tanenbaum_seti_all.pages (525408), страница 211
Текст из файла (страница 211)
С другой стороны, для мультимедийных данных реального времени, например видеоконференций, медленное кодирование неприемлемо. Кодирование здесь должно происходить ана летуь, в режиме реального времени. Поэтому в системах мультимедиа реального времени применяются другие алгоритмы или их параметры, чем при хранении фильмов на дисках.
Чаще всего используется существенно меньшее сжатие. Еше один аспект асимметрии состоит в том, что процесс кодирования/декодирования не обязан быть обратимым. Это значит следующее. При сжатии обычного файла, его передаче и декомпрессии получатель обязав получить копию, совпадающую с оригиналом с точностью до бита. При передаче мультимедиа аб- Мультимедиа 787 солютная точность не требуется. Вполне допустимы небольшие отклонения видеосигнала от оригинала после его кодирования и декодирования.
Система, в которой декодированный сигнал не точно соответствует кодированному оригиналу, называется системой с потерями. Если же выходной сигнал идентичен входному, то такая система называется системой без потерь. Системы с потерями являются важными, так как, допуская небольшие потери информации, можно достичь очень большого коэффициента сжатия. Стандарт 1РЕО Видеосигнал представляет собой обычную последовательность изображений (сопровождаемую звуком). Если мы сможем найти хороший алгоритм сжатия неподвижного изображения, нам с не меньшим успехом удастся сжать видеоданные. Уже существуют достаточно хорошие алгоритмы сжатия изображений, поэтому мы начнем изучение принципов сжатия видеоданных именно с этого.
Стандарт ,ПРЕС для сжатия неподвижных изображений с непрерывно меняющимся цветом (например, фотографий) был разработан группой экспертов в области фотографии )РЕО ()о!пс РЬосойгарЬу Ехрегсз Огоцр — Объединенная группа экспертов по машинной обработке фотоизображений). Эта группа работала под совместным покровительством Международного союза телекоммуникаций 1Т11, Международной организации по стандартизации 150 и еще одной организации, занимающейся стандартизацией, — 1ЕС (1псегпас1опа1 Е1ессгосесЬщса1 Соппшзз!оп— Международная электротехническая комиссия). Стандарт )РЕО является очень важным для мультимедиа, так как в первом приближении мультимедийный стандарт для движущихся изображений, МРЕО, представляет собой просто кодирование каждого кадра отдельно алгоритмом )РЕС плюс некоторые дополнительные процедуры межкалрового сжатия и обнаружения движения.
Стандарт )РЕО определен как международный стандарт 10918, У метода сжатия)РЕС есть четыре режима и множество параметров. Он больше напоминает номенклатуру товаров в небольшом магазине, чем просто олин алгоритм. Для нас сейчас важен только последовательный режим с потерями, показанный на рис. 7.37. Кроме того, мы сконцентрируемся лишь на использовании 1РЕО для кодирования 24-битового КОВ-видеоизображения и опустим не- т которые незначительные детали.
Вх рие. Т.В7. Работа алгоритма дРЕО е последовательном режиме о потерями Первый этап кодирования изображения алгоритмом )РЕО представляет собой подготовку блока. Рассмотрим частный случай кодирования 24-битового КСВ- видеоизображения размером 640л480 пикселов, показанного на рис. 7.38, а. Поскольку разделение на яркость и цветность позволяет сильнее сжать изображение, 788 Глава 7.
Прикладной уровень ИВВ < — — — иΠ— — > У во Блок 4799 24.битовый пиксеп е Рис. 7.88. Исходные данные в формате ИВВ (в); после подготовки блока (б) Для значений У, 7 и Я строятся отдельные матрицы с элементами, значения которых лежат в диапазоне от 0 до 255. Затем значения цветности 7 и Я усредняются по квадратным блокам из четырех пикселов, что уменьшает размеры матриц цветности в 4 раза до размера 320к240. Это сжатие является преобразованием с потерями, но человеческий глаз его почти не замечает, так как чувствительность глаза к яркости значительно выше, чем к цветности.
Тем не менее, уже на этом этапе общий объем данных уменьшается вдвое. Затем из каждого элемента вычитается число 128, чтобы переместить число 0 в середину диапазона. Наконец, каждая матрица разбивается на квадраты по 8к8 пикселов. Таким образом, матрица У состоит из 4800 квадратных блоков, а матрицы 7 и Я содержат по 1200 блоков каждая, как показано на рис. 738, 6. На втором этапе кодирования изображения алгоритмом )РЕС к каждому из 7200 квадратных блоков отдельно применяется дискретное косинусное преобразование. На выходе получается 7200 матриц 8к8 коэффициентов дискретного косинусного преобразования (ДКП).
Элемент (О, 0) такой матрицы представляет собой среднее значение блока. Остальные элементы содержат информацию о спектральной интенсивности каждой пространственной частоты. В теории дискретное косинусное преобразование является преобразованием без потерь (обратимым), но на практике использование чисел с плавающей точкой и трансцендентных функций приводит к ошибкам округления, в результате чего часть информации теряется. Обычно элементы матрицы ДКП-коэффициентов быстро убывают с расстоянием от элемента (О, О), как показано на рис. 7.39. мы сосчитаем сначала яркость У и два значения цветности 7 и Я (по стандарту )кГТЯС) в соответствии со следующими формулами: У= 0,30 К + 0,59 С + 0,11 В; Х = 0,80 К вЂ” 0,28 С вЂ” 0,32 В; Я = 0,21 К вЂ” 0,52 С + 0,31 В.
В стандарте РАЕ значения цветности называются (7 и У, и коэффициенты используются другие, но идея та же самая. Стандарт БЕСАМ отличается и от МТЕРС, и от РА1.. Мультимедиа ?89 к Ек Рио. 7.39. Один блок матрицы У (а); ДКП-коэффициенты (б) По завершении дискретного косинусного преобразования алгоритм.) РЕО переходит к этапу 3, называемому квантованием, в котором наименее важные ДКП-коэффициенты удаляются. Это преобразование (с потерями) выполняется делением всех коэффициентов ДКП-матрицы на табличные весовые коэффициенты.
Если все весовые коэффициенты равны 1, то это преобразование ничего не меняет. Однако при резком росте весовых коэффициентов по мере удаления от элемента матрицы (О, О) более высокие пространственные частоты быстро теряются. Квантованные коэффициенты ДКП-коэффициенты Таблица квантования Рио. 7.40. квантованиеДкп-коэффициентов Пример этого этапа работы алгоритма показан на рис. 7.40. Здесь мы видим исходную ДКП-матрицу, таблицу квантования и результат деления каждого 790 Глава 7.
Прикладной уровень ДКН-элемента на соответствующий элемент таблицы квантования. Значения в таблице квантования нс являются частью стандарта )РЕС. Каждое приложение должно содержать свою таблицу весовых коэффициентов, что позволяет ему контролировать соотношение потерь и коэффициента сжатия. На четвертом э~вне значение„содержащееся в элементе (О, 0) каждого блока (в левом верхнем углу квадрата), заменяется его отклонением относительно значения в предыдушем блоке. Так как эти значения представляют собой усредненные величины своих блоков, они должцы меняться медленно, следовательно, полученные в результате разности должны быть невелики. Для остальных значений разности не вычисляются. Значения элементов (О, 0) называются т)С-компонентами, а остальные элементы — АС-компонентами. На пятом этапе 64 элемента блока выстраиваются в ряд, к которому применяется кодирование длин серий. Чтобы сконцентрировать нули в конце ряда, сканирование блока выполняется зигзагом, как показано на рис.
7.4Е В нашем примере в конце блока группируется 38 нулей, Эта строка нулей заменяется просто числом 38. В этой замене н состоит результат работы метода, называемого кодированием длин серий. Рис. 7.41. Порядок передачи квантоэенных значений Теперь у нас есть список чисел, представляющий изображение (в трансформированном виде), На шестом этапе применяется код Хаффмана (Нцтттап), присваиваюший часто встречающимся последовательностям короткие коды, а редко встречающимся — более длинные коды.
Алгоритм ) РЕС может показаться сложным, но это только потому, что он н в самом деле является таковым. Тем не менее, ои широко применяется, так как позволяет сжимать фотографии в 20 и более раз. Для декодирования сжатого изображения нужно выполнить все те же операции в обратном порядке. Алгоритм ПРЕС почти симметричен: декодирование занимает столько же времени, сколько и кодирование. Это справедливо далеко не для всех алгоритмов, как мы увидим позже. Мультимедиа ?91 Стандарт МРЕО Наконец мы подходим к ключевому вопросу мультимедиа — стандартам МРЕС (Мопоп Р(сгпгез Ехреггз Сгопр — экспертная группа по вопросам движущегося изображения).
Эти стандарты, ставшие международными в 1993 году, описывшот основные алгоритмы, используемые для сжатия видеофильмов. Поскольку фильмы содержат как изображение, так и звук, алгоритмы МРЕС занимаются сжатием и того, и другого, Принципы сжатия аудиоданных и неподвижных изображений мы рассмотрели ранее, поэтому этот раздел мы посвятим обсуждению алгоритмов сжатия видео. Первым законченным стандартом стал стандарт МРЕС-1 (Международный Стандарт 11172).
Его целью было создание выходного потока данных качества бытового видеомагнитофона (352х240 для ХТ5С) на скорости 1,2 Мбит/с. Мы уже видели ранее, что несжатый поток видеоинформации может составлять 472 Мбит/с (для экрана размером 1024х768). Для экрана 352х240 потребуется в 9,3 раза меньший поток данных, то есть 50,7 Мбит/с. Тем не менее и это значение намного превышает 1,2 Мбит/с, так что данную задачу никак нельзя назвать тривиальной. Видеофильм в формате МРЕС-1 можно передавать по витой паре на умеренные расстояния, Кроме того, фильмы в этом формате можно хранить на компакт-дисках. Следом появился стандарт МРЕС-2 (Международный стандарт 13818), разрабатывавшийся для сжатия видеофильмов качества широковещания до скорости потока от 4 до 6 Мбит/с, что позволяло передавать этот фильм в цифровом виде по стандартному телевизионному каналу ХТ5С или РА(..
Позднее стандарт МРЕС-2 был расширен для поддержки видеосигнала более высокого разрешения, включая НОТЧ. Сейчас он очень популярен, поскольку составляет основу Г)Ъ'1) и цифрового спутникового телевидения. Основные принципы стандартов МРЕС-1 и МРЕС-2 одинаковы. В первом приближении стандарт МРЕС-2 является расширением стандарта МРЕС-1 с дополнительными возможностями, форматами кадров н вариантами кодирования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
