3. ИЗВОРНО КОДОВАЊЕ – КОМПРЕСИЈА АУДИО И ВИДЕО СИГНАЛА
Компресија је смањивање укупне количине аудио и видео-
података. Смањивање података (компресија података) је могуће јер слика садржи сувишне (исте) податке. Предности које доноси компресија у ТВ су: смањење фреквенцијског опсега телекомуникационог канала којим се преноси ТВ сигнал, смањење капацитета меморије која је потребна за снимање слике (меморисања слике), време приступа подацима се смањује јер се брже прескаче преко материјала, омогућен је трансфер података у реалном времену, смањује се потребна RAM меморија што појефтињује хардвер и доводи до минијатуризације хардвера у телевизији. Смањивањем броја битова мања снага је потребна за емитовање сигнала, тако на пример ако би предајник исте снаге емитовао аналогни и дигитални сигнал за пријем дигиталног сигнала потребна је антена мањег пречника.
Аналогна слика састоји се од линија. Свака линија описана је
континуалним таласним обликом. У дигиталној слици линија садржи дискретне таласне облике, а сваки такав дискретан таласни облик зове се елемент слике (пиксел). Дискретне вредности свих елемената слике квантују се са
n
битова. Број потребних битова рачуна се према
следећем изразу:
n
=log
2
(
N
) (3.1)
где N представља највећи број квантизацијских нивоа, нпр. за
N
=256
добија се да је потребан број битова
n
= 8.
1
3. Изворно кодовање: Компресија аудио и видео сигнала
Компресија је поступак смањивања броја битова, који су
коришћени за кодирање појединих елемената слике. Степен компресије (CR-Compression Ratio) дефинише се као однос броја битова по елементу оригиналне слике и броја битова по елементу компримоване слике, односно то је однос између брзине преноса изворног сигнала и брзине преноса компримованог сигнала, или однос величине оригиналне слике подељен са величином компримоване слике.
Ако претпоставимо да је број битова по елементу оригиналне
слике 16, а компримоване слике 2 бита по елементу слике, степен компресије је
1
:
8
1
8
2
16
CR
(3.2)
У дигиталној телевизији препоруком ITU-R BT.601 прописани су
параметри за дигитални видео-сигнал са компресијом и без компресије. Степен компресије не сме бити велики, јер доводи до изобличења у реконструисаном сигналу. Постоје разни начини компресије, који уз исти степен компресије дају различити квалитет сигнала. За одређивање најбољег односа компресије и најбоље технике користи се субјективна и објективна оцена квалитета слике.
У телевизији на предајној страни сигнал се у кодеру компримује
пре слања кроз канал, тако да се смањује потребна брзина преноса сигнала, а на пријемној страни у декодеру се компримовани сигнал враћа у изворно стање поступком декомпресије, Слика 3.1. Једним именом кодер и декодер називају се кодек. Кодек представља алгоритам за компресију и декомпресију сигнала у реалном времену.
Слика 3.1: Преносни систем .
У радиодифузији мања брзина преноса захтева мању ширину
канала и мању потребну снагу предајника. При снимању сигнала коришћењем компресије смањује се потребан капацитет медија за чување и он је директно пропорционалан односу компресије. За
2
3. Изворно кодовање: Компресија аудио и видео сигнала
Слика 3.2: Ентропија и редунданса.
Већа ентропија значи мању редундансу. У принципу, редундансу
није уопште потребно преносити. Међутим, у реалним условима преноса, део редундансе се ипак преноси да би се омогућила реконструкција информација које су се изгубиле у преносу, тј. сигнал је отпорнији на сметње ако редунданса ипак постоји.
Поступци компресије могу бити са губицима (lossy,
нереверзибилна компресија) и без губитака квалитета слике (lossless, реверзибилна).
Компресија без губитака (lossless),
код ове компресије
не може се
постићи значајно смањење броја битова, али се не смањује ни квалитет слике. Циљ ″lossless″ технике компресије је редуковање количине информација садржане у слици (видео-сигналу), али под условом да се мора задржати квалитет оригиналне слике, тј. после декомпресије морају се добити идентични подаци као пре компресије. Слика на пријему може се потпуно регенерисати као оригинална. Заснива се на статистици података. Не уноси губитак података нити грешку.
Користи се у медицини за компресију различитих снимака код
којих би сваки губитак могао довести до неупотребљивости и нетачности. Користи се и за компресију мултимедијалних података када се жели максималан квалитет. Има врло ограничене могућности, па се чешће користи компресија са губицима. Степен компресије је ограничен и износи од 1:2 до 1:8.
Компресија са губицима (lossy)
омогућава велики степен
компресије уз неприметан пад квалитета. Проналазе се и смањују подаци који су мање значајни за људски визуелни систем. Код ове
4
Дигитална телевизија
компресије постоји разлика између изворне слике пре компресије и реконструисане слике након компресије. Ако је компресија квалитетно изведена људски визуелни систем неће приметити разлику. Приликом компресије долази до губитка података. Проналазе се подаци који се могу уклонити, али тако да њихово уклањање не утиче на изглед слике. Степен компресије износи од 2 до 100. Користи се код аудио и видео- записа, рачунарске графике и скенираних слика.
Данас не постоји
универзални стандард за компресију видео-сигнала, што представља главни проблем за његову примену у телевизијској продукцији. Уместо тога постоји знатно шаренило у примењеним методама компресије, што често доводи до некомпатибилности софтвера и опреме различитих произвођача.
Да би се обезбедила поуздана комуникација између корисника
који користе опрему и софтвера различитих произвођача извршена је стандардизација метода компресије.Тако да данас у зависности од квалитета и примене (телевизија, мултимедијални сервиси, видео- конференције, видео-телефонија и слично) постоје више стандарда (JPEG, MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, H.261, H.263, H.264 итд.).
3.2. Компресија мирних слика
Међународна организација за стандарде ISO (International
Organization for Standardization) и међународно телекомуникацијско удружење
-
сектор
телекому-никација
ITU-T
(International
Telecommunication Union - sector Telecommunications) основали су 1986.г. JPEG групу (Joint Photographers Experts Group) која је имала за циљ да осмисли алгоритме компресије мирне слике који ће бити упоредиви и компатибилни са у том тренутку постојећим алгоритмима на тржишту. Предло-жени алгоритми требало је да буду примењиви на сваку врсту дигиталних слика, без обзира на резолуцију и начин представљања боја. Нису смели да буду превише рачунски компликовани, тако да су могли да се имплементирају са прихватљивим перформансама, како у хардверу тако и у софтверу. Предложени алгоритми морали су да узму у обзир зависност између сјајности суседних тачака, статистичку сувишност између слика, карактеристике људског вида, савремене
5
Дигитална телевизија
)
,
(
y
x
f
представља дискретну вредност елемената слике у блоку са
координатама
xy
, према Слици 3.3. Блок 8x8 сматра се идеалним за
дискретну косинусну трансформацију.
Као резултат DCT-а настаје матрица са вредностима
трансформацијских коефицијената
)
,
(
v
u
F
и координатама
uv
. C(u) и C(v)
су константни чланови и износе:
0
,
,1
0
,
,
2
1
)
(
)
(
v
u
v
u
v
C
u
C
za
za
(3.5)
Слика 3.3: Улазни и излазни параметри DCT трансформације.
Код JPEG - а се користи квадратна матрица величине 8x8
елемената слике. Ако у претходним изразима уврстимо
8
N
M
, добија
се коначан израз за DCT трансформацију:
7
0
7
0
16
)
1
2
(
cos
16
)
1
2
(
cos
)
,
(
4
)
(
)
(
)
,
(
x
y
v
y
u
x
y
x
f
v
C
u
C
v
u
F
(3.6)
и коначан израз за инверзну DCT трансформацију:
7
0
7
0
16
)
1
2
(
cos
16
)
1
2
(
cos
)
,
(
4
)
(
)
(
)
,
(
u
v
v
y
u
x
v
u
F
v
C
u
C
y
x
f
. (3.7)
Слика 3.4 показује основне таласне облике 8x8 DCT трансформације,
при чему место таласног облика на слици одговара месту коефицијента у DCT блоку.
