Сжатие видеосигналов

Первичная видеоинформация всегда избыточна. Поэтому преобразование её в цифровой формат приводит к необходимости передачи по каналам связи очень большого объёма информации. Для решения этой задачи требуются каналы связи с очень широкой полосой пропускания. Поэтому при разработке цифровых систем перед специалистами стояла задача сокращения объёма передаваемой информации. Это задача получила название «сжатие» («компрессия») информации.

Самое высокое качество у некомпрессированного цифрового видеосигнала, но для этого необходимо передавать очень большое количество данных (десятки Мб / сек). Эффективное сжатие видеоинформации основано на двух основных идеях:

· подавление несущественных для визуального восприятия мелких деталей пространственного распределения отдельных кадров;

· устранение временной избыточности в последовательности этих кадров.

Соответственно говорят о пространственной и временной компрессии.

Способы сокращения избыточности цифрового сигнала.

При использовании параллельного кода количество разрядов передаваемого слова N определяет число проводов, по которым передаётся цифровой сигнал. При последовательном коде большое количество разрядов кодового слова требует высоких скоростей передачи информации. Скорость передачи информации определяется количеством элементарных символов (бит), передаваемых за 1 секунду. При первоначальной обработке сигнала в АСК используется параллельное кодирование. При этом кодируется вся информация без исключения. Передача информации в таком первоначальном виде, как уже говорилось, требует очень высокой скорости обработки и, кроме того, весьма широкополосного канала связи. Поэтому в цифровом телевидении стремятся по возможности сократить разрядность передаваемых слов. Эта операция носит название «сжатие информации». Однако простое уменьшение разрядности приводит к ухудшению ТВ-изображения и, следовательно, недопустимо.

В настоящее время существует ряд способов по сокращению величины N. Они связаны со специальной обработкой сигнала, называемой кодированием цифрового сигнала.

Под кодированием цифрового сигнала в общем случае понимается замена одной кодовой комбинации новой кодовой комбинацией в соответствии с определёнными правилами с целью решения ряда инженерных задач: сокращение избыточности цифрового сигнала, повышение скрытности и помехозащищённости передачи и т. п.

Одним из способов сокращения избыточности (разрядности) цифрового сигнала является кодирование с предсказанием. Наличие сильных корреляционных* связей между близко расположенными элементами пространственной дискретизации изображения позволяет не передавать полную информацию о каждом элементе.

(* Корреляция – статистическая зависимостьмежду явлениями или процессами. Корреляционная зависимость отличается от функциональной тем, что в ней возможные последствия каких-либо событий могут быть измерены лишь приблизительно. Таким образом, при корреляционной зависимости переменная величина соответствует изменениям другой величины лишь с определённой степенью вероятности, называемой коэффициентом корреляции. Корреляционный анализ применяется в радиоастрономии, радиолокации, гидроакустике, сейсмологии и т.д. при решении задач обнаружения слабых, замаскированных шумами сигналов. Он используется также для определения спектральных характеристик сигналов и выявления их идентичности, что необходимо в ряде исследований, связанных с измерением очень слабых сигналов .)

Можно ограничиться передачей ряда элементов, а остальные элементы предсказать, т.е. вычислить их с помощью специальных технических устройств. Однако предсказание сигнала по предыдущим отсчётам всегда будет нести некоторую ошибку е(nТ). На рис.10.9 показана структурная схема системы передачи цифрового сигнала, использующая метод предсказания.

Рис.10.9. Структурная схема передачи цифрового сигнала, использую-

щая метод предсказания: ПС-1, ПС-2 – предсказатели

Чтобы сформировать сигнал ошибки, на передающем конце системы устанавливается устройство предсказания ПС-1. Чаще всего используются линейные предсказатели. В этом случае предсказанное значение отсчёта U'(nT) определяется как

_L

U'(nT) = Σ a_k ·U{(n – k)T},

k=1

где a_k – постоянные коэффициенты, величина которых определяется

особенностями сигнала U(nT), поступающего на вход преобразова-

теля;

U{(n – k)T} – предыдущие отсчёты сигнала, по которым осуществля-

ется предсказание;

L – количество отсчётов, используемых для предсказания.

Чтобы сформировать сигнал ошибки e(nT), из сигнала U(nT) вычитается предсказанный сигнал U'(nT).

На приёмной стороне имеется предсказатель ПС-2, аналогичный предсказателю ПС-1. Поскольку процедуры предсказания на приёмной и передающей сторонах идентичны, предсказанные отсчёты сигнала U''(nT) могут быть использованы для восстановления значения сигнала, поступающего на вход системы передачи цифрового сигнала. Для этого к вычисленным отсчётам U''(nT) добавляют переданный по каналу связи сигнал ошибки.

В рассмотренной системе предсказания по каналу связи передаётся сигнал ошибки e(nT), который изменяется в значительно меньшем диапазоне по сравнению с сигналом U(nT), а значит, и количество разрядов, необходимое для передачи этого сигнала, оказывается меньшим.

При кодировании с предсказанием вычисляется разность между истинным и предсказанным значением отсчёта. Затем эта разность квантуется по уровню. От точности предсказания зависит среднее число бит, необходимых для передачи разностной информации. Предсказание может быть экстраполяционным. В этом случае (его часто называют «предсказанием вперёд») по предшествующим значениям отсчётов ТВ-сигнала оцениваются последующие отсчёты. Интерполяционное (двунаправленное) предсказание означает, что оценка среднего по положению отсчёта ТВ-сигнала выполняется по известным значениям предшествующих и последующих отсчётов. Такое предсказание наиболее точно оценивает текущие отсчёты. Однако стремление к точности приводит к возрастанию объёма вычислений и, соответственно, памяти, необходимой для реализации этой точности.

Другой способ предсказания – межкадровое «предсказание вперёд». В этом случае текущий отсчёт оценивается по отсчёту с теми же координатами, но предыдущего кадра. Это очень эффективный метод предсказания для неподвижных изображений. Ситуация усложняется, когда изображение содержит движущиеся объекты или изменяется в целом. В этом случае отсчёты, принадлежащие однотипным элементам изображения, от кадра к кадру будут смещаться. Возникает разностная информация, даже если в остальном никаких изменений не происходит. Этот эффект можно ослабить, если ввести компенсацию движения. Для этого необходимо определить векторы перемещения движущихся частей изображения при последовательном переходе от кадра к кадру. Векторы движения позволяют определить положение кодируемого отсчёта в новом кадре (скомпенсировать его перемещение) и, таким образом, сохранить высокую точность предсказания.

Известен ещё один способ сокращения избыточности информации, который носит название кодирования с преобразованием. Он основан на спектральном преобразовании цифрового сигнала.

Известно, что дискретному периодическому сигналу соответствует дискретный периодический спектр (рис.10.10).

Рис.10.10. Спектр периодического сигнала

а – дискретный периодический сигнал; б – спектр дискретного периодического сигнала; Т_С – период следования сигнала; F_Д – частота дискретизации.

Телевизионный сигнал может рассматриваться как квазипериодический с периодом, равным длительности строки Т_С.

Между отсчётами сигнала U(nT) и спектром этого сигнала S(k∆ f) существует взаимно-однозначное соответствие. Эта связь устанавливается прямым и обратным преобразованием Фурье. Поэтому вместо отсчётов сигнала по каналу связи можно передать отсчёты дискретных составляющих спектра. Но передавать все составляющие спектра нет необходимости, потому что по составляющим спектра, примыкающим к нулевой частоте, практически можно восстановить весь спектр. Следовательно, по каналу связи достаточно передавать только эти составляющие.

Структурная схема системы передачи цифрового сигнала, использующей этот принцип, изображена на рис.10.11.

Рис.10.11. Структурная схема передачи цифрового сигнала,

использующая метод кодирования с преобразованием:

1 – преобразователь; 2 – селектор; 3 – квантователь и кодер; 4 – канал свя-

зи; 5 – декодер; 6 – блок обратного преобразования.

Преобразователь (1) – осуществляет вычисление спектральных составляющих S(k∆ f) дискретного сигнала U(nT).

Селектор (2) – производит фильтрацию спектральных составляющих S(k∆ f), значимых для рассматриваемого класса изображения.

Квантователь и кодер (3) – осуществляют квантование и кодирование отфильтрованных спектральных составляющих.

На приёмной стороне после декодирования и обратного преобразования восстанавливается дискретный сигнал U(nT).

Описанная система кодирования позволяет уменьшить число кодовых слов, передаваемых по каналу связи и одновременно с этим уменьшить разрядность этих слов. Это связано с особенностью спектра периодического дискретного сигнала. Во-первых, в этом спектре количество спектральных составляющих на интервале частот 0 ÷ F_Д равно количеству отсчётов сигнала на интервале времени Т_С. А так как составляющие спектра в диапазоне от

F_Д / 2 до F_Д могут быть восстановлены по составляющим спектра интервала частот 0 ÷ F_Д / 2, то количество спектральных составляющих, подлежащих передаче, оказывается в два раза меньше, чем количество отсчётов сигнала на интервале времени Т_С. Во-вторых, наибольшими по уровню оказываются составляющие спектра S(k∆ f), расположенные в окрестности нулевой частоты. Эти составляющие в основном определяют дискретный сигнал U(nT). Поэтому составляющие малого уровня могут не передаваться. Для передачи оставшихся составляющих шаг квантования может быть увеличен, т.к. уровень их достаточно велик и, следовательно, разрядность кодового слова можно уменьшить.

В рассмотренных алгоритмах работы предсказателя и преобразователя используются сигналы, полученные в точках пространственной дискретизации, которые расположены вдоль телевизионной строки (рис.10.5). На практике используются более сложные системы кодирования (так называемые двумерные системы). В таких системах операции преобразования и предсказания осуществляются по сигналам, полученным в точках пространственной дискретизации, расположенным внутри небольшой поверхности. Выбор формы поверхности и её размеров зависят от назначения ТВ-системы и характера передаваемого изображения.