6.2.6.Сжатие цифрового потока

Резервы для уменьшения цифрового потока без ущерба ка­честву воспроизводимого изображения, безусловно, существуют.

Телевизионный сигнал, как известно, избыточен. Различают статисти­ческую избыточность, избыточность по восприятию, структурную и спектральную избыточность [9,12]. По теории вероятностей избыточность является следствием определенных корреляционных связей. Корреляция означает, что некоторый элемент изображения более или менее существенно зависит от соседей в пространстве и во времени.

Под статической избыточностью понимают корреляционные связи между соседними (по вертикали и горизонтали) отсчетами ТВ сигнала. Сразу надо подчеркнуть, что снижение избыточности в этом случае до определенных пределов обратимо, т.е. без потерь информации. Примером такого «беспроигрышного» кодирования служит предсказание на основе дискретно-косинусного преобразования. Можно назвать и другие разностные методы.

Избыточность по восприятию связана с особенностями зрения человека. Например, цветовое разрешение нашего зрения ниже яркостного. Эта особенность учтена во всех стандартных аналоговых системах цветового кодирования. В NTSC, PAL, SECAM цветовое разрешение существенно понижено по отношению к яркостному. То же самое зафиксировано в цифровом стандарте 4:2:2, где, по определению, две цветоразностные ком­поненты представлены таким же по объему информационным массивом, что и один яркостной сигнал.

Учтивая эту способность нашего зрения к восприятию мелких деталей цветного изображения, можно в несколько раз сократить полосу частот при передаче и кодировании сигналов цветности.

Структурная избыточность – итог особенностей стандарта разложения или, по иному, преобразования изображения в ТВ сигнал. В нем, например, периодически передаются неизменные по форме элементы сигнала: гасящие импульсы строк и полей. В цифровом ТВ сигнале нет необходимости передавать эти импульсы по каналу связи, т.к. они могут быть восстановлены в декодере по опорным сигналам синхронизации. Устранение из состава цифрового ТВ сигнала гасящих импульсов строк и полей снижает скорость передачи видеоданных примерно на 23 %.

Спектральная избыточность проявляется как результат излишне высокой частоты дискретизации. Используя интерполяцию и передискретизацию определенным образом выбранных групп отсчетов ТВ сигнала, можно, в принципе, видоизменить спектральный состав и снизить частоту дискретизации. Такая обработка обычно необратима и, как правило, ведет к некоторому снижению качества восстановленного ТВ изображения. Уменьшение цифрового потока ТВ сигнала за счет сокращения избыточности в ТВ изображении осуществляется в цифровом телеви­дении путем применения более эффективных методов кодирования по сравнению с ИКМ [6]. Из всего многообразия методов цифрового кодирования в настоящее время, как показывает опыт, наибольшее распространение получают методы цифрового кодирования с предсказанием, в частности дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ) обладающая достаточной эффективностью и, в то же время, простотой практической реализации [8].

При кодировании с предсказанием вычисляется разность между истинным и предсказанным значением отсчета. Затем разность квантуется по уровню. От точности предсказания зависит среднее число бит, необходимых для передачи разностной информации. Предсказание может быть экстраполяционным. В этом случае (его часто называют предсказанием вперед) по предшествующим значениям отсчетов ТВ сигнала оцениваются последующие отсчеты. Интерполяционое (двунаправленное) предсказание означает, что оценка среднего по положению отсчета ТВ сигнала выполняется по известным значениям предшествующих и последующих отсчетов. Такое предсказание наиболее точно оценивает текущие отсчеты, однако за точность приходится расплачиваться возросшим объемом вычислений и, соответственно, памяти,  необходимой для реализации.  При этом эффект не окупает затраты.

Как уже отмечалось, предсказание выполняется по соседним с предсказываемым отсчётом, причем под соседними надо понимать отсчеты, расположенные перед и за рассматриваемым. К ним надо добавить соседей в предшествующей и последующей строках, полях и кадрах. Таким образом, возможно построчное, межстрочное, внутриполевое, внутрикадровое, межполевое и межкадровое предсказание. Это – полный набор возможных направлений корреляций. Но уже подчёркивалось, что предсказание вдоль отдельной строки по предшествующему и последующему элементу неэффективно. По этому же критерию можно отсеять и некоторые другие возможные направления.

При простейшем внутриполевом предсказании вперед предшест­вующий отсчет ТВ строки принимается как ожидаемый уровень последующего отсчета. Фактически это означает вычеркивание постоянной составляющей или, что то же самое, выделение разностной информации. Такой метод предсказания особенно эффективен, когда передаются крупные, не содержащие мелких деталей, фрагменты изображения, где яркость постоянна или изменяется медленно.

Другой способ – межкадровое предсказание вперед. В этом случае текущий отсчет оценивается по отсчету с теми же координатами, но предыдущего кадра. Это очень эффективный метод предсказания для неподвижных изображений. Ситуация усложняется, когда изображение содержит движущиеся объекты или изменятся в целом. В этом случае отсчеты, принадлежащие однотипным элементам изображения от кадра к кадру будут смещаться. Возникает разностная информация, даже если в остальном никаких изменений не происходит. Это можно ослабить, если ввести компенсацию движения. Для этого необходимо определить векторы перемещения движущихся частей изображения при последовательном переходе от кадра к кадру. Векторы движений позволяют определить положение кодируемого отсчета в новом кадре (скомпенсировать его перемещение) и, таким образом, сохранить высокую точность предсказания. Так же как и процессы дискретизации и квантования, эти методы представят предмет самостоятельного рассмотрения.