Материал: 516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

собом только некоторые детали изображения (которые реально выиграют от этого) следует передавать с более плотным потоком бит (в Мбит/с). Если сегментацию сложных сцен выполнить эффективно, то можно получить заметное снижение общей скорости потока данных.

Стандарт сжатия MPEG-4 может использоваться для организации видеоконференций при передаче видеоданных по цифровым телефонным каналам. Этот стандарт может также применяться в низкоскоростных системах мультимедиа.

Стандарт MPEG-4 определяет различные виды аудиовизуальных объектов и способы их описания и кодирования. Например, стандарт MPEG-4 Visual позволяет кодировать не только прямоугольные видеокадры. Объектно-ориентиро- ванное кодирование, вводимое системой MPEG-4, во-первых, дает более эффективное сжатие потока данных, а, во-вторых, позволяет создавать принципиально новые способы производства мультимедийных программ. Другая важная особенность MPEG-4 – введение механизма, позволяющего организовать защиту авторских прав на интеллектуальную собственность.

В ходе дальнейшей разработки данного стандарта стало ясно, что заложенные в нем принципы кодирования значительно мощнее, чем только кодирование на сверхнизких скоростях. Предел сверху скорости цифрового потока был расширен сначала до 10 Мбит/с, а затем до 38 Мбит/с и ведется работа по его дальнейшему расширению.

С целью реализации более эффективных способов сжатия видеоданных по сравнению со стандартом MPEG-4 Visual в 2003 году был разработан стандарт нового поколения видеокомпрессии MPEG-4 AVC (Advanced Video Coding – «продвинутое кодирование видео»), известный также под названием MPEG-4 Part 10 (ISO/IEC 14496 Part 10) или Н.264 (по классификации ITU – International Telecommunications Union, то есть МСЭ – Международного союза электросвязи). Окончательные этапы развития стандарта Н.264 были осуществлены объединенной командой по видео (Joint Video Team), состоящей из экспертов

MPEG и VCEG (Video Coding Experts Group – рабочей группой МСЭ), которая функционирует во многом подобно группе MPEG. Таким образом, окончательная редакция данного стандарта видеокомпрессии была опубликована под совместным патронажем ISO/IEC и ITU.

Стандарты компрессии MPEG-4 Visual и H.264 имеют общее происхождение и многие схожие черты, так как они были разработаны на основе более раннего стандарта сжатия MPEG-2. Однако они развивают его в существенно различных направлениях.

Например, стандарт MPEG-4 Visual является более гибким. При его разработке предполагалась возможность его использования в различных мультимедийных приложениях.

Цель разработки стандарта сжатия Н.264, поддерживающего всего три профиля, имела более прагматический характер. Основными сферами его применения являются – цифровое телевизионное вещание, устройства хранения визуальной информации, системы передачи потокового видео. Зато он обеспечивает более эффективные механизмы компрессии прямоугольных видеокад-

ров. Например, использование стандарта Н.264 совместно со способом обработки аудиоданных ААС позволяет уменьшить скорость потока данных в системе цифрового наземного телевизионного вещания при передаче одной программы стандартной четкости до 1,5 Мбит/с.

К настоящему времени разработано приложение к стандарту Н.264/AVC,

обеспечивающее многоракурсное видеокодирование (MVC – Multiview Video Coding), в котором применяется межракурсное предсказание для устранения статистической избыточности. Благодаря усовершенствованию технологии отображения телевизионных изображений, многоракурсное видео становится востребованным у телезрителей, так как расширяет визуальное впечатление о рассматриваемых объектах за счет возможности интерактивного выбора точки наблюдения.

Система видеокомпрессии MVC стандартизована как приложение 4 к ча-

сти 10 стандарта MPEG-4 (MPEG-4 Part 10 Appendix 4).

Стремительный рост потока видеоинформации определяет появление и развитие новых мультимедийных и коммуникационных приложений. Следствием этого является потребность в разработке более эффективных стандартов видеокомпрессии (с более высоким значением коэффициента сжатия).

Дальнейшее расширение вычислительных возможностей аппаратных средств устройств видеокомпрессии позволило разработать проект нового стандарта Н.265/HEVC (High Efficiency Video Coding – «высокоэффективное видеокодирование»), являющегося логическим развитием стандарта Н.264/AVC. Эксперты MPEG и VCEG заняты в настоящее время принятием решения по элементам нового стандарта, которые, как предполагается, наполовину уменьшат скорость битового потока по сравнению с предыдущими наилучшими вариантами решений при сопоставимом качестве воспроизводимых изображений.

В разрабатываемом стандарте H.265/HEVC предложено использовать следующие механизмы видеокомпрессии:

Предсказание с компенсацией движения с высоким разрешением. Разре-

шение вектора движения увеличено от обычно используемого 1/4 пикселя до

1/8 пикселя, что особенно эффективно для видеопоследовательностей с низким разрешением.

Адаптивный выбор матрицы квантования (Adaptive Quantization Matrix Selection – AQMS). Матрица квантования формируется в процессе работы или выбирается из заранее определенной группы вариантов на уровне макроблока. Выбор основан на критерии R-D (Rate-Distortion, сжатие-ошибка), значение которого фиксируется в битовом потоке.

Адаптивное кодирование ошибки предсказания (Adaptive Prediction Error Coding – APEC). При повышении точности предсказания корреляция остаточных сигналов уменьшается, поэтому преобразование иногда становится неэффективным для уплотнения энергии. АРЕС позволяет кодировать остаточные данные в области преобразования или в пространственной области с принятием решения и сигнализацией вниз на уровень блока преобразования.

Увеличение размеров блока для предсказания с компенсацией движения

ипреобразования. Размер макроблока увеличивается до 32х32 или 64х64 пиксе-

лей. Принято также 2D-преобразование 16 порядка для остаточных блоков, формируемых устройством компенсации движения, бóльших или равных 16х16 пикселей.

Конкурентное предсказание векторов движения. Вместо одного отдель-

ного модуля предсказания вектора движения (как в стандарте Н.264/AVС), наборы пространственных, временных и пространственно-временных модулей предсказания конкурируют друг с другом; выигрывает модуль предсказания с наилучшими характеристиками критерия R-D.

Адаптивный интерполяционный фильтр (Adaptive Interpolation Filter – AIF). Коэффициенты AIF (его импульсная характеристика) уточняются на уровне изображения и кодируются как дополнительная информация.

Направленное преобразование, зависящее от режима (Mode-Dependent Directional Transform – MDDT). Для режимов внутрикадрового предсказания с сильно выраженной направленностью соответствующие преобразования MDDT вычисляют с помощью сверхточного wavelet или Карунена-Лоэва преобразования для обозначения высокого уровня энергии вдоль указанных направлений. Причем тип преобразования MDDT привязывается к выбранному режиму внутрикадрового предсказания.

Окончательно версию нового стандарта компрессии HEVC МСЭ планирует утвердить в начале 2013 года. Кодеры HEVC, в первую очередь, предполагается использовать в системах ТВЧ форматов качества UHD TV и SHV,

атакже в стереоскопическом телевидении. Для современных кодеров H.265 заявлен выигрыш по коэффициенту сжатия в сравнении с устройствами кодирования стандарта H.264 в 25%, а в последующих реализациях разница по степени компрессии увеличится до 67%. Несомненно, что новый стандарт видеокомпрессии HEVC найдет широкое применение в интернет-вещании, но основная его задача – уменьшение скорости цифрового потока в системах стереоскопического телевидения и сверхвысокой четкости.

С появлением стандартов сжатия MPEG-4 Visual и Н.264 роль стандарта компрессии MPEG-2 в настоящее время не уменьшилась, так как данные стандарты во многом совместимы, особенно это относится к информационным магистралям. На сегодня в ряде стран стандарт сжатия MPEG-2 является для вещания фактически основным, на функционировании которого основаны работа наземных систем цифрового телевидения DVB-T.

Вследствие того, что большинство используемых ныне абонентских приставок (STB) поддерживают стандарт MPEG-2, он, по крайней мере, в течение нескольких последующих лет останется широко распространенным.

Группа MPEG сейчас работает над следующим стандартом – MPEG-7, который будет полностью отличаться от других стандартов этого ряда. Стандарт

MPEG-7 называется «Интерфейс описания мультимедийного контента», то есть он должен стандартизовать набор дескрипторов, пригодный для описания различной мультимедийной продукции. MPEG-7 является стандартом описания аудиовидеоинформации, выходящей за рамки традиционного документа; в данные звука и изображения будут включены аналитические характеристики. Стандарт MPEG-7 обеспечит этикетирование содержания программного мате-

риала, позволяющее эффективно выполнять поиск нужного пакета данных на основе текстовых дескрипторов, что может быть полезным в будущих системах телевизионного вещания.

Стандарт MPEG-7, дополняя MPEG-4 Visual, определяет такое описание аудиовизуальных объектов, которое позволяет идентифицировать передаваемые изображения и звуковое сопровождение без декодирования потока данных. Это важное свойство, позволяющее создавать базы и архивы данных для хранения, как телефильмов, так и других телепрограмм в компрессированной форме. Именно появление стандартов MPEG-4 Visual и MPEG-7 создает реальные возможности для быстрого развития интерактивных служб цифрового телевидения, а также для конвергенции и интеграции цифрового телевидения и Интернета.

Основными областями применения стандарта MPEG-7 будут системы телевизионного вещания, описание аудиовизуальных архивов, сравнение медицинских снимков для диагностики в системах телемедицины и др.

К настоящему времени известны и другие способы компрессии аудиовидеоданных. Например, компания Microsoft предложила собственный стандарт сжатия Windows Media Series 9 (WM9) или Video Coding 1 (VC-1), называемый также (Corona), который базируется на исходном стандарте MPEG-4 Visual. Новый стандарт компрессии, альтернативный Н.264, позволяет осуществлять телевизионное эфирное, кабельное и спутниковое вещание со скоростями потока данных менее 3 Мбит/с на одну программу, обеспечивает высококачественную запись видеоинформации на оптические и магнитные носители, а также передачу видеоинформации по сетям Internet. Одним из существенных преимуществ кодеков данного стандарта является непосредственная возможность работы с чересстрочной разверткой без преобразования в прогрессивную.

Корпорация BBC (British Broadcasting Corporation – Британская радиове-

щательная корпорация) пошла по пути создания собственного кодека сжатия

Dirac на основе открытой технологии с использованием Wavelet (маленькая волна) – функций, то есть Wavelet-преобразования, и архитектуры на базе длинных групп видеокадров. Dirac – это гибридный видеокодек с компенсацией движения, соответствующий стандартам MPEG. Движение объектов в изображении отслеживается, а полученная информация используется для формирования предсказания последующего кадра, которое квантуется и подвергается статистическому кодированию.

Термин «гибридный» отражает тот факт, что используются как преобразование, так и компенсация движения, благодаря которой устраняется временнáя избыточность. Система с компенсацией движения отличается применением перекрывающихся блоков, позволяющих отказаться от фильтров подавления блочного шума. При этом достигается высокая эффективность компрессии, в 2,5 раза превышающая коэффициент компрессии кодека стандарта Н.264 [35].

В научно-исследовательском институте телевидения (НИИТ, г. СанктПетербург) разработана национальная система видеокомпрессии RVC (Russian Video Coding – российская система видеокодирования), способная заменить

MPEG-4. Кодек RVC-1.2, построенный на основе единого механизма декорре-

ляции (трехмерного дискретно-косинусного преобразования – 3D-DCT), отли-

чается адаптивностью и высокой эффективностью, поэтому может использоваться в самых различных системах: вещательных и прикладных телевизионных стандартной и высокой четкости, видеоконференцсвязи, медицинских и дистанционного обучения. Сравнительный анализ качества изображения в системах с кодеком RVC-1.2 и Н.264 показал, что первый обеспечивает в полторадва раза меньшую скорость цифрового потока видеоданных высокой четкости при одинаковом уровне качества. Видеокодек RVC-1.2, предложенный НИИТ, прост в реализации и требует гораздо меньшее количество вычислительных операций. Международная презентация российской системы видеокодирования состоялась в сентябре 2010 г.

Дальнейшее повышение эффективности систем компрессии, очевидно, будет связано с полным переходом от дискретно-косинусного преобразования (ДКП) при пространственном сжатии изображений к использованию Вейвлетпреобразования.

Вейвлет-преобразование сигнала можно рассматривать как представление сигнала в виде суперпозиции некоторых базисных функций – волновых пакетов (Wavelet – маленькая волна). Особенностью этих волновых пакетов является то, что все они получены из одной прототипной волны путем растяжения (или сжатия) и смещения. Прототипная волна может рассматриваться как импульсная реакция базового фильтра. Тогда Вейвлет-преобразование сводится к совокупности процессов фильтрации и децимации. Преобразуемый сигнал подвергается фильтрации с помощью фильтров нижних и верхних частот, которые делят диапазон частот исходного сигнала на две половины. И низкочастотная, и высокочастотная компоненты сигнала, полученные при фильтрации, имеют в два раза более узкую полосу частотных составляющих. Поэтому они могут быть дискретизированы с частотой, равной половине частоты дискретизации исходного сигнала, и сжаты. После низкочастотной и высокочастотной фильтрации с помощью цифровых фильтров может быть просто исключен каждый второй отсчет, что и означает децимацию, или прореживание.

На втором этапе преобразования низкочастотная компонента вновь разделяется на низкочастотную и высокочастотную составляющие с помощью таких же фильтров, как на первом этапе. После прореживания низкочастотная компонента может вновь подвергнуться разделению на низкочастотную и высокочастотную составляющие на третьем этапе преобразования.

На каждом этапе преобразования изображение сначала фильтруется и прореживается по горизонтали, полученные две компоненты фильтруются с помощью фильтров нижних и верхних вертикальных пространственных частот и прореживаются по вертикали.

На стадии обратного Вейвлет-преобразования каждая компонента преобразованного сигнала сначала растягивается в два раза, то есть после каждого отсчета вставляется дополнительный нулевой. Растянутая компонента подвергается фильтрации, в результате которой на место нулевых отсчетов помещаются интерполированные величины.