Откуда берутся огромные коэфициенты сжатия?
Коэфициетн сжатия MPEG видео часто заявляется как 100:1, тогда как в действительности он находися в районе от 8:1 до 30:1.
Как получается "более 100:1" для видео на компакт-диске (White Book) с потоком 1.15 Мбит/с.
1. Высокое разрешение исходного видео.
Большинство источников видеосигнала для кодирования имеют большее разрешение, чем то, которое актуально оказывается в закодированном потоке. Самый популярный студийный сигнал, известный как цифровое видео "D-1" или "CCIR 601", кодируется на 270 Мбит/с.
Цифра 270 Мбит/с получается из следующих вычислений:
| Интенсивность (Y): | 858 точек/линию x 525 линий/кадр x 30 кадр/с x 10 бит/точку ~= 135 Мбит/с |
| R-Y (Cb): | 429 точек/линию x 525 линий/кадр x 30 кадр/с x 10 бит/точку ~= 68 Мбит/с |
| B-Y (Cb): | 429 точек/линию x 525 линий/кадр x 30 кадр/с x 10 бит/точку ~= 68 Мбит/с |
| Итого: | 27 млн. точек/с x 10 бит/точку = 270 Мбит/с |
Итак, начинаем с коэфициента сжатия 270/1.15... 235:1!!!!!
2. Выбросим гасяшие интервалы.
Из 858 точек яркости на линию под информацию изображения задействованы только 720. В действительности, количество точек на линию - предмет многих ссор на инженерных семинарах, и это значение лежит в пределах от 704 до 720. Аналогично, только 480 линий из 525 задействованы под изображение по вертикали. Настоящее значение лежит в пределах от 480 до 496. В целях совместимости MPEG-1 и MPEG-2 определяет эти числа как 704х480 точек на интенсивность и 352х480 для цветоразностей. Пересчитывая исходный поток, будем иметь:
| Y | 704 точек/линию x 480 линий x 30 кадр/с x 10 бит/точку ~= 104 Мбит/с |
| C | 2 компоненты x 352 точки/линию x 480 линий x 30 кадр/с x 10 бит/точку ~= 104 Мбит/с |
| Итого: | ~ 207 Мбит/с |
Отношение (207/1.15) составляет всего 180:1.
3. Учтем большее количество бит/точку.
В MPEG на точку отводится 8 бит. Принимая во внимание этот фактор, отношение становится 180 * (8/10) = 144:1.
4. Учтем более высокое разрешение цветности. Известный студийный сигнал CCIR-601 представляет сигнал цветности с половинным разрешением по горизонтали, но с полным вертикальным разрешением. Это соотношение частот оцифровки известно как 4:2:2. Однако, MPEG-1 и MPEG-2 Main Profile устанавливают использование формата 4:2:0, который считается достаточным для бытовых приложений. В этом формате разрешение цветоразностных сигналов в 2 раза меньше по горизонтали и вертикали, чем интенсивность. Таки образом, имеем:
720 точек x 480 линий x 30 кадр/с x 8 бит/отсчет x 1.5 остчетов/точку = 124 Мбит/с
...и отношение уже становится 108:1.
5. Учтем размер кодируемого изображения.
Последняя стадия предварительной обработки - это преобразование кадра формата CCIR-601 в формат SIF уменьшением в 2 раза по горизонтали и вертикали. Всего в 4 раза. Качественное масштабирование по горизонтали выполняется с помощью взвешенного цифрового фильтра с 7 или 4-мя узлами, а по вертикали - выбрасыванием каждого второй линии, второго поля или, опять, цифровым фильтром, управляемым алгоритмом оценки движения между полями. Отношение теперь становится
352 точек x 240 линий x 30 кадр/с x 8 бит/отсчет x 1.5 отсчетов/точку ~= 30 Мбит/с !!
... 26:1.
Таким образом, нстоящее отношение A/B должно вычисляться между исходной последовательностью в стадии 30 Мбит/с перед кодированием, поскольку это есть действительная частота оцифровки, записываемая в заголовках потока и воспроизводимая при декодировании. Так, сжатия можно добиться уже одним сокращением частоты оцифровки.
6. Не забудем о частоте кадров.
Большинство коммерческих видеофильмов снимаются с киноленты, а не с видео. Основная часть фильмов, записанных на компакт-диски, была оцифрована и редактирована при 24 кадр/с. В такой последовательности 6 из 30 кадров, отображаемых на телевизионном мониторе (30 кадр/с или 60 полей/с а NTSC), фактически избыточна, и может быть не кодирована в MPEG поток. Это ведет нас к шокирующему выводу, что действительный поток был всего 24 Мбит/с (24 кадр/с / 30 кадр/с * 30 Мбит/с), и коэфициент сжатия составляет всего каких-то 21:1.
Даже при таком скромном коэфициенте сжатия, как 20:1, несоответсвия могут возникнуть между исходной последовательность изображений и восстановленной. Только консервативные коэфициенты в районе 12:1 и 8:1 демонстрируют почти полную прозрачность процесса сжатия последовательностей с сложными пространственно-временными характеристиками (резкие движения, сложные текстуры, резкие контуры и т.д.). Несмотря на это, правильно закодированное видео с использованием предварительной обработки и грамотного распределения битов, может достигать и более высоких коэфициентов сжатия при приемлемом качестве восстановленного изображения.
Оглавление
