1.2. Видеосжатие

Скорость передачи данных в сетях продолжает стремительно расти (особенно быстро в некоторых локальных областях и умереннее в широких сферах применения), высокая скорость связи с домом стала общедоступной, а емкость жестких дисков, флэш-памяти и оптических накопителей сильно повысилась. Имея в виду снижение цены передачи или хранения бита информации, не сразу становится очевидным, почему необходимо видеосжатие (и почему предпринимаются немалые усилия для его улучшения). Видеосжатие имеет два важных преимущества. Во-первых, оно дает возможность использовать цифровое видео в среде передачи и хранения видеоконтента, которая не поддерживает несжатое («сырое») видео. Например, пропускная способность современного Интернета недостаточна для обращения с несжатым видео в реальном масштабе времени (даже при низкой частоте кадра и малом его размере). Цифровой многослойный видеодиск DVD (Digital Versatile Disk) может вместить всего несколько секунд сырого видео с разрешением и частотой кадров, обеспечивающими обычное телевизионное качество, поэтому использование DVD было бы абсолютно непрактичным без применения видео и аудиосжатия. Во-вторых, видеокомпрессия делает более эффективным использование ресурсов при передач и хранении видеоданных. Если доступен высокоскоростной канал, то более привлекательным представляется решение, позволяющее передавать сжатое видео высокого разрешения или несколько сжатых телеканалов вместо одного несжатого канала низкого разрешения. Даже при постоянном росте емкости хранения и пропускной способности каналов представляется весьма вероятным, что сжатие будет оставаться существенным компонентом мультимедийных сервисов на многие годы вперед.

Сигнал, несущий определенную информацию, можно сжать путем удаления из него имеющейся избыточности. В системах сжатия без потерь статистическая избыточность удаляется таким образом, что исходный сигнал может быть полностью восстановлен приемником. К сожалению, в настоящее время методы сжатия без потерь дают весьма скромные результаты при сжатии изображений и видеосигналов. Используемые на практике методы сжатия основаны на концепции сжатия с потерями, в которых значительное сжатие достигается ценой неполного совпадения декодированного сигнала с его оригиналом. Целью алгоритмов видеосжатия является достижение эффективной компрессии при минимальном искажении, вносимом в сигнал процессом сжатия.

Алгоритмы видеокомпрессии совершают удаление избыточности из временной, пространственной и/или частотной области сигнала. На рис. 1.1 приведен пример единичного видеокадра. В отмеченных областях наблюдается слабая вариация цвета точек изображения, поэтому там имеется значительная пространственная избыточность. На рис. 1.2 показано то же самое изображение после того, как оно было обработано фильтром низкой частоты (фильтром сглаживания), который удалил некоторую высокочастотную компоненту из изображения. Человеческий глаз и мозг (визуальная система человека) является более чувствительными к низким частотам, и поэтому изображение остается распознаваемым несмотря на то, что большая часть «информации» была удалена. На рис. 1.3 дан следующий кадр видеоряда. Весь ряд был зафиксирован видеокамерой с частотой 25 кадров в секунду. Поэтому имеется лишь малое различие! между двумя кадрами, которое произошло за короткий интервал времени в 1/25 сек. Значит, имеется большая временная избыточность, т.е. большая часть точек изображения не меняет свой цвет при переходе к следующему кадру. Удаляя различные типы избыточности (пространственную, частотную и/или временную), можно существенно сжать данные. Платой за это будет потеря некоторой части информации. Дальнейшее сжатие может быть достигнуто с помощью энтропийного кодирования преобразованных данных, например) по схеме кодирования Хаффмана или арифметическим кодированием.

Рис. 1.1. Видеокадр (отмечены однородные области).

Рис. 1.2. Видеокадр (после фильтра низкой частоты).

В течение более 20 лет сжатие изображении и видео было весьма активно разрабатываемым полем исследовании и разработок. За это время было предложено много различных систем и алгоритмов для компрессии и декомпрессии. Для поощрения взаимодействия и соревнования среди разработчиков видеоприложении и для расширения возможного выбора было необходимо определить стандартные методы кодирования и декодирования, для того чтобы можно было эффективно сравнивать продукты от разных производителей. Это привело к развитию многих ключевых международных стандартов для сжатия изображении и видео, включающих серии стандартов JPEG, MPEG и Н.264

Рис. 1.3. Видеокадр 2.