Кодируемые кадры

Базовым объектом кодирования в стандарте МРЕG -2 является кадр ТВ изображения. При этом очевидно, что для ТВ сигналов, в которых смешаны различные сюжеты с разными типами движений «от ничего до много» простое предсказание, в принципе не обеспечит высокую эффективность. По той причине в стандарте МРЕG -2 используются три вида предсказаний: внутрикадровое, межкадровое предсказание вперед с компенсацией движения, межкадровое двунаправленное предсказание также с компенсацией движения.

Формат видеоинформации в стандарте МРЕG -2 содержит три типа кадров (I, P, B). Основные, так называемые кадры I -кадры (Intraframes) обрабатываются только с применением внутрикадрового предсказания. Они кодируются независимо от других кадров, так как обрабатываются с использованием собственной информации, т.е. по принципу случайного доступа к сжатым видеоданным. Они применяют кодовое преобразование блоков элементов изображения и обеспечивают умеренное сжатие. Это первый этап сжатия видеоданных, Зато при восстановлении ТВ изображения по I -кадрам оно менее всего деградирует и зависит от ошибок кодирования и передачи видеоданных по каналу связи. I -кадры служат опорными при межкадровом предсказании Р и В кадров.

P -кадры (Predicted Frames), то есть кадры с предсказанием, с компенсацией движения. Кодирование осуществляется с учетом ближайших предшествующих I или P -кадров. Этот способ называется с предсказанием вперед, так как используется «разностная» схема сжатия, при которой сохраняются только отличия от предшествующего кадра. В P -кадрах, если сравнивать их с I -кадрами, в три раза выше достижимая степень сжатия видеоданных.

Обработка видеоданных в P -кадре выполняется по макроблокам. Каждый макроблок обрабатывается с использованием алгоритмов компенсации движения и предсказания вперед, пока в блоке не появится новый объект. С этого момента процесс кодирования переключается на алгоритмы, используемые в I -кадрах, т.е. на внутрикадровое предсказание. P -кадры являются опорными для последующих Р или В -кадров. Необходима высокая точность восстановления исходного изображения при декодировании опорных P -кадров. Дело в том, что ошибки опорного кадра распределяются по всем кадрам, связанным с опорным. При компенсации движения, применяемой к макроблокам P -кадров, вырабатывается два вида информации: векторы движения (разница между базовыми и кодированными макроблоками) и значения ошибок (разница между предсказанными величинами и действительными результатами). Если макроблок в P -кадре не может быть описан с использованием компенсации движения, что случается при появлении некоторого неизвестного объекта, то он кодируется тем же способом, что и макроблок в I -кадре.

В -кадры (Bi-Directional Frames), то есть кадры с двунаправленным предсказанием, с компенсацией движения. Для формирования В -кадров также используется «разностная» схема сжатия аналогично P -кадрам, однако, в качестве «базовых» кадров используются оба соседних кадра: предыдущий и последующий. Этот способ называется двунаправленным предсказанием.

Алгоритмы кодирования В -кадров зависят от характера ТВ изображения. Предусмотрено четыре способа кодирования. В одном применяет компенсация движения и предсказание вперед по ближайшим предшествующим опорным I или P -кадрам, в другом — компенсация движения и обратное предсказание по ближайшим последующим I или P -кадрам. Обратное предсказание используется в тех случаях, когда в кодируемом В -кадре появляются новые объекты изображения. Третий алгоритм — компенсация движения и двунаправленное предсказание, при котором опорными являются предшествующий или последующий I или P -кадры. И, наконец, внутрикадровое предсказание без компенсации движения. Такое кодирование нужно при резкой смене передаваемых сюжетов, а также при больших скоростях перемещения объектов ТВ изображения. С В -кадрами связано наиболее глубокое сжатие видеоданных. Поскольку высокая степень сжатия снижает точность восстановления исходного ТВ изображения, В -кадры не используются в качестве опорных. Ошибки при их декодировании не распределяются по другим кадрам.

Очевидно, что точность кодирования должна быть максимальной для I - кадров, ниже для P -кадров и минимальной для В -кадров. В стандарте МРЕG -2 порядок записи информации о ТВ кадрах не совпадает с порядком кодирования и декодирования. Так, для декодирования текущего В -кадра требуется обработать следующий кадр, поэтому необходимо иметь дополнительный буферный блок памяти в декодирующем устройстве для хранения информации об очередном кадре. Рассмотренное усложнение декодирующего устройства компенсируется улучшением субъективного качества воспроизводимого изображения за счет В -кадров на 20%.

Рисунок 2.4 — Цикл кодирования и декодирования по стандарту MPEG -2:

а — порядок кодирования и декодирования изображений

б — порядок воспроизведения изображений

Изображения различных типов объединяются в повторяющиеся серии, называемые группами видеокадров (ГВК). Порядок кодирования декодирования и воспроизведения видеокадров указанных трех типов может быть Различным для примера на рисунке 2.4 изображен один из вариантов сочетания видеокадров, обеспечивающих минимизацию энтропии, то есть количества битов на элемент изображения. Группа начинается с I -кадра, образующего опорный сигнал для предсказания при кодировании изображений других типов. Группа изображений должна быть достаточно большой, если необходимо добиться высокой степени компрессии ГВК заканчивается непосредственно перед появлением следующего I -кадра. ГВК определяет границы межкадрового кодирования, Многочисленные исследования эффективности различных сочетаний Р и В -кадров в ГВК показали, что последовательности длинных ГВК целесообразно использовать только для высококачественных незашумленных изображений. Однако большое число В -кадров означает значительную задержку, так как I или P -кадры, окружающие кадры В-типа, уже должны быть в декодере к моменту декодирования В -кадра.

В начале каждого сюжета должен стоять I -кадр, в конце — P -кадр. Увеличивать долю В -кадров можно только в рамках одного сюжета, иначе возникнут большие ошибки предсказания и компенсации движения. Поскольку типичная длительность группы кадров (во временном представлении примерно 0,5 с) значительно меньше характерного расстояния между границами сюжетов, то в большинстве случаев жесткое задание структуры не приводит к существенным визуальным ошибкам из-за того, что смена сюжета попадает внутрь группы кадров. При передаче по каналу связи порядок следования I, P и В -кадров меняется.