Videokompresija

Videokompresija

Turinys

Įvadas 3
1.Kas tai yra Kompresija? 4
2.Video kompresija 4
2.1.RLE kompresijos metodas. 7
2.2.Huffman kodavimas 8
3.Streaming File Formatai. 8
4.Video kompresijos standartai 9
4.1.H. 261 Video kodavimo standartas 10
4.2.H.263 Video kodavimo standartas 10
4.3.Skirtumai tarp H.263 ir H.261 standartų 10
4.4. MPEG Video standartas 11
5.Išvados 12
Literatūros sąrašas 13

Įvadas

Visai neseniai video vaizdai būdavo įrašomi analoginiu būdu į magnetines juostas, o skaitmeninis video saugojimas tebuvo tik ateities vizija. Šiuo metu skaitmeninis video yra paplitęs pačiose įvairiausiose srityse. Jis naudojamas filmų įrašymui, videokonferencijoms, internetinei telefonijai, ir t.t.
Atsiradus skaitmeniniui video, atsivėrė platus galimybių pasaulis. Žmogus tiesiog turėdamas kompiuterį namuose, gali sukurti savo video filmą, klipą, vaizdą ar kiita, naudodamas skaitmeninio video galimybes. Panaudojus sukurtas video redagavimų ir efektų programas, galima suteikti video vaizdui gyvybės, nepaprastų vaizdo kombinacijų. O ką jau bekalbėti apie kino kūrėjus, kurie suteikia tokių filmui efektų, kad tiesiog šokiruoja aplinkinius.
Su kiekviena diena failų dydis vis didėja ir didėja. Kietas diskas nėra begalinis netgi multi-gigabaitinio dydžio, todėl atsiranda viena iš problemų – failų kaupimas. Tačiau specialistai surado išeitį – failų kompresija. Čia atsiranda galimybė atlaisvinti dalį užimtos atminties.
Savo darbe apžvelgsiu video kompresiją, jos formatus. Supažindinsiu su esančiais viideo kompresijos standartais, pateiksiu keleta video kompresijos pavyzdžių.

1.Kas tai yra Kompresija?

Kompresija – tai fizinės duomenų apimties ar jų perdavimo laiko sumažinimas neprarandant jų naudingumo. Priklausomai nuo failo tipo ir atitinkamo kompresoriaus, suspaudimo lygis gali būti iš tiesų nepaprastas. Kopiuterio failų dydis nu

uolatos didėja ir didėja. Kietas diskas nėra begalinis netgi multi-gigabaitinio dydžio, todėl sukompresavus failus, atsiranda galimybė atlaisvinti dalį užimtos atminties.

Kompresijos technika vaidina svarbią reikšmę multimedios srityje. Kompresijos algoritmų taikymas duoda trejopą naudą:

1. Leidžia sutalpinti daugiau multimedios duomenų į tą patį fizinį diską.
2. Leidžia transliuoti multimedios informaciją mažesnės spartos ryšio kanalu.
3. Leidžia mažiau apkrauti aparatūrą, nuskaitančią saugomą įrašą.

Yra labai daug būdų, kaip suspausti multimedios duomenis. Juose naudojami visiškai skirtingi algoritmai, matematiniai metodai.

2.Video kompresija

Kompresijos formatas yra kartais vadinamas media formatu, todėl kad po ja slepiasi informacija apibūdinanti tiek audio ar video fragmentą. Kompresijos mechanizmas pavaizduotas 1.pav.

1 pav.

Žemiau pateikta 2.1 lentelė parodo video ir audio failų formatų kompresijos galimybę.

Failo Formato išplėtimas.
(tik Video/Audio ) Media tipas and pavadinimas Kompresija
T/N
.mov Quicktime Video V2.0
Galima
.mpg MPEG 1 Video Taip
.mp3 MPEG Layer 3 Audio Taip
.wav Wave Audio Ne
.aif Audio Interchange Format Ne
.snd Sound Audio File Foormat Ne
.au Audio File Format (Sun OS) Ne
.avi Audio Video Interleaved V1.0 (Microsoft Win) Galima
2.1 lentelė

Video informacijos kiekis gali būti sumažintas, panaudojus video kompresiją. Paprastai yra išskiriami 2 duomenų suspaudimo metodai:
• Prarandantys informacija – lossy;
• Neprarandantys informacijos – lossless.
Šiuo metu egzistuoja tikrai daug programinių- aparatinių priemonių darbui su video informacija. Kaip taisyklė visos priemonės yra vadinamos kodekais (CODEC, COmpressor- DECompresor). Šios priemonės naudoja vienodus arba panašius suspaudimo algoritmus. Visus kodekų naudojamus algoritmus galima suskirstyti į dvi pagrindines grupes:
1. Viduje kadrų (Intraframe);
2. Tarp kadrų (Interframe).
Interframe kodavimas naudoja raktinių (key) kadrų (frame) ir delta (d

delta) kadrų sistemą, kurių pagalba atmetama perteklinė informacija. Jei raktiniame freime yra pilna informacija, tai delta freimuose yra įrašomi tarp kadrų vykstantys pokyčiai. Taigi atkūrimo metų visa informaciją yra atkuriama raktinio freimo pagrindu.

Pav. 2 Interframe kodavimas

Intraframe suspaudimas gali būti vykdomas kiekvienam kadrui. Šio proceso metu kodekas gali naudoti įvairius metodus ir algoritmus. Pavyzdžiui RLE kodavimo metodas.

Pav. 3 Intraframe kodavimas

Tačiau ne visi kodekai naudoja bendra Intraframe ir Inter frame kodavimą. Nuo to priklauso informacijos suspaudimo koeficientas.
Blogai parinktas kompresijos algoritmas gali sugadinti duomenų vientisumą (pavyzdžiui panaudoti lossy – prarandantis informaciją algoritmą kai reikėtų lossless-neprarandantys informaciją), neduoti optimalios kompresijos, arba netgi padidinti failo dydį. Šiuo metu egzistuoja visa eilė informacijos suspaudimo metodų, kurie yra panaudojami priklausomai nuo sprendžiamo uždavinio sąlygų.
Pavyzdžiui, toks video paveikslėlio apipavidalinimas: vėliava plėvesuoja žydrame danguje, ta dalis paveikslėlio, kuri nuolatos keičiasi, laikykime vėliavos svarbiausia informacija, kurią reikia saugoti, nes ji atvaizduoja vėliavos judėjimą. Tačiau video informacija, atvaizduojanti tą plotą – žydrą dangų už vėliavos nesikeičia tarp dviejų atvaizdavimų, vadinasi nėra taip svarbu išsaugoti ar perduoti šią ne tiek svarbią – perteklinę informaciją. Informacija, kuri atvaizduoja taškus kurie besikeičia tarp apipavidalinimų turi būti išsaugoti arba perduota.
Dalis video kompresijos, kuri laiko judėjimo informaciją, tokią kaip judesio sceną, be abejonės užims didesnį duomenų kiekį, nei video dalis, ku

uri yra statiška (nejuda). Tai yra todėl, kad pastaroji video informacija yra perteklinė ir todėl yra labiau suspausta.
2.1.RLE kompresijos metodas.

RLE kompresija atlieka ilgio kodavimą Tai paprastas kompresijos metodas, kuris gali būti naudojamas betkuriam binariniam failui, nebūtinai tik video. Sakykime, kad video failo “frame” (apipavidalinimas) yra aprašomas 58 raudonais taškais ir 32 mėlynais taškais. Tai gali būti viskas aprašytas sekančiai:
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
Tai užimas 58 + 32 = 90 baitų atminties, bet tai labai neefektyvu. Tačiau mes galime užšifruoti tą patį dalyką žymiai efektyviau: 58R32B. Tai užims tik 6 baitus ir aprašys visiškai tą patį. Akivaizdu, kad tai žymiai efektyviau failams, kuriuose laikoma didelė informacija.
2.2.Huffman kodavimas

Huffman kodavimas vyksta taip: sekančiai yra pateikta eilė simbolių
BBBRRRBBBBBBRRRBBBBBBBBBBBBBBBRRRGGGBBBBBBBBBRRR
Kaip matome yra labai daug B simbolių šioje eilėje ir ne tiek daug R ir tik keletas G. Mes galime sukurti raktą. Dažniausiai pasikartojantiems simboliams tokiems kaip B yra suteikiamas trumpiausias atitikimo raktas, o tiems kurie mažiau pasikartoja atitikmuo atitinkamai ilgesnis.
X = BBB
YY = RRR
ZZZ = GGG

Tada gauname:

XYYXXYYXXXXXYYZZZXXXZZZ

3.Streaming File Formatai.

Streaming (pasileidžiantieji) failų formatai yra specialiai užšifruoti taip, kad jie turi galimybę būti paleisti jiems besisiunčiantis, vietoj to, kad laukti kol jie bus galutinai parsiųsti ir tada paleisti.Kaip dalis streaming formato yra paprastai įdėta keleta kompresijos formų. Galima paleisti keletą standartinių media failų formatų, tačiau yra kur kas efektyviau juos užšifruoti “streaming” fa

ailo formatu.
Paimkime paprastą media ar sukompresuoto failo formatą, tada užšifruokime “stream” formatu. Streaming failo formatas taip pat saugo ekstra informaciją tokią kaip laikas, kompresijos ir autoriaus informacijas.

Pav. 4 pavaizduotas “stream” kompresijos metodas
3.1 Lentelė pateikta žemiau, parodo failus užšifruotus “stream” failo formatu.
File Format išplėtimas.
(tik Video/Audio) Media tipas ir pavadinimas.
.asf Advanced Streaming Format. (Microsoft).
.rm Real Video/Audio file. (Progressive Networks).
.ra Real Audio file. (Progressive Networks).
.rp Real Pix file. (Progressive Networks).
.rt Real Text file. (Progressive Networks).
.swf Shock Wave Flash (Macromedia).
.viv Vivo Movie File. (Vivo Software).

3.1 lentelė

4.Video kompresijos standartai

Anksčiau video kompresijos standartai buvo pritaikyti video saugykloms, ir tikslui, kad būtų sutrumpintas parsiuntimo laikas, bet nepritaikyti gyvam interneto perdavimui.. Tačiau besivystant video technologijoms atsirado speciali kompresijos standartų kryptis – internetui. Naujai krypčiai kompresijos šifras reikalavo didesnio stangrumo informacijos praradimams tinkle, taip pat galimybę padidinti ar sumažinti kompresijos ar pasiųstos informacijos kiekio tempą (bitrate) vaizdo ar garso kokybės sąskaita vietoj to, kad palaikyti video transliaciją betkokiam tinklo tipui ar greičiui. Šis tipas vadinasi MBR (Multiple Bitrate Encoding). Tai reiškia kad jeigu “bandwidth” kiekis tinkle tampa labai mažas, video kokybė transliuojant tampa mažiau apsaugota. Šis procesas yra žinomas kaip “scaling” ar “stream” ploninimas.

4.1.H. 261 Video kodavimo standartas

Sukurtas CCITT (Consultative Committee for International Telephone and Telegraph) 1988-1990 metais. Sukurtas video konferencijoms, video-telefonų naudojimui per ISDN telefonų linijas. Informacijos kiekio tempas (Bit-rate) yra p x 64 Kb/sec, kur p yra nuo 1 to 30.

4.2.H.263 Video kodavimo standartas

H.263 yra laikinas ITU-T standartas, sukurtas 1995/1996 metais. Jis buvo sukurtas low bitrate communication, anksčiau buvo suprojektuota mažiau nei 64 Kbits/s, tačiau šis ribotumas buvo panaikintas. Buvo laukiama kad šis standartas bus naudojamas platesniam spektrui bitrate, ne tik low bitrate atveju. Buvo tikimasi kad H.263 pakeis H.261 daugelyje atvejų.Kodavimo algoritmas H.263 yra labai panašus į H.261, tačiau su keleta patobulinimų. Patobulintas klaidos atstatymas.

4.3.Skirtumai tarp H.263 ir H.261 standartų

• H. 263 yra naujas patobulintas standartas skirtas low bit-rate video, sukurtas kovo 1996.
• H. 261, yra naudojamas kodavimo transformacijai intra-frames ir predictive kodavimui skirtam inter-frames.
Pusės taško tikslumas yra naudojamas kaip judesio kompensacija kur H.261 naudoja pilno taško tikslumą ir grandininį filtrą.
H.263 palaiko 5 rezoliucijas. Be to formatai QCIF ir CIF kur buvo palaikomi H.261 yra SQCIF, 4CIF,ir 16CIF.SQCIF yra maždaug QCIF pusės rezoliuzijos. 4CIF ir 16CIF yra 4 ir 16 kartų atitinkamai CIF rezoliucijos.4CIF ir16CIF palaikymas reiškia, codec gali konkuruoti su aukštesnio bitrate video kodavimo standartu tokiu kaip MPEG standartas.

4.1 lentelėje yra pateikta informacija apie video formatų palaikymą

4.1 lentelė

4.4. MPEG Video standartas

MPEG tai ekspertų grupės sutrumpinimas (Moving Picture Experts Group) Ši grupė dirba audio ir video informacijos kodavimo ir suspaudimo srityje.Yra išleistų keletas standartų, kuriuos sukūrė šie ekspertai. Tai:
MPEG-1. Skirtas sinchronizuotų video vaizdų su garsu įrašymui (dažniausiai SIF formate 288×358) į CD-ROM maksimaliu greičiu 1.5 Mbit/s. Kokybiniai video duomenų parametrai apdoroti MPEG-1 standartu adekvatūs mums įprastam VHS video vaizdui. Todėl šis formatas yra skirtas pagrinde ten kur yra nepatogu ar nepraktiška naudoti standartinę analoginę video aparatūrą.
MPEG-2. Skirtas video informacijos apdorojimui pagal kokybę sulyginamos su televizijos kokybe. Duomenų perdavimo greitis nuo 3 iki 15Mbit/s. Profesionalai naudoja ir didesnius srautus. Šiuo standartu suspaustas signalas transliuojamas per televizijos palydovus, naudojamas didelių video informacijos masyvų archyvavimui.
MPEG-3. Buvo skirtas aukštos kokybės televizijos sistemoms (high –definition television HDTV) su duomenų pralaidumu 20-40 Mbit/s, tačiau vėliau tapo MPEG-2 standarto dalimi ir dabar atskirai nebeminimas.
MPEG-4. Apibrėžia darbo principus su skaitmeniniais media duomenimis: Interaktyvi multimedia, Grafinės priemonės,Skaitmeninė televizija.

5.Išvados

Kokybiškas skaitmeninis video įrašas reikalauja labai daug vietos kompiuterio diske, jo perdavimui realiame laike reikia plataus ryšio kanalo, stipriai apkraunama aparatūra, nuskaitanti video įrašą. Šią problemą išsprendžiama pasitelkus skaitmeninę video kompresiją.

• Kompresija – tai fizinės duomenų apimties sumažinimas neprarandant jų naudingumo.
• yra išskiriami 2 duomenų suspaudimo metodai:prarandantys informacija – lossy, neprarandantys informacijos – lossless
• Yra labai daug būdų, kaip suspausti multimedios duomenis. Juose naudojami visiškai skirtingi algoritmai, matematiniai metodai.
• Kompresijos algoritmų taikymas duoda trejopą naudą:
1.Leidžia sutalpinti daugiau multimedios duomenų į tą patį fizinį diską.
2.Leidžia transliuoti multimedios informaciją mažesnės spartos ryšio kanalu.
3.Leidžia mažiau apkrauti aparatūrą, nuskaitančią saugomą įrašą.
• Blogai parinktas video kompresijos algoritmas gali sugadinti duomenų vientisumą, neduoti optimalios kompresijos, arba netgi padidinti failo dydį.
• Egzistuoja video kompresijos standartai: H.261, H.263, MPEG, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-3, MPEG-4.

Literatūros sąrašas

1. What is Compression? – Nova Southeastern University School of Computer and Information Science. http://www.csi.cc.id.us/support/itc/pres2/whatis.htm
2. Digital Video- http://www.pctechguide.com/24dvid2.htm
3. MPEG: Общая информация- http://ixbt.stack.net/multimedia/mpeg4all.html

4. Video Compression – http://www.cs.sfu.ca/undergrad/CourseMaterials/CMPT479/material/notes/Chap4/Chap4.2/Chap4.2.html

5. Борзенко А., Федоров А. Мультимедия для всех. Москва, 1996.

Leave a Comment