в случае отношения YUV 4:2:0, 16х8 в случае  4:2:2 и 16х16 в случае 4:4:4. Коэффициенты  ДКП,  параметры  квантизации,  векторы движения  и  пр.  кодируется  по  Хаффману  с  использованием  фиксированных таблиц,  определенных  стандартом.  Закодированные  данные  складываются   в пакеты, которые формируют поток согласно синтаксису MPEG.

    MPEG-4 (ISO 14496) - это широкий открытый  стандарт компрессии, разработанный  Moving Picture Experts Group (MPEG) и охватывающий  большое количество подстандартов.  Это очень гибкий алгоритм  дельта-компрессии, имеющий множество вариантов настроек, варьирующих применение кодеков, матриц квантования, инструментов и т.д.

    Процедура кодирования MPEG-4 жестко не регламентируется стандартом, что оставляет возможность  для совершенствования кодеров  и улучшения качества воспроизводимого изображения разработчиками систем охранного видеонаблюдения.

    Основная  идея алгоритма MPEG-4 заключается в  том, что в результате компрессии сохраняются только отличия между  соседними кадрами видеопотока  и таким образом устраняется пространственная избыточность. Ввиду сильной корреляции между соседними кадрами отличия между ними ничтожно малы, поэтому разность занимает очень малый объем. При этом первый (эталонный) кадр также подвергается компрессии для устранения пространственной избыточности.

    В MPEG-4 устранение пространственной избыточности осуществляется за счет дискретного  косинусного преобразования, а временной - на основе дифференциального кодирования  с компенсацией движения.

    Важной  особенностью алгоритмов компрессии семейства MPEG-4 является наличие дополнительных инструментов, которые позволяют разработчикам цифровых видеосистем адаптировать этот универсальный алгоритм для специфических задач охранного видеонаблюдения.

    Набор инструментов, доступный для той  или иной разновидности MPEG-4, определяется профайлом, однако это не указывает на то, что при кодировании изображения тем или иным профайлом используются все его инструменты. Использование некоторых инструментов ограничивается вычислительными возможностями цифровых видеорегистраторов.

    Необходимо  отметить, что возможны два основных режима работы кодера MPEG-4:

    - с постоянной скоростью потока данных;

    - с постоянным уровнем качества декодированного изображения.

    В режиме с постоянным качеством используется фиксированная матрица квантования. Однако при этом скорость потока компрессированных данных является переменной. Такой режим обычно используется при записи компрессированных потоков видеоданных на дисковые накопители.

    В режиме с постоянной скоростью потока данных в кодере осуществляется непрерывное изменение коэффициентов матрицы квантования, что обеспечивает постоянство потока данных за счет степени компрессии и, соответственно, качества декодированного изображения.

    Такой режим обычно используется в системах передачи изображения по каналам связи с фиксированной пропускной способностью.

    Область применения MPEG-4 распространяется от задач  передачи эфирного телевидения и  компрессии DVD-материалов до специализированных применений потоковой мультиканальной  компрессии в охранном видеонаблюдении. Очевидно, что кодеки, предназначенные для компрессии DVD-видеоматериалов, не всегда являются оптимальными для мультиканальной компрессии реального времени, используемой в охранном видеонаблюдении.

    Применение  в цифровых видеосистемах MPEG-4 не гарантирует высокого качества и высокого уровня компрессии. Неоптимальные «настройки» ведут к резкой потере качества, возникновению артефактов и увеличению объема видеопотока.

    Оптимизация подбора настроек к аппаратным возможностям систем, позволяющая эффективно выполнять компрессию и декомпрессию, - непростая задача. Она требует квалифицированных разработчиков, много времени и средств, которыми располагает не каждая компания - производитель цифровых видеосистем.

    Преимущества MPEG-4:

    - более высокая степень компрессии потокового видеосигнала (по сравнению с JPEG и Wavelet) за счет устранения пространственной и временной избыточности;

    - открытость и совместимость алгоритма, позволяющая любому производителю адаптировать его для решения специфических задач с учетом аппаратных возможностей;

    - возможность выбора режима кодера для поддержания стабильного качества изображения или фиксированного уровня потока данных.

    Недостатки MPEG-4:

    - высокая потребность в ресурсах вычислительных мощностей для компрессии и декомпрессии видеоизображения, увеличение вычислительной мощности позволяет расширить набор инструментов для компрессии и декомпрессии, что в результате приводит к повышению качества воспроизводимого изображения при повышении степени компрессии, но как правило, это приводит к повышению стоимости конечного продукта;

    - высокая зависимость качества изображения от «настроек» компонентов процесса компрессии и декомпрессии, которая при неоптимальных параметрах ведет к снижению уровня компрессии, ухудшению качества изображения и появлению артефактов.

          Сравнительные возможности DVPack 2 ® и наиболее распространенных алгоритмов компрессии видео на рынке DVR-систем отражены в таблице 2.1

    Таблица 2.1

      

    2.4 Motion Wavelet 
 

    Относительно  новый алгоритм сжатия видео при котором, в отличие от JPEG , изображение обрабатывается без разбиения на квадраты. После того, как фирма Analogue Devices выпустила специализированную микросхему аппаратного wavelet-сжатия видео, данный формат стал базисом многоканальных цифровых систем видеонаблюдения и цифровых видеорегистраторов.

    Как и в случае формата JPEG, в Wavelet сжатие осуществляется с необратимыми потерями информации, но изображение не имеет "мозаичных" дефектов даже при  очень больших степенях компрессии. Достоинство - отсутствие видимых дефектов даже при большом коэффициенте сжатия видео, - снижается резкость, и изображение просто становится менее четким.

    С математической точки зрения основной особенностью wavelet-преобразования является возможность разложить изображение на две компоненты - низкочастотную часть, содержащую основную информацию, и высокочастотную часть, содержащую лишь малую долю информации. Низкочастотную часть можно опять разложить на две части, и т.д.

      Оставшаяся часть изображения  содержит лишь малые высокочастотные компоненты. В результате последовательного применения wavelet-преобразований получается изображение, занимающее небольшой объем места на диске.

    Применение Wavelet-сжатия открыло перед охранными  системами видеонаблюдения новые  возможности. Сжатое видео при малом объеме передаваемой информации [до 400 Кбит/с с компрессией 150:1] может быть передано через сеть Internet, по модему или по мобильному телефону, что позволяет дистанционно наблюдать за охраняемым объектом практически в режиме реального времени.

          Основные преимущества алгоритма Motion Wavelet:

    - высокоэффективная внутрикадровая компрессия;

    - межкадровая компрессия, сохраняющая высокое качество каждого кадра видеозаписи;

    - возможность масштабирования изображения без применения серьезных математических вычислений;

    - отсутствие внесенных артефактов в виде блоков.

    Высокоэффективная внутрикадровая компрессия

    В результате вейвлет-преобразования изображение  получается более гладким и четким, а размер опорного кадра по сравнению  с алгоритмами на основе дискретно-косинусного преобразования при одинаковом качестве уменьшается на 25%.