Владо Дамьяновски - CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии (1089174), страница 63
Текст из файла (страница 63)
Цифровое видеонаблюдение251О MPEG-21 — Новый стандарт, описывающий общую структуру взаимодействия всех объектов MPEGи пользователей.О Н.264 — Самый новый стандарт сжатия, который базируется на Н.263 и MPEG-4 (AVC), которыйпредлагает широкий выбор качества, включая более эффективное сжатие для форматов телевидения высокой четкости (заявлено о втрое большей эффективности по сравнению с MPEG-2).Теперь проанализируем их по отдельности.JPEGJPEG расшифровывается как объединенная группа экспертов по машинной обработке фотоизображений (Joint Photographic Experts Group), а это, в свою очередь, является первоначальным названием комитета ISO, который подготовил данный стандарт для цифровой фотографии.JPEG — это стандартизированный принцип сжатия изображений, который использует DCTпреобразование для уменьшения избыточности изображения. Он ориентирован только нанеподвижные цифровые изображения, при этом разрешение изображения в стандарте непрописано.
Такими стоп-кадрами в телевидении могут служить либо телевизионные поля, либотелевизионные кадры.Хотя JPEG широко используется в цифровой фотографии и веб-приложениях, этот стандарт применяется и в видеонаблюдении, где сжатие применяется к оцифрованному видео (телевизионным кадрам иполям), которые обрабатываются как независимые изображения.Впрочем, JPEG содержит и раздел рекомендаций для сжатия без потерь (с коэффициентом сжатияпримерно 2:1), но нас больше интересует способ сжатия JPEG с потерями, когда можно получить коэффициенты сжатия, превышающие 10:1, без заметного ухудшения качества. Работа JPEG основываетсяна преобразовании блоков, состоящих из 8x8 элементов изображения, на основе дискретного косинусного преобразования (Discrete Cosine Transformation — DCT).Рис.
9.31. Разбиение на блоки при сжатии JPEGhttp://www.itv.ruЕсли изображение с высокой степенью сжатия увеличить, то четкопроявляется его блочная структура. Можно достичь степени сжатия до 100 раз. JPEG известен какспособ сжатия с потерями, означающий, что, если изображениеподвергнется сжатию, то придекомпрессии нельзя получитьизображение точно такого жекачества, как оригинал. Тем неменее, коэффициенты сжатия,достигаемые с помощью сжатияJPEG, довольно высоки (превышают 10:1), и некоторая потерякачества изображения представляется несущественной для человеческого глаза. JPEG разработан с учетом известных ограничений человеческого глаза, таких,как невосприятие очень мелкихдеталей цветности, как и мелкихдеталей яркости в рассматриваемом изображении.ITV— генеральный спонсор 2-го издания книги «CCTV.
Библия видеонаблюдения»252CCTV9. Цифровое видеонаблюдениеРис. 9.32. Изображение испытательной таблицы CCTV Labs при записиполями (сжатие JPEG, размер файла 49 кбайт). Увеличенный фрагмент (справа).Рис. 9.33. Изображение испытательной таблицы CCTV Labs при записи полями(сжатие JPEG, размер файла 15 кбайт). Увеличенный фрагмент (справа).Для каждого отдельного компонента цвета изображение делится на блоки 8x8, из которых составляетсявсе изображение. Над этими блоками выполняется дискретное косинусное преобразование. Обычновнутри блоков 8x8 значения пикселов изменяются мало. Поэтому энергия имеет низкую пространственную частоту. Преобразование, которое может быть использовано для представления энергии несколькими коэффициентами, является двумерным дискретным косинусным преобразованием блоков 8x8.
Этопреобразование, широко изучаемое с точки зрения применения его к сжатию изображений, явилосьчрезвычайно эффективным для сильно коррелированных данных.JPEG хранит полную цветовую информацию: 24 бита на пиксел (16 миллионов цветов); можно сравнить, например, с GIF (другая популярная среди пользователей ПК техника сжатия), который можетхранить только 8 бит на пиксел (256 или меньшее количество цветов).
Полутоновые изображения (вшкале серого) не могут быть сжаты с такими большими коэффициентами компрессии с помощьюJPEG, поскольку человеческий глаз намного более чувствителен к изменениям яркости, чем к оттенкам цвета, и JPEG может сжимать данные о цвете в большей степени, чем данные о яркости.Имеется довольно любопытное наблюдение, которое заключается в том, что JPEG-файл черно-белогоизображения всего на 10-25% меньше, чем полноцветный JPEG-файл визуально подобного качества.«CCTVФокус» — журнал по системам видеонаблюдения и охранному телевидениюhttp://www.cctvfocus.ruCCTV9. Цифровое видеонаблюдение253Кроме того, следует отметить, что JPEG не подходит для штрихового рисунка или текста, посколькудискретное косинусное преобразование непригодно для очень резких черно-белых переходов.JPEG может быть использован для сжатия данных из различных цветовых пространств, таких, как RGB (видеосигнал основных цветов изображения), YCbCr (преобразованный видеосигнал) и CMYK (палитра, используемая в издательских системах), поскольку он обращается с цветами как с отдельными компонентами.
Наилучшие результаты по сжатию достигаются, если компоненты цвета независимы (некоррелированны), как этоимеет место в YCbCr, где большая часть информации сосредоточена в яркости, а меньшая — в цветности.Поскольку файлы JPEG, записываемые в системе видеонаблюдения, независимы друг от друга, они легко могут быть воспроизведены в обратном направлении. При этом скорость воспроизведения может быть увеличена или уменьшена, а кроме того, они могут быть скопированы в виде отдельных файлов или группы файлов.M-JPEGВ системах видеонаблюдения используется стандарт сжатия, производный от JPEG, который называютmotion JPEG (M-JPEG).
На самом деле M-JPEG не существует как отдельный стандарт, скорее он относится к быстрому потоку изображений JPEG, которые могут быть воспроизведены с достаточно высокойскоростью, создавая при этом иллюзию движения. Поскольку зависимости между отдельными последовательными кадрами не берутся в расчет, такой способ позволяет получить только относительно небольшой уровень сжатия по сравнению со стандартами, использующими сжатие видеоизображения, такими,как семейства Н.26х или MPEG, которые описаны далее. Впрочем, M-JPEG используется некоторымипроизводителями многоканальных цифровых видеорегистраторов.M-JPEG никогда не был предметом международной стандартизации, a JPEG не определяет стандартпередачи, поэтому реализации M-JPEG у разных производителей несовместимы между собой.
Для увеличения степени сжатия иногда еще используется и сжатие разницы между двумя соседними кадрами.Этот вариант тоже не является стандартным, поэтому для воспроизведения таких записей потребуетсяпрограммное обеспечение того же производителя.Wavelet (вейвлет)Многие десятилетия ученые пытались найти для аппроксимации прерывистых сигналов более подходящие функции, чем синусы и косинусы, которые составляют основу анализа Фурье. По определениюРис. 9.34.
Один из остроумных способов применения вейвлет-сжатия методом зигзагаhttp://www. itv.ruITV— генеральный спонсор 2-го издания книги «CCTV. Библия видеонаблюдения»254CCTV9. Цифровое видеонаблюдениеРис. 9.35. Изображение испытательной таблицы CCTV Labs при записи полями(сжатие Wavelet, размер файла 45 кбайт). Увеличенный фрагмент (справа)Рис. 9.36.
Изображение испытательной таблицы CCTV Labs при записи полями(сжатие Wavelet, размер файла 15 кбайт). Увеличенный фрагмент (справа).синусы и косинусы являются нелокальными функциями (они определены в бесконечной области). В этомзаключена главная причина их плохой работы при аппроксимации резких переходов, таких, как отдельные детали изображения с высоким разрешением в конечном двумерном кадре. Кадры именно такоготипа мы наиболее часто наблюдаем при записи в мультиплексированном режиме, они отличаются отнепрерывного потока движущихся изображений в обычном телевидении. Вейвлет-анализ действуетиначе и позволяет более эффективно обрабатывать мелкие детали изображения.Авторами этой математической модели были Гроссман и Морле (A.Grossman и J.Morlet), которые и применили термин Wavelet (вейвлет) в середине 80-х годов в связи с анализом свойств сейсмических и акустических сигналов. В результате вейвлет-сжатие изначально применялось в таких сферах, как астрономия игеофизика.
Вскоре, когда компания Analog Devices выпустила аппаратную реализацию вейвлет-сжатия(кодек ADV601), оказалось, что его (сжатие) можно превосходно использовать в видеонаблюдении.Вейвлет-сжатие преобразует полное изображение, а не его секции 8x8, как это происходит в JPEG, иявляется более естественным, так как отслеживает формы объектов в изображении. Поэтому вейвлетсжатие оказалось особенно привлекательным для систем видеонаблюдения.«CCTVФокус» — журнал по системам видеонаблюдения и охранному телевидениюhttp://www.cctvfocus.ruCCTV9. Цифровое видеонаблюдение255С помощью вейвлет-анализа мыможем использовать аппроксимационные функции, определенныена конечных областях. Вейвлетфункции — это функции, которыеудовлетворяют определенным математическимтребованиямииспользуются для представленияданных или других функций в вейвлет-анализе.
Главное отличие отБПФ-анализа (быстрого преобразования Фурье) заключается в том, Рис. 9.37. Современные аппаратные реализации вейвлет-компресиипозволяют выделить «область интереса» иличто вейвлет-функции разлагают«зону повышенной детализации»сигнал по разным частотам сразличным разрешением,то есть на множество малых групп волн, отсюда и название — вейвлет, элементарные волны. Алгоритмывейвлет-преобразования обрабатывают данные в различных масштабах и с разным разрешением. Вейвлет-анализ позволяет разглядеть и отдельные детали, и глобальное изображение, или, как выразились некоторые авторы вейвлет-анализа, «увидеть и лес, и отдельные деревья» в противоположностьанализу Фурье, который позволяет «видеть только лес».Вейвлет-анализ хорошо подходит для аппроксимации данных с резкими границами.
Процедура вейвлетанализа заключается в подборе функции-прототипа элементарной волны, называемой анализирующейили порождающей волной. Временной анализ выполняется в укороченной высокочастотной версиифункции-прототипа, в то время как частотный анализ производится в ее расширенной низкочастотнойверсии. Поскольку оригинальный сигнал или функция могут быть представлены в виде разложения повейвлет-функциям (с применением коэффициентов в линейной комбинации с вейвлет-функциями), тооперации с данными могут выполняться посредством использования всего лишь соответствующихвейвлет-коэффициентов.Одна интересная особенность аппаратной реализации вейвлет-сжатия позволяет выбрать «областьинтереса» или «зону повышенной детализации» («Area of Interest» или «Quality Box»).
Эта область можетбыть сжата с лучшим качеством и соответственно более высокой детализацией интересующих насобъектов по сравнению с остальным изображением, а ее использование позволяет значительно уменьшить размер файла сжатого изображения.JPEG-2000JPEG-2000 (ISO 15444) представляет собойстандартизированную в общих чертах версиювейвлет-сжатия, которая была разработанагруппой JPEG. Когда в 90-х годах появиласьаппаратная реализация вейвлет-сжатия отAnalog Devices еще не существовало общегостандарта. Эксперты из группы JPEG быстрооценили преимущества вейвлет-сжатия иприступили к работе над новым стандартомсжатия. Завершение работы над новым стандартом было намечено на 2000 год — отсюда иидет название JPEG-2000.С появлением единого стандарта JPEG-2000Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
