Стандарты mpeg -1 и mpeg -2

Стандарты сжатия движущихся изображений MPEG (Moving Picture Expert Group) разрабатываются и принимаются имеющей такое же название группой экспертов при Международной организации стандартизации ISО. Стандарт МРЕG-1, используемый в основном при записи видеопрограмм на компакт-диски, был окончательно утвержден в 1993 г., а стандарт МРЕG-2, пред­назначенный в первую очередь для телевизионного вещания, был принят в ноябре 1994 г.

Стандарты МРЕG-1 и МРЕG-2 имеют много общего, но между ними есть и различия. В данном разделе в основном излагается содержание стандарта МРЕG-2, и указываются его отличия от МРЕG-1.

Кодирование и декодирование движущихся изображений

Метод кодирования движущихся изображений, используемый в стандартах МРЕG-1 и МРЕG-2, называется гибридным, так как в нем сочетаются внутрикадровое (intraframe) кодирование, направленное на уменьшение в основном пространственной избыточности в отдельных кадрах, и межкадровое (interframe) кодирование, с помощью которого уменьшается избыточность, обуслов­ленная межкадровой корреляцией. Использование межкадрового кодирования позволяет получить существенно большую степень сжатия движущегося изо­бражения, чем при раздельном сжатии отдельных кадров по методу JPEG.

Внутрикадровое кодирование содержит операции, во многом аналогичные ис­пользуемым в методе JPEG, т.е. поблочное дискретное косинусное преобразо­вание, квантование и кодирование с переменной длиной кодовых слов. Межкад­ровое кодирование содержит операции оценки и компенсации движения и коди­рования с предсказанием. Сущность этих операций будет изложена ниже.

Целые кадры и фрагменты кадров могут кодироваться с применением со­вместно межкадрового и внутри кадрового методов (для краткости этот случай далее называется просто межкадровым кодированием) или только с примене­нием внутри кадрового кодирования.

Группы изображений

Изображением (picture) в стандартах МРЕG-1,2 может быть как целый кадр, так и одно из полей кадра. Далее для упрощения изложения термин «кадр» ис­пользуется вместо термина «изображение» везде за исключением подраздела, в котором специально говорится о кадровом и полевом режимах кодирования.

Последовательность кадров делится на группы, называемые GОР (Group Of Picture). В группе есть кадры трех типов:

- I-кадры (intraframe - внутри кадровые), которые передаются только с внутрикадровым кодированием и являются опорными для декодирования осталь­ных кадров группы, обеспечивая возможность начала декодирования и воспро­изведения принятого ТВ-сигнала практически в любой момент времени;

- Р-кадры (Predictive - предсказанные), при передаче которых используется межкадровое кодирование путем предсказания с компенсацией движения по ближайшему предшествующему I-кадру или Р-кадру (как будет пояснено далее, некоторые фрагменты Р-кадра могут кодироваться без предсказания с помо­щью внутри кадрового кодирования);

- В-кадры (Biderectional - двунаправленные), которые передаются с межкад­ровым кодированием путем предсказания с компенсацией движения по бли­жайшим к ним как спереди, так и сзади I-кадрам и Р-кадрам, а сами не могут использоваться для предсказания других кадров (некоторые фрагменты В-кадра могут кодироваться внутри кадровым методом).

Рассмотрим пример последовательности кадров.

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
I	B	B	P	B	B	P	B	B	P	B	B	P	B	B	I	B	B	P	B

Здесь кадры с 1 по 15 образуют группу кадров. Количество кадров в группе может быть и другим, но она всегда начинается с I-кадра. Р-кадр 4 предсказы­вается по I-кадру 1, Р-кадр 7 - по Р-кадру 4, Р-кадр 10 - по Р-кадру 7 и т.д. I-кадр 16 передается с внутрикадровым кодированием независимо от всех предшествующих ему кадров. B-кадры 2 и 3 предсказываются по I-кадру 1 и по Р-кадру 4, B-кадры 5 и 6 - по Р-кадрам 4 и 7 и т.д. B-кадры 14 и 15 предсказы­ваются по I-кадру 16 и по Р-кадру 13. Перед кодированием порядок следования кадров изменяется, так как каждый В-кадр должен идти после обоих кадров, по которым он предсказывается. Для перестановки кадров необходимо ЗУ с объ­емом минимум на 4 несжатых кадра.

1	4	2	3	7	5	6	10	8	9	13	11	12	16	14	15	19	17	18	22
I	P	B	B	P	B	B	P	B	B	P	B	B	I	B	B	P	B	B	P

В таком порядке кадры кодируются и передаются, а в процессе декодирова­ния восстанавливается исходный порядок кадров, для чего тоже требуется ЗУ на несколько кадров.