Сокращение временной избыточности цифровых сигналов в системе вещательного телевидения

13.05.2017

Сокращение временной избыточности цифровых сигналов в системе вещательного телевидения

На базе исследования межкадровых корреляционных связей в типичных для вещательного телевидения сюжетах рассмотрены
вопросы сокращения временной избыточности цифровых телевизионных сигналов.

На базе исследования межкадровых корреляционных связей в типичных для вещательного телевидения сюжетах рассмотрены вопросы сокращения временной избыточности цифровых телевизионных сигналов. Даны рекомендации по построению адаптивных устройств кодирования динамических изображений для цифровых телевизионных систем.

Телевидение вещательное, сокращение избыточности, цифровые сигналы, кодирование, качество изображения.

Изучение статистики последовательности изображений, передаваемых по телевидению в видеотелефонии и для видеоконференц-связи, показывает, что данные изображения обладают высоким уровнем межкадровой корреляции. При этом коэффициенты корреляции часто оказываются большими, чем для соседних элементов в кадре.

• кодирование с преобразованием, позволяющее осуществить пространственную декорреляцию исходных отсчетов сигнала изображения и обеспечить физиологически обоснованное частотно-зависимое квантование спектральных отсчетов;

• статистически согласованное кодирование, использующее принципы RLC (run-length coding один из видов группового кодирования) и VLC (variable length coding — кодирование переменной длины).

Принципы компенсации движения. В процессе развития сюжета отдельные объекты передаваемой сцены перемещаются в плоскости кадра вследствие собственного движения, перемещения камеры или масштабирования [4]. Рассматривая динамику изображения, следует учитывать, что время от времени происходит смена сюжета. При этом изменения могут быть глобальными, т. е. во всем кадре (например, при переключении сюжета передачи с одной камеры на другую), или локальными, охватывающими лишь несколько ограниченных участков растра, что может быть связано со скачкообразными перемещениями объектов в сюжете, резкими изменениями их яркости или другими причинами.

Значительное распространение в настоящее время получил метод гибридной обработки динамических изображений, бази-
рующийся на использовании анализа движения внутри трехмерного блока (с учетом оси времени) и на двухмерном групповом кодировании в пространстве [5]. Данный метод позволяет осуществлять так называемую компенсацию движения — ставить в соответствие предыдущему по времени двухмерному блоку блок, смещенный в следующем кадре на величину, определяемую вектором, компонентами которого являются смещения Ai, Aj (i, j — порядковые номера элементов изображения). Этот вектор принято называть вектором движения. Таким образом, удается учесть перемещение объекта в изображении за время At кадра.

При этом если А/ и Aj — целые числа, то b (i +Ai, j +Aj, t + At) = b (i, j, t), где b — яркость. Точное равенство, естественно возможно лишь при условии, что движение объекта исчерпывается плоскопараллельным смещением,его освещенность неизменна, градиент яркости фона за время At отсутствует и все объекты в блоке перемещаются с одной и той же скоростью.

Компоненты вектора движения могут быть нецелочисленными, т. е. в общем случае приходится решать задачу минимизации меры различия анализируемых блоков:

min = Е D[b(i + Di, j + Dj, t + Dt)-b(i, j, t)] (1)

где мера корреляции блоков (displayed frame difference — DFD) D(Ab) может быть произвольной.

Как правило, используют DFD квадратичную D(Ab) = (At)² или абсолютную D(Ab) = \ (At) \.

В соответствии с форматом MPEG-2 изображение разбивается на блоки размером 16 x 16 элементов — макроблоки. Каждый
элемент изображения макроблока в кадре к сравнивается с соответствующими элементами изображения макроблоков кадра (к + 1), принадлежащих некоторой зоне поиска Согласно алгоритму формата MPEG-2, эта зона выбирается вокруг анализируемого макро-блока, но в кадре (к + 1). Размер зоны поиска обычно ограничивается аппаратными затратами. Как правило, он составляет 48 x 48 элементов изображения.

С точки зрения уменьшения аппаратных затрат, выбирают абсолютную DFD. Значения Ai, Aj, удовлетворяющие (1),принимаются за величины межкадрового смещения блока. С учетом этих смещений вычисляется разность блоков между соответствующими элементами изображения, и разностный блок кодируется в соответствии с форматом MPEG-2.

Мера корреляции блоков DFD и длина выходного кода. Анализ литературы показывает, что длина выходного кода зависит от содержания изображения [6]. Нами использовались изображения,которые по характеру яркостной картины условно можно отнести к следующим:

• крупный план;

• изображения с множеством мелких деталей;

• изображения, содержащие области со значительными гради-
  ентами яркости (условно-контурные).

По характеру движения использовались видеопоследовательности, содержащие различные виды динамики (случайные пере-
мещения, масштабирование, панорамирование) Примеры измерений и результаты статистической обработки приведены далее.

Рассмотрена зависимость размера выходного кода от абсолютной меры DFD. Моделирование производилось с использова-
нием статических тестовых изображений. Для этого каждый макроблок сравнивался со всеми блоками изображения, поэтому можно было считать, что он сравнивался с набором случайных макро-блоков. Задача состояла в определении корреляционной связи между DFD и размером выходного кода.

Алгоритм обработки видеопоследовательности в соответствии с форматом MPEG-2 предусматривал перенос этой процедуры из временной области в частотную.

Зигзагообразное считывание коэффициентов и статистическое кодирование реализовывались при помощи алгоритма RLC-VLC, т. е. наиболее вероятные символы кодировались короткими кодовыми словами, а наименее вероятные-длинными.

Для исследования длины выходного кода при кодировании разностного макроблока, полученного вычитанием сигналов соот -
ветствующих элементов изображения макроблока в кадре к и макроблока в кадре (к + 1), строилась программная модель. При моделировании алгоритм обработки изображения полностью соответствовал алгоритму обработки в кодере MPEG-2. Каждый макроблок сравнивался со всеми макроблоками изображения, вычислялись \а\ — DFD и L — длина кода (code length — CL) для каждой пары макроблоков. Анализ производился. Для различных значения фактора квантования: F = 1... 62.

Графики, отражающие указанные процессы, представлены в виде двумерных гистограмм (рис. 1 а, б), на которых N — количест во событий с данным значением длины кода L и DFD — \а \. Максимальное значение для одного элемента гистограммы ограничено числом N = 255. Графики для изображения крупного плана (портрет) (рис. 1 а) и мелкоструктурного изображения (рис. 1 б) построены для фактора квантования F = 1, дающего коэффициент деления Q = 2, на который делятся трансформанты [1]*.

Обработка и анализ полученных результатов показывают:что наблюдается положительная корреляция между DFD и CL, имеющая нелинейный характер;

корреляция между значениями DFD |Д| и размером выходного кода L мала, причем как при больших значениях |Д|, так и при малых: это видно по ширине разброса значений L при фиксированном значении |Д|;

• для изображения с множеством мелких деталей размер выходного кода увеличивается, о чем свидетельствует смещение максимума L в сторону больших значений;

Для оценки коэффициента корреляции между значениями длины кода и разности суммы модулей использовали методику,изложенную в [6]. Коэффициент корреляции между двумя случайными величинами R |₄| _х рассчитывался по формуле для простой нелинейной корреляции при сгруппированных данных.

 Переменная |д| являлась зависимой переменной, a L — объясняющей; при этом учитывалось, что R |д| ,_L ф R _L, |д|. Верхний предел для |Л| ограничивался значением 4096. Полученные результаты иллюстрируются рис. 2.

Коэффициент корреляции рассчитывался для трех типов изображений: изображение крупного плана — «портрет» (рис. 2 а и б,кривые I); мелкий план — «высокочастотное изображение» (рис. 2 а и б, кривые 2); средний план — изображение с ярко выраженными контурами (рис. 2 а и б, кривые 3).

Кривые на рис. 2 а отображают зависимость коэффициента корреляции от фактора квантования, принимающего значения

F = 1... 30 при фиксированном радиусе зоны поиска, равном 16 элементам изображения. Кривые на рис. 2 б отображают зависимость коэффициента корреляции от радиуса зоны поиска, принимающего значения 0... 16 элементов изображения при фиксированном факторе квантования F = 5 .

Анализ полученных экспериментальных данных показывает:

• что коэффициент корреляции имеет значение, близкое к единице, только для изображения, насыщенного мелкими деталя-ми, но при этом средняя длина кода выходного потока довольно высока, т. е. можно отметить, что в данной ситуации сжатие будет минимальным. Иными словами, хотя коэффициент корреляции и высок, выигрыш от использования векторов движения для такого рода изображения будет мал;

• для мелкоструктурного изображения (рис. 2 а, кривая 2) коэффициент корреляции резко падает при увеличении F. Это обусловлено тем, что при увеличении фактора квантования высокочастотные коэффициенты обнуляются, и длина кода резко падает независимо от того, имеют ли высокую или малую корреляцию два сравниваемых блока;

• для контурного изображения (рис. 2 б, кривая 3) и изображения типа «портрет», включающего значительное число фрагментов с большими градиентами яркости (рис. 2 б, кривая 1), зависимости имеют одинаковый характер. Они свидетельствуют о довольно низком коэффициенте корреляции даже при минимальной зоне поиска (1 элемент изображения). При факторе квантования F = 1... 10 коэффициент корреляции имеет приемлемое значение

1. 8... 0.9, т. е. с довольно большой вероятностью по значению DFD можно прогнозировать размер выходного кода. Но следует учесть, что графики построены при ограниченном значении DFD |Д| = 4096. Как видно из рис. 1, при малых значениях |Д| разброс длины кода L незначителен.
   

2. Эффект от использования векторов движения будет максимальным на крупно-структурных сюжетах — с наличием контрастных границ, контуров, переходов и т. д.

3. При проектировании аппаратуры целесообразно включать схему выделения контуров и поиск движения производить только дня макроблоков, в которых присутствуют контура. В этом случае можно существенно увеличить зону поиска векторов движения.

Литература

1. Быков P. E. О временной декорреляции телевизионных сигналов //Радиоэлектроника. Изв. вузов России, 2000. - Вып. 2. - С. 80-36.

2. Быков Р. Е. Теоретические основы телевидения. - СПб.: Лань,1998. - 282 с.

3. Статистический анализ качества изображений MPEG-2 для телевизионного вещания / Е. Накасу, К. Аски, Р. Яджима и др. // Техника кино и телевидения. - 1997. - J№ 3. - С. 24-27.

4. Ферстер Э., Ренц Б. Методы корреляционного и регрессионного анализа М: Финансы и статистика, 1983. - 302 с .

5. Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений / Под ред. Ю. Б. Зубарева и В П. Дворковича.

Теги: коррекция, корреляция, матрица, растр, абдативные устройства
234567 Начало активности (дата): 13.05.2017 17:11:00
234567 Кем создан (ID): 645
234567 Ключевые слова:  коррекция, корреляция, матрица, растр
12354567899