3.3. Степень сжатия, качество изображения и скорость цифрового потока

Степень сжатия изображения равна результату деления скорости входного цифрового потока на скорость выходного. Чем больше коэффициент сжатия, тем больше теряется информации при компрессии, и тем меньше скорость компрессированного потока. Таким образом, степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшилась скорость потока в результате компрессии. Совре­менные кодеры сжимают изображение более чем в 100 раз.

Для цифрового телевидения стандартной четкости (SD — Standard Definition) при современных методах компрессии достаточно скоростей от 2 до 5 Мбит/сек. Для высокой четкости (HD — High Definition) от 4 до 15 Мбит/сек и более.

Чем меньше скорость компрессированного видео, тем хуже качество изобра­жения. Но следует иметь в виду, что эта зависимость не так однозначна. Чем больше динамика изображения и чем больше на изображении мелких дета­лей, тем сложнее оно поддается компрессии.

Например, для спортивного телеканала необходима большая скорость ком­прессированного видео, чем для канала телесериалов при одном и том же ка­честве телевизионной картинки (рис. 3.1 и 3.2). Однозначных рецептов по настройке кодирующих устройств не существует и оптимальную скорость компрессии выгоднее искать опытным путем.

Скорость потока не обязательно должна быть постоянной. Кодирующие уст­ройства могут выбирать скорость в зависимости от содержания изображения. Если скорость постоянна, то такой режим работы кодера называют работой с постоянным битрейтом (constant bitrate — CBR), если скорость переменна, то работой с переменным битрейтом (variable bitrate — VBR).

В цифровом телевидении используются потоки как с постоянным, так и с переменным битрейтом. Однако колебания битрейта не должны быть слиш­ком велики, поскольку это может усложнить мультиплексирование или при­вести к неправильной работе буфера декодера.

Рис. 3.1. Скорость потока: 2 Мбит/сек. Быстрые движения — меньшая избыточность, худшее качество компрессированного видеоизображения

Скорость потока может также регулироваться внешними устройствами. Например, мультиплексором при статистическом мультиплексировании (см. разд. 5.23).

3.4. Потери при компрессии

Компрессия видео может выполняться как с потерей информации, так и без потерь. Например, если вы заархивируете видеофайл архиватором Rar, пере­несете его на другой компьютер и разархивируете, то видеофайл восстано­вится точно в том же виде, в котором был — бит в бит, т. е. потери информа­ции не произойдет.

Однако при этом вам не удастся сжать файл достаточно сильно. Поэтому в цифровом телевидении используется компрессия с потерей информации. В этом случае декодированное абонентским устройством изображение не идентично изображению на входе кодера — оно всегда несколько хуже. Зато в случае, если сжатие производится с потерями, изображение можно сжать в значительной степени и сэкономить на дорогостоящих каналах связи.

Вопрос не в том, сколько информации потеряно при компрессии. Вопрос в том, насколько это заметно зрителю. В любом случае, инженерам цифрово­го телевидения приходится искать компромисс между пропускной способно­стью каналов связи и качеством компрессии. Для оценки количества потерь используются специальные алгоритмы, называемые метриками.

Вопрос оценки качества не так прост, поскольку необходимо учитывать по­тери в канале связи, а на глаз не всегда можно отделить потери в канале связи от потерь при компрессии.

Потери в канале связи проявляются в виде "квадратиков" на изображении, полной потери или "размыва" части изображения, пропадания элементов движущейся части изображения. Например, если показывается несколько человек и у одного из них вдруг пропадает или искажается голова, то это сбои в канале связи (а точнее — потеря информации о движении, см. далее).

В случае, если канал связи идеальный (рис. 3.2) и не вносит никаких ошибок в передаваемый сигнал, то потеря информации при видеокомпрессии зависит от степени сжатия. Чем выше степень сжатия, тем больше потеря информа­ции, и тем заметнее эта потеря.

Визуальные проявления потери информации при компрессии называются артефактами компрессии (рис. 3.3). Артефакты компрессии выглядят как:

• шум на малоконтрастных областях:

• шум при использовании монтажного приема "микс", когда одно изобра­жение плавно переходит в другое;

Рис. 3.2. Скорость потока: 2 Мбит/сек. Неподвижное изображение — максимальная избыточность, наилучшее качество компрессированного видеоизображения

Артефакты компрессии на быстродвижущемся изображении (контуры, размытые точки и т. п.)

Рис. 3.3. Пример артефактов компрессии

• шум по всему изображению на монтажных стыках;

• легкое двоение на границах участков с разным контрастом ("контуры");

• появление мелких деталей произвольной формы на границах участков с разным контрастом (иногда только этот дефект называют "артефактами компрессии");

• различие в яркости и контрасте в форме небольших квадратов, имеющих четкую границу ("блокинг");

• размытость деталей, снижение контраста и глубины цвета на некоторых областях или на всем изображении ("пластмассовое изображение").

Как правило, если используется хороший кодер, артефакты компрессии прак­тически незаметны. Кроме того, заметность артефакта компрессии зависит от угла, под которым зритель видит телевизионный экран. Если смотреть теле­визор с размером диагонали 72 см с расстояния 2 м, то очевидно, что замет- ность артефактов компрессии будет выше, чем на телевизоре с диагональю экрана 54 см.