SERWIS ELEKTRONIKI

jest na podstawie obrazu wczeœniejszego, póŸniejszego lub obu
obrazów odniesienia. Dziêki temu uzyskuje siê znacznie wiêksz¹
dok³adnoœæ odtwarzania ruchu w obrazie.
Kompresja przestrzenna (wewn¹trzobrazowa)
Kompresja przestrzenna wykorzystuje technologiê dyskretnej
transformacji kosinusowej DCT (Discrete Cosine Transform).
DCT jest rodzajem transformacji Fouriera. W procesie
transformacji informacja w dziedzinie czasu jest zamieniana
na informacjê w dziedzinie czêstotliwoœci.
Zawartoœæ ka¿dego bloku obrazu o wymiarach 8×8 pikseli
po kompresji czasowej jest przesy³ana do kodera DCT. W wyniku
transformacji powstaje matryca 8×8 wspó³czynników reprezentuj¹cych
oryginalny blok. DCT zamienia tablicê liczb
reprezentuj¹cych amplitudê sygna³u w danym momencie czasu
na tablicê liczb, z których ka¿da reprezentuje amplitudê elementu
o okreœlonej czêstotliwoœci.
Proces transformacji powoduje, ¿e wiêkszoœæ informacji z
obrazu oryginalnego zostaje zgromadzona w jednym wspó³czynniku.
Poziom tego wspó³czynnika jest du¿y, natomiast poziomy
pozosta³ych s¹ ma³e.
Transformacja DCT nie redukuje bezpoœrednio iloœci bitów
niezbêdnych do reprezentacji bloku 8×8 pikseli. Wartoœci
64 próbek s¹ zamieniane na 64 wspó³czynniki DCT. Redukcja
bitów wynika z faktu, ¿e dla typowego bloku pochodz¹cego z
naturalnego obrazu rozk³ad wspó³czynników jest niejednorodny.
Po transformacji wspó³czynniki podlegaj¹ procesowi kwantowania.
Dla poszczególnych wspó³czynników s¹ stosowane inne
sposoby kwantowania w zale¿noœci od po³o¿enia danego wspó³czynnika
w bloku (tj. w zale¿noœci od tego jak¹ czêstotliwoœæ
przestrzenn¹ on reprezentuje). W przypadku wspó³czynników
odpowiadaj¹cych wiêkszym czêstotliwoœciom tolerowane s¹
wiêksze zniekszta³cenia kwantowania, a wiêc wiêksze przedzia³y
kwantowania, poniewa¿ zniekszta³cenia o tych czêstotliwoœciach
s¹ mniej widoczne od zniekszta³ceñ o ma³ych czêstotliwoœciach
(np. w blokach zawieraj¹cych du¿e powierzchnie).
Podobnie zniekszta³cenia kwantowania sygna³u chrominancji
s¹ mniej przykre dla oka ni¿ zniekszta³cenia sygna³u
luminancji. Widocznoœæ zniekszta³ceñ kwantowania zale¿y
wiêc od rodzaju kodowanego bloku.
Przed kwantowaniem wspó³czynniki mog¹ byæ znormalizowane
przez ich wariancjê. W celu zmniejszenia zniekszta³ceñ
wspó³czynniki przed procesem kwantowania s¹ podzielone
przez odpowiednie funkcje wagowe. Szczególnie szeroki
przedzia³ kwantowania wprowadza siê w pobli¿u zera, co powoduje
w rezultacie zwiêkszenie liczby wspó³czynników, którym
zostaje przypisana wartoϾ 0.
Dla wiêkszoœci transformowanych bloków tylko niewielka
czêœæ wspó³czynników jest znacz¹co ró¿na od zera i jedynie
te wspó³czynniki musz¹ byæ kodowane i przesy³ane. W
przypadku typowych obrazów telewizyjnych amplitudy wspó³czynników
dotycz¹cych wy¿szych czêstotliwoœci przestrzennych
s¹ zwykle równe w przybli¿eniu zeru. Liczba ich, podobnie
jak liczba znacz¹cych wspó³czynników zale¿y od treœci bloków.
Po kwantowaniu wspó³czynniki s¹ grupowane w strumieñ
danych. Stosuje siê specjalne metody wyboru wspó³czynników,
zwane metodami klasyfikacji bloków (blok classification),
polegaj¹ce na wybieraniu wspó³czynników wzd³u¿ linii uko-
Telewizja HDTV
œnych tzw. „zigzag scanning”. Po kwantowaniu i grupowaniu
wspó³czynniki DCT s¹ kodowane.
Kodowanie wspó³czynników DCT w MPEG-2 obejmuje
dwie techniki: kodowanie ze zmienn¹ d³ugoœci¹ s³owa - VLC
(Variable Lenght Coding) i kodowanie metod¹ bie¿¹cej d³ugoœci
s³owa - RLC (Run Lenght Coding).
Metoda RLC wykorzystuje fakt, ¿e wspó³czynniki DCT niewiele
ró¿ni¹ siê od zera i zamiast przesy³aæ te wspó³czynniki
jako zero, przesy³a siê liczbê zerowych wspó³czynników.
Metoda VLC (kodowanie Huffmana) polega na przypisaniu
ka¿demu symbolowi s³owa kodowanego liczby bitów odwrotnie
proporcjonalnej do prawdopodobieñstwa jego wyst¹pienia.
Symbole najczêœciej wystêpuj¹ce s¹ wówczas kodowane
z mniejsz¹ liczb¹ bitów, a symbole wystêpuj¹ce rzadziej
z wiêksz¹. Pozwala to na zmniejszenie œredniej liczby bitów
na symbol.
Profile i poziomy MPEG-2
Standard MPEG-2 mo¿e byæ wykorzystywany dla kodowania
obrazów o ró¿nej rozdzielczoœci przy zastosowaniu ró¿nych
wariantów kompresji sygna³ów. W tym celu przyjêto dwa podstawowe
pojêcia „poziom” (Level) oraz „profil” (Profile).
Pojêcie „poziom” jest zwi¹zane z algorytmami wybierania,
a mianowicie przyjêto:
• „poziom wysoki 1920” dla telewizji o du¿ej rozdzielczoœci
obrazu i 1920 próbek w linii;
• „poziom wysoki 1440” dla telewizji o du¿ej rozdzielczoœci
obrazu i 1440 próbek w linii; liczba linii czynnych dla
obu tych poziomów wynosi 1152;
• „poziom g³ówny” dla telewizji konwencjonalnej o rozdzielczoœci
720 punktów × 576 linii, który mo¿e byæ równie¿
wykorzystywany dla systemów o poprawionej jakoœci
( o rozszerzonym formacie obrazu);
• „poziom niski” dla telewizji o ma³ej rozdzielczoœci obrazu
(352 punkty × 288 linii).
Sygna³ami wejœciowymi s¹ zawsze sygna³y sk³adowe telewizji
kolorowej. Dla ka¿dego z tych poziomów mo¿na stosowaæ
ró¿ne warianty metody kompresji sygna³u, pozwalaj¹ce
na uzyskanie ró¿nych prêdkoœci bitowych. Parametry te nazwano
profilem.
W systemie MPEG przyjêto piêæ podstawowych profili
(Profiles).
• Profil prosty, wykorzystuje dyskretn¹ transformacjê kosinusow¹,
kodowanie z prognozowaniem oraz kompensacj¹ ruchu,
przy czym sygna³y ró¿nicowe kolorowoœci obrazu s¹
kodowane sekwencyjnie, co drug¹ liniê (standard 4: 2: 0).
• Profil g³ówny, wykorzystuje tê sam¹ metodê kodowania,
lecz prognozowanie dwukierunkowe z kompensacj¹ ruchu
(tzw. obraz B), co zapewnia lepsz¹ jakoœæ sygna³u przy
tej samej prêdkoœci bitowej. Sygna³y ró¿nicowe s¹ w tym
przypadku równie¿ kodowane sekwencyjnie.
• Profil skalowany szumowo (SNR scalable). Dane wizyjne
s¹ podzielone na czêœci: sygna³ podstawowy i sygna³
podwy¿szaj¹cy jakoœæ. Sygna³ podstawowy wytwarza
obraz o zmniejszonym stosunku sygna³u do szumu i wymaga
znacznie mniejszej prêdkoœci bitowej, mo¿e wiêc
byæ przesy³any przez tory transmisyjne o mniejszej przepustowoœci.
Ponadto, jako bardziej odporny mo¿e byæ
odbierany przy zmniejszonym natê¿eniu pola. Dodanie do
sygna³u podstawowego sygna³u podwy¿szaj¹cego jakoœæ
SERWIS ELEKTRONIKI 5/2007 59