Оптимизация микширования MPEG2 видео сигналов

Первый слайд:

Добрый день, меня зовут Суханов Александр, вашему вниманию я хочу предоставить доклад на тему “Оптимизация микширования MPEG2 видео сигналов”

Современное общество использует цифровой вид представления информации во многих сферах жизнедеятельности. Большой объем информации требует большой пропускной способности каналов передачи данных. На данный момент существующие каналы не справляются с требуемым трафиком. Следовательно, задача сжатия данных является актуальной во многих приложениях обработки и передачи информации.

В сфере сжатия видео разработано большое кол-во стандартов, которые позволяют достичь коэффициента сжатия, наиболее близкого к максимальному. Ценой за высокие показатели сжатия является трудоёмкость алгоритмов, и, следовательно, их высокая требовательность к вычислительным ресурсам.

Растущие объемы данных и развитие сервисов информационных цифровых ресурсов также накладывают дальнейшие ограничения на работу алгоритмов - работа в реальном времени. Телевидение, видеоконференции, редактирование видео требуют обработки информации наиболее быстрым способом. Такие требования послужили толчком к развитию направления в разработке программного обеспечения, которое сейчас востребовано на рынке софтверных услуг, – оптимизация программ. Множество компиляторов, операционных систем, типов процессоров и периферийных устройств накладывают специфические условия на процесс оптимизации программ. Так называемая, универсальная оптимизация (алгоритмическая), хорошо описанная в научной литературе дает недостаточные результаты, все больше становится востребованная контекстная оптимизация, под определенный тип процессора, кэша, памяти, набор инструкций и т.д.

Сегодня я хочу продемонстрировать вам реализацию оптимизации системы микширования, которая включает в себя как алгоритмическую оптимизацию так и специфическую.

Второй слайд

Под микшированием понимают наложение дополнительной информации на основное изображение. К простому микшированию относят наложение статической текстуры несложной формы, которая имеет относительно небольшой размер. В качестве примера можно привести логотип телеканала или текстовый перевод передачи, идущей на иностранном языке.

Третий слайд

К сложному микшированию относят наложение динамического изображения, которое имеет сложную текстуру, сложное  движение, а также занимает до 30 процентов площади основного кадра. Данный тип микширования все больше набирает популярность в современном телевидении и чаще всего примеры его использования  можно наблюдать на развлекательных каналах, а также на каналах, специализирующихся на новостях, типа CNN.

Четвертый слайд

В аналоговом телевидении данные системы микширования давно разработаны и успешно функционируют. Как известно, сейчас на стандарте MPEG2 построены все системы цифрового спутникового телевидения. Следовательно, для того, чтобы включить данную систему микширования необходимо на входе поставить декодер MPEG2, а на выходе кодер, который будет кодировать обратно измененный сигнал. После таких модификаций по идее данная система должна была успешна заработать.

Пятый слайд

В первом варианте так и было сделано. Но после тестирования выяснилось, что данная система обладает двумя недостатками. Во-первых, ухудшается качество изображения, это связано с тем, что MPEG2 относится к классу стандартов сжатия с потерями информации. Повторное сжатие всегда вносит дополнительные шумы в сигнал. Во-вторых, получившаяся система оказалось очень требовательной к ресурсам.

После выявления вышеописанных проблем мне была поставлена задача устранить или свести к минимуму данные недостатки. Прежде чем я расскажу о том, как они были решены, я сделаю краткий обзор стандарта MPEG2.

Шестой слайд

Стандарт MPEG2 был разработан на основе MPEG1. Работа над ним началась сразу после выхода MPEG1 и завершилась в 1995 г. MPEG2 является эволюционной доработкой старого стандарта для обеспечения новых возможностей техники и новых требований заказчиков. MPEG2 предназначался для обработки видеоизображения, соизмеримого по качеству с телевизионным вещательным, при пропускной способности каналов передачи данных от 3 до 15 Мбит/с. Стандарт был предназначен для использования в спутниковом телевидение, которое способно предоставить такую полосу пропускания.

В октябре 1995 года через телевизионный спутник "Pan Am Sat" было реализовано первое 20-канальное цифровое ТВ-вещание, использовавшее стандарт MPEG2. Спутник осуществлял вещание на территории Скандинавии, Ближнего Востока и Северной Африки.

На стандарте MPEG2 сейчас построены все системы цифрового спутникового телевидения, в частности, система "НТВ+".

В MPEG2 усовершенствование коснулось практически всех этапов "упаковки"; более того, появились операции, ранее не применявшиеся. Это позволило иметь возможность гибкой настройки качества изображения в зависимости от пропускной способности сети или емкости носителя. Это, в частности, и сделала MPEG2 основой для приема/передачи цифрового телевидения по различным цифровым сетям.

Кратко рассмотрим принцип кодирования. Исходный кадр разбивается на квадраты размером 16x16, которые называются макроблоками.

Восьмой слайд

Для каждого макроблока определяется вектор предсказания движения – это смещение наиболее похожего квадрата 16x16 на предыдущем или последующем кадре относительно текущего макроблока на текущем кадре. В случае если вектор не найден – макроблок кодируется как опорный (без предсказания движения).

Девятый слайд

На данном слайде представлены найденные кодером вектора предсказания движения, это красные отрезки на изображении.

Десятый слайд

Далее вычисляется ошибка предсказания – разница между текущим макроблоком и макроблоком на предыдущем фреймы, смещенным по значению вектора предсказания движения.

Одиннадцатый слайд

макроблок, который имеет размер 16x16 разбивается на блоки 8x8 и к каждому блоку применяется ДКП.

Ниже представлен пример применения ДКП к конкретному блоку.

Двенадцатый слайд

Полученные ДКП коэффициенты квантуются с использованием матриц квантования и дополнительного квантователя по следующей формуле. Значение дополнительного квантователя определяется модулем кодера – рейт контролом. Этот модуль ответственен за удержание заданного битрейта.

Тринадцатый слайд

Квантованные коэффициентов.