ДКП. Квантование коэффициентов ДКП

В большинстве случаев видеопоследовательности содержат избыточность в двух направлениях – временном и пространственном. Главное статистическое свойство, на котором основана аппаратура сжатия, – межэлементная корре­ляция, включающая предположение о коррелированности последовательных кадров видеоданных. Таким образом, значения отдельных пикселов изобра­жения могут быть предсказаны либо по значениям ближайших пикселов внут­ри одного кадра (применение аппаратуры внутрикадрового кодирования), либо по значениям пикселов, расположенных в ближайших кадрах (исполь­зование аппаратуры межкадрового кодирования и компенсации перемеще­ния). В некоторых случаях, например, при смене видеосцены в видеопосле­довательности, временная корреляция между ближайшими кадрами очень низка. В таких случаях решающую роль в достижении эффективного сжатия видеоинформации играет внутрикадровая корреляция, т.е. пространственная корреляция пикселов изображения. Однако, если корреляция между после­довательными кадрами видеоданных высока, то в случае, когда два последо­вательных кадра имеют схожее или одинаковое содержание, желательно при­менение межкадровой корреляции пикселов с временным предсказанием. На практике для достижения высокого коэффициента сжатия видеоинформа­ции используется комбинация из двух подходов.

Пространственная избыточность изображения обусловлена наличием в видеокадре однотипных одинаково окрашенных участков. Отсчеты в соседних точках на таких участках практически одинаковы, присутствуют в основном НЧ составляющие двухмерного пространственного спектра. Для сокращения числа битов используется ДКП (табл. 5.3), (рис 5.23). Учитывая, что значения большинства коэффициентов ДКП весьма малы (табл.5.3) их последующее деление на числа таблицы квантования приводит или к их обнулению или к сильному уменьшению (табл. 5.3). Это позволяет значительно уменьшить скорость цифрового потока.

После предварительной обработки разностные ошибки предсказания или сами макроблоки подвергаются дискретному косинусному преобразованию (ДКП), в результате которого исходная матрица блоков преобразуется в мат­рицу частотных коэффициентов (рис.5.41). Каждый коэффициент характе­ризует амплитуду определенной частотной составляющей кадра, причем коэффициенты в матрице располагаются по возрастанию частот в верти­кальном и горизонтальном направлениях. Другими словами, ДКП-матрицу можно трактовать как двумерный частотный спектр кадра изображения в вертикальном и горизонтальном направлениях. При этом основная энергия концентрируется около нулевых частот. Амплитуда менее значимых высо­кочастотных составляющих, как правило, мала или равна нулю, поэтому их потеря почти не сказывается на качестве изображения. Коэффициенты, не превышающие некоторого порогового значения, не передаются, что и при­водит к желаемой компрессии.

После ДКП коэффициенты могут принять не целые значения, а на вход ко­дера необходимо подавать дискретную последовательность. Она получает­ся при квантовании коэффициентов и расстановке их в ряд для подачи на хаффмановский кодер.

Квантование полученной после ДКП матрицы произ­водится с учетом чувствительности глаза к различным пространственным ча­стотам, причем при передаче более высокочастотных компонентов возмож­на большая погрешность. Зрение человека наиболее чувствительно к градациям яркости крупных деталей, поэтому для коэффициентов, соответ­ствующих нулевым пространственным частотам, шаг квантования должен быть минимален. Для более высоких пространственных частот можно при­менять квантование на меньшее число уровней.

Рис. 5.41. Процесс ДКП, квантования и Z-упорядочения в MPEG-2

Формирование последовательности для подачи на кодер осуществляется при помощи Z-упорядочивания. В этом случае коэффициенты выстраиваются в порядке возрастания частот, причем, если пространственные частоты одина­ковы, то впереди следуют коэффициенты для меньших частот[4].

5.18. Стандарт цифрового сжатия MPEG-1 [10]