Кодирование видеоинформации

Ключевые факторы кодирования видеоинформации

Кодирование видеоинформации можно охарактеризовать тремя факторами:

• оптимизированные методы сжатия, обладающие высокой эффективностью, но связанные с появлением артефактов на определенных типах изображений, при этом тратятся существенные усилия на улучшение кодирования с целью уменьшения их визуальной зависимости;
• вычислительная сложность кодирования зачастую становится важной проблемой, в том числе и из-за роста мобильных маломощных приложений, в то время как в прошлом это считалось не столь существенным фактором и приводило лишь к необходимости учета ограничений на сложность алгоритма обработки;
• активно рассматриваются новые типы контента (трехмерное телевидение, мультивидовое видео и т.д.), при этом технологии сжатия развиваются так, что особое внимание уделяется общей эффективности кодирования, но зачастую оказывается неясным, как пользователи смогут получить доступ к этим наборам данных, и насколько хорошо сжатые форматы подходят к типичным сценариям их использования.

Помимо устранения пространственной избыточности, эффективное временное предсказание движения деталей изображения и его компенсация всегда было ключевым фактором, определяющим общий коэффициент сжатия при кодировании видеоинформации. Практически реализованные системы кодирования используют блочную оценку движения и его компенсацию, сопровождаемую блочным преобразованием изображения, квантованием и энтропийным кодированием. Даже после замены дискретного косинусного преобразования (ДКП) на его целочисленный вариант блочные технологии кодирования видеоинформации остаются подобными первоначально предложенным. Хотя очевидно, что «истинное» движение в кадре не является ни поступательным, ни блочно- постоянным, блочная природа этих алгоритмов весьма полезна в вычислительном отношении.

Последние разработки существенно не изменили способы оценки движения. Расширение коснулось изменения размеров блока, повышения пиксельной точности и новых режимов предсказания при внутрикадровом кодировании. Значительные успехи были достигнуты в создании метрик качества, которые лучше оценивают субъективно воспринимаемое (перцепционное) качество. Однако в большинстве случаев эти новые метрики были разработаны при кодировании статических изображений. Сопоставимые результаты для динамических изображений не так развиты. Развитие перцепционно ориентированных инструментов, которые включали бы временные качественные критерии, является ключевой задачей по улучшению рабочих характеристик систем кодирования видео. Заметим, что эти виды инструментов достаточно хорошо развиты для кодирования аудио.

В системах с произвольной точкой наблюдения пользователи практически всегда имеют неполный доступ к набору данных, что приводит к созданию кодеров, позволяющих декодерам обладать некоторой гибкостью. Предположим, сигналы от многих камер совместно кодировались, используя инструменты, развитые в контексте многоракурсного кодирования (MVC – multiview coding). Тогда пользователи могут изменять угол наблюдения экрана, выбирая только один из видов в потоке бит. Такие наборы данных должны позволять более комплексный доступ к видеоинформации, разрешая пользователям выбор точки наблюдения и управления произвольным образом. При этом декодеру нужно позволить использовать различные пути декодирования, каждый с различным порядком просмотра данных, таким образом соответствуя различным определениям того, что является будущим, а что – прошлым, с точки зрения цели декодирования.

Стандартизация кодирования видеоинформации

Основными организациями по стандартизации кодирования видео являются:

• ITU-T - группа экспертов кодирования видео (Video Coding Experts Group - VCEG) в Международном союзе электросвязи: телекоммуникационный сектор стандартизации (International Telecommunications Union – Telecommunications Standardization Sector - ITU-T, организация ООН, ранее МККТТ - CCITT), Исследовательская группа $16$, Вопрос $6$ (Study Group $16$, Question $6$);
• ISO/IEC - группа экспертов подвижных изображений (Moving Picture Experts Group - MPEG) в Международной организации по стандартизации и Международной электротехнической комиссии: Объединенный технический комитет $1$, Подкомиссия $29$, Рабочая группа $11$ (International Standardization Organization and International Electrotechnical Commission, Joint Technical Committee Number $1$, Subcommittee $29$, Working Group $11$).

Движущей силой создания стандартов кодирования видеоинформации являются различные приложения и развитие их аппаратного обеспечения.

Блочное гибридное кодирование является, по сути, ядром всех стандартов сжатия видео.

Гибридное кодирование комбинирует два метода: движение от кадра к кадру оценивается и компенсируется с помощью предсказания, основанного на ранее закодированных кадрах; остаточная разность после предсказания кодируется, данные декоррелируются в пространственной области посредством преобразования в $2$-D частотную (или вейвлет) область. Преобразованные данные квантуются, после чего данные энтропийно кодируются с помощью метода Хаффмана, арифметического кодера или иного метода.

После успешной разработки множества стандартов кодирования видео группа MPEG приступила к деятельности по стандартизации реконфигурируемого кодирования видео (RVC - reconfigurable video coding). Стандарт RVC предлагает базовую структуру, подходящую для построения видеокодека с помощью конфигурации средств кодирования, таким образом, способствуя динамической разработке, реализации и принятию решений по стандартизованному кодированию видео. Совершенствование и развитие современных мультимедийных систем связано не только с реализацией эффективных методов сжатия различных видов информации, но и ее передачи в реальных сетях связи и вещания, предназначенных для доставки контента телерадиовещания, видеоконференцсвязи и ряда дополнительных услуг передачи данных. Такие сети, как правило, предназначены для достижения заданных качества обслуживания и режимов передачи/приема (например, с использованием наземных, спутниковых и кабельных сетей, Интернета). В частности, цифровое телевизионное вещание в Европе основано на очень успешной серии стандартов DVB. Частотные распределения согласованы в рамках международного союза электросвязи ITU, в то время как сами сети вещания реализуются в соответствии с национальными спецификациями.

Внедрение цифрового формата осуществляется в трех основных направлениях – спутникового, наземного и кабельного вещания. Первыми, последовательно внедряемыми, были спутниковые стандарты DVB-S, а затем DVB-S2. В дополнении к этим стандартам следует добавить стандарт DVB-RCS/RCS2 (RCS – Return Channel via Satellite), обеспечивающий реализацию обратного канала на основе режима многочастотного доступа с разделением по времени (MF-TDMA) для интерактивных спутниковых услуг, а также стандарт DVB-DSNG, используемый для сбора новостей через спутники.

Для оценки соответствия качества передаваемой видеоинформации требованиям, предъявляемым к ней в различных системах и условиях передачи, а также для сравнения эффективности работы различных устройств видеокодирования и передачи видеоинформации, требуются методики и средства субъективной и объективной оценки качества видео, наблюдаемого потребителем. Эти методики должны учитывать характерные особенности и искажения как при аналоговой, так и при цифровой и смешанной системах обработки и передачи видеоинформации. В настоящее время широко дебатируются вопросы, связанные с проблемами реализации и использования различных цифровых абонентских устройств. Самым рациональным решением проблемы приема является применение компьютерных систем, содержащих соответствующие тюнеры. Эффективность использования компьютеров связана также с возможностью постепенного наращивания мультимедийных функций путем замены плат компьютеров на более совершенные и дополнения их новыми платами и программами. При этом весьма привлекательным является использование программных декодеров, что обеспечивает возможность совершенствования стандартов кодирования, не изменяющих аппаратные средства абонентов.