Система сжатия подвижных изображений MPEG-2

Министерство РФ по связи и информатизации

Поволжская государственная академия телекоммуникаций и информатики

Кафедра ТВ и РВ

Курсовая работа по дисциплине «Перспективные системы радиосвязи, звуковое и телевизионное вещание».

Тема: «Методы сжатия движущихся изображений MPEG – 2».

Выполнил:

Ст-маг. гр. МТ-32

Гусейнов Т.А.

Проверил:

К.т.н., доц. Горчаков Б.М.

Самара, 2004

Рецензия

Содержание:

Введение……………………………………………….…….…………..4

1. Основные понятия стандарта MPEG-2………….…….………….5

2. Компрессия изображения в MPEG-2……………….….………….7

2.1. Процесс сокращения избыточности…………….……….7

2.2. Процесс кодирования………………………………………8

2.3. Профили MPEG-2………………………………………….10

2.4. Особенности стандарта MPEG-2…………………………11

3. Поток видеоданных MPEG-2………………………………………12

3.1. Общие сведения о потоке данных. Програм-

мный поток………………………………………..………………....12

3.2. Транспортный поток………………………………………13

3.3. Подход к потоку видеоданных MPEG-2 как к потоку

данных………………………………………………………………..15

4. Кодеры MPEG-2……………………………………………………..17

Заключение……………………………………………………………..20

Список использованных источников……………………………….

Приложение А

Приложение Б

Введение

Стандарты сжатия движущихся изображений MPEG (Motion Picture Experts Group) вырабатываются и принимаются имеющей такое же название группой экспертов при Международной организации стандартизации ISO. Стандарт MPEG-1, используемый в основном при записи видеопрограмм на компакт-диски, был окончательно утвержден в 1993 г., а стандарт MPEG-2, предназначенный в первую очередь для телевизионного вещания, был принят в ноябре 1994 г.

Стандарты MPEG-1 и MPEG-2 имеют много общего, но между ними есть и различия. Метод кодирования движущихся изображений, используемый в стандартах MPEG-1 и MPEG-2, сочетает внутрикадровое кодирование, направленное в основном на уменьшение психофизиологической избыточности в отдельных кадрах, и межкадровое кодирование, с помощью которого уменьшается избыточность, обусловленная межкадровой корреляцией. Подробно оба вида кодирования рассмотрены ниже. Целые кадры и фрагменты могут кодироваться с применением совместно межкадрового и внутрикадрового кодирования (так называемый гибридный метод) или только с применением внутрикадрового кодирования.

Определены три основных части стандарта MPEG-2:

• 13818-1 – Systems – устанавливает правила объединения потоков;

• 13818-3 – Audio – определяет кодовое представление сигналов звукового сопровождения;

• 13818-2 – Video – регламентирует кодовое представление и процесс декодирования, сжатие потока за счет устранения пространственной и временной избыточности.

Представление сигналов в форме MPEG-2 позволяет обращаться с видео и звуковыми потоками как с потоками компьютерных данных.

1.Основные понятия стандарта MPEG-2

Как уже было сказано, представление сигналов в форме MPEG-2 позволяет обращаться с видео и звуковыми потоками как с потоками компьютерных данных. Поток видеоданных представляет собой иерархическую структуру, объединенную между собой определенными синтаксическими и семантическими правилами. Структура включает в себя шесть типов блоков:

• видеопоследовательность;

• группа изображений;

• изображение;

• срез;

• макроблок;

• слайс;

• блок.

Видеопоследовательность – элемент потока видеоданных высшего уровня. Представляет собой серию последовательных кадров телевизионного изображения. MPEG-2 допускает построчные и чересстрочные последовательности, подробнее на этом мы остановимся позднее. Определены три типа изображений, в соответствии с методом дифференциального кодирования:

I (Intra-coded picture) – изображение кодируется с использованием только той информации, которая заложена в нем самом; устраняется пространственная избыточность;

P (Predictive coded picture) – изображение, при кодировании которого формируется разность между исходным изображением и предсказанием, полученным на основе предшествующих или последующих I.

B (Bidirctory predictive coded picture) – изображение, при кодирование которого используется предсказание, сформированное на основе предшествующих и последующих I или P.

При кодировании Р и В используются межкадровое кодирование, устраняющее и пространственную и временную избыточность. Серия изображений, содержащих одно I называется группой изображений, стрелками показывается направление предсказания. Чем больше группа – тем больше компрессия (Рис.1).

Рис 1.1 Видеопоследовательность трех видов изображений с предсказаниями (стрелками указаны направления предсказаний)

2. Компрессия изображений в MPEG-2.

2.1 Процесс сокращения избыточности

С информационной точки зрения, каждое изображение представляет собой три прямоугольных матрицы отсчетов изображений: яркостную Y и две цветности Св и Сr. Стандарт MPEG-2 допускает различные структуры матриц (4:2:0; 4:2:2; 4:4:4).

Каждое изображение делится на срезы, которые состоят из макроблоков. Макроблок содержит блоки размером 8х8 элементов изображения (реже 16х16 элементов); группу из четырех блоков с отсчетами яркости и группы блоков с отсчетами цветности, число которых зависит от формата (по 1, по 2, по 4). Группа следующих друг за другом макроблоков называется слайсом .Число макроблоков в слайсе может быть произвольным, главное, чтобы слайсы в изображении не перекрывались. Все структурные элементы потока видеоданных, полученных в результате внутрикадрового и межкадрового кодирования (кроме блока и макроблока), дополняются специальными и уникальными стартовыми кодами («Заголовок – элементы»). В заголовке приводится разнообразная дополнительная информация, например, размеры и соотношение сторон изображения, частота, кодирование, скорости потока, матрица квантования, формат дискретизации цветного изображения, координаты основных цветов и белого цвета, параметры матрицы для формирования яркости и цветоразностных сигналов и др.

Сокращение пространственной избыточности выполняется в изображении типа I и достигается на уровне блока. Набор операций такого кодирования – дискретное косинусное преобразование; взвешенное квантование; энтропийное квантование (кодирование серии коэффициентов косинусного преобразования, полученного в результате диагонального сканирования матрицы). Для повышения точности предсказания используется компенсация движения: оценивается скорость перемещения движения объектов от кадров и при определенных предсказаниях производится коррекция в положении опорного изображения, по отношению к которому находится ошибка предсказания. Определение величины и направления смещения (вектор движения) производится на уровне макроблоков. Оценка вектора – сложная процедура, именно она определяет асимметрию кодека MPEG-2, однако в этом направлении ведутся работы, т.к. эта процедура не определена жестко. Стандарт предполагает сокращение не только пространственной, но и временной избыточности. После компрессии объем изображения Р типичных телевизионных сюжетов составляет 35% от I, В – 25% от I. Т.о., в три раза уменьшается скорость потока данных при приблизительно тех же искажениях. Артефакты же связанные с движением (в отличие от JPEG и DV) замечаемы тем меньше, чем быстрее движутся изображения.

В случае чересстрочной развертки каждый кадр состоит из двух полей. Первое поле содержит нечетные строки кадра, а второе поле – четные строки. При этом возможно два варианта кодирования всего кадра, выбор одного из которых осуществляется на основе оценки движения в нем.

В случае кадрового кодирования кодируемым изображением является полный кадр, который целиком хранится в запоминающем устройстве кодера. Кадровое кодирование выбирается в случаях, когда изменения во втором поле кадра относительно первого поля того же кадра незначительны.

В случае полевого кодирования кодируемым изображением является каждое поле по отдельности. Первое поле кадра может использоваться для предсказания макроблоков второго поля и наоборот.

2.2 Процесс кодирования

Возможно два основных режима работы кодера компрессии – с постоянной скоростью потока и с постоянным уровнем качества декодируемого