Лабораторная работа №9 Исследование влияния степени сжатия видеоданных на качество изображения

1 Цель работы:

1.1 Исследовать влияние скорости цифрового потока на качество изображения.

2 Литература:

2.1 Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника. М.; Радио и Связь. 1990.

2.2 Приложение А.

2.3 Приложение Б.

3 Подготовка к работе:

3.1 Изучить влияние скорости цифрового потока на качество изображения.

3.2 Ответить на вопросы допуска к работе:

3.2.1 Перечислите виды избыточности.

3.2.2 Объясните искажения, возникающие при видеокомпрессии.

3.2.3 Укажите основные принципы сокращения потока видеоданных

3.3 Подготовить бланк отчёта.

4 Основное оборудование:

4.1 Аудиторный телевизионный комплекс АТК-1.

4.2 Генератор УЭИТ ПБ-6.

4.3 Устройство кодирующее ПБ-29.

4.4 ПК с платой нелинейного монтажа miroVIDEO DC 30.

4.5 Программное обеспечение «Vid Cap 32».

5 Задание:

5.1 Определить влияние степени сжатия видеоданных на качество изображения.

6 Порядок выполнения работы:

6.1 При выполнении лабораторной работы соблюдать правила ОТ и ТБ.

6.2 Собрать схему, изображённую на рисунке 1.

Рисунок 1- Телевизионный тракт. Схема структурная

6.3 Включить оборудование.

6.4 Запустите программу VidCap.

6.5 Выберите функцию Options и команду Video Format.

6.6 В строке Compression изменяйте степень компрессии с шагом 10, начиная с 3.

6.7 Все изменения, происходящие с изображением, фиксируйте в отчёте.

6.8 Объясните причину возникновения обнаруженных искажений.

6.9 После выполнения лабораторной работы выключить оборудование.

7 Содержание отчёта:

7.1 Наименование работы.

7.2 Цель работы.

7.3 Основное оборудование

7.4 В отчёте должны быть приведены:

7.4.1 Основные схемы.

7.4.2 Формулы для расчёта.

7.4.3 Таблицы.

7.4.4 Графики, диаграммы, характеристики.

7.4.5 Выводы и анализ полученных результатов.

8 Контрольные вопросы:

8.1 Что такое пространственная избыточность?

8.2 Какую избыточность устраняет внутрикадровое кодирование?

8.3 Какую степень компрессии допускает стандарт JPEG?

8.4 Объясните назначение буферной памяти.

8.5 Перечислите типы изображений. Какую избыточность можно сократить с их помощью?

8.6 При кодировании какого изображения скорость заполнения буфера возрастает?

8.7 Перечислите все существующие стандарты видеокомпрессии? Где они используются?

Приложение а

(информационное)

Измерение качества изображения в тв каналах с компрессией

Видеокомпрессия часто может дополняться изменением формата представления изображения, например, уменьшением частоты дискретизации и числа уровней квантования компонентов изображения. Это приводит к уменьшению разрешения и соответственно к возрастанию шумов квантования. В результате применения видеокомпрессии устраняется не только избыточность, обусловленная статистикой изображений, но и психофизическая избыточность, что связано с необратимыми преобразованиями изображения. Эти преобразования обычно не замечаются зрителем при сравнительно малых степенях компрессии, но при больших степенях сжатия они приводят к появлению артефактов - различного рода посторонних узоров и муаров на изображении, которые по своему проявлению значительно отличаются от искажений, типичных для аналогового телевидения. Ниже перечислены наиболее известные дефекты.

Искажения неподвижного изображения

Заметность шумов квантования. Эти шумы, присутствующие и в системах полноскоростного цифрового телевидения, становятся особенно заметными в системах со сжатием. Они наиболее заметны в виде ложных контуров на участках изображения с плавно меняющейся яркостью.

Потеря разрешающей способности обусловлена устранением избыточности в первую очередь в высокочастотной части спектра пространственных частот. Кодер работает на пределе средней остроты зрения человека и может иногда заходить за этот предел при нехватке битов. Мелкие детали либо размываются, либо полностью пропадают в изображении.

Б лочность- структура типа шахматной доски. Если кодеру не достаёт битов, становится видимой структура блоков ДКП. Она наиболее заметна при грубом квантовании, когда от матрицы коэффициентов дискретного косинусного преобразования остается лишь малая часть около постоянной составляющей (рисунок А.1).

Рисунок А.1- Возникнлвение блочной структуры изображения

Особенно это явление заметно на одноцветных гладких или мозаичных поверхностях или когда глаз следит за движущимся объектом. Проявляется в виде разбиения изображения на квадраты, соответствующие блокам изображения.

Эффект мозаики выглядит подобно блочности, но воспринимается как различие яркости в поле соседних блоков, а не на границе. Возникает при слишком грубом квантовании коэффициентов ДКП, когда постоянные составляющие пространственных частот в соседних блоках заметно отличаются.

Шумы типа «москито» (рисунок А.2) характерны для всех систем с ДКП и квантованием и проявляются на резких границах, например, надписях. При преобразовании из временной в частотную область влияние перепада отсчетов на границе распространяется на весь макроблок, при этом ВЧ коэффициенты квантуются более грубо, чем НЧ коэффициенты. При обратном преобразовании в отсчёты и далее в аналоговый сигнал вдоль первоначальной границы образуется характерный узор.

Рисунок А.2- Пример шумов типа «москито»

Окантовка на границах – проявляется как возникновение окантовок на резких перепадах яркости изображения. При нехватке битов, в первую очередь, обрезаются ВЧ коэффициенты, но это может повлиять на форму сигнала яркости вблизи ступеньки- вызвать колебательный процесс на вершине импульса.

Размытие цветов имеет такую же причину, что и эффект окантовки на границах, но проявляется на участках изображений с резкими скачками в сигнале цветности.

Искажения подвижного изображения при межкадровом кодировании

Артефакты, связанные с движением, такие, как подергивание или неправильное расположение блока пикселов, могут проявляться в системе, использующей усложнённый алгоритм компенсации движения или просто пропускающей кадры из-за нехватки битов.

Ложные границы. Если при компенсации движения в опорном кадре заметна блочность, она может переноситься в новый кадр со смещением относительно границ блока (из-за неточности компенсации), появляются ложные границы.

Эффект «грязного окна» проявляется в виде полосок или шумов, которые остаются неподвижными, в то время как объект движется за ними (как будто рассматриваешь сцену через грязное окно). Обычно является следствием недостатка битов для кодирования межкадровых разностей.

Неправильный цвет макроблока - отличающийся от исходного и от соседних макроблоков. Причиной может быть тот факт, что сопряжение блоков ведётся только по сигналу яркости. Опорный блок при высокой корреляции по сигналу яркости может иметь совсем другой цвет, и это отражается на цвете предсказанного блока.

Волнообразные шумы видны при медленном панорамировании по очень детализированной сцене, например, по пятну толпы на спортивном событии. Как и москито, это результат грубого квантования ВЧ коэффициентов, но движение вызывает рассеяние, и они периодически появляются как детали, движущиеся по блоку ДКП.

Эффект «привидения»- в зависимости от скорости объектов, участвующих в движении, и алгоритма поиска пропущенных макроблоков за движущимися объектами возможно образование следов («привидений»), которые могут сохраняться достаточно долго.

При производстве телевизионных программ объединяются изображения разных источников, в том числе материалы, прошедшие циклы компрессии-декомпрессии. Например, видеоматериалы, записанные по системе Digital Betacam и прошедшие цикл с мягкой компрессией 2:1. могут монтироваться с использованием системы нелинейного монтажа, использующей сжатие видеоданных 10:1. Информация по спутниковой линии связи со скоростью передачи данных 8 Мбит/с объединяется со студийными архивными материалами, записанными со скоростью 30 Мбит/с, а также с не компрессированными студийными изображениями и затем передается с использованием компрессии до 4 Мбит/с. Таким образом, перед предъявлением зрителю, телевизионная программа может пройти каскадное соединение многих систем компрессии. Каждая из систем компрессии создает свои необратимые искажения и артефакты, которые могут усиливаться или замешаться искажениями других систем. Эта проблема очень многогранна. В системах семейства MPEG используются группы изображений, что создает дополнительные сложности. При каскадировании MPEG кодеков наивысшее качество достигается в том случае, если в них используются группы изображений одной и той же длины, структуры и фазы. Можно также отметить, что качество результирующего изображения практически будет предопределяться показателями системы компрессии самого низкого уровня.