Влияние параметров кадровой фрагментации на показатели качества современных видеокодеков

УДК 621.397.13

Д.С. Калистратов

аспирант, кафедра радиоэлектроники, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный

университет»

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАДРОВОЙ ФРАГМЕНТАЦИИ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА СОВРЕМЕННЫХ ВИДЕОКОДЕКОВ

Аннотация. В статье рассмотрены базовые принципы компенсации движения в цифровых видеоизображениях, выявлены особенности указанных принципов, а также экспериментально проанализировано влияние степени фрагментации кадровых изображений на процессы компенсации движения и кодирования видеоинформации.

Ключевые слова: компенсация движения, макроблок, поисковый алгоритм, видеокодек, объём кода.

D.S. Kalistratov, Tula state university

THE INFLUENCE OF FRAME FRAGMENTATION PARAMETER'S ON FACTORS OF QUALITY OF

MODERN VIDEOCODES

Abstract. In article are considered base principles of the motion compensate prediction in digital videoimages, particularities of the motion compensate prediction and experimental result of frame fragmentation influence on processes of the motion compensate prediction.

Keywords: compensation of the motion, macroblock, search algorithm, videocodec, volume of the code.

Компенсация движения является одной из ключевых задач видеокодирования [1, 2, 3]. Процесс обеспечения компенсации движения связан с процессом удаления временной избыточности, связанной со сходством между соседними кадрами видеопоследовательности. В кодеках формата MPEG4 [2] это достигается за счёт введения в структурную схему кодека специальных элементов, называемых компенсаторами движения. При этом в процессе проведения компенсации движения, весь прогнозируемый текущий кадр разбивается на множество прямоугольных или квадратных областей, называемых макроблоками (рис. 1). Все процессы обработки видеоинформации внутри компенсатора ведутся на уровне этих макроблоков.

Рисунок 1 - Принцип компенсации движения в кадровых изображениях

Как правило, компенсатор движения в кодере имеет два выхода. На первом из них формируется кадр-остаток, полученный путём вычитания кадра-прогноза из кадра-оригинала (текущего кадра). На втором появляются векторы движения макроблоков, которые используются в дальнейшем компенсатором декодера для восстановления на своём выходе текущего кадра.

Прогноз формируется путём простого перебора и поиска для каждого макроблока из кадра-оригинала наиболее подходящего макроблока на ссылочном кадре. Поиск наилучших блоков-прогнозов ведётся по определённому статистическому критерию сходства. Опытные данные показывают, что эффективность предсказания движения и кодирования данных слабо зависит от выбора критериев сходства макроблоков из числа общепринятых - таких, как среднее квадратическое отклонение или сумма абсолютных отклонений. Гораздо в большей степени показатели эффективности кодирования зависят от выбора размерности самого макроблока.

Известно, что уменьшение размерности макроблоков ведёт к увеличению эффективности сжатия информации, однако вопрос влияния этой размерности на достоверность формируемых прогнозов обсуждается мало. В этой связи актуальной является задача выявления характера совместного влияния размерности макроблоков на качество кадровых прогнозов, а также на процесс кодирования динамических видеосцен в целом. В данной статье представлены результаты анализа влияния размерности макроблока кодирования на качество процесса компенсации движения и эффективность кодирования видеоданных.

Экспериментальная видеопоследовательность (рис. 2), а также параметры применённого кодека (табл. 1) формата MPEG 4 представлены ниже.

5-й кадр 6-й кадр

Рисунок 2 - Пара соседних кадров динамического видео

Таблица 1 - Значения параметров видеокодека, использовавшегося при исследовании

Параметры Значение

Режим цветности чёрно-белый

Количество кадров 9

Формат кадра 64 х 48

Режим формирования кадрового прогноза скоростной

Размерность зоны отслеживания макроблока 64

Шаг отслеживания макроблока 1

Размерность макроблока

Шаг квантования 1

Для оценки работы кодека были выбраны критерии качества кадрового прогноза и эффективности кодирования, представленные в таблице (табл. 2) и на рисунке (рис. 3). Оценка качества прогноза проводилась путём подсчёта количества совпадений яркости соответствующих пикселов кадрового прогноза и текущего кадра. Эффективность кодирования определялась объёмом выходной информации кодера. Для кодека MPEG 4 в самом общем случае количество совпадений прогноза должно быть как можно большим, в то время как объём закодированных данных должен быть как можно меньше, хотя между этими параметрами существует взаимосвязь. Так, например, на одном из выходов компенсатора формируется остаточный кадр, получаемый путём вычитания кадра-прогноза из кадра-оригинала. Количество нулевых значений (следствие совпадения) на этом выходе влияет в итоге на объём закодированной ин-

формации. Табличные данные были получены экспериментально, с учётом шумовых воздействий и при варьировании размерности макроблоков.

Таблица 2 - Результаты исследования влияния размерности макроблока на процессы компенсации движения и кодирования видеоданных

Название критерия сходства макроблоков Математическое выражение критерия Размеры макро-блока кодирования N пикселы Количество со-падений кадро-ого прогноза в среднем по ви-ео FC, пикселы Количество битов на кадр в среднем по видео FB, биты

Средне-квадратиче-ское отклонение (1^Е) 1 N-1N-1 2 т*-Р-,) где: '» /=0 1=0 N - размерность макроблока; С и Р - матрицы сигналов текущего и ссылочного макроблоков; ^-индексы пикселов макробпоков. 2 2705 16250

4 2589 5945

8 2483 3804

16 2450 2871

32 2723 2239

Рисунок 3 - Показатели эффективности кадрового прогноза при различных значениях размерности макроблоков

По результатам исследований можно выявить тенденцию повышения эффективности сжатия видеоданных, связанную с увеличением размерности макроблоков кодирования. С существенным увеличением размерности макроблоков наблюдается также небольшое улучшение качества прогноза. Однако, исследуя динамику поведения графиков, можно также сделать вывод, что улучшение качества кадрового прогноза не всегда сопутствует сокращению объёма кадрового кода.

Список литературы:

1. Вернер М. Основы кодирования. - М.: Техносфера, 2004. - 288 с.

2. Ричардсон Я. Видеокодирование. Н.264 и МРЕG-4 - стандарты нового поколения. -М.: Техносфера, 2005. - 368 с.

3. Сэломон Д. Сжатие данных, изображений и звука. - М.: Техносфера, 2004. - 368 с.