Сжатие видеоизображений

Запись последовательности кадров предъявляет высокие требования к вычислительной системе, такие как:

1. Большой объем внешней памяти (для запоминания одной секунды полноцветного полноэкранного видео требуется 20–30 Мбайт, а оптический диск емкостью 600 Мбайт вместит менее полминуты изображения).

2. Высокая пропускная способность внешних запоминающих устройств (от 30 МБайт/с).

Эти требования реализуются с помощью методов (алгоритмов) сжатия / развертки данных, которые позволяют сжимать информацию перед записью на внешнее устройство, а затем считывать и разворачивать в реальном режиме времени при выводе на экран. Для движущихся видеоизображений существующие адаптивные разностные алгоритмы могут сжимать данные с коэффициентом порядка 100:1 - 160:1, что позволяет разместить на CD-ROM около часа полноценного озвученного видео. Работа этих алгоритмов основана на том, что обычно последующий кадр отличается от предыдущего лишь некоторыми деталями, поэтому, взяв какой–то кадр за базовый, для следующих можно хранить только относительные изменения. При значительных изменениях кадра автоматически выбирается новый базовый кадр.

Алгоритмы реализуются аппаратно: в виде специальных микросхем, или в виде записанной в ПЗУ программы; либо только программно.

B настоящее время разработаны специальные алгоритмы автоматического сжатия, такие как JPEG, MPEG, P*64, DVI/lndeo. Коэффициенты сжа­тия находятся в диапазоне от 50:1 до 200:1. Следует различать процессы съемки и воспроизведения, поскольку тре­бования сжатия данных для этих процедур различны. Цель сжатия данных при съемке - это сокращение получаемого от видео-АЦП цифрового потока, чтобы его можно было записать на жесткий диск в реальном времени. При этом требуемая степень сжатия зависит от оснащения компьютерной системы. После переноса на жесткий диск данные можно обрабатывать без временных ограничений. Конечной целью должно быть такое сокращение объема данных, которое не вызывает задержек при воспроизведении на стандартном компьютере.

Самым большим недостатком программных видеосистем является зави­симость качества изображения от производительности компьютера. Это по­рождает трудности, особенно при создании мультимедиа-приложений. Как правило, разработчик мультимедиа-приложения имеет в своем распоряже­нии высокопроизводительную вычислительную систему. Из-за этого иногда возникают трудности воспроизведения на массовых персональных компью­терах.

Метод сжатия MPEG был разработан группой Moving Picture Experts Group, рабочей группы под руководством международной организации по стандартизации (International Standards Organization, ISO) и международной электротехнической комиссии (International Electro-technical Commission, IEC) для создания стандартов для цифрового представления видеофиль­мов и соответствующей звуковой информации и других данных, В настоя­щее время применяются три спецификации - MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-4.

В стандарте MPEG1 обеспечивается скорость передачи видеоданных 1,2 Мбит в секунду; для двух каналов стереозвука - скорость 250 Кбит в секунду при работе с дисками CD-ROM. Стандарт MPEG2 полностью отличается от MPEG1 и определяет скорость обмена данных от 3 до 15 Мбит в секунду, более высокое разрешение и качество изображения, форматы чересстроч­ного видео, масштабирование с разными значениями разрешения и много­канальное звуковое сопровождение.

Метод сжатия MPEG вполне пригоден для кодирования подвижных изо­бражений, поскольку он широко применяется в сети Internet и в области DVD-видео. Разработан аппаратный метод MPEG-сжатия, и специальные схемы встраиваются на системной плате компьютера и видеоплатах; про­граммная реализация распаковки для MPEG имеет более низкое быстро­действие, чем аппаратные методы, и имеется в программе QuickTime.

MPEG принципиально не отличается от других методов сжатия и де­кодирования видеоданных. По существу метод основан на алгоритмах JPEG и Cinepak.

Стандарт MPEG-1 был специально разработан для съемки и воспроизве­дения цифровых видеопоследовательностей с помощью персональных компьютеров. Он устанавливает разрешение 352 х 240 элементов изобра­жения при 30 кадрах в секунду и, соответственно, 352 х 288 элементов изо­бражения при 25 кадрах в секунду - в зависимости от видеостандарта NTSC или PAL. При этом цифровой поток не должен превышать 0,15 мегабайта в секунду. Получаемое качество изображения довольно точно соответствует среднему качеству видеопоследовательностей Cinepak при разрешении, составляющем несколько ниже половины значения, обеспечиваемого ви­деомагнитофоном формата VHS, имеющего горизонтальное разрешение 3 МГц (в случае PAL воспроизводится 50 изображений в секунду, каждое из которых имеет разрешение около 380 х 288 элементов изображения).

В отличие от MPEG-1, MPEG-2 определяет стандарт для цифровой пере­дачи телевидения. В настоящее время пропускная способность спутников и других трактов передачи телевидения ограничивает количество переда­ваемых программ. Благодаря методу сжатия, определяемому стандартом MPEG-2, полосу частот, требуемую для передачи одной программы, можно сократить на 90%. Это означает, что без существенных дополнительных за­трат можно удесятерить число передаваемых программ.

В декабре 1999 г. был разработан новый стандарт - MPEG4. Увеличи­лась скорость передачи данных при том же разрешении изображения; объ­ем передаваемых данных, необходимых для нормального изображения по сравнению с MPEG2, уменьшился в 11 раз - картинки, видео и текстуры ко­дируются и компрессируются более эффективно; улучшено исправление ошибок; улучшен алгоритм кодирования- уменьшена буферная задержка.

После появления MPEG4 возможности сжатия резко увеличились и нако­нец-то отныне один полнометражный фильм равен одному диску. Однако для комфортного просмотра фильма необходимо наличие микропроцессора Pentium с тактовой частотой не менее 400 МГц. MPEG4 обеспечивает лучшее качество при том же размере файла или меньший размер при том же качестве, большую гибкость в выборе разрешения, частоты кадров и скорости потока данных, лучшую передачу быстрого движения, меньшее время компрессии, легко сочетается с разными аудио-кодеками, менее чув­ствителен к потери части данных, хорошо подходит для просмотра видео через сеть в реальном времени.

Как и MPEG2, MPEG4 также имеет различные профили. Это позволяет адаптировать аудио/видеопоток к используемому приложению. MPEG4 учи­тывает специальные требования к компьютеру, телекоммуникациям и теле­визионным областям. Он кодирует не только прямоугольные пиксели, но и индивидуальные объекты сцены. Например, на фоне едва изменяющегося экрана передвигается машина. В этом случае машина воспринимается как отдельный объект на неподвижном фоне, тогда как все остальное кодиру­ется отдельно. Благодаря этому, сейчас в "домашних" условиях возможно записать содер­жимое DVD-диска на обыкновенный CD-ROM, практически без потери качества.

Кодирование и декодирование MPEG требует большого объема вычис­лений, поэтому первоначально MPEG был задуман как чисто аппаратная видеосистема. Это означает, что для проигрывания MPEG-видеопоследовательностей необходима специальная плата MPEG-декодера. Строго говоря, теперь это верно только для процессов ввода.

Операционная система Windows содержит эффективный механизм воспроизведения программно декодируемых видеопоследовательностей. Графические платы способны очень быстро удваивать размер воспроизводимого изображения с помощью интерполяции. Это означает, что из видеопоследовательности среднего формата - 320 х 240 элементов получается полнокадровая видеопоследо­вательность в формате 640 х 480, причем для этого не требуется дополни­тельная вычислительная мощность. Благодаря этому цифровой поток, ко­торый должен поступать на графическую плату, сокращается на 75%, т.е. с 23 мегабайт в секунду (для видеопоследовательности в формате 640 х 480 при глубине цвета 24 бита и 24 кадрах в секунду) всего до 6 МБт в се­кунду. Поскольку компьютеры становятся все более быстродействующими, а программные декодеры все более совершенными, MPEG в своем разви­тии движется от аппаратной видеосистемы к программной.