Информационная избыточность

При телевизионной передаче различают несколько видов избыточности изображений, на сокращении (сжатие) которых основываются методы и устройства кодирования изображений:

- пространственная — присутствует, если значения элементов изображения (пикселей) коррелированы в пределах некоторой части изображения (видеокадра), т.е. можно передать значение одного пикселя, а значения других предсказать;

- временная — корреляция между одноименными пикселями наблюдается в последовательности нескольких видеокадров, т.е. техника предсказания и передачи движения может быть распространена на несколько кадров;

Иногда оба эти вида избыточности называют статистической избыточностью. Использование корреляционных связей позволяет не передавать многократно одни и те же данные и сокращать за счет этого объем сообщения. При этом устранение статистической избыточности в ТВ сигнале может происходить без потери информации, и исходные данные будут полностью восстановлены.

- психовизуальная (физиологическая) — характеризуется тем, что глаз не способен различать очень мелкие детали и высокочастотные цветовые переходы. Использовать физиологическую избыточность - значит, не передавать ту информацию, которая не будет воспринята нашим зрением. Как следствие, устранение физиологической избыточности связано с частичной потерей информации, но той информации, которая не воспринимается зрением, и ее потеря не повлияет на визуальное качество изображения.

Далее рассмотрим наиболее важные особенности восприятия изображений.

Маскирование по яркости (luminance masking) — имеет отношение к различимости деталей изображения. Для того чтобы различить на сером фоне серый же узор, должны соблюдаться некоторые условия — этот узор должен быть или чуть темнее или чуть ярче фона примерно на 2% от яркости самого фона.

Если разница меньше — человеческий глаз не сможет отличить узор от фона. Таким образом, можно не передавать информацию об объектах, яркость которых отличается от яркости фона на величину, меньшую 2% от яркости фона. Эту особенность восприятия необходимо учитывать при квантизации коэффициентов DCT.

Сходный эффект с маскировкой по яркости называется фальшивыми контурами.

Маскирование по времени (temporal masking) — при быстрой смене изображения, например, на границе сцен, часть информации новой сцены не воспринимается человеком. Зритель как бы кратковременно "привыкает" к новому изображению. Например, если в одном плане демонстрировалась динамичная сцена, а потом произошло переключение на спокойную сцену, то небольшая часть начала спокойной сцены будет проигнорирована головным мозгом. В течение этого короткого периода "адаптации" изображение может быть компрессировано чуть сильнее (с соответствующей потерей качества). Конечно, это не даст сэкономить много, но все же...

Маскирование по детализации (frequency masking) — в области изображения, где содержится большое количество мелких деталей, внимание зрителя ослабляется. Таким образом, зритель не видит каждую мелкую деталь по отдельности, а видит их "совокупно". Пример — рябь на воде. В области же, где деталей мало, каждый мелкий элемент имеет свое значение. Таким образом, области, где деталей больше, можно компрессировать чуть сильнее, чем области, в которых деталей меньше.

Методы кодирования

На рисунке представлен вариант классификации методов сжатия, основанный на принципе «с потерями видеоинформации/без потерь».

Классификация методов сжатия

Сжатие данных без потерь (Lossless data compression) — метод сжатия данных, при использовании которого закодированные данные могут быть восстановлены с точностью до бита. При этом оригинальные данные полностью восстанавливаются из сжатого состояния. Для каждого из типов цифровой информации, как правило, существуют свои оптимальные алгоритмы сжатия без потерь.

Сжатие данных без потерь используется во многих приложениях. Например, оно используется во всех файловых архиваторах. Оно также используется как компонент в сжатии с потерями.

Недостатком методов сжатия без потерь является сравнительно небольшой коэффициент сжатия – до 5:1.

Другая группа методов сжатия – методы сжатия видеоданных с потерями информации (Lossy compression). Смыслэтого термина состоит в том, что после декодирования данные отличаются от исходных, но степень отличия не является существенной с точки зрения их дальнейшего использования. Например, распределение яркости в восстановленном изображении отличается от того распределения, которое было до его кодирования, т.е. имеет место искажение изображения и соответственно потеря информации. Но зачастую речь идет о той информации, которую зрительная система не в состоянии воспринять в силу присущих ей ограничений.

Коэффициент сжатия данных, который обеспечивают эти методы, может достигать 50:1.