Статистическая и визуальная избыточность изображений

Основные положения. Внедрение цифровых технологий требует значительного расширения полосы пропускания канала связи. Поэтому создание цифровых систем потребовало коренных изменений в традиционных принципах обработки и передачи телевизионных изображений.

Главной проблемой на пути создания цифровых телевизионных систем является проблема сжатия телевизионной информации. Решение этой проблемы позволяет передавать телевизионные сигналы в существующих каналах связи аналогового телевидения, увеличивать разрешающую способность цифрового телевидения, улучшать качество звукового сопровождения передач, реализовывать звуковое сопровождение на нескольких языках, создавать новые системы и службы телекоммуникаций. Словом, сжатие телевизионных изображений ¾ источник более эффективного использования существующих каналов связи, основа для создания принципиально новых систем на базе каналообразующей аппаратуры аналогового телевидения.

Исследования в области сжатия телевизионных изображений велись достаточно давно, и в настоящее время наиболее технически развитые страны мира переходят на новый стандарт цифрового вещания ¾ телевидение высокой чёткости. В основе новых стандартов заложено использование существующих телевизионных каналов с полосой 6 МГц. Данные системы обязаны своим появлением высоким достижениям в области сжатия телевизионных изображений. Действительно, пропускная способность цифрового канала связи полосой 6 МГц имеет порядок 20 Мбит/с, в то время как скорость передачи информации аналогового телевидения в формате SECAM составляет 158,6 Мбит/с.

Основополагающим понятием в теории сжатия изображений является понятие избыточностиизображений.

Существует два типа избыточности:

- Статистическая избыточность связана с корреляцией и предсказуемостью данных.

- Психовизуальная (субъективная) избыточность характеризует долю информации, которую в состоянии воспринять зрительный аппарат человека по отношению ко всей поступающей информации.

Устранение статистической избыточности в изображении не приводит к потерям информации, так как исходные данные могут быть полностью восстановлены. Сокращение визуальной избыточности хотя и связано со снижением качества изображения по сравнению с оригиналом, но остаётся незаметным для наблюдателя.

До сих пор не существует простой и адекватной модели для оценки психовизуальной избыточности зрительной информации, которую можно было бы использовать для оптимального кодирования изображений. Поэтому в основе оценки качества телевизионных систем остаются экспертные субъективные тесты.

Если рассматривать передачу информации в идеальном канале связи (где отсутствуют искажения информации), то оптимальное использование канала связи соответствует случаю, когда пропускная способность канала связи и приёмника информации совпадают. Если же пропускная способность канала связи превышает пропускную способность приёмника, то часть информации неизбежно будет утеряна. Ограничения пропускной способности человеческого зрительного анализатора и высокая производительность источников видеоинформации обусловливают возможность сокращения психофизиологической избыточности видеоинформации. В современных ТВ системах, проектируемых с запасом, соответствие зрительного анализатора наблюдателя и производительности источника задаётся для наиболее критичных изображений. Следствием этого является то, что производительность видеосистем и пропускная способность зрительного анализатора наблюдателя находятся в соотношении (100...1000):1.

Ошибки в изображении заметны глазом, если они превышают «порог заметности». Оценка порога заметности существенно зависит от условий наблюдения изображения. Модель оценки порога заметности может быть представлена в виде

, (9.3)

где ¾ порог заметности при восприятии деталей изображения;

¾ градационная разрешающая способность;

¾ чувствительность зрения к восприятию движения.