Συµπίεση Δεδοµένων: Συµπίεση Ψηφιακού Βίντεο

Transcript

1 Συµπίεση Δεδοµένων: Συµπίεση Ψηφιακού Βίντεο Αλέξανδρος Ελευθεριάδης Αναπ. Καθηγητής & Marie Curie Chair Τµήµα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών (210) [Διάλεξη 2 η ] p1

2 Βασικές Αρχές Συµπίεσης 1. Ελαχιστοποίηση χωρικής πλεονασµατικότητας (spatial redundancy) π.χ. transform coding 2. Ελαχιστοποίηση χρονικής πλεονασµατικότητας (temporal redundancy) π.χ. motion compensated prediction 3. Κωδικοποίηση εντροπίας (entropy coding) π.χ. Huffman coding p2

3 DPCM Μεταξύ pixels αλλά και µεταξύ frames p3

4 Transform Coding Παράδειγµα p4

5 Discrete Cosine Transform Προσέγγιση του KLT Κατανοµή σταθερών ώστε οι συντελεστές να είναι µεταξύ και C(u)=sqrt(1/2) άν u=0, 1 διαφορετικά Mismatch Control Μη τυποποιηµένη υλοποίηση συσσωρεύει σφάλµα στο δέκτη. Προσθήκη ψευδοτυχαίου σήµατος το κρατάει µέσα σε όρια p5

6 Κβαντισµός (quantization) Με dead-zone (τυπικά για AC) Χωρίς (τυπικά για DC) p6

7 Motion Estimation Διαφορά διαδοχικών εικόνων χωρίς (a) και µε (b) εκτίµηση κίνησης p7

8 Μοντέλο ME MSE MAE p8

9 Τεχνικές ΜΕ Full-search, πολυπλοκότητα (2w+1) % συνολικής υπολογιστικής πολυπλοκότητας τυπικού κωδικοποιητή Παράδειγµα ταχύ αλγορίθµου Cross-Search Algorithm (CSA), πολυπλοκότητα 5+4log 2 w p9

10 Ιεραρχική Εκτίµηση (Hierarchical ME) Ιδιαίτερα χρήσιµη σε scalable codecs p10

11 Κωδικοποίηση Εντροπίας Εντροπία Huffman & Arithmetic Coding Παράδειγµα Huffman: p11

12 Γενική Αρχιτεκτονική Κωδικοποιητή Βίντεο Interframe predictive encoder Καλύπτει όλες τις γενιές κωδικοποιητών βίντεο! Παρατηρήστε σύvδεση buffer-quantizer (rate control) p12

13 Αποκωδικοποιητής p13

14 Επιτεύγµατα στην Κωδικοποίηση Βίντεο PSNR [db] Variable block size Variable block size (16x16 4x4) + (16x16 8x8) quarter-pel + multi-frame motion compensation (H.264/AVC, 2003) (H.263, 1996) + quarter-pel motion compensation (MPEG-4, 1998) Half-pel motion compensation (MPEG MPEG ) Bit-rate Reduction: 75% Integer-pel motion compensation (H.261, 1991) Intraframe DCT coding (JPEG, 1990) Foreman 10 Hz, QCIF 100 frames Rate [kbit/s] p14

15 Ύλη (Ghanbari) Κεφάλαια 1-3 Κεφάλαιο 4 εκτός Κεφάλαιο 5 JPEG Baseline JPEG εκτός p15

16 JPEG Joint (ITU+ISO) Photographic Experts Group JPEG 1994 (ISO ) -.jpg Coding File format (JIF - Annex B, JFIF) JPEG (ISO ) -.jp2 p16

17 JPEG - Lossless p17

18 JPEG - Lossless 3 sample prediction neighborhood p18

19 Baseline Sequential JPEG (Lossy) p19

20 Πίνακας Luminance Q p20

21 Q Factor Το α πολλαπλασιάζει τα στοιχεία του πίνακα p21

22 Κωδικοποίηση DCT DC πρόβλεψη AC zig-zag scan + run-length encoding p22

23 Κωδικοποίηση Συντελεστών DC DIFF = Range (CAT) + Τιµή CAT Range , 1 2-3, -2, 2,3 3-7,...-4, 4, , , 1024, Κωδικοποίησης τελικών bits τιµής Αν DIFF>0, ξεκινάς από το πρώτο bit µε τιµή 1 Αν DIFF<0, ξεκινάς από το πρώτο bit του DIFF-1 µε τιµή 0 p23

24 Παράδειγµα DIFF = 6 ( ) DIFF > 0 CAT = 3 (4 DIFF 7), bits = 100 (Πίνακας Β.1 βιβλίου) Τελικά bits 110 Τελικός κώδικας = DIFF = -3 DIFF < 0 CAT = 2 (-3 DIFF -2), bits = 011 (Πίνακας Β.1 βιβλίου) DIFF-1=-4 ή Τελικά bits 00 Τελικός κώδικας p24

25 Κωδικοποίηση Συντελεστών AC Κωδικοποίηση (RUN, CAT) ή (RUN, SIZE) Max run = 15, για µεγαλύτερα runs επαναλαµβάνεις το σύµβολο (15, 0) ΕΟΒ = (0, 0) = τέλος σειράς AC Κωδικοποίηση υπόλοιπων bits όπως DC p25

26 Παράδειγµα p26

27 Sequential JPEG p27

28 Progressive JPEG Bitplane coding p28

29 Hierarchical Multiresolution Encoding p29

30 Hierarchical Multiresolution Encoder p30