Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας Ενότητα 9 : Κωδικοποίηση βίντεο Πρότυπο συμπίεσης MPEG Ιωάννης Έλληνας Τμήμα Η/ΥΣ

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σκοποί ενότητας Σκοπός της ενότητας αυτής είναι να εξοικειωθείτε με το πρότυπο συμπίεσης βίντεο MPEG. 4

5 Περιεχόμενα ενότητας Κωδικοποίηση βίντεο Ψηφιακό βίντεο Συμπίεση βίντεο Εκτίμηση κίνησης Τεχνικές ταιριάσματος μπλοκ Γενική μορφή ενός video codec Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 5

6 Κωδικοποίηση βίντεο (1) Αναλογικό βίντεο 6

7 Κωδικοποίηση βίντεο (2) Σχήμα 9.1 Τρόπος σάρωσης αναλογικού βίντεο. (α) Προοδευτική σάρωση.(β) Συνεπλεγμένη σάρωση. Αναλογικό βίντεο και χρωματικό σύστημα 7

8 Ψηφιακό Βίντεο (1) Χαρακτηριστικά του ψηφιακού βίντεο 8

9 Ψηφιακό Βίντεο (2) Τύποι πλαισίου ψηφιακού βίντεο Σχήμα 9.2 Τρόπος ανάλυσης των χρωματικών συνιστωσών στο ψηφιακό βίντεο. (α) Θέση των pixels για ανάλυση 4:2:0. (β)τα macroblocks για φωτεινότητα και χρωματικές συνιστώσες. 9

10 Ψηφιακό Βίντεο (3) Πίνακας 9.1 Οριζόντια και κάθετη ανάλυση των χρωματικών συνιστωσών ως προς την ανάλυση της φωτεινότητας. Τύποι ψηφιακού βίντεο Α μέρος 10

11 Ψηφιακό Βίντεο (4) Τύποι ψηφιακού βίντεο Β μέρος Πίνακας 9.2 Χαρακτηριστικά διαφόρων μορφών ψηφιακού βίντεο. 11

12 Συμπίεση βίντεο (1) Κωδικοποίηση πρόβλεψης Α μέρος 12

13 Συμπίεση βίντεο (2) Κωδικοποίηση πρόβλεψης Β μέρος Σχήμα 9.3 DPCM codec. (α) Κωδικοποιητής. (β) Αποκωδικοποιητής. 13

14 Εκτίμηση κίνησης Motion estimation (1) Μέρος Α 14

15 Εκτίμηση κίνησης Motion estimation (2) Σχήμα 9.4 Πεδίο κίνησης ενός πλαισίου. Μέρος Β 15

16 Εκτίμηση κίνησης Motion estimation (3) Αλγόριθμος ταιριάσματος μπλοκ 16

17 Εκτίμηση κίνησης Motion estimation (4) Διαδικασία πρόβλεψης, εκτίμησης κίνησης, υπολειπόμενο πλαίσιο 17

18 Εκτίμηση κίνησης Motion estimation (5) Σχήμα 9.5 Ο αλγόριθμος ΒΜΑ μεταξύ δυο διαδοχικών πλαισίων. 18

19 Εκτίμηση κίνησης Motion estimation (6) Σχήμα 9.6 Ο τρόπος ψαξίματος για την εύρεση του αντίστοιχου μπλοκ. 19

20 Εκτίμηση κίνησης Motion estimation (7) Σχήμα 9.7 Η διαδικασία εκτίμησης της κίνησης μεταξύ διαδοχικών πλαισίων και πρόβλεψης του τρέχοντος πλαισίου. (α) Πλαίσιο k. (β) Πλαίσιο k+1. (γ) Πρόβλεψη τρέχοντος πλαισίου. (δ) Υπολειπόμενο πλαίσιο. 20

21 Τεχνικές ταιριάσματος μπλοκ (1) Οι βασικές τεχνικές, Μέρος Α 21

22 Τεχνικές ταιριάσματος μπλοκ (2) Οι βασικές τεχνικές, Μέρος Β 22

23 Τεχνικές ταιριάσματος μπλοκ (3) Πίνακας 9.3 Πολυπλοκότητα των αλγορίθμων αναζήτησης κατά την εκτίμηση κίνησης. 23

24 Γενική μορφή ενός video codec (1) Κωδικοποιητές και αποκωδικοποιητές 24

25 Γενική μορφή ενός video codec (2) Σχήμα 9.8 Μπλοκ διάγραμμα ενός κωδικοποιητή πρόβλεψης κίνησης. 25

26 Γενική μορφή ενός video codec (3) Σχήμα 9.9 Μπλοκ διάγραμμα του αποκωδικοποιητή ενός video codec. Εκτιμητής κίνησης, Μετασχηματισμός DCT, Κβαντιστής Quantizer 26

27 Γενική μορφή ενός video codec (4) Κωδικοποίηση μεταβλητού μήκους, Αναπαραγωγή πλαισίου, Απομονωτής, Αποκωδικοποιητής 27

28 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (1) 28

29 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (2) 29

30 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (3) 30

31 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (4) Σχήμα 9.10 Η σχέση μεταξύ των πλαισίων Ι-Ρ-Β. Η δομή του βίντεο, Μέρος Α 31

32 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (5) Η δομή του βίντεο, Μέρος Β 32

33 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (6) Σχήμα 9.11 Η ιεραρχική δομή του MPEG-1. 33

34 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (7) Πίνακας 9.4 Τύποι ΜΒ στο MPEG-1. 34

35 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (8) Μπλοκ Ο MPEG-1 κωδικοποιητής, Μέρος Α 35

36 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (9) Ο MPEG-1 κωδικοποιητής, Μέρος Β Σχήμα 9.12 Ο κωδικοποιητής του MPEG-1. 36

37 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (10) Ανάλυση σχήματος 9.13 Η εκτίμηση της κίνησης, Μέρος Α 37

38 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (11) Σχήμα 9.13 Πίνακες βάρους για την κβάντιση των συντελεστών ενός μπλοκ. (α) ΜΒ σε INTRA mode. (β) ΜΒ σε INTER mode. (γ) Τεχνική σάρωσης zig-zag. Η εκτίμηση της κίνησης, Μέρος Β Ανάλυση σχήματος

39 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (12) Σχήμα 9.14 Η εκτίμηση της κίνησης για την κωδικοποίηση ενός πλαισίου. (α) Πλαίσιο στη χρονική στιγμή Ν. (β) Πλαίσιο στη χρονική στιγμή Ν-1 το οποίο έχει ανασυσταθεί και φυλαχτεί στη μνήμη του κωδικοποιητή MPEG-1. (γ) Διαφορά των δυο πλαισίων χωρίς εκτίμηση κίνησης. (δ) Υπολειπόμενο πλαίσιο μετά την εκτίμηση κίνησης. 39

40 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (13) MPEG-1 Aνάλυση σχήματος

41 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (14) Σχήμα 9.15 Τηλεσκοπική μέθοδος εκτίμησης της κίνησης στο MPEG-1. Πρόβλεψη, Μέρος Α 41

42 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (15) Πρόβλεψη, Μέρος Β Η κωδικοποίηση των πλαισίων, Μέρος Α 42

43 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (16) Η κωδικοποίηση των πλαισίων, Μέρος Β 43

44 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (17) Ο αποκωδικοποιητής Σχήμα 9.16 Μπλοκ διάγραμμα αποκωδικοποιητή MPEG-1. 44

45 Το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 (18) Λειτουργίες αποκωδικοποιητή 45

46 Βιβλιογραφία 1. N. Η. Παπαμάρκος, Ψηφιακή Επεξεργασία και Ανάλυση Εικόνας, Δημοκρίτειο, Ξάνθη Σ. Δ. Κόλλιας, Επεξεργασία, Ανάλυση και Τεχνολογία Εικόνων και Βίντεο, Σημειώσεις ΕΜΠ, Αθήνα I. Pitas, Digital Image Processing Algorithms, Prentice Hall, R. C. Gonzalez, R. E. Woods, Digital Image Processing, Prentice Hall, 2 nd Edition R. C. Gonzalez, R. E. Woods, S. L. Eddins, Digital Image Processing Using MATLAB, Prentice Hall. 6. A. K. Jain, Fundamentals of Digital Image Processing, Prentice Hall,

47 Τέλος Ενότητας