Краткие сведения о движущихся изображениях

Говоря о цифровых движущихся изображениях можно выделить две группы таких изображений. Первая – анимированные изображения, вторая – цифровое кино- и видеоизображения.

Под анимацией (animation – оживление) изображений понимается автоматизированный процесс визуализации последовательности изображений – кадров (frames). Каждый кадр фиксирует определенные изменения состояния сцены. Базовым принципом компьютерной анимации (как, собственно говоря, и любой другой) является быстрая смена последовательности кадров, фиксирующих промежуточные фазы движения, перед глазами наблюдателя.

Под движением подразумевается как непосредственно перемещение или поворот объекта в пространстве сцены, так и любое изменение его формы, цвета и т. п. Кадры должны сменять друг друга при просмотре с достаточно высокой скоростью, иначе у наблюдателя не создастся иллюзии непрерывности происходящих изменений.

Обычно частота воспроизведения кадров не должна быть ниже 12 кадров в секунду. При выборе той или иной целевой платформы важно правильно выбрать покадровую частоту анимации. Так, кинематограф работает с частотой 24 кадра в секунду, в телевизионных форматах PAL/SECAM и NTSC частота кадров равняется 25 и 30 соответственно.

Большинство анимационных программ реализуют метод ключевой анимации объектов, заимствованный из традиционной мультипликации. Суть этого метода состоит в разделении кадров на ключевые и промежуточныекадры. В ключевых кадрах художник-аниматор фиксирует ключевые (критически важные, опорные) фазы анимации объекта, например, положение спортсмена, непосредственно перед прыжком или верхнюю точку полета волейбольного мяча. В промежуточных кадрах сама программа интерполирует остальные фазы анимации объекта, используя при этом дополнительную информацию, полученную от аниматора. Таким образом, задавая ключевые кадры для параметров объекта и определяя типы интерполяции между ними (линейная, скачкообразная, с ускорением и т. п.), мы получаем в свое распоряжение очень простой и достаточно мощный анимационный инструментарий.

С другой стороны, ключевая анимация не всегда является оптимальным выбором. Например, если необходимо заставить объект совершить сложный пируэт в пространстве, то, наверное, проще нарисовать для него нужную сплайновую траекторию, чем определять десятки и сотни ключевых кадров. Такая, не требующая задания большого количества ключевых кадров, анимация называется параметрической анимацией. Обычно она реализована как набор предустановленных анимационных эффектов, plug-in-модулей, например случайного изменения параметра или движения по траектории. Достаточно задать время начала и завершения такого эффекта, настроить его параметры, а обо всем остальном позаботится анимационная программа.

Итоговая визуализация (rendering) - заключительный этап работы со сценой.

К этому этапу сцена будет содержать информацию о геометрии объектов, их материалах и освещении. Задача модуля визуализации состоит в том, чтобы вычислить цвет каждого пиксела итогового изображения, основываясь на информации о моделях и выбранном положении виртуального наблюдателя (камеры).

Цвет каждой точки на поверхности отрисовываемого объекта вычисляется исходя из физических свойств материала и освещающего его света. Для описания того, как поверхность отражает или пропускает свет, существует два основных алгоритма тонирования. Они называются алгоритмами локального и глобального освещения.

Алгоритмы локального освещения описывают то, как каждая поверхность отражает или пропускает свет. Эти математические алгоритмы вычисляют интенсивность, цвет и дальнейшее (после отражения или прохождения насквозь) распределение света, упавшего на поверхность объекта. Простейшие из таких алгоритмов рассматривают только свет, непосредственно пришедший от источников освещения к тонируемой поверхности.

Однако алгоритмы локального освещения не позволяют получать корректные итоговые изображения, т. к. не учитывают более сложные взаимодействия поверхностей и освещения сцены. Вот только некоторые из них:

- поверхности могут блокировать часть падающего на них света и отбрасывать тени на другие поверхности;

- в блестящих поверхностях могут присутствовать отражения других объектов;

- прозрачные поверхности позволяют видеть объекты, находящиеся за ними.

Алгоритмы просчета глобального освещения при визуализации корректно учитывают прохождение света между поверхностями, что решает поставленные проблемы. Чаще всего используются два таких алгоритма:

- трассирование лучей;

- излучение.

Алгоритм трассирования лучей отслеживает в обратном направлении прохождение лучей света от глаза наблюдателя через каждый пиксел итогового изображения к поверхностям визуализируемых объектов. В случае пересечения трассируемого луча с поверхностью происходит одна из следующих ситуаций.

Если поверхность не зеркальная и не прозрачная, за ней образуется тень. Цвет самой поверхности в точке пересечения вычисляется с учетом характеристик источников освещения.

Для зеркальных поверхностей делается оценка дальнейшего прохождения отраженного света.

Для прозрачных материалов - пропущенного света.

В последних двух случаях оценка дальнейшего прохождения луча повторяется при последующих пересечениях с поверхностями, но не более определенного количества раз (итераций).

Алгоритм обратного трассирования лучей является очень мощным и гибким. Он позволяет аккуратно просчитывать такие характеристики глобального освещения, как тени, зеркальные отражения, преломления света в прозрачных материалах.

Однако он имеет два существенных недостатка:

- высокая сложность и, как следствие, малая скорость вычислений;

- подмена просчитанного непрямого освещения на абстрактный окружающий свет, что приводит, например, к отсутствию рефлексов на поверхностях.

Алгоритм просчета излучения фундаментально отличается от алгоритма трассирования лучей. Вместо вычисления цвета каждого пиксела итогового изображения этот алгоритм просчитывает интенсивность каждой точки пространства сцены. Поверхности всех объектов разбиваются на элементы (небольшие по площади) и для каждого из них вычисляется, сколько света он излучает на остальные элементы. Этот алгоритм, изобретенный в 1960-х годах, был значительно модернизирован в 1988 году и получил название алгоритма излучения с последовательной детализацией. Это новшество означает, что мы сможем наблюдать за улучшением качества и детализации изображения при прогрессивном разбиении поверхностей на более мелкие элементы.

Полученное таким образом изображение сцены является корректным с точки зрения отражений света между поверхностями, но имеет и свои неустранимые недостатки:

- большие затраты памяти при вычислениях;

- отсутствие в полученном изображении отражений и преломлений света в прозрачных поверхностях.

Так как ни один из вышеизложенных алгоритмов не может полностью решить проблему корректного вычисления глобального освещения, в профессиональных пакетах 3D-визуализации они используются совместно.

Отдельный кадр анимации ничем не отличается от рассмотренных нами ранее изображений, созданных либо с помощью программ векторной графики (3ds max, Maya), либо программ растровой графики (Flash Macromedia).

Предметом анимации может быть преобразование всех или части объектов, параметров объектов (материалов, текстуры, прозрачность и т.д.), освещенности объектов и сцены, атмосферных эффектов и др.

Размеры настоящего учебного пособия не позволяют более подробно познакомиться с таким привлекательным разделом, как создание собственной анимации. Интересующимся этой проблемой можно только порекомендовать приведенные ранее программы анимации.

Другой группой движущихся изображений является цифровое кино и телевидение.

Важнейшими процедурами здесь являются:

- создание цифрового кино – этот процесс прекрасно реализуется современными цифровыми устройствами – цифровыми фото- и видеокамерами;

- видеомонтаж изображений. Существуют профессиональные и любительские программы видеомонтажа (Canopus, Ulead, Pinnacle), но для тех и других можно рекомендовать универсальную программу фирмы Adobe – Adobe Premier.

- сжатие движущихся изображений.

На последней проблеме остановимся более подробно, т.к. она имеет непосредственное отношение к компьютерной графике, а вопросы сжатия неподвижных изображение были нами рассмотрены ранее.

Стандарты сжатия движущихся изображений MPEG (Motion Picture Experts Group) разрабатываются и принимаются имеющей такое же название группой экспертов при Международной организации стандартизации ISO. Все форматы сжатия семейства MPEG(MPEG I, MPEG 2, MPEG 4, MPEG 7, MPEG 21) используют высокую избыточность информации в изображениях, разделенных малым интервалом времени. Между двумя соседними кадрами обычно изменяется только малая часть сцены - например, происходит плавное смещение небольшого объекта на фоне фиксированного заднего плана. В этом случае полная информация о сцене сохраняется выборочно - только для опорных изображений. Для остальных кадров достаточно передавать разностную информацию: о положении объекта, направлении и величине его смещения, о новых элементах фона, открывающихся за объектом по мере его движения. Причем эти разности можно формировать не только по сравнению с предыдущими изображениями, но и с последующими (поскольку именно в них по мере движения объекта открывается ранее скрытая часть фона).

Стандарт MPEG-1, используемый в основном при записи видеопрограмм на компакт-диски, был окончательно утвержден в 1993 г., а стандарт MPEG-2, предназначенный в первую очередь для телевизионного вещания, был принят в ноябре 1994 г.

Форматы сжатия семейства MPEG сокращают объем информации следующим образом:

- Устраняется временная избыточность видео (учитывается только разностная информация).

- Устраняется пространственная избыточность изображений путем подавления мелких деталей сцены.

- Устраняется часть информации о цветности.

- Повышается информационная плотность результирующего цифрового потока путем выбора оптимального математического кода для его описания.

Определены три основных части стандарта MPEG-2:

- 13818-1 - Systems - устанавливает правила объединения потоков;

- 13818-3 - Audio - определяет кодовое представление сигналов
звукового сопровождения;

- 13818-2 - Video - регламентирует кодовое представление и процесс
декодирования, сжатие потока за счет устранения пространственной и
временной избыточности.

Представление сигналов в форме MPEG-2 позволяет обращаться с видео и звуковыми потоками как с потоками компьютерных данных. Поток видеоданных представляет собой иерархическую структуру, объединенную между собой определенными правилами. Структура включает в себя шесть типов блоков:

- видеопоследовательность;

- группа изображений;

- изображение;

- срез;

- макроблок;

- слайс;

- блок.

Видеопоследовательность - элемент потока видеоданных высшего уровня. Она представляет собойсерию последовательных кадров телевизионного изображения. MPEG-2 допускает построчные и чересстрочные последовательности. Подробнее на этом мы остановимся позднее.

Определены три типа изображений, в соответствии с методом дифференциального кодирования:

I (Intra-coded picture) - изображение кодируется с использованием только той информации, которая заложена в нем самом; устраняется пространственная избыточность – внутренний кадр;

Р (Predictive coded picture) - изображение, при кодировании которого формируется разность между исходным изображением и предсказанием, полученным на основе предшествующих или последующих I - прогнозируемый кадр.

В (Bidirectional predictive coded picture) - изображение, при кодировании которого используется предсказание, сформированное на основе предшествующих и последующих I или Р кадров - двунаправленный кадр.

При кодировании Р и В кадров используется межкадровое кодирование, устраняющее и пространственную и временную избыточность. Серияизображений, содержащих одно I, называется группой изображений, стрелками показывается направление предсказания. Чем больше группа - тем больше компрессия. На рисунке 53 показана видеопоследовательность трех изображений с предсказаниями.

С информационной точки зрения, каждое изображение представляет собойтри прямоугольных матрицы отсчетов изображений: яркостную Y и две цветности Св и Cr. Стандарт MPEG-2 допускает различные структуры матриц (4:2:0; 4:2:2; 4:4:4).

Каждое изображение делится на срезы, которые состоят из макроблоков. Макроблок содержит блоки размером 8x8 элементов изображения (реже 16x16 элементов); группу из четырех блоков с отсчетами яркости и группы блоков с отсчетами цветности, число которых зависит от формата (по 1, по 2, по 4). Группа следующих друг за другом макроблоков называется слайсом. Число макроблоков в слайсе может быть произвольным, главное, чтобы слайсы в изображении не перекрывались.

Рисунок 53

Форматы сжатия MPEG сжимают только опорные кадры - I-кадры. В промежутки между ними включаются кадры, содержащие только изменения между двумя соседними 1-кадрами - Р-кадры. Для того чтобы сократить потери информации между I-кадром и Р-кадром, вводятся так называемые В-кадры. В них содержится информация, которая берётся из предшествующего и последующего кадров. При кодировании в форматах сжатия MPEG формируется цепочка кадров разных типов. Типичная последовательность кадров выглядит следующим образом: IBBPBBIBBPBBIBB... Соответственно, последовательность кадров в соответствии с их номерами будет воспроизводиться в следующем порядке: 1423765...

Все структурные элементы потока видеоданных, полученных в результате внутрикадрового и межкадрового кодирования (кроме блока и макроблока), дополняются специальными и уникальными стартовыми кодами. В заголовке приводится разнообразная дополнительная информация, например, размеры и соотношение сторон изображения, частота, кодирование, скорости потока, матрица квантования, формат дискретизации цветного изображения, координаты основных цветов и белого цвета, параметры матрицы для формирования яркости и цветоразностных сигналов и др.

Сокращение пространственной избыточности выполняется в изображении типа I и достигается на уровне блока. Набор операций такого кодирования - дискретное косинусное преобразование; взвешенное квантование; энтропийное квантование (кодирование серии коэффициентов косинусного преобразования, полученного в результате диагонального сканирования матрицы). Для повышения точности предсказания используется компенсация движения: оценивается скорость перемещения движения объектов от кадров и при определенных предсказаниях производится коррекция в положении опорного изображения, по отношению к которому находится ошибка предсказания. Определение величины и направления смещения (вектор движения) производится на уровне макроблоков.

Стандарт предполагает сокращение не только пространственной, но и временной избыточности. После компрессии объем изображения Р типичных видео сюжетов составляет 35% от I, В - 25% от I. Таким образом, в три раза уменьшается скорость потока данных при приблизительно тех же искажениях. Артефакты же связанные с движением (в отличие от JPEG и DV) замечаемы тем меньше, чем быстрее движутся изображения.

В случае чересстрочной развертки каждый кадр состоит из двух полей. Первое поле содержит нечетные строки кадра, а второе поле - четные строки. При этом возможно два варианта кодирования всего кадра, выбор одного из которых осуществляется на основе оценки движения в нем.

В случае кадрового кодирования кодируемым изображением является полный кадр, который целиком хранится в запоминающем устройстве кодера. Кадровое кодирование выбирается в случаях, когда изменения во втором поле кадра относительно первого поля того же кадра незначительны.

В случае полевого кодирования кодируемым изображением является каждое поле по отдельности. Первое поле кадра может использоваться для предсказания макроблоков второго поля и наоборот.

Возможно два основных режима работы кодера компрессии - с постоянной скоростью потока и с постоянным уровнем качества декодируемого изображения.

Управление степенью компрессии возможно изменением параметров матрицы квантования (более грубое квантования). Однако растут и необратимые искажения изображения из-за шумов квантования. Осуществляется непрерывное изменение коэффициентов матрицы квантования. Чем мельче детали и чем болееактивно изображение, тем болеегрубое квантование. Поэтому будет больше искажений и артефактов. Такой режим используется при передачи по каналам связи с фиксированной пропускной способностью (цифровые спутниковые, кабельные, наземное телевизионное вещание).

В режиме с постоянным качеством используется фиксированная матрица квантования, но при этом скорость потока компрессированных данных является переменной. Соответственно, чем больше деталей, выше активность изображения, тем больше скорость потока. Такой режим можно использовать при записи на дисковые носители в условиях отсутствия ограничении на объем, однако возможны ограничения на скорость воспроизведения - она не может быть произвольно большой.

Если запись компрессионного потока производится не в условиях реального времени, то можно использовать и другие способы управления скоростью. Например, выполнять компрессию в два прохода. На первом подбираются параметры, обеспечивающие максимальное качество; на втором - производится компрессия с найденными параметрами. Есть и другие способы: возможно выделение заранее кадров с большим количеством детальных быстродвижущихся объектов и помещение их для принудительного кодирования типа I. Такой способ используется в DVD.

Т.к. стандарт MPEG не регламентирует сам процесс кодирования, а изображения (блоки представления) рассматриваются как результат декодирования блоков доступа, то декодер может приступить к декодированию изображения типа В только после того, как получены предыдущие и последующие блоки. Во избежание установки буферов, кодирование изображений выстраивается в порядке декодирования, т.е. вместо I-B-B-P формируют I-P-B-B, что и было продемонстрировано на рисунке 45.

Для наибольшей эффективности применения на практике и совместимости оборудования стандарта MPEG-2 от разных производителей, выделено несколько подмножеств, называемые профилями. Профиль - это подмножество стандарта для специализированного применения, задающее алгоритмы и средства компрессии. Уровни внутри каждого профиля связаны с параметрами компрессии изображения (табл. 8). Профили MPEG-2: Simple - простой; Main - основной; SNR (Signal to Noise Ratio) - с масштабируемым квантованием; Spatial - с масштабируемым пространственным разрешением; High -высокий; 422 - студийный.

Таблица 8

Например, профиль SNR, как и Spatial, поддерживают все типы изображений, используя обычное кодирование на основе предсказания с компенсацией движения; 422 обеспечивает полное разрешение, соответствующее рекомендации ITU-R 601, монтаж с точностью до кадра, допускает многократную перезапись.

Стандарт MPEG-2 не определяет защиту от ошибок, но предусматривает такую возможность. Важной особенностью стандарта является масштабируемость, которая определяется как возможность получения изображения из части полного потока данных.

Предусмотрены следующие виды масштабируемости :

1. Масштабируемость по пространственному разрешению заключается в получении от одного источника видеоинформации двух телевизионных сигналов с разными параметрами по разрешающей способности. Базовый слой содержит достаточно информации для воспроизведения обычной четкости, а дополнительный слой содержит данные для воспроизведения изображения в высокой четкости.

2. Масштабируемость по отношению сигнал/шум дает возможность получить от одного источника информации изображения с двумя уровнями отношения сигнал/шум, фактически с двумя уровнями качества, как это было рассмотрено ранее.

3. Масштабируемость по времени позволяет получать от одного источника видеоинформации с двумя уровнями разрешающей способности по времени - чересстрочной разверткой 25 Гц, или прогрессивной 50 Гц;

4. Масштабируемость по разделению данных позволяет использовать для передачи два канала связи. По одному из них передается базовый слой, по другому (менее защищенному от помех) менее критичные к ошибкам данные.

Стоит отметить, что в данный момент на практике, к сожалению, масштабируемость практически не используется.

Упрощенная структура потока данных на выходе кодера MPEG-2 приведена на рисунке 54.

Регламентированы две возможные формы единого потока - программный и транспортный потоки.

Первый шаг на пути получения единого потока - формирование пакетного элементарного PES-потока. PES-пакеты состоят из заголовка и данных пользователя. Можно установить фиксированную длину всех пакетов, а можно согласовать начало проекта с началом блока доступа.

В начале заголовка идет 32 битный код старта, состоящий из стартового префикса и идентификатора. Спецификация определяет разрешенные значения чисел в поле идентификатора для 32 элементов потока звука и 16 элементов потока видеоданных.

Рисунок 54

Для программного потока характерно все выше сказанное, только с условием, что заголовки блока должны появляться не реже, чем через 0,7 сек. Это связано с тем, то заголовки содержат опорное системное время, а также информацию о характере потока для декодера. Он предназначен для использования в условиях окружения, не носящего ошибки. Искажения могут означать потерю целого кадра, т.к. длина блоков переменна и ошибка в определении его длины приведет к потере синхронизации. Преимущество в том, что при отсутствии ошибок, процедура демультиплексирования проста.

Транспортный поток может объединять пакетные элементарные потоки, переносящие данные нескольких программ с независимыми временными базами. Один транспортный поток может переносить до 8175 элементарных потоков. Он состоит из коротких пакетов фиксированной длины. Процесс объединения подчиняется ряду ограничений:

- первый байт каждого РЕ5-пакета должен быть первым байтом полезной нагрузки;

- каждый транспортный пакет может содержать данные лишь одного РЕ5-пакета;

- если пакет не имеет длину, кратную 184 байтам, то один из
транспортных пакетов не заполняется полностью, а оставляет место
для адаптации.

Структура транспортного потока оптимизирована для условий передачи данных в каналах связи с шумами. Для разрешения проблем, связанных с действием шума, добавляются 16 проверочных байтов, что позволяет исправить 8 битов. Пакет начинается с 4-байтного заголовка, который не является уникальным, однако в купе с определенной длиной пакета 188 байт, упрощает определение. Для опознавания пакетов, принадлежащих одному элементарному потоку, используется 13 - битный идентификатор. Важный компонент структуры - счетчик непрерывности, который инкрементирует последовательности элементарных пакетов, принадлежащих одному потоку. Это позволяет определить потерю одного из пакетов и маскировать ошибки

Идентификатором принадлежности транспортного пакета к определенному потоку является значение PID, а для распознавания элементарных потоков и объединения их в телевизионную программу служит PSI, который должен передаваться в потоке.

Определено три вида таблиц с программной информацией:

- таблица соединения программ PAT(сообщает список номеров всех
программ);

- таблица плана программ РМТ (сведения о программе и её
элементарные потоки);

- таблица условного доступа CAT.

Все вместе таблицы образуют иерархический индексный механизм.

Кадры изображения поступают на вход кодера MPEG-2 с постоянной частотой, точно с такой же частотой они должны воспроизводится. Это означает, что общая задержка в системе должна быть постоянной. Энтропийное кодирование формирует слова с разной длиной, проблема решается за счет использования буфера.

Компенсацию задержек и синхронизацию обеспечивают метки времени, которые ставятся в соответствии каждому блоку доступа и сообщается декодеру точное время извлечения блока. Текущее системное время обеспечивается опорным генератором, однако, должен быть некоторый сдвиг, т.к. метка сообщаетвремя в будущем. Сдвиг должен быть достаточно большим, чтобы блок доступа прошел буфер. Для синхронизации времени текущее время кодера регулярно передается декодеру (в единицу периода частоты 27 МГц). Метки программного времени должны появляться не реже, чем раз в 0,1 сек. Метки не должны сопровождать каждый блок доступа, они переносятся в заголовках PES-пакетов.

Основной целью создания стандарта MPEG-2 было желание работать с потоком видеоданных как с любым потоком данных. Благодаря этому, возможен монтаж программы, компрессированной MPEG-2, однако смонтированная программа должна обладать всеми свойствами потока данных MPEG-2. Возможности монтажа предоставляет студийный профиль 422, реализованный в формате видеозаписи ВЕТАСАМ SX. Данный профиль позволяет выполнить монтаж путем дописывания нового потока без нарушения непрерывности смонтированного потока в точках монтажа. Такой способ, основанный на перекодировании кадров с двунаправленным предсказанием в сочетании с опережающим считыванием, позволяет выбирать точку монтажа в любом месте и выполнять монтаж с кадровой точностью.

Транскодирование (изменение скорости потока с использованием параметров первоначального кодирования) позволяет минимизировать искажения процесса.

Широкое распространение видеокомпрессии делает все более необходимым объединение кодированных программ не только без декодирования, но и без изменения содержания блоков доступа. По своей сути это, конечно, не просто коммутация, а сращивание потоков, при котором полученный поток будет соответствовать синтаксису и семантике MPEG-2 - склейка потоков. Но есть и проблемы коммутации потоков:

- Р и В кадры не могут быть восстановлены без опорных изображений, а
это возможно при коммутации;

- компрессия изображения требуется для передачи разных интервалов
времени;

- изображения, занимающие разные интервалы времени в компрессированной форме, после декодирования должны воспроизводится через равные промежутки времени. Стандартные кодеры (декодеры) MPEG-2 работают с таким буфером, что это и происходит, однако, при коммутации параметры меняются скачком, что может привести к нарушению работы буфера и потери синхронизации.

Эти и другие проблемы приводят к тому, что только некоторые точки подходят для склейки.

В стандартах MPEG не описано построение кодера, а лишь определено описание потока данных на его выходе.

Задача кодирующего оборудования состоит в том, чтобы преобразовать различные форматы входных видеосигналов в единую форму - транспортный поток, сегодня все большую популярность приобретают кодеры MPEG-2 с выходом Ethernet. Стандарт MPEG определяет структуру потока и эталонный кодер, но не накладывает ограничений на построение и алгоритм работы.

Выходной сигнал кодера может формироваться в одном или нескольких общепринятых стандартов - наиболее широко используется DVB-ASI, реже используют DVB-SPI, RS-422. Максимальная скорость потока на выходе кодера определяется выбранным профилем и уровнем компрессии, например: MP@ML скорость составляет 15 Мбит/сек; 4:2:2 MP@ML - 50 Мбит/сек. Из проведенных исследований видно, что для скоростей меньше 10 Мбит/сек, нет смысла использовать качество 4:2:2, особенно для быстроменяющихся картин, учитывая, что использование скоростей 15 - 20 Мбит/сек на сегодняшний день не принято (и слишком дорого).

По сравнению с MPEG 1, формат сжатия MPEG 2 обеспечивает лучшее разрешение изображения при более высокой скорости передачи видео данных за счёт использования новых алгоритмов сжатия и удаления избыточной информации, а также кодирования выходного потока данных. Также формат сжатия MPEG 2 даёт возможность выбора уровня сжатия за счёт точности квантования. Для видео с разрешением 352x288 пикселей формат сжатия MPEG 1 обеспечивает скорость передачи 1,2-3 Мбит/с, a MPEG 2 - до 4 Мбит/с.

По сравнению с MPEG 1, формат сжатия MPEG 2 обладает следующими преимуществами:

- Как и JPEG2000, формат сжатия MPEG 2 обеспечивает масштабируемость различных уровней качества изображения в одном видеопотоке.

- В формате сжатия MPEG 2 точность векторов движения увеличена до 1/2 пикселя.

- Пользователь может выбрать произвольную точность дискретного косинусного преобразования.

- В формат сжатия MPEG 2 включены дополнительные режимы прогнозирования.

Несмотря на все плюсы стандарта MPEG-2, главным его минусом является то, что гибкость стандарта оборачивается трудностями в обеспечении эксплуатации и совместимости.

ФорматMPEG4использует технологию так называемого фрактального сжатия изображений. Фрактальное (контурно-основанное) сжатие подразумевает выделение из изображения контуров и текстур объектов. Контуры представляются в виде сплайнов и кодируются опорными точками. Текстуры могут быть представлены в качестве коэффициентов пространственного частотного преобразования.

Диапазон скоростей передачи данных, который поддерживает формат сжатия видео изображений MPEG 4, гораздо шире, чем в MPEG 1 и MPEG 2. Дальнейшие разработки специалистов направлены на полную замену методов обработки, используемых форматом MPEG 2. Формат сжатия видео изображений MPEG 4 поддерживает широкий набор стандартов и значений скорости передачи данных. MPEG 4 включает в себя методы прогрессивного и чересстрочного сканирования и поддерживает произвольные значения пространственного разрешения и скорости передачи данных в диапазоне от 5 Кбит/с до 10 Мбит/с. В MPEG 4 усовершенствован алгоритм сжатия, качество и эффективность которого повышены при всех поддерживаемых значениях скорости передачи данных.

В октябре 1996 года группа MPEG приступила к разработке формата сжатия MPEG 7, призванным определить универсальные механизмы описания аудио и видео информации. Этот формат получил название Multimedia Content Description Interface. В отличие от предыдущих форматов сжатия семейства MPEG, MPEG 7 описывает информацию, представленную в любой форме (в том числе в аналоговой форме) и не зависит от среды передачи данных. Как и его предшественники, формат сжатия MPEG 7 генерирует масштабируемую информацию в рамках одного описания.

Формат сжатия MPEG 7 использует многоуровневую структуру описания аудио и видео информации. На высшем уровне прописываются свойства файла, такие как название, имя создателя, дата создания и т.д. На следующем уровне описания формат сжатия MPEG 7 указывает особенности сжимаемой аудио или видео информации - цвет, текстура, тон или скорость. Одной из отличительных особенностей MPEG 7 является его способность к определению типа сжимаемой информации. Если это аудио или видео файл, то он сначала сжимается с помощью алгоритмов MPEG I, MPEG 2, MPEG 4, а затем описывается при помощи MPEG 7. Такая гибкость в выборе методов сжатия значительно снижает объем информации и ускоряет процесс сжатия. Основное преимущество формата сжатия MPEG7 над его предшественниками состоит в применении уникальных дескрипторов и схем описания. Это делает возможным автоматическое выделение информации, как по общим, так и по семантическим признакам, связанным с восприятием информации человеком. Процедура занесения в каталог и поиска данных находятся вне сферы рассмотрения этого формата сжатия.

Разработка формата сжатия MPEG 21- это долговременный проект, который называется "Система мультимедийных средств" (Multimedia Framework). Над разработкой этого формата сжатия эксперты начали работать в июне 2000 г. На первых этапах планировалось провести расширение, унификацию и объединение форматов MPEG 4 и MPEG 7 в единую обобщающую структуру. Подразумевалось, что она будет обеспечивать глубокую поддержку управления правами и платежными системами, а также качеством предоставляемых услуг.

Форматы сжатия видео семейства MPEG являются открытым стандартом, дополнения и переработки в который вносятся постоянно.

Вопросы для самопроверки.

1. Что понимают под анимацией изображений?

2. Что такое рендеринг?

3. Какие существуют алгоритмы тонирования объектов?

4. Назовите основные алгоритмы сжатия видеоизображений.

5. Какие вы знаете форматы хранения видеоизображений?