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Introducción a la compresión de video bajo el estándar MPEG-2. - PDF
Introducción a la compresión de video bajo el estándar MPEG-2.
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Elisa Crespo Vega
1 Introducción a la compresión de video bajo el estándar MPEG-2. Monografía para el curso de Codificación de Imágenes y Video. Instituto de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería. Noviembre de 2002 Victor Paladino
2 Contenido Introducción general...2 Sección 1: Introducción a MPEG Pag 1.1 Por que es necesaria la compresión? Introducción a la compresión de video...3 Sección 2: ISO/IEC , MPEG-2 Video 2.1 Codificación espacial o temporal? Codificación espacial Ponderación Scanning Codificación entropica Un codificador espacial Codificación temporal Compensación de movimiento Codificación bidireccional Imágenes I, P y B...14 Sección 3: Lo nuevo en MPEG-2 Introducción Perfiles y Niveles Perfiles escalables Reparto de datos en MPEG Video entrelazado Entrelazado y Pulldown 3: MPEG-2 y el video entrelazado Exploración (Scanning) Entrelazada o progresiva? Consecuencias del entrelazado Codificación de Mobile Codificación de Mobile como entrelazada Codificación de Mobile como progresiva...24 Sección 4: ISO/IEC , La capa de sistema de MPEG-2 Resumen Sobre la notación Unidades de presentación y unidades de acceso Elementary Streams (Cadenas Elementales) Sintaxis del Video Elementary Stream Audio Elementary Stream Cadenas elementales paquetizadas (PES)...31
3 4.4.1 Paquetes PES Time Stamps PTS/DTS Cadenas de Programa (Programme Streams) Grabación vs Transmisión La Cadena de Transporte (Transport Stream) El header del paquete de transporte Información Especifica de Programa (PIS) The Programme Map Table (PMT) The Programme Asociation Table (PAT) The Network Information Table (NIT) The Conditional Access Table (CAT) Otra información especifica de programa Como demultiplexar MPEG Sección 5: Referencias de Reloj...41 Resumen...43 Glosario de términos...43 Apéndice A: Estructura de los paquetes PES y la cadena de transporte...46 Apéndice B: Estructura del pack header y el system header de un pack, componentes de una cadena de programa de MPEG Apéndice C : Submuestreo del canal de croma...50 Apéndice D : Un compresor MPEG...51
4 La aplicación primaria de MPEG-2 fue la transmisión digital de señales de TV con buena calidad y a velocidades de 4 a 10 Mbps. Debido a esto, la principal característica y diferencia con MPEG-1 es que MPEG-2 brinda un soporte para imágenes entrelazadas, es decir, se tomo en cuenta el hecho de que las cámaras de TV forman una imagen tomando primero un campo y luego el otro. Ya que estos dos campos están separados por un intervalo de tiempo, codificar la secuencia con MPEG-1 no produciría los mejores resultados, ya que MPEG-1 asume que no hay diferencia de tiempo entre líneas sucesivas en la imagen. El estándar MPEG-2 provee una forma de codificar imágenes entrelazadas incluyendo dos técnicas basadas en campo: predicción basada en campo y DCT basada en campo. Otras mejoras, como la introducción de una DCT con precisión de 10 bits en el coeficiente DC, cuantización no lineal, tablas VLC y control mejorado de mismach (para los vectores de movimiento ) han sido introducidas en este nuevo estándar que han brindado mejoras sustanciales aun para material progresivo. Otra especificación clave del MPEG-2 son las extensiones escalables,que permiten la división de la señal de video en dos o mas cadenas de bits representando el video a diferentes resoluciones, calidad de imagen,o cadencia de cuadros. 1
5 Introducción general En Marzo de 1995 se completó el estándar MPEG-2, compuesto de 9 partes, con el numeral ISO/IEC El nombre completo es Information Technology Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio ISO/IEC Las primeras 5 partes están organizadas como en MPEG-1 (Sistema, Video, Audio, Conformación y Software). Las 4 partes adicionales son listadas a continuación. La parte 6, Digital Storage Medium Command and Control (DSM-CC), provee la sintaxis para controlar el estilo de reproducción y acceso aleatorio de los bitstreams codificados y almacenados en medios digitales tales como el DVD. Los comandos de reproducción incluyen Still Frame, Fast Forward, Advance y GoTo. La parte 7, Non-Backward Compatible Audio (NBC), define una nueva sintaxis para audio surround en una forma que no es compatible con MPEG-1, por ejemplo el AC-3. La parte 8 es una extensión a la parte de video de MPEG-2 ( ) y define la sintaxis y semántica para la representación de video codificado con una precisión de 10 bits por muestra. La parte 9, Real Time Interface (RTI), define una sintaxis para señales de control de video bajo demanda. Este trabajo no pretende dar al lector información cabal de las nueve partes antes mencionadas. Simplemente, se hablará de la parte de video (ISO/IEC ) y la parte del Sistema (ISO/IEC ). Se supondrá que el lector no esta familiarizado con la compresión de video, con lo cual se dará una breve introducción en la sección 1. En la sección 2, se explica detalladamente la forma en que MPEG consigue llevar a cabo la compresión de una secuencia de video. Se explican con detalle las técnicas de compresión espacial y temporal, compensación de movimiento, y el uso de la transformada del coseno como herramienta para dicha compresión. Todas las técnicas mencionadas, con excepción de algunas serán similares a las usadas en MPEG-1. Cada vez que aparezca una nueva técnica o algoritmo introducido por MPEG-2 se hará mención de eso. Veremos que una de las diferencias importantes entre ambos estándares de compresión, MPEG-1 y MPEG-2, es que este último brinda un soporte para material entrelazado, ya que una de las aplicaciones mas importantes de este nuevo estándar es la transmisión de señales de televisión, en donde se adquieren las imágenes en forma entrelazada. El concepto de video entrelazado, así como también los perfiles y niveles que define MPEG-2, serán tratados en detalle en la sección 3. En la primera parte de dicha sección, se hablaran de los perfiles y niveles que define MPEG-2 para lograr la adaptación a las diferentes necesidades de los usuarios. Aparecerá el concepto de escalabilidad, como alternativa de adaptación a la calidad de la compresión. La segunda parte de esta sección, trata en detalle el video entrelazado explicando como se forma una imagen entrelazada, que consecuencias trae para la compresión, y como MPEG-2 sortea estas complicaciones para codificar de manera mas eficiente. En la sección 4, se trata la parte del sistema de MPEG-2 (ISO/IEC ). Aquí se explica como el estándar define la sintaxis de salida de un codificador, ya sea que la aplicación sea almacenamiento del audio y/o el video, o la transmisión del mismo a través de un canal ruidoso. Se intentará dar al lector la idea de porque se definen dos sintaxis diferentes dependiendo de una aplicación u otra. Por último, en la sección 5, se tratan las referencias de reloj que usa MPEG-2 para sincronizar el material de audio y video y 2
6 mantener la sincronía también entre trasmisor y receptor. Todas las secciones que componen este trabajo están basadas en su mayor parte en los documentos que figuran al final del mismo. Remito desde ya al lector a consultar dicho material si así lo desea. A medida que avancemos en el trabajo, se irán encontrando conceptos y palabras nuevas para el lector. A los efectos comprender mejor la lectura, se colocó al final del trabajo un glosario de términos en donde el lector puede consultar en el momento que considere necesario. 4:2:2 (ver apéndice C para submuestreo del canal de croma). Sección 1 Introducción a MPEG MPEG es uno de los mas populares estándares de compresión de video y audio, debido a que no es un simple estándar. En vez de eso, es un rango de estándares disponibles para diferentes aplicaciones, pero basados en principios similares. MPEG es el acrónimo de Moving Pictures Experts Group, establecido por la ISO para trabajar en compresión. Esta sección es simplemente una breve introducción a los conceptos que hay detrás de la compresión de video. Puede tomarse como referencia para la segunda sección, en donde se tratan con detalle los conceptos mencionados aquí. 1.1 Por que es necesaria la compresión? El éxito inicial del video digital fue en aplicaciones de post producción, en donde la producción de video generaba alrededor de 200 Mbps de datos, con lo cual se requería de gran capacidad de almacenamiento o gran ancho de banda para su eventual transmisión. La siguiente figura ilustra este concepto para la digitalización de una imagen de 625 líneas, 720 píxeles por línea y una cadencia de cuadros de 30 cuadros por segundo, resultando en un ancho de banda de 216 Mbps para su eventual transmisión. El formato de submuestreo de croma usado es Y=8*13.5=108 Mbps Cr=8*6.75=54 Mbps Cb=8*6.75=54 Mbps Total=216 Mbps Debido a estas dificultades, era necesario una forma de codificación del material de audio y/o video, en la cual se requieran menos datos para representar al material. La forma en que MPEG consigue llevar a cabo este objetivo, es mediante el procesamiento de la secuencia de video ( o la señal de audio), de manera tal de codificar solo lo necesario, y dejar que el decodificador adivine el resto, y posiblemente, como en la mayoría de los casos, la eliminación de determinada información no tan crítica para el observador. En las siguientes secciones se tratan con cierto detalle las técnicas usadas por MPEG para llevar a cabo la compresión. 1.2 Introducción a la compresión de video En todo material real ya sea de audio o video, hay dos tipos de componentes de señal: aquellos componentes que son nuevos o impredecibles y aquellos que pueden ser anticipados. Los componentes nuevos son llamados entrópicos y corresponden a la verdadera información en la señal. Los restantes son llamados redundancia ya que no son esenciales. La redundancia puede ser espacial tal como un área plana de una imagen, en donde los píxeles cercanos tienen todos el mismo valor, o temporal,en donde se explota la similitud de imágenes sucesivas. En 3
7 sistemas de codificación sin pérdidas, se intenta que el codificador extraiga la redundancia de la señal y envíe solo la entropía al decodificador. En sistemas con pérdidas, se elimina cierta información irrelevante o no tan crítica para el observador antes de analizar los componentes importantes en la señal. Solo la entropía es almacenada o transmitida y el decodificador calcula la redundancia con la señal recibida. La figura 1.1 ilustra este concepto. Figura 1.1 Un codificador ideal debería transmitir solo la entropía y un decodificador ideal debería reconstruir la señal completa con esa información. En la práctica sin embargo, no se puede alcanzar la idealidad. Un codificador ideal requeriría de un retardo muy grande para poder extraer solo la redundancia de la señal, retardo que es inconcebible para determinadas aplicaciones en tiempo real. En algunos casos, un codificador ideal sería muy caro. Se sigue entonces que no hay un sistema de compresión ideal. En la práctica se necesita de un rango de codificadores con diferentes grado de retardo y complejidad. La potencia de MPEG es que no es solo un formato de compresión, sino un rango de herramientas de compresión que pueden ser combinadas eficazmente para diferentes necesidades. MPEG-2 introduce el concepto de perfiles y niveles, que justamente permiten la elección mas apropiada para determinada aplicación. Mas adelante se tratara en mas detalle este concepto. Hay diferentes formatos de video digital y cada uno tiene su bit rate. Por ejemplo, un sistema de alta definición podría tener 6 veces el bit rate de un sistema de definición estándar. Consecuentemente, conocer solo el bit rate a la salida del codificador no es muy útil. Lo que importa es la razón de compresión, que es la relación entre el bit rate a la entrada del codificador y el bit rate a la salida del mismo. Desafortunadamente, el número de variables involucradas, hace difícil determinar el factor de compresión adecuado. La figura 1.1 muestra que si toda la entropía es enviada, la calidad es buena. Sin embargo, si el factor de compresión es incrementado con el fin de reducir el bit rate, la calidad decae. Para identificar la entropía completamente, un codificador debería ser muy complejo. Un compresor práctico, deberá enviar mas datos generalmente, para asegurarse de llevar la entropía en ellos. La figura 1.1b muestra la relación entre complejidad y performance. A un nivel de calidad dado, se requiere de un compresor mas sofisticado para lograr altas razones de compresión. La entropía en señales de video varía. En el proceso de codificación, algunas imágenes tendrán mas entropía que otras y por lo tanto requerirán de mas datos para ser representadas, si lo que queremos es mantener la calidad de la codificación constante. Bajo este esquema de codificación, tendremos calidad constante pero bit rate variable, con lo cual se introduce un buffer a la salida del codificador que absorba dichas variaciones de entropía y produzca un bit rate constante a la salida. En la codificación de video bajo el estándar MPEG, aparecen dos conceptos importantes y claramente diferenciados: la codificación Intra (Intra Coding) y la codificación Inter (Inter Coding). Codificación Intra es una técnica que explota la redundancia espacial o dentro de una imagen y codificación Inter explota la redundancia temporal. La Intra Coding puede ser usada sola como en JPEG, o puede ser 4
8 combinada con Inter Coding, como en MPEG. Intra coding relaciona dos propiedades de las imágenes típicas. Primero, no todas las frecuencias espaciales están simultáneamente presentes y segundo, los componentes de frecuencias espaciales altas son de mas baja amplitud que las bajas. Intra coding requiere del análisis de frecuencias espaciales en una imagen. Este análisis es el propósito de transformadas como wavelets o la DCT. Las trasformadas producen coeficientes que describen la magnitud de cada componente espacial frecuencial. Típicamente, muchos coeficientes serán cero, con lo que se omitirán,y se lograra por lo tanto una reducción en el bit rate. La sección 2.2 trata en detalle la codificación Intra, o codificación espacial. Inter coding, relaciona las similitudes entre imágenes sucesivas. Si una imagen esta disponible en el codificador, la siguiente imagen puede ser reconstruida enviando solo la imagen diferencia. Esta diferencia se incrementa con el movimiento, pero esto puede ser compensado con la estimación de movimiento, ya que un objeto en una imagen generalmente solo cambiará de posición, no de apariencia. Si el movimiento puede ser medido, puede ser creada una aproximación a la imagen actual, corriendo parte de la imagen previa a una nueva localidad. El proceso de movimiento es controlado por un vector que es transmitido al decodificador. La codificación Inter es tratada en detalle en la sección 2.7 conjuntamente con la compensación de movimiento en la sección 2.8 y la codificación bidireccional en la sección 2.9. MPEG-2 maneja tanto imágenes progresivas como entrelazadas, llamando picture a una imagen dada en alguna posición temporal, independientemente si es campo o cuadro (ver el glosario para las definiciones). La codificación temporal es ahora mas difícil, ya que los píxeles en un campo estarán en otra posición en el siguiente. La compensación de movimiento minimiza pero no elimina la diferencia entre imágenes sucesivas. La imagen diferencia puede ser ahora tratada como imagen Intra, con la técnica descrita anteriormente. La compensación de movimiento simplemente minimiza la cantidad de datos en la imagen diferencia. Claramente, las imágenes codificadas temporalmente son difíciles de editar, ya que su contenido depende de alguna imagen quizás ya trasmitida tiempo atrás. Los sistemas de producción tendrán que limitar el grado de codificación temporal para permitir la edición y esto afectara el límite de la compresión. Sección 2 ISO/IEC MPEG-2 Video En esta sección se tratan en detalle los conceptos introducidos en la sección anterior. Se explicará como MPEG lleva a cabo la compresión de una secuencia de video haciendo uso de la compresión tanto espacial como temporal. Todas las técnicas mencionadas en esta sección son heredadas de MPEG-1. Como se mencionó anteriormente, en MPEG-2 aparece el concepto de video entrelazado, pero no sino hasta la sección 3 se hablara de esto. En dicha sección, lo nuevo en MPEG-2, se explicará en detalle el video entrelazado, y como MPEG-2 codifica dicho material. Pido por tanto al lector, que se olvide de este concepto hasta la próxima sección. 2.1 Codificación espacial o temporal? Como se vio en la primera sección, la compresión de video saca partido tanto de la redundancia espacial como la temporal.en MPEG la redundancia temporal es extraída usando similitudes entre imágenes sucesivas. Tanto como sea posible, la imagen actual es estimada a partir de imágenes recientemente enviadas. Cuando se usa esta técnica, solo se necesita enviar la diferencia entre la imagen estimada y la actual. La imagen diferencia es entonces sujeta a codificación espacial. Es mas fácil comenzar explicando la codificación espacial antes que la temporal. La compresión espacial se relaciona con las similitudes entre píxeles adyacentes en áreas planas de la imagen y en frecuencias espaciales 5
9 dominantes en el modelo. JPEG solo utiliza compresión espacial ya que fue diseñado para comprimir imágenes fijas. No obstante, JPEG puede usarse para codificar una sucesión de imágenes para video en el así llamado Motion JPEG. En este esquema, la compresión no es tan buena como en MPEG, pero la capacidad de edición es interesante, ya que se puede editar cuadro a cuadro. 2.2 Codificación espacial El primer paso en la codificación espacial, es desarrollar un análisis de frecuencias espaciales mediante una transformada. Una transformada es una forma de expresar una forma de onda en un dominio diferente, en este caso, el de la frecuencia. La salida de la trasformada es un conjunto de coeficientes que indican cuanto de una determinada frecuencia esta presente. La transformada mas conocida es la de Fourier. Esta trasformada encuentra cada componente de frecuencia multiplicando muestra a muestra la señal de entrada por su respectiva función base e integrando el producto. La figura 2.1 muestra que cuando la señal de entrada no contiene la función base, este producto da cero, pero si la contiene, la integral dará un coeficiente que describe la amplitud de esa componente. Figura 2.1 Los resultados serán como se describieron, si la componente de frecuencia de la señal esta en fase con la función base. Si la componente esta en cuadratura con la función base, la integral será cero. Por lo tanto será necesario realizar dos búsquedas para cada frecuencia, una con la función base en fase y otra en cuadratura, para encontrar las componentes en cuadratura en la señal. La transformada de Fourier tiene la desventaja de requerir de coeficientes para los términos seno y coseno de cada frecuencia. En la trasformada del coseno, la señal de entrada es reflejada con respecto al eje de las ordenadas antes de multiplicarla por las funciones base. La figura 2.2 muestra que este reflejo cancela todos los componentes seno y duplica los componentes coseno de la señal. Ahora los coeficientes seno de la trasformada son innecesarios y solo se necesita un coeficiente para cada frecuencia. Figura 2.2 La Transformada Discreta del Coseno (DCT) es la versión muestreada de la transformada del coseno, y es usada ampliamente en dos dimensiones. Un bloque de 8x8 píxeles es transformado en un bloque de 8x8 coeficientes. Ya que la operación requiere la multiplicación por fracciones, algunos coeficientes tendrán longitud de palabra mas larga que los valores de los píxeles. Típicamente, un bloque de píxeles de 8 bits, incurrirá en un bloque de coeficientes de 11 bits. Por lo tanto, la DCT no produce una compresión, sino lo contrario. No obstante, la DCT convierte la fuente de píxeles en una forma en donde es mas fácil la compresión. La figura 2.3 muestra los coeficientes de la DCT para un bloque 8x8. Para un bloque de luminancia, el coeficiente DC indica el nivel medio de brillo en la imagen. Moviéndonos a lo largo de las filas, se incrementa la frecuencia horizontal, y a lo largo de las columnas se incrementa la frecuencia vertical. 6
10 2.3 Ponderación La figura 2.4 muestra que la percepción humana al ruido no es uniforme, sino que es función de la frecuencia. Mas ruido puede ser tolerado a altas frecuencias. Figura 2.3 En una imagen real, pueden ocurrir componentes de frecuencia diferentes en las diferentes direcciones, y un coeficiente en algún punto del bloque representará el peso de determinada frecuencia de dos dimensiones. Claramente, para imágenes en color, las muestras de diferencia de color también deben ser tratadas. Los datos Y, Cr y Cb son tratados individualmente en la codificación. En mucho material real, muchos coeficientes tendrán valor cero o cerca de cero, y no serán transmitidos. Esto resulta en una significante compresión que resulta virtualmente sin pérdidas. Si se necesita una compresión mayor, se tendrá que reducir la longitud de palabra de los coeficientes distintos de cero, introduciendo una pérdida en el proceso. Con cuidado, las pérdidas pueden ser introducidas en una forma que sean menos visibles al observador. Figura 2.4 La compresión reduce la exactitud de los coeficientes y tiene un efecto similar al de usar palabras cortas en PCM, es decir, aparece un nivel de ruido. En PCM, el resultado de acortar las palabras del código, resulta en un incremento del nivel de ruido a todas las frecuencias. Como la DCT separa los componentes de frecuencia, es posible controlar el espectro del ruido. La figura 2.5 muestra que en el proceso de ponderación, los coeficientes de mas baja frecuencia son divididos por números pequeños y los de alta frecuencia por números mas grandes. Siguiendo a la división, se produce el truncamiento del coeficiente, lo que resulta en una recuantización. Como resultado, los coeficientes de baja frecuencia espacial son recuantizados con pasos pequeños y los de alta frecuencia con pasos mas grandes y llevan mas ruido que los anteriores. 7
11 Figura 2.5 En el decodificador, los coeficientes se multiplicarán por sus valores correspondientes de forma tal de recuperar los coeficientes de la DCT con ruido de cuantización superpuesto. Por supuesto, este ruido será mayor a las altas frecuencias. Claramente, el grado de compresión obtenido y el subsecuente bit rate, es función de la severidad del proceso de recuantización. Diferentes bit rates requerirán diferentes tablas de cuantización y en MPEG-2 es posible usar diferentes tablas para la compresión y trasmitirlas al receptor para la correcta decodificación. 2.4 Scanning En material de video típico, los coeficientes significativos de la DCT se encuentran en la esquina superior del bloque de coeficientes. Después de la recuantización, los coeficientes de mas alta frecuencia posiblemente se habrán reducido a cero. Podría ser obtenida una forma de codificación mas eficiente si primero se trasmitieran los coeficientes distintos de cero y luego un código indicando que los restantes coeficientes son cero. El Scanning es una técnica que permite llevar a cabo esto último, ya que envía los coeficientes en orden decreciente de probabilidad de magnitud. La figura 2.6ª muestra que en un sistema no entrelazado, la probabilidad de que un coeficiente tenga un alto valor es mayor en la esquina superior izquierda del bloque y menor en la esquina inferior derecha. Un escaneo diagonal de 45º es lo mejor para usar aquí. 8
12 Figura 2.6 En la figura 2.6b, se muestra el escaneo para una imagen entrelazada (nuevo en MPEG-2). En una imagen entrelazada, un bloque 8x8 DCT de un campo se extiende sobre el doble de área vertical de la pantalla, así que para una imagen dada,las frecuencias verticales parecerán ser el doble de grandes que las horizontales. Por lo tanto, el escaneo ideal para imágenes entrelazadas es el que se muestra en la figura 2.6b, en donde se ve que una frecuencia vertical dada se escanea antes que la misma frecuencia horizontal. Volveremos sobre este punto mas adelante. 2.5 Codificación entrópica En video real, no todas las frecuencias espaciales aparecen simultáneamente. Por lo tanto, muchos coeficientes de la DCT serán cero. A pesar del escaneo, pueden aparecer coeficientes cero entre valores distintos de cero. Run Length Encoding (RLC) permite que estos coeficientes sean manejados de forma eficiente. Cuando se presenta una cadena de ceros, un RLC simplemente transmite la cantidad de ceros en la carrera en vez de cada bit individualmente. La probabilidad de ocurrencia de ciertos valores de coeficientes en un material de video real puede ser estudiada. En la práctica, algunos valores ocurren mas frecuentemente que otros. Esta información estadística puede utilizarse para llevar a cabo una mejora en la compresión con códigos de longitud variable. Los valores que ocurren mas frecuentemente son codificados con palabras mas cortas que los que ocurren menos a menudo. De cara a la deserealizacion, no se permite que una palabra sea prefijo de otra (código instantáneo). 2.6 Un codificador espacial La figura 2.7 muestra todos los conceptos descritos anteriormente sobre codificación espacial. 9
13 Figura 2.7 En la figura 2.7 se asume que la señal de entrada es 4:2:2 (ver apéndice C sobre submuestreo de canal de croma) con 8 a 10 bits por píxel. MPEG trabaja con resolución de 8 bits, por lo cual será necesario una etapa de redondeo cuando la señal de entrada tiene palabras de 10 bits. La mayoría de los perfiles de MPEG trabajan con muestreo 4:2:0, por lo que será necesario también una etapa de filtrado pasabajo vertical. Esto elimina información de la imagen y también baja el bit rate. La etapa DCT transforma la información de la imagen al dominio de la frecuencia. Luego, los coeficientes son ponderados y truncados, obteniendo la primera compresión significante. Estos coeficientes son escaneados en zig-zag por las razones mencionadas anteriormente. Después del último coeficientes distinto de cero, se genera un código end of block (EOB). Luego son comprimidos con RLC y VLC. En un sistema de bit rate variable, la cuantización es fija, pero en un sistema de bit rate fijo se necesita de un buffer para absorber las variaciones en el proceso de codificación. Imágenes con muchos detalles tenderán a llenar el buffer, mientras que imágenes mas homogéneas tenderán a vaciarlo. Si el buffer esta en peligro de over flowing, la cuantización se deberá hacer mas severa para bajar el bit rate. En el decodificador, el bit stream es deserealizado y la codificación entrópica es revertida para obtener los coeficientes ponderados. Se realiza la ponderación inversa de los coeficientes, y luego se arma la matriz DCT de acuerdo al zig-zag. Luego se aplica la IDCT y se recrean los bloques 8x8 de coeficientes. Los bloques son almacenados en RAM que se lee una línea a la vez. Para obtener una salida 4:2:2 a partir de una 4:2:0, se debe realizar una interpolación vertical como se muestra en la figura Codificación temporal La redundancia temporal puede ser explotada realizando codificación Inter, es decir, trasmitiendo solo las diferencia de imágenes. La figura 2.9 muestra que un retardo de una imagen combinada con un sustractor, puede llevar a cabo la operación. 10
14 Figura 2.8 Figura 2.9 La imagen diferencia es una imagen mas, y puede ser codificada espacialmente después. El decodificador revierte de codificación espacial y le suma la diferencia para obtener la siguiente imagen. Muchos sistemas de compresión realizan un offset en la imagen antes de aplicar la DCT, eliminando con esto los posibles valores negativos producidos en le proceso de codificación. Hay algunas desventajas en este modelo. Primero, ya que solo son enviadas las imágenes diferencia, se hace imposible la decodificación de la secuencia una vez comenzada la transmisión. Segundo, si alguna imagen diferencia contiene algún error, este se propagará indefinidamente. La solución a este problema es usar un sistema que no es completamente diferencial. La figura 2.10 muestra que periódicamente se envían imágenes Intra, que son codificadas solo espacialmente. Si ocurre un error o hay un cambio de canal, se podrá resumir la decodificación en la próxima imagen Intra. La figura 2.10 solo generaliza el concepto. En la sección 2.10 y en la figura 2.14, se introduce el concepto de GOP, en donde se detalla la estructura de la secuencia de imágenes. 11
15 Figura Compensación de movimiento El movimiento reduce las similitudes entre las imágenes e incrementa la cantidad de datos necesarios para crear una imagen diferencia. La compensación de movimiento se utiliza para incrementar la similitud de las imágenes. La figura 2.11 muestra el principio. Figura 2.11 Cuando un objeto se mueve en la pantalla puede aparecer en otra posición en la imagen siguiente pero generalmente no cambiará su apariencia. La diferencia de imagen puede ser reducida, midiendo el movimiento en el codificador. Este movimiento es enviado al decodificador como un vector. El decodificador usa este vector para correr parte de la imagen previa a un lugar mas adecuado en la nueva imagen. Un vector controla el movimiento de imagen entera de la imagen conocida como macrobloque. El tamaño del macrobloque depende de la codificación DCT y la estructura de muestreo del color. La figura 2.12ª muestra que en un sistema 4:2:0, el espaciamiento vertical de las muestras de croma es exactamente el doble que las muestras de luminancia. Un simple bloque 8x8 de muestras de crominancia se extiende sobre la misma área que 4 bloques 8x8 de luminancia. Por lo tanto, esta es la mínima área que puede ser desplazada por un vector. Un macrobloque 4:2:0 contiene cuatro bloques de luminancia, uno de croma Cr y una de croma Cb. En el perfil 4:2:2, el color es muestreado solo en la dirección horizontal. La figura 2.12b muestra que un bloque de crominancia se extiende sobre la misma área que dos bloques de luminancia. Un macrobloque 4:2:2 contiene 4 bloques de luminancia, 2 bloques de Cr y dos bloques de Cb. El estimador de movimiento trabaja comparando los macrobloques de luminancia de dos imágenes sucesivas. 12
16 Figura 2.12 Un macrobloque en la primera imagen es usado como referencia. Cuando la entrada es entrelazada, los píxeles estarán en posiciones verticales diferentes en los dos campos, y por lo tanto, será necesario interpolar un campo antes de que sea comparado con el otro. La correlación entre la referencia y todos los posibles desplazamientos es medida con una resolución de medio píxel sobre el rango entero de la búsqueda. Cuando se encuentra la correlación mas grande, esta es asumida como la correlación que representa al movimiento. Este vector de movimiento tiene una componente vertical y una horizontal. En material típico, el movimiento es continuo a través de las imágenes. Una mejora en la compresión se logra si estos vectores se transmiten diferencialmente. Consecuentemente, si un objeto se mueve a velocidad constante, los vectores diferenciales serán cero. Los vectores de movimiento están asociados a macrobloques, no a objetos concretos. Puede haber ocasiones en que parte del macrobloque se movió y parte no. En este caso es imposible compensar apropiadamente. Si el movimiento de la parte móvil es compensado trasmitiendo un vector de desplazamiento, la parte estacionaria estará mal compensada y habrá la necesidad de corregir datos de diferencia. Si no se envía un vector, la parte estacionaria estará bien compensada pero habrá que corregir la parte móvil. Un compresor inteligente podría comparar ambas técnicas y quedarse con la que requiere menos datos diferenciales. 2.9 Codificación bidireccional Cuando un objeto se mueve, va ocultando el fondo delante suyo y revelando el fondo que tiene detrás. El fondo revelado, requiere que sean trasmitidos nuevos datos ya que no hay información previa de ese fondo ahora revelado. 13
17 Lo mismo ocurre cuando la cámara realiza un paneo, van apareciendo nuevas áreas de las cuales no se tenía información de ellas. MPEG ayuda a minimizar este problema introduciendo la codificación bidireccional, que permite que la imagen actual sea codificada teniendo en cuenta la información de imágenes antes y después de la actual. La figura 2.13 muestra el concepto de codificación bidireccional. Sobre una base de macrobloques individuales, una imagen codificada bidireccionalmente puede obtener compensación de movimiento de una imagen anterior o posterior, o aún de un promedio de ambas. La codificación bidireccional reduce la cantidad de datos diferencia, mejorando el grado de predicción posible. Figura Imágenes I, P y B En MPEG, se necesitan tres tipos diferentes de imágenes para soportar codificación diferencial y bidireccional, mientras se minimiza la propagación del error. Las imágenes I, son codificadas Intra, y no requieren información adicional para la decodificación. Requieren un montón de datos mas que las otras imágenes, y por lo tanto no se trasmiten mas que la cantidad necesaria. Consisten primariamente de coeficientes transformados y no tienen vectores. Estas imágenes permiten la conmutación de canales y detienen la propagación del error. Las imágenes P, son predichas hacia delante a partir de una imagen previa que puede ser una imagen I o una P. Los datos de estas imágenes contiene vectores que indican en que posición en la imagen anterior estaba cada macrobloque y la diferencia que debe ser sumada para reconstruir ese macrobloque. Las imágenes P requieren, mas o menos, la mitad de datos que las imágenes I. Las imágenes B son predichas bidireccionalmente a partir de imágenes anteriores o posteriores I o P. Los datos en estas imágenes consisten de vectores que indican en que posición en la imagen anterior o posterior deberían ser tomados los datos. También contienen los coeficientes transformados de la diferencia que debe ser sumada para reconstruir el macrobloque. Estas imágenes son las que requieren menos datos para ser creadas. 14
18 La figura 2.14 introduce el concepto de GOP o Group of Pictures. Cada GOP comienza con una imagen I y tiene imágenes P espaciadas regularmente. Las restantes son imágenes B. El GOP esta definido hasta la última imagen antes de la siguiente imagen I. Tienen largos variables, pero 12 o 15 son los valores mas comunes. Claramente, si los datos de las imágenes B van a ser tomados de imágenes futuras, esas imágenes deben estar disponibles tanto en el codificador como en el decodificador. Por lo tanto, la codificación bidireccional requiere el almacenamiento temporal de imágenes. La figura 2.14 también muestra que las imágenes P son enviadas antes que las B. Cabe notar además, que las últimas imágenes B no pueden ser enviadas sino hasta que la siguiente imagen I del siguiente GOP sea trasmitida, ya que se requiere de este dato para codificar bidireccionalmente dichas imágenes B. Con el fin de regresar las imágenes en su secuencia correcta, se introduce una referencia de tiempo en cada imagen. Las marcas de tiempo son analizadas en la sección El almacenamiento temporal de imágenes requiere de cierta memoria adicional tanto en el codificador como en el decodificador, e introduce además cierto retardo. Se deberá controlar entonces la cantidad de imágenes B, para poder controlar dicho retardo. La figura 2.15 muestra el compromiso existente entre factor de compresión y retardo en la codificación. Para una calidad dada, enviar solo imágenes I, requiere de mas del doble de bit rate que enviar IBBP. Figura 2.14 Figura
19 Introducción Sección 3 Lo nuevo en MPEG-2 La sección anterior introdujo con considerable detalle la forma en que MPEG realiza la compresión de video. Las técnicas mencionadas son comunes tanto para MPEG-1 como para MPEG-2 ya que se pidió al lector que se abstrajera de los conceptos que hay detrás del video entrelazado. Como veremos en esta sección, MPEG-2 introduce dos técnicas nuevas en el proceso de codificación aplicables a material entrelazado. Aparecerán por lo tanto en esta sección, los conceptos de campo y cuadro, y aprenderemos como MPEG-2 codifica eficientemente las imágenes entrelazadas. Recordemos que una de las aplicaciones mas importantes de este nuevo estándar es el de codificar señales de televisión para broadcasting, estando por lo tanto bajo el tratamiento de imágenes entrelazadas. La sección 3.2 explica el concepto de video entrelazado y la sección 3.4 enseña como MPEG-2 codifica dicho material. Como antes, remito al lector a consultar el glosario ante la aparición de palabras nuevas. 3.1 Perfiles y niveles MPEG-2 es aplicable a un amplio rango de aplicaciones que requieren diferentes performance y complejidad. Para propósitos prácticos, el estándar MPEG-2 es dividido en perfiles y cada perfil es dividido en niveles (ver figura 3.1). Un perfil es básicamente el grado de complejidad esperado en el codificador. Un nivel es un conjunto de parámetros tales como el tamaño de la imagen o el bit rate usado en ese perfil. Se puede decir que un perfil limita la complejidad, es decir, los algoritmos, y un nivel limita los parámetros tales como bit rate, dimensiones de cuadro, frames rates, etc. En principio hay 24 combinaciones posibles, pero no todas han sido definidas. Un decodificador teniendo asignado cierto perfil y nivel, debe ser capaz de decodificar perfiles y niveles mas bajos. El perfil simple no soporta codificación bidireccional, con lo que solo tendrá a su salida imágenes I y P. Esto reduce el retardo en la codificación y decodificación y permite hardware mas simple. El Simple Profile ha sido definido solamente al Main Level El Main Profile fue diseñado para un amplio uso. El Low Level usa una baja resolución de entrada teniendo solo 352 píxeles por línea. La mayoría de las aplicaciones broadcasting requerirán del subconjunto (Main Profile at Main Level) que soporta SDTV (Estándar Definition TV). El High Level 1440 es una forma de alta definición que duplica la definición del ML. Este nivel, no solo duplica la resolución sino que también la mantiene para el formato 16:9 incrementando el número de muestras horizontales de 1440 a Perfiles escalables No todas las aplicaciones tienen un simple y bien definido usuario final. Servicios tales como Modo de Transferencia Asincrónico (ATM ) y HDTV con compatibilidad hacia atrás con la TV necesitan entregar mas de una resolución y calidad. MPEG-2 tiene definido tres perfiles escalables que permiten que una imagen completa sea decodificada con solo una parte del bitstream. Estos tres tipos son: SNR (Signal to Noise Ratio ), Spatial y High. Se requiere que solo el perfil High escalable soporte el formato 4:2:2 además del 4:2:0. Las imágenes comprimidas son ensambladas en diferentes capas, una capa principal y una o varias capas de ayuda. La capa principal puede ser decodificada sola para obtener una imagen de cierta calidad. Si a esta última le sumamos las demás capas de ayuda, se puede mejorar la calidad de la imagen y/o la resolución. 16
20 Figura 3.1 Por ejemplo, un codificador MPEG convencional podría recuantizar una imagen en forma bastante severa, generando una imagen codificada con considerable ruido de cuantización. Ahora, si se decodifica localmente esa imagen y se resta píxel a píxel con la imagen original, se obtendrá una imagen de ruido. Esta imagen puede ser comprimida y trasmitida como señal de ayuda. Un decodificador simple podría solo decodificar la señal principal, obteniendo una imagen ruidosa, pero uno mas sofisticado decodificaría las dos señales para obtener una imagen de mejor calidad. Este es el principio de la escalabilidad SNR. En forma alternativa, codificar solo las frecuencias espaciales mas bajas de una imagen HDTV, produciría una bitstream principal que un decodificador de SDTV podría decodificar. Si esta imagen de baja definición se resta de la imagen original, se obtendría una imagen con solo las frecuencias mas altas presentes. Esta imagen se podría codificar y trasmitir como señal de ayuda. Un decodificador podría decodificar ambas señales, la principal y la de ayuda para recrear la imagen de HDTV. Este es el principio de escalabilidad Espacial. El High Profile soporta ambas formas de escalabilidad,permitiendo además el muestreo 4:2:2 El perfil 4:2:2 ha sido desarrollado para mejorar la compatibilidad con equipos de producción digital. Este perfil permite el uso de 4:2:2 sin la necesidad de recaer en la complejidad del High Profile. Por ejemplo, en decodificador deber soportar escalabilidad SNR,que no es requerida para producción. El perfil 4:2:2 tiene la misma libertad de estructura de GOP que los demás perfiles, pero generalmente se usa con GOP s cortos que facilitan la edición. La operación con 4:2:2 requiere un bit rate mas alto que 4:2:0, y el uso de GOP s cortos requiere aun mas bit rate para un nivel de calidad dado. Existe además, un tercer modo de escalabilidad en la compresión, llamada escalabilidad temporal. Esta técnica consiste en codificar la secuencia de cuadros a una velocidad mayor a la habitual (mayor quizás a 25 frames/seg ), de forma que se mantenga la compatibilidad hacia atrás con los compresores que trabajan con velocidades mas bajas. La velocidad temporal mas baja sirve como base para la codificación de la velocidad mas alta. Se codifican los cuadros a velocidad baja y luego se agregan 17
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