Стандарты сжатия видеоизображения

Стандарты сжатия видеоизображения

Рассматриваются основные методы компрессии видео данных. Сравнение форматов Motion-JPEG и MPEG-4, их плюсы и минусы, области применения.

Без эффективного сжатия большинство  локальных сетей, по которым передаются видео данные, были бы заблокированы в течение нескольких секунд. Стандарт CCIR-601 для цифрового телевидения устанавливает что размер передаваемого TV изображения без компрессии в течении одной секунды составляет 165 Mbit, в минуту - 9.900 Mbit (9.9 Gbit), в час - 594 Gbit. Для 24 часовой записи потребуется 14.256 Gbit (14,3 Tbit). Что соответствует примерно двадцати двум жестким дискам емкостью 80Гб. Если, к примеру, использовать модем со скоростью передачи 56 Kbit/s, то ему потребуется около 8 лет для передачи одного дня видео съемки. Для ускорения передачи и более рационального использования дискового пространства цифровое видео, передаваемое по сетям Ethernet, всегда сжимается. Именно поэтому, очень важно правильно выбрать формат сжатия.

Многообразие методов компрессии изображения.

Компрессия статического или видео  изображения может быть осуществлено двумя основными методами – с  потерей или без потери качества.

Сжатие без потерь данных - полученное после декомпрессии изображение  будет в точности (побитно) совпадать с оригиналом. Примером такого сжатия может служить формат GIF для статической графики и GIF89a для видео. Поскольку коэффициент сжатия, при использовании таких видов компрессии, небольшой, их использование достаточно затруднительно, т.к. в сетевых видео решениях передаются большие объемы видео информации.

Сжатие с потерями качества - потери качества могут наблюдаться в  случае, если в процессе сжатия информация была утеряна. Однако с точки зрения человеческого восприятия сжатием  с потерями следует считать лишь то сжатие, при котором на глаз можно отличить результат сжатия от оригинала. Таким образом, несмотря на то, что два изображения – оригинал и результат сжатия с использованием того или иного компрессора — побитно могут не совпадать, разница между ними будет совсем незаметной. Основная идея – значительно увеличить коэффициент сжатия, пренебрегнув незначительными деталями, не заметными для человеческого глаза. Примерами здесь могут служить алгоритмы JPEG для сжатия статической графики и алгоритм M-JPEG для сжатия видео.

Сжатие без потерь с точки зрения восприятия

Данные после декомпрессии побитно  не совпадают с исходными. Будучи сжатием с потерей качества, формально  подобная схема сжатия с точки  зрения восприятия ее человеком может  считаться схемой без потерь. Большинство технологий сжатия с формальной потерей качества имеют так называемый фактор качества сжатия (ФКС), характеризующий именно качество восприятия и варьирующийся в пределах от 0 до 100. При факторе качества сжатия, равном 100, характеристики восприятия качества декомпрессированного видео по восприятию почти неотличимы от оригинала.

Сжатие с естественной потерей качества

JPEG, MPEG и другие технологии сжатия  с потерей качества иногда  сжимают, переступая за грань  сжатия без потерь с точки зрения восприятия видеоинформации. Тем не менее сжатые видео- и статические изображения вполне приемлемы для адекватного восприятия их человеком.  
Иными словами, в данном случае наблюдается так называемая естественная деградация изображения, при которой теряются некоторые мелкие детали сцены. Похожее может происходить и в естественных условиях, например при дожде или тумане. Изображение в таких условиях, как правило, различимо, однако уменьшается его детализация.

Сжатие с неестественными потерями качества

Низкое качество сжатия, в значительной степени искажающее изображение и вносящее в него искусственные (не существующие в оригинале) детали сцены, называется неестественным сжатием с потерей качества. Примером тому может служить некоторая  «блочность» в сильно сжатом MPEG,е и в некоторых других компрессорах.

Неестественность заключается  в первую очередь в нарушении  самых важных с точки зрения восприятия человеком характеристик изображения  — контуров. Опыт показывает, что  именно контуры позволяют человеку правильно идентифицировать тот или иной визуальный объект.  
Отметим также, что все широко используемые видеокомпрессоры используют технологии сжатия с потерями качества. При различных значениях ФКС может дать на выходе качество видео как без потерь с точки зрения восприятия, так и с неестественными потерями.

Методы сжатия также  содержат два различных подхода  к стандартам сжатия: сжатие статического изображения и сжатие видео.

Методы компрессии статического изображения.

Все стандарты сжатия статического изображения направлены на обработку одного единственного образа. Самый известный и широко распространенный стандарт - JPEG.

JPEG – сокращение от Joint Photographic Experts Group (Объединенная Фотографическая Группа Экспертов) – качественный и очень популярный стандарт для статических изображений, который поддерживается практически всеми современными программами. Для просмотра JPEG файлов достаточно стандартных Web-браузеров, которые осуществляют их декомпрессию и отображение на мониторе.

При JPEG компрессии могут использоваться различные уровни сжатия, устанавливаемые пользователем, которые определяют насколько изображение должно быть сжато. Выбранный уровень непосредственно связан с качеством картинки и размером файла.  
На степень сжатия (размер файла) помимо уровня сжатия непосредственно влияет и само изображение. Например, размер файла с изображением белой стены будет относительно невелик и иметь более высокую степень сжатия, в то время, размер файла, с тем же самым уровнем сжатия, отображающий сложную сцену с большим количеством деталей и цветовых переходов, будет иметь больший размер с более низкой степенью сжатия.

Некоторые основные принципы JPEG компрессии:

• Чем больше изображение, тем больше данных оно содержит.
• Чем выше уровень сжатия, тем меньше данных сохраняется и тем более «размытым» становится изображение.
• Чем больше деталей на изображении, тем больше требуется данных для их сохранения. Например: красочное изображение дерева содержит значительно больше данных чем изображение однотонной стены.

Ниже приведены примеры JPEG изображений с различными уровнями детализации. Ветви деревьев состоят из большого количества деталей, и соответственно для их сохранения и отображения требуется файл большего размера.

    

Примеры JPEG изображения с различными уровнями сжатия:

   

JPEG-2000

Еще один формат сжатия, разработанный  той же Группой экспертов, JPEG-2000. Он разрабатывался специально для медицинских приложений и цифровой фотографии. При низких уровнях компрессии, обработка изображения происходит аналогично формату JPEG, а при больших степенях сжатия, благодаря новым, прогрессивным, но более сложным алгоритмам, изображение получается более качественным, чем при JPEG. Из-за того, что большинство ПО, в том числе и web-браузеры, не поддерживают этот стандарт, использование JPEG-2000 сильно ограниченно.

Методы компрессии видео изображения.

MotionJPEG предcтавляет видео как последовательность JPEG кадров. MotionJPEG один из основных стандартов, используемых в сетевых видео системах. Сетевая видеокамера, подобно цифровому фотоаппарату, обрабатывает отдельные изображения, сжимая их в формат JPEG. Сетевая камера может обрабатывать несколько кадров в течении одной секунды (Axis 221 до 60 кадров в секунду), а затем, создав непрерывный поток, транслировать их в сеть. При скорости 16 кдр/сек и выше, человеческий глаз воспринимает поток образов как непрерывное видео.

Поскольку MotionJPEG представляет собой  поток отдельных JPEG картинок, его  можно сравнить с кинопленкой - каждый кадр имеет четкое изображение, качество которого определяется только уровнем  сжатия, выбранным для отдельной  сетевой видеокамеры или видео сервера.

Пример последовательности трех полных кадров JPEG:

H.263 – формат сжатия предназначенный для передачи видео с постоянной, фиксированной скоростью. Основным недостатком фиксированной скорости является то, что при движении объекта качество изображения падает. H.263 был разработан для видео конференц-связи, а не для наблюдения, где отображение деталей являются более критичным, чем скорость передачи данных.

     

MPEG

Основы разработки стандарта MPEG были заложены группой ученых из MPEG (Motion Picture Experts Group) еще в 80х годах прошлого века. Основной принцип MPEG сжатия это сравнение двух последовательных образов и передача по сети только небольшого количества кадров (так называемые I-frame или ключевые кадры), содержащих полную информацию об изображении. Остальные кадры (промежуточные кадры, P-frame) содержат только отличия этого кадра от предыдущего. Иногда применяют двунаправленные кадры (B-frame), информация в которых кодируется на основании предыдущего и последующего кадров, что позволяет дополнительно повысить степень сжатия видео. Во всех форматах MPEG используетсят метод компенсации движения.

Несмотря на большую сложность  при кодировании/декодировании видео  сигнала, MPEG сжатие позволяет значительно снизить (в разы) объемы передаваемой по сети информации по сравнению с MotionJPEG. Иллюстрация показывает, что передаются только различия между кадрами:

Естественно, это достаточно схематичное  объяснение, алгоритмы MPEG намного сложнее. При кодировании учитывается  текстура изображения, используются методы предсказания движения, квантизация  и статистическое кодирование.

Основа кодирования у группы алгоритмов MPEG общая. Основные идеи, применяемые в ходе сжатия видеоданных с ее помощью, следующие:

• Устранение временной избыточности видео, учитывающее тот факт, что в пределах коротких интервалов времени большинство фрагментов сцены оказываются неподвижными или незначительно смещаются по полю.
• Устранение пространственной избыточности изображений путем подавления мелких деталей сцены, несущественных для визуального восприятия человеком.
• Использование более низкого цветового разрешения при yuv-предеставлении изображений (y — яркость, u и v — цветоразностные сигналы) — установлено, что глаз менее чувствителен к пространственным изменениям оттенков цвета по сравнению с изменениями яркости.
• Повышение информационной плотности результирующего цифрового потока путем выбора оптимального математического кода для его описания (например, использование более коротких кодовых слов для наиболее часто повторяемых значений).

На данный момент существует три стандарта MPEG для передачи видео информации.

MPEG-1 был стандартизован и начал использоваться в 1993. Он был предназначен сжатия и хранения видео на компакт дисках. Большинство кодирующих устройств MPEG-1 и декодеров разработаны для скорости передачи данных порядка 1.5Mbit/s при разрешении CIF. Основной упор при его разработке делался на сохранении постоянной скорости передачи, при переменном качестве видео изображения, сравнимым с качеством VHS. При кодировании используется дискретно-косинусное преобразование - выполняется апроксимация внутри блока 8х8 пикселей волновыми функциями. Скорость передачи видео изображения в MPEG-1 ограничена 25 кадрами в секунду в стандарте PAL и 30 в NTSC. В данный момент этот стандарт практически не используется.

MPEG-2 был принят в качестве стандарта в 1994 для применения в высококачественном цифровом видео (DVD), цифровом телевидении высокого качества (HDTV), интерактивных носителях информации (ISM), цифровом радиовещательном видео (DBV) и кабельном телевидении (CATV). При разработке MPEG-2 усилия были сосредоточены на расширении техники сжатия MPEG-1, позволяющей обрабатывать большие изображения с более высоким качеством при более низкой степени сжатия и более высокой скорости побитной передачи данных. . Так же, как и в MPEG-1 при кодировании используется дискретно-косинусное преобразование, но обрабатываемые блоки увеличены в 4 раза - 16х16 пикселей. Скорость передачи видео изображения ограничена 25 кадрами в секунду в стандарте PAL и 30 в NTSC, так же, как в MPEG-1.

MPEG-4 – дальнейшее развитие стандарта MPEG-2. Основы разработки стандарта MPEG-4 были заложены группой ученых из MPEG еще в 1993 году, и уже к концу 1998 года произошло утверждение первого стандарта. Впоследствии стандарт неоднократно дорабатывался, в 1999 году получил официальный статус и затем был стандартизован со стороны ISO/IEC.

Целью создания MPEG-4 была выработка  стандарта кодирования, который  обеспечил бы разработчиков универсальным  средством сжатия видеоданных, позволяющим  обрабатывать аудио- и видеоданные  как естественного (снятого с помощью видеокамеры или записанного с помощью микрофона), так и искусственного (синтезированного или сгенерированного на компьютере) происхождения. Это обстоятельство кардинальным образом отличает MPEG-4 как видеостандарт от его предшественников MPEG-1 и MPEG-2, в которых эффективное сжатие данных достигается лишь применительно к естественному видео и аудио.

MPEG-4 обеспечивает необходимые средства  для описания взаимного расположения  объектов (элементов) сцены в пространстве  и времени с целью их последующего представления потенциальным зрителям в ходе воспроизведения. Разумеется, такая трактовка предполагает разделение сцены на составляющие ее объекты, что само по себе является весьма трудоемкой задачей, к которой по сути и сводится MPEG-4-кодирование. Кроме того, при разработке стандарта MPEG-4 решались проблемы обеспечения воспроизведения объектов сцены в различных условиях пропускной способности сетей передачи данных. Был разработан формат, допускающий «универсальный доступ» к мультимедийной информации с учетом возможных ограничений полосы пропускания, возникающих в сетях при самых разных условиях. Другими словами, один и тот же видеофрагмент может быть представлен с различным качеством для различных каналов в зависимости от их пропускной способности.

Поддержка формата MPEG-4 сетевыми камерами и видеосерверами Axis.

Большая часть оборудования для  систем видеоблюдения Axis может передавать живое видео одновременно в двух форматах – Motion-JPEG и MPEG-4. Это позволяет  использовать имеющиеся ресурсы с максимальной эффективностью – получать максимальное качество изображения при записи и значительно уменьшить требуемую полосу пропускания при просмотре.