Αρχές κωδικοποίησης. Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 08-1

Transcript

1 Αρχές κωδικοποίησης Απαιτήσεις κωδικοποίησης Είδη κωδικοποίησης Κωδικοποίηση εντροπίας Διαφορική κωδικοποίηση Κωδικοποίηση μετασχηματισμών Στρωματοποιημένη κωδικοποίηση Κβαντοποίηση διανυσμάτων Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 08-1

2 Απαιτήσεις κωδικοποίησης Απαιτήσεις πολυμέσων Φωνή PCM: 64 Kbps (8 KHz, 8 bits) Μουσικό CD: 705,6x2 Kbps (44,1 KHz, 16 bits) Βίντεο PAL: 216 Mbps (13,5 MHz, 4:2:2, 8 bits) Συμπίεση και αποσυμπίεση Αποθήκευση (δίσκοι) Μετάδοση (δίκτυο) Ενταμίευση (μνήμη) Περιορισμοί Υψηλή πιστότητα Χαμηλή πολυπλοκότητα Χρονικά όρια επεξεργασίας Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 08-2

3 Απαιτήσεις κωδικοποίησης Απαιτήσεις σύγχρονων εφαρμογών Καθυστέρηση συμπίεσης / αποσυμπίεσης κάτω από 50 ms Καθυστέρηση από άκρο σε άκρο κάτω από 150 ms Απαιτήσεις εφαρμογών αλληλεπίδρασης Γρήγορη ανάκτηση πληροφοριών (εμπρός / πίσω) Τυχαία προσπέλαση σε λιγότερο από 500 ms Αποσυμπίεση χωρίς πρόσθετα δεδομένα Απαιτήσεις όλων των εφαρμογών Μορφότυπα γενικής φύσης Πολλαπλοί ρυθμοί μετάδοσης Συγχρονισμός ήχου, βίντεο και άλλων μέσων Υλοποίηση με λογισμικό ή υλισμικό Τυποποιημένες τεχνικές συμπίεσης / αποσυμπίεσης Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 08-3

4 Είδη κωδικοποίησης Μη απωλεστική (lossless) Απωλεστική (lossy) Συμμετρικές τεχνικές Ασύμμετρες τεχνικές Κωδικοποίηση εντροπίας Δεν κατανοεί το περιεχόμενο των μέσων Μη απωλεστική Κωδικοποίησης πηγής Κατανοεί το περιεχόμενο των μέσων Μπορεί να είναι απωλεστική ή μη απωλεστική Πρόβλεψη ή/και μετασχηματισμός δεδομένων Υβριδική κωδικοποίηση Συνδυασμός κωδικοποιήσεων πηγής και εντροπίας Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 08-4

5 Είδη κωδικοποίησης Κατηγορία Εντροπίας Πηγής Παράδειγμα Κωδικοποίηση μήκους σειρών Κωδικοποίηση Huffman Αριθμητική κωδικοποίηση Κωδικοποίηση LZx Διαφορική κωδικοποίηση Κωδικοποίηση μετασχηματισμών Στρωματοποιημένη κωδικοποίηση Κβαντοποίηση διανυσμάτων Υβριδική JPEG MPEG-x H.26x Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 08-5

6 Είδη κωδικοποίησης Ροή κωδικοποίησης JPEG, MPEG-x, H.26x Προετοιμασία Ψηφιοποίηση Επεξεργασία Μετασχηματισμός DCT/FFT Πρόβλεψη κίνησης (βίντεο) Κβαντοποίηση Μετατροπή δειγμάτων σε ακέραιες τιμές Μεταβαλλόμενη ακρίβεια Κωδικοποίηση εντροπίας Ασυμπίεστη Εικόνα Προετοιμασία Συμπίεση ψηφιακής ροής χωρίς απώλειες Μετασχηματισμός Κβαντοποίηση Κωδικοποίηση Εντροπίας Συμπιεσμένη Εικόνα Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 08-6

7 Κωδικοποίηση εντροπίας Κωδικοποίηση μήκους σειρών (RLE) Αντικατάσταση σειρών όμοιων bytes Σημαία ~, μήκος σειράς 4, Byte Διπλασιασμός σημαίας όπου εμφανίζεται Κατάλληλη (και) για τεχνητές εικόνες Συνεχόμενα εικονοστοιχεία με το ίδιο χρώμα Παράδειγμα Είσοδος: BBBACCCCCC~Α Έξοδος: BBBA~2C~~A Κωδικοποίηση συχνών λέξεων Σημαία και κωδικός λέξης Χρήση λεξικού με συχνές λέξεις Κατάλληλη για γλώσσες προγραμματισμού Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 08-7

8 Διαφορική κωδικοποίηση Ύψος δείγματος Χρήση της διαφοράς των διαδοχικών τιμών Μικρές διαφορές μεταξύ τιμών Μεγάλες διαφορές από το μηδέν Χρόνος Διαμόρφωση δέλτα (DM): ένα bit ανά δείγμα (+1 ή 1) Διαφορική κωδικοποίηση χωρίς προσαρμογή (DPCM) Έστω 4 bits ανά δείγμα Μικρές διαφορές: [-8,+7] ανά 1 βήμα Μεγάλες διαφορές: [-128,+127] ανά 16 βήματα Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 08-8

9 Κωδικοποίηση μετασχηματισμών Μετασχηματισμός πεδίου εισόδου σε νέο πεδίο Αντίστροφος μετασχηματισμός για αποκωδικοποίηση Το νέο πεδίο προσφέρεται για απωλεστική κωδικοποίηση Εύκολη απομόνωση πιο σημαντικών στοιχείων Γρήγορος μετασχηματισμός Fourier (FFT) Είσοδος: σήμα σε κάθε χρονική στιγμή f(t) Έξοδος: συντελεστής κάθε συχνότητας g(l) Μετασχηματισμός μίας διάστασης Διάσπαση f(t) σε αρμονικές με συντελεστές g(l) Απομόνωση πλέον σημαντικών συντελεστών Οι σημαντικότεροι συντελεστές συγκεντρώνονται στο ένα άκρο Κβαντοποίηση συντελεστών αναλόγως σημασίας Πιο μικρό βήμα στους πιο σημαντικούς συντελεστές Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 08-9

10 Κωδικοποίηση μετασχηματισμών Πεδίο χώρου ή χρόνου (πλάτη) Πεδίο συχνοτήτων (συντελεστές) a c FFT/DCT x ή t f Μετασχηματισμός διακριτού συνημιτόνου (DCT) Είσοδος: σήμα σε κάθε σημείο f(x,y) Έξοδος: συντελεστές g(s,y) Μετασχηματισμός δύο διαστάσεων Χρησιμοποιείται στο πρότυπο JPEG Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 08-10

11 Στρωματοποιημένη κωδικοποίηση Κωδικοποίηση υποπεριοχών Διάκριση συχνοτήτων σε περιοχές Διαφορετική μεταχείριση κάθε περιοχής Προσέγγιση σήματος με λίγες περιοχές Κωδικοποίηση υποδειγματοληψίας Διαφορετική δειγματοληψία κάθε συνιστώσας Περισσότερη λεπτομέρεια στις σημαντικότερες συνιστώσες Προσέγγιση σήματος με δειγματοληψία μικρής ανάλυσης Ετερογένεια και στρωματοποιημένη κωδικοποίηση Χωριστή μετάδοση κάθε στρώματος Προσέγγιση σήματος με μεταβλητό πλήθος στρωμάτων Επιλογή των κατάλληλων στρωμάτων από κάθε παραλήπτη Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 08-11

12 Κβαντοποίηση διανυσμάτων Βιβλίο κωδικών (διανυσμάτων) Η έξοδος περιέχει δείκτες στο βιβλίο κωδικών Το βιβλίο κωδικών περιέχει αντιπροσωπευτικές ακολουθίες Απωλεστική μέθοδος Είσοδος Βιβλίο Κωδίκων Έξοδος Διάνυσμα 0 Διάνυσμα 1 Πρότυπο 0 Πρότυπο 1 Πρότυπο K Κ 0 Διάνυσμα N 1 Πίνακας με κωδικές λέξεις των n bytes Τεμαχισμός εισόδου σε διανύσματα των n bytes Κβαντοποίηση με την πλησιέστερη κωδική λέξη Ο πίνακας δεν περιέχει όλες τις δυνατές λέξεις Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 08-12

13 Κβαντοποίηση διανυσμάτων Μη απωλεστική μέθοδος Διάνυσμα 0 Διάνυσμα 1 Πρότυπο 0 Πρότυπο 1 Πρότυπο K Κ 0 Διάνυσμα N 1 Μετάδοση και της διαφοράς από την κωδική λέξη Ανασύνθεση της ακριβούς αρχικής τιμής Απαιτήσεις βιβλίου κωδικών Είσοδος Βιβλίο Κωδίκων Έξοδος Μικρό πλήθος κωδικών λέξεων Μικροί δείκτες στην έξοδο Παρόμοιος με τα διανύσματα εισόδου Μικρές απώλειες κβαντοποίησης δ0 δ1 δn Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 08-13

14 Κβαντοποίηση διανυσμάτων Ενταμιευτής Πίνακας αναζήτησης χρωμάτων R G B Οθόνη a x,y,z a x y z Πίνακας αναζήτησης χρωμάτων Κάθε εικονοστοιχείο παριστάνεται με έναν δείκτη Ο δείκτης επιλέγει ένα χρώματα από τον πίνακα Σημαντική η επιλογή των χρωμάτων του πίνακα Τεχνολογία Πολυμέσων και Πολυμεσικές Επικοινωνίες 08-14