Сжатие видеоинформации
Видеоинформация перед записью на жесткий диск компьютера или передачей по цифровым каналам связи должна быть преобразована в цифровой вид и сжата для сокращения потока и объема данных.
По стандарту Международного консультативного комитета CCIR-601 для трансляции видеосигналов со сжатием MPEG раздельно производят оцифровку сигнала яркости (частота дискретизации 13,5 МГц) и двух цветоразностных сигналов (частота дискретизации 3,375 МГц, метод 4:1:1). Полный поток видеоинформации для этого стандарта равен 20,74 Мбайт/с. Разрешение в системах PAL и SECAM при этом составляет 720 х 576 точек (передаются 25 кадров в секунду), в системе NTSC — 720 х 480 точек (передаются 30 кадров в секунду).
Производным от CCIR-601 является формат оцифровки CIF (обрабатывается только одно поле видеокадра), где при потоке видеоинформации 5,07 Мбайт/с разрешение составляет 352 х 288 точек в системах PAL и SECAM и 352 х 240 точек — в системе NTSC. Ни CCIR, ни CIF не предусматривают сохранения пропорции изображения 4:3.
Square Pixel Video Format (SPVF) — формат оцифровки видео с квадратным расположением пикселов. При этом в системе NTSC используется алгоритм дискретизации 4:1:1 сигналов Y/U/V (Y — сигнал яркости, U — красный, V — синий цветоразностные сигналы). При дискретизации видеоинформации формата PAL или SECAM пространство Y/U/V представляется моделью 4:2:2, где на байт информации яркости приходится по полбайта информации цветоразностных сигналов. Частота дискретизации сигналов яркости, разрешение и полный поток видеоинформации в SPVF следующие: для PAL или SECAM — 14,75 МГц, 768 х 576 точек и 22,12 Мбайт/с, для NTSC - 12,2727 МГц, 640 х 480 точек и 18,43 Мбайт/с соответственно.
Производным от SPVF является формат SIF (обрабатывается одно поле видеокадра) с разрешением и полным потоком видеоинформации соответственно для PAL или SECAM 384 х 288 точек и 5,53 Мбайт/с, для NTSC - 320 х 240 точек и 4,61 Мбайт/с.
Полный поток дискретной видеоинформации записать на жесткий диск персонального компьютера весьма проблематично, так как требуются огромный объем памяти и большая скорость записи данных. Существует ряд способов сжатия (компрессии) видеоданных с допустимым уровнем потерь информации и обратного преобразования (декомпрессии), реализованных на программном или аппаратном (в устройствах видеоввода-видеовывода) уровне, дающих хорошие результаты. Ниже перечислены способы, используемые в устройствах захвата.
Motion JPEG (MJPEG). Способ основан на сжатии каждого видеокадра отдельно по алгоритму JPEG (Joint Photographic Expert Group), разработанному для сжатия неподвижных изображений. Кадр в дальнейшем можно модифицировать независимо от остальных. Алгоритм JPEG симметричный и основан на раздельном дискретном косинусном преобразовании блоков 8x8 точек компонента яркости и блоков 8x16 точек каждого цветоразностного компонента изображения с последующей низкочастотной фильтрацией. Временная функция дискретных сигналов яркости и цветности преобразуется в частотное представление по аналогии с преобразованием Фурье. Чем больше степень сжатия, тем меньше высокочастотных составляющих остается после фильтрации, и тем меньше становится разрешение.
На границах блоков 8x8 может нарушаться гладкость. На больших однотонных участках изображения возможны искажения яркости и цветности.
Коэффициент сжатия 5-8 (выходной поток 4,4-2,8 Мбайт/с для разрешения 768 х 576 точек в PAL) дает возможность получить качество изображения почти без потерь.
Коэффициент сжатия 8-13 (выходной поток 2,8-1,7 Мбайт/с для разрешения 768 х 576 точек в PAL) дает возможность получить качество S-Video.
Значение сжатия идеального исходного изображения до 20 сохраняет качество формата VHS.
Для чередующихся полос испытательной таблицы требуется меньший из приведенных коэффициентов, в то время как для реального изображения допустимо брать большее значение.
MPEG. Стандарт MPEG (Moving Picture Experts Group) — это международный стандарт сжатия видео- и звуковой информации. В зависимости от разрешения различают MPEG-1 — для сжатия видеопотока CIF и MPEG-2 — для сжатия полного видеопотока CCIR-601. На основе MPEG-2 разработан алгоритм VBR (Variable Bit Rate) передачи информации с изменением скорости потока.
Способ основан на сжатии с потерями ключевых кадров с использованием дискретного косинусного преобразования и последующей высокочастотной фильтрации подобно алгоритму JPEG. Далее информация сжимается без потерь по методу компенсации движения, то есть используется межкадровое сжатие. В видеоиотоке MPEG кадры бывают трех типов:
ключевые кадры появляются с заданным периодом или при резкой смене характера изображения. Степень их сжатия наименьшая;
зависимые кадры несут информацию только об изменениях в предыдущем ключевом кадре («первая производная»);
двусторонние кадры имеют наименьшую информативность, отображают изменения скорости компонентов изображения («вторая производная»), дешифруются при наличии двух «своих» кадров предыдущих типов.
Способ, таким образом, не является симметричным, в отличие от алгоритма сжатия MJPEG. При потоке 1,2 Мбайт/с можно получить качество на уровне S-Video.
Формат DVI. Как и MJPEG, этот формат основывается на дискретном косинусном преобразовании с последующей высокочастотной фильтрацией информации каждого кадра. Информация в пространстве Y/U/V имеет представление 4:2:0 (ноток уменьшен на 25% по сравнению с методом 4:2:2), то ecu, сигнал о ннетностп кодируется через строку. Степень сжатия рани;» 5:1. Разрешение -500 линии. Поток информации для полного разрешения в PAL составляет 3,1 Мбайт/с.
В видеокамерах форматов Mini DV и Digital S ИСПОЛЬЗУЮТ аппаратный кодек. За счет адаптивного изменения размеров яркостных и цветора.чпостных блоков, подвергаемых дискретному косинусному преобразованию, достигается большее разрешение при меньшем потоке Информации, причем максимальное разрешение задается для центра экрана, is то время как по краям оно несколько хуже.
