Сжатие видеоинформации. Общие сведения

Основной сложностью при записи цифрового видео и при его передаче по каналам связи является большой объем телевизионного сигнала. Проведем расчет, который покажет, какой же объем будет иметь обычный двухчасовой фильм в разрешении 640x480 с частотой смены кадров 25 Гц. Пусть каждая точка принадлежит стандартной компьютерной палитре RGB из 16 миллионов цветов. 640x480x3=900 кбайт – размер одного кадра, 22500 кбайт – размер одной секунды видео, 154 Гбайт!!! – размер всего фильма. Ясно, что такие огромные объемы информации хранить и передавать очень сложно. Так, если мы хотим поместить фильм из примера на компакт-диск объемом в 650 Мб, то нам понадобятся 243 диска! Поэтому сразу же с появлением цифрового видео остро встал вопрос о компрессии видеоданных. Причем эта компрессия должна быть очень сильной. При том, что звук удается сжать только раз в 10–20, даже используя самые совершенные алгоритмы.

Осуществить компрессию ТВ-сигнала позволяет присущая ему избыточность. В общем случае большая часть изображения любого ТВ-кадра обычно приходится на участки, имеющие постоянную или мало меняющуюся в пространстве яркость, а резкие световые переходы и детали малых размеров занимают небольшую долю площади изображения. Коэффициент корреляции соседних элементов изображения, описывающий статистическую связь между яркостями этих элементов, близок к 1. Зная яркость одного элемента, можно с высокой степенью вероятности предсказать яркость соседнего. Такого рода избыточность можно назвать пространственной избыточностью изображения.

Изображения соседних кадров в телевидении обычно очень похожи друг на друга, даже при показе движущихся объектов. Эта предсказуемость указывает на временную избыточность изображения.

В телевидении различают статистическую избыточность, избыточность по восприятию, структурную и спектральную избыточность. По теории вероятностей избыточность является следствием определенных корреляционных связей. Корреляция означает, что некоторый элемент изображения более или менее существенно зависит от соседей в пространстве и во времени. Под статистической избыточностью понимают корреляционные связи между соседними (по вертикали и горизонтали) отсчетами ТВ-сигнала. Необходимо подчеркнуть, чтоснижение избыточности в этом случае до определенных пределов обратимо.

Избыточность по восприятию связана с особенностями зрения человека. Например, цветовое разрешение нашего зрения ниже яркостного. Эта особенность учтена во всех стандартных аналоговых системах цветового кодирования. В системах вещательного телевидения NTSC, PAL и SECAM цветовое разрешение существенно понижено по отношению к яркостному. То же самое зафиксировано в цифровом стандарте 4:2:2, где, по определению, две цветоразностные компоненты представлены таким же по объему информационным массивом, что и один яркостный сигнал.

Учитывая эту особенность нашего зрения по восприятию мелких деталей цветного изображения, можно в несколько раз сократить полосу частот при передаче и кодировании сигналов цветности.

Спектральная избыточность проявляется как результат излишка высокой частоты дискретизации. В частности, принятая ортогональная структура дискретизации ТВ-изображения в общем случае не является оптимальной в частотном пространстве. Можно сократить передаваемый цифровой поток, если преобразовать используемую структуру дискретизации в другую, которая характеризуется меньшим числом отсчетов в кадре, например, от формата 4:2:2 перейти к формату 4:2:0 или 4:2:1.

Избыточность телевизионного сигнала положена в основу разработки методов MPEG-сжатия.