Приложение З (справочное). Основные методы сжатия данных (компрессии)

Приложение З
(справочное)

Основные методы сжатия данных (компрессии)

Для сжатия видеоданных, как в рамках одного кадра, так и в пределах последовательности, состоящей из нескольких кадров, применяются различные методы. Сжатие в пределах кадра осуществляется обычно за счет удаления избыточной информации. При работе с несколькими кадрами могут применяться такие методы, как дифференциальное кодирование и поблочная компенсация движения.

При дифференцированном кодировании изображение в кадре сравнивается с изображением в опорном кадре. При этом кодируются только те пиксели, сигнал с которых изменился. Следовательно, кодируется и передается меньшее количество пикселей.

Однако, если сжимаемое изображение интенсивно меняется, дифференциальное кодирование не позволяет достичь значительного сжатия. Для таких случаев больше подходит поблочная компенсация движения. В основу это метода положена идея о том, что большинство элементов изображения, составляющих очередной кадр, можно найти на предыдущем кадре, но на других местах. Поэтому кадр разбивается на несколько макроблоков - блоков пикселей. Блок за блоком новый кадр сравнивается с опорным кадром. Если найден совпадающий блок, кодировщик сохраняет только информацию о том, где этот блок расположен на опорном кадре. Для того чтобы сохранить такой вектор перемещения требуется меньше бит, чем на кодирование содержимого блока.

Стандартные параметры оцифровки при алгоритмах сжатия MPEG-1 и MPEG-2.

MPEG-1, позволяет передавать 25 кадров/с с разрешением 352 x 288 (стандарт-PAL) при величине потока менее 1,15 Мбит/с (стандарт videoCD с форматом 4:2:0). Алгоритм сжатия MPEG-1 предусматривает получение изображения с разрешением (за счет развертки) вчетверо меньшим, чем разрешение картинки вещательного телевидения: 288 активных строк по 352 отсчета в активной части каждой. Этот эффект достигнут благодаря идее "прореживания" исходного телевизионного сигнала по вертикали и горизонтали.

MPEG-2 в основном два стандарта качества 352 x 288 и 720 x 576 (стандарт-PAL). Величина потока для SIF - 1,15 Мбит/с, для CCIR - 4,2 Мбит/с (формат 4:2:0). Ключевой особенностью MPEG-2 является возможность разделить результирующий, подготовленный к передаче, видеосигнал на несколько независимых потоков, содержащих сигналы различного качества.

MPEG-4. Данный алгоритм создавался так, чтобы сжатое с его помощью видео имело минимальный объем передаваемых данных, при этом визуальное качество картинки не должно было ухудшаться по сравнению с MPEG-2.

Одной из частью стандарта MPEG-4 является стандарт Н.264, (или MPEG-4 Part 10). Данный стандарт сжатия видео в настоящее время получил широкое применение и обеспечивает высокой степени сжатия видеопотока при сохранении высокого качества.

Системы с JPEG и М-JPEG - компрессией

Основная идея JPEG-сжатия - разбить изображение на блоки 8*8 пикселей и применить к каждому из блоков отдельно дискретное косинусное преобразование. Основной недостаток данного алгоритма - заметная блочность изображения при высоких коэффициентах сжатия. Степень сжатия данного алгоритма при равном визуальном качестве изображения в 1,5-2 раза хуже, чем у Wavelet. При работе с видео в реальном времени иногда используется непосредственно JPEG, то есть каждый кадр сжимается отдельно с использованием стандарта JPEG. Безусловным достоинством этого метода является возможность редактирования видео без потерь качества, так как кадры являются независимыми. Однако чаще используется разновидность этого алгоритма MJPEG - кодируются разностные кадры.

В данном типе сжатия изображение представляется как дискретизованная функция яркостного и цветоразностно-го сигнала от координаты, далее эта функция раскладывается по специфическим функциям, получившим название wavelet. При сжатии wavelet-изображения с разрешением 320 x 240 (размер исходного файла 230 Кбайт) получаются следующие размеры сжатого файла: высокое качество - 11 Кбайт; среднее качество - 8,9 Кбайт; низкое качество - 6,9 Кбайт. Для работы с потоковым видео, используют также разновидность данного метода - delta-wavelet.

Один из стандартов, построенный на основе Wavelet - компрессии является стандарт JPEG-2000.