Tema 6: Codificación y compresión de vídeo.

Transcripción

Tema 6: Codificación y compresión
de vídeo.
1. Introducción.
2. Características del
vídeo.
z
z
z
z
z
2.1
22
2.2
2.3
2.4
25
2.5
Captura de vídeo analógico.
Digitalización.
Di it li ió
Codificación.
Tipos de vídeo (según su calidad).
Parámetros específicos de red
red.
3. Compresión de vídeo.
Bibliografía
[FLU95] Understanding networked
multimedia
[GIB98] Digital Compression for
Multimedia
[TSU99] Introduction to video coding
standards for multimedia communication
[H.264] Overview of the H.264 / AVC Video
Coding Standard
[MPEG4] MPEG-4 Overview
[HiJa94] Compressing still and moving
images with wavelets
z 3.1 Redundancia temporal.
z 3.2 Estimación de movimiento.
z 3.3 Estándares: MPEG y H.261.
4 Conclusiones.
4.
Conclusiones
Transmisión de Datos Multimedia –
http://www.grc.upv.es/docencia/tdm
– Master IC 2007/2008
Transm
misión de Dato
os Multimedia
a - Master IC
C 2007/2008
1. Introducción
Una secuencia de vídeo es una sucesión de imágenes que producen
sensación de movimiento.
El proceso completo de transmisión de vídeo con compresión
consiste en:
z Adquisición del vídeo a transmitir.
transmitir
Captura analógica de la secuencia de imágenes.
Digitalización del vídeo.
z (Re)codificación
(R ) difi ió y subsampling
b
li de
d las
l muestras.
t
Típicamente se pasa de RGB a YCbCr
Subsampling de la crominancia (de 4:4:4 a 4:2:0 ó 4:2:2)
z Compresión del vídeo.
z Transmisión progresiva del vídeo comprimido (a ser posible usando
protocolos con soporte multimedia)
2
de vídeo.
1. Introducción.
2. Características del vídeo.
z
z
z
z
z
2.1
2.2
2.3
24
2.4
2.5
Captura de vídeo
í
analógico.
ó
Digitalización.
Codificación (de RGB a YCbCr con subsampling).
Tipos de vídeo (según su calidad)
calidad).
Parámetros específicos de red.
z 3
3.1
1 Redundancia temporal.
temporal
z 3.2 Estimación de movimiento: algoritmos.
4 Conclusiones.
4.
Conclusiones
– Master IC 2007/2008
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2.1 Captura de vídeo analógico I
Las imágenes (dos dimensiones) son convertidas en una señal
g
analógica.
z Se capturan las imágenes a intervalos regulares.
z Cada imagen (cuadro o frame) es barrida calculando la intensidad de
cada p
punto (B&W).
(
)
Para reproducir la imagen se realiza el proceso inverso.
Líneas de
barrido
1
3
5
7
9
Placa de
barrido
a
Lentes
t
483
4
Líneas de barrido mostradas
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2.1 Captura de vídeo analógico II
La captura (y reproducción) de imágenes en color es muy similar a
la de blanco y negro.
z En
E este
t caso se utilizan
tili
tres
t
h
haces de
d barrido
b id (RGB).
(RGB)
z Conversión RGB a YUV (compatibilidad con señales B&W).
Filtros
R
Lentes
Placa de
barrido
Y: Luminancia (intensidad).
U y V: Diferencias de color.
El ojo humano es más sensible a
la intensidad (brillo) que a la
información de color (subsampling).
a
G
a
B
a
t
t
Divisor
TV Color
t
Y+C
Y
R
G
Cámara
B
R
G
B
CRT
U
V
C
Codificador Modulador
5
Demod.
Conv.
TV B&W
Y+C
Filtro
Y
CRT
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2.1 Captura de vídeo analógico III
Parámetros de barrido:
z Relación
e ac ó de aspecto (a
(ancho:alto):
c o a to) 4:3
3
z Existen distintos estándares:
NTSC (Usa y Japón): 525 líneas, 30 frames/s
PAL/SECAM (Resto): 625 líneas,
líneas 25 frames/s.
frames/s
z Algunas líneas (superiores e inferiores) no son visibles.
z Durante el retorno vertical, se puede insertar información adicional
(teletexto).
Barrido entrelazado y progresivo.
progresivo
z Entrelazado.
Cada cuadro se representa con dos campos sucesivos (uno con las
lí
líneas
impares y otro con llas pares)) (60 c/s
/ ó 50
0 c/s).
/ )
6
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2.1 Captura de vídeo analógico IV
Parpadeo de imagen (flicker)
z Efecto
ecto que apa
aparece
ece cua
cuando
do la
a imagen
age no
o es refrescada
e escada co
con
suficiente rapidez.
z La retina mantiene una imagen durante un tiempo antes de que
desaparezca.
desaparezca
z Valor mínimo: 50 imágenes/segundo
Continuidad de movimiento.
z Viene determinada por el número de cuadros diferentes por
segundo.
segundo
z No se recomienda utilizar menos de 25 cuadros/s.
Ancho de banda de una señal de vídeo analógico: 6 MHz.
7
de vídeo.
1. Introducción.
z 2.1 Captura de vídeo
í
analógico.
ó
z
z
z
z
2.2 Digitalización.
2.3 Codificación (de RGB a YCbCr con subsampling).
2 4 Tipos de vídeo (según su calidad)
2.4
calidad).
2.5 Parámetros específicos de red.
z 3
3.1
1 Redundancia
R d d
i temporal.
t
l
4 Conclusiones.
4.
Conclusiones
– Master IC 2007/2008
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2.2 Digitalización I
ITU-R (CCIR-601): Estándar para la digitalización de señales de TV.
z Define los parámetros de muestreo
muestreo, cuantificación
cuantificación, barrido y
resolución de imagen que se deben tomar para digitalizar una señal
de TV analógica.
Parámetros de barrido:
z Dos
os formatos
o atos (NTSC
( SC y PAL/SECAM)
/S C )
525 líneas y 858 muestras/línea - 30 frames/seg.
625 líneas y 864 muestras/línea - 25 frames/seg.
z Las muestras corresponden a la luminancia (Y): Intensidad de luz de
cada pixel (cantidad de blanco).
z Las diferencias de color Cr (U) y Cb (V) se muestrean a la mitad
(429/lí
(429/línea,
432/línea):
432/lí
) Sub-sampling
S b
li 4:2:2.
422
9
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2.2 Digitalización II
z Cada línea tiene una zona visible (línea activa). Este estándar define
una línea activa de 720 pixels.
z Se define un número
ú
de líneas
í
visibles por cuadro:
480 (NTSC), 576 (PAL/SECAM).
Barrido entrelazado:
z Un cuadro (frame) está formado por dos campos:
El primero con las líneas impares y el segundo con las pares.
Línea
completa
Tiempo
Línea activa
720 muestreos
Frecuencia de muestreo única.
z 525x858x30* = 625x864x25 = 13,5 MHz.
1
0
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2.2 Digitalización III
Codificación y recodificación.
z Cada muestra RGB se codifica con 24 bits/color.
z La conversión de RGB a YCbCr (YUV) se realiza mediante una matriz
de conversión (aproximada):
Y = 0.3R + 0.6G + 0.1B
U = B - Y (Diferencia de color azul) (equiv
(equiv. Cb
Cb=U/2+128)
U/2+128)
V = R - Y (Diferencia de color rojo) (equiv. Cr=V/1.6+128)
z Cada uno de los componentes se codifica con 8 bits.
Y (8 bits):
bit ) rango 16-235
16 235
Cb (8 bits) y Cr (8 bits): rango 16-240
720
360
720
480
o
576
R
G
480
o
576
B
480
o
576
Y
Cb
Cr
Subsampling 4:2:2
1
1
de vídeo.
1. Introducción.
z 2.1 Captura de vídeo
í
analógico.
ó
z 2.2 Digitalización.
z 2.3 Codificación (de RGB a YCbCr
z 2.4
2 4 Tipos de vídeo (según su calidad)
calidad).
z 2.5 Parámetros específicos de red.
con subsampling).
z 3
3.1
1 Redundancia
R d d
i temporal.
t
l
4 Conclusiones.
4.
Conclusiones
– Master IC 2007/2008
1
3
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C 2007/2008
2.3 Codificación: RGB
1
4
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2.3 Codificación: YCbCr
1
5
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2.3 Codificación: Y Subsampling (I)
1
6
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2.3 Codificación: Y Subsampling x2 (II)
1
7
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2.3 Codificación: Y Subsampling x4 (III)
1
8
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2.3 Codificación: Y Subsampling x8 (IV)
1
9
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2.3 Codificación: CbCr Subsampling (V)
2
0
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2.3 Codificación: CbCr Subsampling x2 (VI)
2
1
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2.3 Codificación: CbCr Subsampling x4 (VII)
2
2
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2.3 Codificación: CbCr Subsampling x8 (VIII)
de vídeo.
1. Introducción.
z 2.1 Captura de vídeo analógico.
z 2.2 Digitalización.
z 2.3 Codificación (de RGB a YCbCr con subsampling).
z 2.4 Tipos de vídeo (según su
z 2.5 Parámetros específicos de red.
calidad).
3 Compresión de vídeo.
3.
vídeo
z 3.3
3 3 Estándares: MPEG y H
H.261.
261
4. Conclusiones.
– Master IC 2007/2008
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2.4 Tipos de vídeo (según su calidad) I
La percepción de calidad de una señal de vídeo se basa en tres
parámetros:
z La
L resolución
l ió de
d las
l imágenes.
i á
z La frecuencia de reproducción (cuadros/s.).
z El tipo de barrido (progresivo o entrelazado)
Televisión de alta definición (HDTV).
z Existen diferentes variantes acerca HDTV.
1920x1080/60, 1920x1080/30-24, 1280x720/30-24
z Relación de aspecto 16:9
Vídeo digital profesional (studio-quality).
z Estándar ITU-R (CCIR-601) de vídeo digital.
2
4
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2.4 Tipos de vídeo (según su calidad) II
Vídeo de difusión (TV broadcast).
z Difusión de señales de televisión analógicas.
z Estándares NTSC y PAL/SECAM.
Reproductor de Vídeo (VCR-quality
VCR quality).
)
z Grabación de vídeo analógico (en VHS)
g (la
( mitad de PAL/SECAM).
/
)
z Menor resolución de imagen
Videoconferencia (Low-speed).
z Tasas
T
de
d bits
bit pequeñas
ñ (alrededor
( l d d de
d 128 Kbps)
Kb )
z Resolución de imagen 4 veces inferior al vídeo digital.
ITU-TS H.261: Common Intermediate Format ((CIF)) 352x288
z La secuencia de cuadros/s se reduce entre 5 y 10.
2
5
de vídeo.
1. Introducción.
z
z
z
z
2.1
2.2
2.3
24
2.4
z 2.5
Captura de vídeo
í
analógico.
ó
Digitalización.
calidad).
z 3
3.1
1 Redundancia
R d d
i temporal.
t
l
4 Conclusiones.
4.
Conclusiones
– Master IC 2007/2008
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2.5 Parámetros específicos de red I
Lo que debe suministrar una red para el envío en tiempo real de
una secuencia de vídeo.
Tasa de bits.
Calidad
Estándar
Sin comprimir
Mbps
Comprimido
Mbps
HDTV 1920x1080/60
2000
Sin comprimir
Comprimido
MPEG-2
25 a 34
ITU R di
ITU-R
digital
it l TV
Sin comprimir
166
Comprimido
MPEG-2
3a6
TV broadcast
MPEG-2
2a4
VCR
MPEG-1
1,2
H.261
0.1
Videoconferencia
2
7
ITU-R 601
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2
8
2.5 Parámetros específicos de red II
Retardo y varianza del retardo.
z Normalmente se envían una secuencia de vídeo sincronizada con el
audio correspondiente.
correspondiente
La sincronización es muy importante y necesaria desde HDTV hasta
VCR.
En Videoconferencia no es tan importante ya que la imagen no es
continua (pocos cuadros/s).
z En estos casos, los requerimientos para estos parámetros los
impone el audio (más sensible).
z Valores indicativos para la varianza del retardo:
HDTV: 50 ms.
Vídeo difusión: 100 ms.
ms
Videconferencia: 400 ms.
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2.5 Parámetros específicos de red III
Tasa de error.
z El vídeo comprimido es más sensible a los errores.
z La degradación de la calidad de vídeo percibida depende:
BER de la red
Del tipo de error (simple, ráfaga, bloque, etc.)
Donde se produce ese error.
error
El índice de compresión de vídeo.
z Mecanismos de recuperación ante errores:
Técnicas
Té i
de
d protección
t ió de
d la
l señal.
ñ l
– FEC (Forward Correction Codes).
– Marcas de resincronización.
– Reversible VLC.
– Técnicas de paquetización.
Ocultación de errores (error concealment)
– Cuando se pierden bloques o llegan demasiado tarde.
– Técnicas de extrapolación e interpolación de cuadros.
2
9
de vídeo.
1. Introducción.
z
z
z
z
z
3.
2.1
2.2
2.3
24
2.4
2.5
Captura de vídeo
í
analógico.
ó
Digitalización.
calidad).
Compresión
p
de vídeo.
4. Conclusiones.
– Master IC 2007/2008
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3
1
3.1 Redundancia temporal.
Se basa en la similitud de cuadros sucesivos en una secuencia de
vídeo.
z Ej.: Secuencias de plano estático.
Se utilizan técnicas de codificación diferencial o transformada 3D
z Sólo
Sól se codificarán
difi á llas diferencias
dif
i entre
t cuadros
d
sucesivos
i
(DPCM).
(DPCM)
La reconstrucción de un cuadro puede estar basado en otro(s)
anterior(es).
( )
Un algoritmo típico de eliminación de redundancia temporal (motion
compensation) es el que emplea MPEG.
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Redundancia temporal (MPEG-1)
Cuadros de referencia y cuadros auto-contenidos
z Si F1 lo usamos para construir F2,
F2 se dice que F1 es un cuadro de
referencia (reference frame).
z Si un cuadro no se construye a partir de ningún otro, se dice que es
auto-contenido
t
t id (intracoded
i t
d d frame
f
)
Normalmente estos sirven de referencia para otros.
Macrobloques
q
(macroblocks)
z 16x16 pixels (6 bloques de 8x8: 4Y,1U y 1V).
F1
3
2
F2
F3
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Vectores de movimiento (motion vector)
z Identifican el desplazamiento de un determinado macrobloque
en el cuadro actual respecto a la posición que tenía en el cuadro
de referencia.
z Los vectores de movimiento se aplican
p
cuando se identifica un
macrobloque existente en el cuadro de referencia (matching
blocks)
Vector de movimiento
∆x = -20, ∆y = 0
Cuadro de referencia
Macrobloques
idénticos
F1
3
3
F2
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Búsqueda de macrobloques.
z Se buscan los macrobloques del cuadro a codificar en el cuadro de
referencia.
z Si se encuentra el mismo macrobloque,
q , sólo se codifica el vector de
movimiento correspondiente.
z Si no se encuentra exactamente el mismo se elige el más parecido
(macrobloque INTER).
INTER)
Se codifica el vector de movimiento.
Se calcula el macrobloque error (las diferencias) aplicándole codificación
estilo JPEG (DCT
(DCT, quant,
quant RLE+VLC en zigzag).
zigzag)
z Si no se encuentra ningún bloque similar (mb. INTRA)
Se codifica dicho macrobloque con codificación estilo JPEG.
3
4
Transm
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3
5
Tipos de cuadros
z I (Intracoded frames)): Cuadro codificado usando JPEG
(autocontenido).
z P (Predictive frames): Cuadro basado en las diferencias
respecto a un cuadro de referencia anterior (tipo I)
I).
z B (Bidirectional frames): Cuadros basados en la interpolación
de un cuadro anterior y otro posterior en la secuencia (tipo I
o P).
P)
Cuadro de tipo I
autocontenido
Cuadro de tipo B
basado en F1 y F3
F1
F2
Macrobloque
encontrado!!
Cuadro de tipo P
basado en F1
Macrobloque
encontrado!!
F3
Transm
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Secuencias de cuadros (Group Of Pictures)
z Los cuadros de tipo I son los menos comprimidos, a continuación
l de
los
d tipo
ti P y por último
últi
los
l que más
á compresión
ió obtiene
bti
son los
l
de tipo B.
z Secuencias típicas:
¾ IBBBPBBBI
¾ IBBPBBPBBI (PAL)
¾ IBBPBBPBBPBBI (NTSC)
I
3
6
B
B
P
B
B
P
B
B
I
Transm
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La importancia de los cuadros de tipo I.
z En u
un sistema
s ste a de vídeo
deo es habitual
ab tua e
el usa
usar los
os co
controles
t o es de a
avance,
a ce,
retroceso, pausa, etc.
Si queremos detener la secuencia de vídeo, necesitamos encontrar el
último cuadro I para reconstruir el cuadro donde se ha detenido la
imagen.
z Sirven como puntos de sincronización.
z Se estima que deben aparecer al menos un cuadro I cada 300-400
300 400
ms.
z Si se está difundiendo una secuencia de vídeo comprimida (TV
b d t videoconferencia,
broadcast,
id
f
i etc)
t )
Permite “engancharse” rápidamente y recuperarse ante la recepción de
algún cuadro dañado.
3
7
de vídeo.
1. Introducción.
z
z
z
z
z
2.1
2.2
2.3
24
2.4
2.5
Captura de vídeo
í
analógico.
ó
Digitalización.
calidad).
z 3.1
3 1 Redundancia temporal.
temporal
z 3.2 Estimación de movimiento:
algoritmos.
4 Conclusiones.
4.
Conclusiones
– Master IC 2007/2008
Transm
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C 2007/2008
3
9
3.2 Estimación de movimiento: Algoritmos.
La parte más costosa de la estimación de movimiento corresponde
a los algoritmos de búsqueda de macrobloques en el cuadro(s) de
referencia.
f
i
Provoca codificación asimétrica
Los algoritmos más conocidos son los siguientes:
z Búsqueda completa (Full-Search).
z TTS (Three-Step Search)
z Búsqueda logarítmica.
z Búsqueda en cruz (Cross-Search)
z OTS (One-at-a-Time Search)
z Vecinos más próximos (Nearest Neighbours Search)
z Búsqueda jerárquica.
Transm
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Estimación de movimiento.
Se define una función de coste que calcula el error entre dos
macrobloques, por ejemplo, SAE (Sum of Absolute Errors)* :
N −1 M −1
SAE (i, j ) = ∑ ∑ C (i, j ) − R(i, j )
i =0
j =0
z (i,j) está definido dentro del área de búsqueda
z (NxM) determina las dimensiones del macrobloque.
z C(i,j) y R(i,j) definen los pixels del macrobloque actual y referencia
respectivamente.
Las coordenadas (i,j) que menor SAE exhiban determinarán el
vector de movimiento del macrobloque actual.
4
0
(*) Más conocido como SAD (Sum of Absolute Differences)
Transm
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Algoritmos: Full Search.
Examina todos los puntos del área de búsqueda (+/- p)
Complejidad computacional por macrobloque:
z Número
Nú
ttotal
t ld
de posiciones:
i i
(2
(2p + 1)2
z Cada posición (i,j), MxN pixels.
z Cada pixel requiere: 1 resta, 1 suma y 1 valor absoluto.
O(MB ) = (2 p + 1) 3MN
2
Complejidad (secuencia IxJ pixels @ F fps)
IJF
O(FS ) =
O(MB )
MN
Ejemplo:
z Broadcast TV (I=720, J=480, F=30, N=M=16)
z Coste de este algoritmo: 29.89 GOPS (p=15) ó 6.99 GOPS (p=7)
4
1
Transm
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Algoritmos: Three-Step Search.
(-7,-7)
(0,-7)
(7,-7)
MV: (7
(7,-3)
3)
1
1
1
1
2
3 3 3
2 3 2 3
3 3 3
2
1
2
2
2
1
1
1
2
1.
2.
3
3.
4.
1
5.
(0,7)
((-7,7)
, )
Coste:
(7,7)
6.
(⎡
⎤)
z Examina 8 log 2 p + 1 puntos
z 1.02 GOPS (p=15) ó 770 MOPS (p=7).
4
2
Busca en la posición (0,0)
S=2N-1 (step size)
B
Busca
8 posiciones
i i
a +/-S
+/ S
píxeles alrededor de (0,0)
De las nueva posiciones
elige
g aquella
q
con el SAD
menor.
S=S/2 y el nuevo origen de
búsqueda el punto obtenido
en 4.
4
Repetir pasos 3-5 hasta que
S=1.
Transm
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Algoritmos: Búsqueda logarítmica.
(-7,-7)
(0,-7)
(7,-7)
MV: (5,-3)
1
4
5 5 5
2 5 3 5 4
5 5 5
1
2
1
2
3
1
1
1.
2.
3.
4.
((-7,7)
, )
(0,7)
Coste:
z Examina 20 puntos
z 616 MOPS (p=7 y N=2).
4
3
(7,7)
5.
6
6.
Busca en la posición (0,0) y establece
S=N (step size)
Selecciona 4 posiciones a S píxeles
d l origen
del
i
en los
l ejes
j X e Y.
Y
Calcula la posición que ofrece el
menor SAD, fijándola como el
nuevo origen
g de la búsqueda
q
Si esta posición es la central de las 5
seleccionadas S=S/2
Si S=1 ir al paso 6, sino ir al paso 2.
S l i
Selecciona
ell origen
i
actual
t l y las
l 8
posiciones de alrededor, y calcula
aquella que minimiza el SAD
Transm
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C 2007/2008
Algoritmos: Búsqueda en cruz (Cross Search)
(-7,-7)
(0,-7)
2
MV: (-3,-5)
2
4
1
4
1
1.
3
3
2
(7,-7)
2
3
2.
3
1
3.
1
1
4
4.
5.
(0 7)
(0,7)
( 7 7)
(-7,7)
Coste:
(⎡
z Examina 4 log 2
z 523 MOPS (p=7).
4
4
(7 7)
(7,7)
p ⎤) + 5 puntos
Establece el origen en la posición
N 1 (step
(0 0) S
(0,0).
S=2
2N-1
( t size)
i )
Selecciona 4 posiciones a +/-S
píxeles del origen formando una
cruz ((X)) y el propio
p p origen.
g
Calcula la posición que ofrece el
menor SAE, fijándola como el
nuevo origen de la búsqueda
Si (S>1) entonces
t
S
S=S/2
S/2 y va all
punto 2. Sino ir al punto 5.
Si la mejor posición está en el punto
superior
p
izquierda
q
o inferior derecha
de la X, evaluar 4 puntos más en
forma de X a una distancia de +/-1
pixel. Sino hacer lo mismo pero con
l 4 puntos
los
t distribuidos
di t ib id en “+”.
“+”
Transm
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Algoritmos: OTS (One-at-a-Time Search)
(-7,-7)
(0,-7)
5
9
8
7
6
4 3
6
(7,-7)
MV: ((-4,-3)
, )
1.
2.
2 1
1 1
3
3.
4.
5.
(0 7)
(0,7)
(-7,7)
Coste:
z Examina 12 puntos
z 369 MOP.
4
5
(7 7)
(7,7)
Establece el origen en (0,0).
Selecciona el origen y las dos
posiciones vecinas en el eje X
C l l la
Calcula
l posición
i ió que menor
SAD exhiba. Si es el origen ir
al paso 5.
Establece el nuevo origen
g en la
posición que ha ofrecido el
menor SAD. Ir al paso 2.
Repetir los pasos 2 al 4
seleccionando
l i
d las
l posiciones
i i
en el sentido vertical (eje Y).
Puede dar lugar a mínimos locales !
Transm
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C 2007/2008
Algoritmos: Vecino más próximo.
(-7,-7)
(0,-7)
3 2
3 2 1
1 1
1
2
1
MV: (-3,-4)
1.
2.
0
3
3.
4.
(0 7)
(0,7)
(-7,7)
Coste:
z Examina 12 puntos
z 369 MOP.
4
6
(7,-7)
(7 7)
(7,7)
Calcula el SAD del (0,0).
Establece el origen de búsqueda a
la posición del vector supuesto
(predicted vector)
Selecciona 4 posiciones alrededor
del origen en forma de “+”.
Si el origen de búsqueda (o la
posición 0,0 en la primera
iteración) ofrece el menor SAD
entonces “fin de búsqueda”.
Sino establece el nuevo origen de
búsqueda en la posición que menor
SAD ha ofrecido.
Propuesto para H.263 y MPEG-4.
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C 2007/2008
Estimación de movimiento: Otras consideraciones.
Estimación de movimiento con fracciones de pixel
z Se basa en realizar la estimación de movimiento con mayor precisión,
ya que a veces el movimiento real no se ajusta a desplazamientos de
píxel enteros.
z Half-Pixel motion estimation
S
Se obtiene
bi
un imagen
i
de
d mayor resolución
l ió interpolando
i
l d un punto de
d la
l
imagen entre cada dos píxeles.
A
b
A
b
A
¾
c
d
c
d
c
A
b
A
b
A
c
d
c
d
c
A
b
A
b
A
¾
A: Píxeles reales ((Enteros))
b,c,d: Píxeles interpolados. Las flechas
indican la dirección de interpolación.
4
7
Se incrementan notablemente las
prestaciones del algoritmo de
estimación de movimiento a expensas
de un mayor coste computacional.
H.263 utiliza está técnica, incluso se
propone utilizar ¼ y 1/8 de píxel para
el estándar H.264
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C 2007/2008
Estimación de movimiento: Mejoras propuestas.
Vectores de movimiento fuera del cuadro de referencia.
z Para estimar correctamente el movimiento que se produce en los
b d del
bordes
d l cuadro.
d
Tamaño de bloque variable.
z Para realizar estimación de movimiento más precisa.
z Se utiliza en H.263 (Anexo F) y H.264.
Tamaños: 16x16;8x8;4x4;8x16;16x8....
OBMC ((Overlapped
pp Block Motion Compensation)
p
)
z Objetivo: Suavizar los efectos de “blocking” que aparecen en los
bordes de los macrobloques.
z Incremento significativo
g
del coste computacional.
p
H.263 recomiendo utilizar filtros de salida (deblocking filters) que realizan
esta operación a un coste computacional muy inferior.
Modelos de estimación más complejos:
z Region-based, Picture Warping, Mesh-based, Object-based...
4
8
de vídeo.
1. Introducción.
z
z
z
z
z
2.1
2.2
2.3
24
2.4
2.5
Captura de vídeo
í
analógico.
ó
Digitalización.
calidad).
z 3
3.1
1 Redundancia temporal.
temporal
z 3.3
Estándares: MPEG y H.26x.
4 Conclusiones.
4.
Conclusiones
– Master IC 2007/2008
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3.3 Estándar MPEG.
Conjunto de estándares ISO para la grabación y transmisión digital
de audio y vídeo.
En su evolución se han desarrollado varias versiones del estándar
MPEG:
z MPEG-1 (ISO 11172) (‘91):
CD-ROM
CD ROM vídeo
íd (1,5
(1 5 Mbps).
Mb )
z MPEG-2 (ISO 13818) (‘93):
TV Broadcast (4-6 Mbps).
HDTV (25-34
(2 3 Mbps).
b )
z MPEG-4 (ISO 14496) (‘99):
Originalmente: Videoconferencia (4,8 a 64 Kbps).
Enfoque universal de tratamiento de elementos multimedia.
z MPEG-7 (00-?): Descripción de contenido multimedia
(videodatabases)
z MPEG-21 (01-?): Uso transparente de contenido multimedia entre
redes y usuarios heterogéneos.
5
0
5
1
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Relación entre los estándares MPEG.
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MPEG-1.
MPEG-1 (ISO 11172) (‘91)
z MPEG-Vídeo (IS 11172-2)
z MPEG-Audio (IS 11172-3)
z MPEG-System (IS 11172-1):
Multiplexado y sincronización.
z MPEG-Conformance Testing (IS 11172-4)
Patrones de prueba, medida de calidad, etc
z MPEG-Software
MPEG S ft
C
Coding
di (IS 11172-5)
11172 5)
Directrices para la codificación de los algoritmos.
Propósito de MPEG-1
z Almacenamiento en CD-ROM de audio (calidad CD) y vídeo (calidad
VCR) sincronizado (1,5
(1 5 Mbps).
Mbps)
5
2
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MPEG-1
Características de MPEG-1:
z Resolución de imagen: 352x(288 ó 240) (PAL/NTSC).
z Reducción de color (sub-sampling): 4:2:0.
z Barrido progresivo (no entrelazado).
z Tasa de cuadros: 25/30 (PAL/NTSC).
(PAL/NTSC)
z Incluye cuadros de tipo D (DC-coded):
Operaciones de avance rápido (Fast Forward).
z Codificador/decodificador asimétrico.
Tasa
T
de
d compresión:
ió 27:1.
27 1
Los codificadores de audio y
vídeo
íd trabajan
t b j por separado.
d
¾
5
3
Utilizan un reloj común para
establecer el tiempo de cada una
de sus capturas (system).
A di
Audio
encoder
Salida
MPEG-1
Reloj
Vídeo
encoder
System
Mux.
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5
4
MPEG-2
Conjunto de estándares ISO 13818 (‘93).
Propósito:
z Mejorar la calidad de imagen respecto al anterior sin incrementar
excesivamente la tasa de bits requerida
z Calidad de vídeo profesional (studio
(studio-quality)
quality) y HDTV
Aplicación:
z Difusión de señales de TV, HDTV, VOD
La codificación/decodificación es muy similar a la de MPEG-1 salvo
algunas diferencias:
z No se incluyen cuadros de tipo D.
z Permite bloques de 16x8 para vídeo entrelazado.
z Otras mejoras (permite DC de hasta 10 bits, cuantización no lineal,
nuevas tablas
t bl VLC,
VLC escalabilidad
l bilid d SNR y multiresolución)
lti
l ió )
Transm
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MPEG-2
Características de MPEG-2.
z Soporta barrido entrelazado y progresivo.
z Puede trabajar con distintas resoluciones (nivel):
CIF: 352x288/240 (VCR quality) (Compatibilidad MPEG-1)
Principal: 720x576/480 (studio
(studio-quality)
quality)
High-1440: 1440x1152 (HDTV)
High: 1920x1080 (HDTV)
z Define
D fi varios
i perfiles
fil de
d implementación
i l
t ió
Detalles de los algoritmos de compresión y parámetros de imagen,
barrido, etc.
z El multiplexado y sincronización es más general y flexible que MPEG1
Se pueden multiplexar/sincronizar varias fuentes de audio, vídeo y datos
(ej.: subtítulos en varios idiomas).
5
5
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MPEG-4
Propósito:
z Diseño de aplicaciones multimedia interactivas distribuidas.
Aplicación:
z Televisión digital
Compatibilidad con MPEG-2 (backware compatibility)
z Aplicaciones multimedia interactivas
El usuario puede interaccionar con los objetos multimedia de la sesión.
z Distribución de información multimedia (tipo WWW)
A través de una red, se permitirá el acceso y distribución a información
multimedia, facilitando su diseño y presentación.
5
6
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5
7
MPEG-4
Características:
z Accesibilidad de la información de manera universal y robusta.
z Alta interactividad con la información multimedia.
Definición de escenarios virtuales compuestos por objetos
independientes (AVOs).
El usuario puede modificar/configurar el escenario actual.
z Codificación conjunta de datos sintéticos y reales.
z Codificación eficiente de la información.
información
Mejoras en la compresión y multiplexación de la información.
Codificación de objetos con forma irregular.
5
8
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MPEG-4
Transm
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3.3 Estándar H.261.
Pertenece al conjunto de estándares H.320 del ITU dedicados a
videoconferencia sobre RDSI.
z H.320:
H 320 D
Definición
fi i ió d
de lla familia
f ili de
d estándares
á d
z H.221: Multiplexado, sincronización sobre uno o varios canales
RDSI y empaquetamiento
p q
(framming).
(
g)
z H.242/H.230: Establecimiento y control de sesión.
z H.224/H.281: Control remoto de cámaras.
z H.233
H 233 y H
H.234:
234 Cif
Cifrado
d y autenticación
t ti ió de
d los
l datos.
d t
z T.120: Soporte para aplicaciones (transferencia de imágenes,
anotaciones compartidas, etc.)
z G.711, G.72x ...: Algoritmos de compresión de audio
z H.261: Compresión de vídeo (conocido como px64).
5
9
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Estándar H.261.
Características de H.261:
z Formato de imagen: YCbCr
CIF: 352x288 (opcional)
QCIF: 176x144 (obligatorio)
z Reducción de color: 4:2:0
z Tasa de cuadros/seg: como máximo 30 max.
Mecanismo de compresión
ó similar a MPEG-1:
z Para la redundancia temporal se emplean mecanismos similares a
MPEG,, basados en macrobloques
q
(16x16).
(
)
z H.261 define el concepto de GOB (Group Of Blocks)
1 GOB = 3x11 macrobloques (QCIF: 3 GOBs)
6
0
Transm
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Estándar H.261.
Sólo se definen dos tipos de cuadros: I y P.
z No existen secuencias predefinidas de cuadros.
z Decisión de codificación I o P para cada cuadro.
Estimación de movimiento (motion estimation):
z Se realiza a nivel de macrobloque
z Búsqueda restringida en un área de +-15 pixels, usando sólo la
información de luminancia (Y).
z Resultado de la búsqueda:
Macrobloque del cuadro de anterior que más se parece al actual
q error).
)
Cálculo de las diferencias ((macrobloque
Si superan un cierto umbral se codifican (DCT), si no se elimina el
macrobloque error, utilizando sólo el vector de movimiento.
Cuantificación lineal (menos costosa).
costosa)
Se siguen utilizando run-length y Huffman (VLC).
6
1
Transm
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Estándar H.261.

PSC
Esquema del formato H.261
H 261
TR
GOB Start
Addr
Type
DC
6
2
PType
GOB1
Grp#
Quant
Run, Valor
GOB2
Quant
Vector
...
MB1
CBP
....
GOBm
...
b0
Run, Valor
MBn
b1
EOB
...
b5
Transm
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C 2007/2008
6
3
Otros estándares H.26x.
H.263: Mejora, amplía y sustituye el H.261
z De propósito general (no sólo para videoconf.)
videoconf )
z Incluye compensación de movimiento de “medio-píxel”
z Soporta cinco resoluciones (SQCIF, QCIF, CIF, 4CIF y 16CIF)
z Permite estimación de movimiento bidireccional y sin restricción en
el tamaño de la ventana de búsqueda
H.263+:
H 263+: Añade nuevas características a H.263
H 263
z Escalabilidad SNR, espacial y temporal
z Predicción de los valores de los coeficientes de la DCT
H.264: Mejora la eficiencia en codificación
z DCT con enteros y tam. bloque 4x4, compensación de movimiento
con bloques de tamaño variable, etc.
Transm
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6
4
Otros estándares H.26x.
Comparación subjetiva MPEG-4 - H.264
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4. Conclusiones
Las imágenes son captadas por cámaras de vídeo que proporcionan
una señal analógica RGB.
La
L digitalización
di it li ió está
tá basada
b d en ell estándar
tá d ITU-R
ITU R
En función de la calidad de vídeo deseada, existen diversos formatos
de imagen,
g , barrido,, etc.
Se definen distintos parámetros de red de importancia para el
transporte de vídeo
Algoritmos
Al it
de
d compresión
ió de
d vídeo
íd
z Fundamentos: Redundancia temporal
z Algoritmos
g
de estimación de movimiento: Alto coste computacional.
p
z Estándares de compresión:
Familia MPEG: 1-2-4
– Diseñados para procesar vídeo digital de calidad (Sector consumo).
Familia ITU: H.261-3-4
– Diseñados para comunicaciones audiovisuales en distintos tipos de redes (RDSI, IP, telefonía,
etc.)
6
5

Tema 6: Codificación y compresión de vídeo.

Transcripción

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