Стандарты цифрового сжатия


Чтобы уменьшить большой объем данных, получающийся при цифровой съемке, была разработана технология, по которой просматривается каждый кадр, а передается лишь разница между двумя последовательными кадрами. Такой метод кодирования дает возможность отбросить значительную часть информации и тем не менее получить при этом изображение приемлемого качества. Исходные данные подвергают сжатию (или компрессии), чтобы уместить их в заданном объеме памяти или чтобы уменьшить полосу частот, необходимую для эфирного цифрового телевидения. Если отбросить определенную часть данных, материал может быть передан по каналу с более низкой скоростью передачи. Отношение исходного объема данных к объему после сжатия называется коэффициентом сжатия. На другом конце тракта передачи декодер восстановит сжатый сигнал до размеров, близких к исходным. Устройство сжатия предназначено для распознавания и пропускания полезной части входного сигнала, которая называется энтропией. Оставшаяся часть сигнала получила название избыточность. Эта часть сигнала является избыточной, поскольку отброшенная информация может быть предсказана по той части сигнала, которую получает декодер. Если декодер не может восстановить отброшенную часть данных, значит, сигнал является неполным, и исходный сигнал был искажен при сжатии. При воспроизведении полученного изображения такие искажения могут быть несущественными, но могут оказаться и недопустимыми. Отдельные части изображения могут содержать элементы, которые не изменяются от кадра к кадру. Можно добиться значительной экономии при передаче данных, если при смене монтажного кадра передается полное изображение, а затем с каждым последующим передается только та часть, которая изменяется от кадра к кадру. Изображение в этом случае может быть восстановлено путем добавления изменяющихся элементов к статическим или неизменяющимся частям. Степень сжатия должна быть такой, чтобы сжатие не приводило к потере информации.

степень сжатия, разновидности сжатия,
Степени сжатия

Преимущества сжатия

  • Для хранения материала заданного объема требуется меньший объем памяти.
  • Сжатие цифровых данных позволяет уменьшить требуемую полосу частот при передаче с наземных передатчиков, через спутники или по кабельным системам и дает возможность использовать более дешевые средства для передачи данных (например, линии связи спутниковой видеожурналистики), интерактивные виды услуг и т.д.

Стандарт сжатия 4 : 2 : 2

Одна и та же частота дискретизации для систем 625/50 и 525/60 выбрана для привязки к горизонтальным синхронизирующим импульсам. Для сигнала яркости она чаще всего равна 13,5 МГц. Передаются и записываются лишь активные строки, содержащие видеоинформацию (576 строк в системе с 625 строками). Каждая строка состоит из 720 пикселей. Остальные 49 строк гашения полей не используются и могут быть при необходимости восстановлены.

Во многих цифровых форматах для передачи цветоразностных сигналов выделяется полоса частот в два раза уже, чем для сигнала яркости, и поэтому частота дискретизации для них в два раза меньше, т.е. 13,5 / 2= 6,75 МГц. Самая низкая из применяемых частот дискретизации равна 1 / 4 частоты дискретизации сигнала яркости, т.е. 3,375 МГц. Это значение принимается за единицу в шкале условной кодировки частот:

1 = 3,375 МГц (3375000 отсчетов в секунду)

2 = 6,75 МГц (6750000 отсчетов в секунду)

4 = 13,5 МГц (13500000 отсчетов в секунду).

В большинстве производимого оборудования используется дискретизация в соотношение 4 : 2 : 2, что означает, что частота дискретизации сигнала яркости равна 13,5 МГц (4), частота дискретизации красного сигнала равна 6,75 МГц (2) и синего 6,75 МГц (2). Можно достигнуть и большей степени сжатия, например 4 : 1 : 1 или 4 : 2 : 0. В общем-то, следует ожидать, что сжатие влечет за собой некоторые потери или искажения изображения, величина которых зависит от используемого алгоритма и от степени сжатия (отношения количества данных в сжатом сигнале к количеству данных в исходном). Применение все больших степеней сжатия, т.е. отбрасывание все большей части исходного сигнала, приводит к искажениям, таким, как раздробленность быстро движущихся объектов или кратковременное пропадание их изображения.

Стандарт сжатия MPEG

Стандарт MPEG (Moving Picture Experts Group) включает в себя группу стандартов, регламентирующих диапазон цифровых потоков, которые декодеры способны обработать. MPEG 1 является наиболее ранней разработкой, которая не пригодна для использовании в телевидении. Рекомендации стандарта MPEG 2 по сжатию данных могут быть сгруппированы в таблицу, содержащую 5 профилей — от простого (минимальная сложность) до высокого. Каждый профиль может применяться для работы с четырьмя степенями разрешения — от 352 * 288 до 1920 * 1152 пикселей. MPEG 2 не регламентирует технологию декодирования или способы передачи цифровых потоков, в нем стандартизируется ряд эталонных оценок, определяющих различные степени сжатия.

В стандарте MPEG  применяются два вида кодирования: внутрикадровое и межкадровое. Последовательность кадров формируется в виде так называемых групп изображений (group of picture — GOP). В эти группы входят три типа кадров: I, P и B. Когда начинается процесс сжатия, производится внутрикадровое кодирование начального (I) кадра. Этот кадр является независимым и может быть воспроизведен без искажений исключительно на основе содержащихся в нем данных. P — кадры создаются путем кодирования с предсказанием на основе данных предыдущего I — кадра или P — кадра. Между I — и P — кадрами располагаются B- кадры. В- кадры двунаправленно интерполируются на основе ближайших   I — и P — кадров. Новый I — кадр создается обычно при изменении пикселей в поступающих новых кадрах. Однако в MPEG — компрессии это делается и без смены примерно каждые полсекунды. Сжатие достигается за счет того, что передача данных требуется только для I —  кадра.

Поскольку только I — кадр несет полную информацию об изображении, то при попадании монтажной точки между P- и B- кадрами монтаж начинается с кадров которые сами по себе не могут быть восстановлены, поскольку их опорный I- кадр в этом случае будет утерян. Для эффективности сжатия желательно, чтобы между моментами создания новых I- кадров находилась возможно большая группа кадров. С другой стороны, для получения большей свободы в выборе точек врезки требуются более короткие группы изображений при одновременном сохранении определенной степени сжатия. Схемы динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) выполняют поиск I-, P- и B- кадров для идентификации I- кадров при монтаже.

На протяжении следования сигнала по тракту от момента съемки, при передаче с Земли на спутник и обратно, смене формата, монтаже и окончательной передаче зрителю видеосигнал может кодироваться и декодироваться несколько раз. Существует множество способов сжатия данных. Цифровой сигнал может претерпеть искажения, если он повторно кодируется и декодируется при следовании через процессоры разных производителей.