Цифрлық бейненің негізгі мінездемелері

Кіріспе

 

 

Қазіргі кезде есептеу техникасының, сандық байланыс құралдарының, Интернеттің дамуымен, қуаты мол компьютерлерінің кең таралуымен байланысты сандық бейнелер кеңінен қолданысқа еніп, әлемдегі ақпарат қорының үлкен бөлігін құрауда. Бейнелер негізгі үш ерекшелігімен сипатталады: мәтіндерге қарағанда сақтау үшін жадының барынша көп бөлігін қажет етеді; адамдардың көру қабілетіне бағытталған мәліметтің ерекше типі; текстік ақпараттарға қарағанда екі өлшемді болып келеді. Бейне сандық түрде көп бит санымен берілетіндіктен оның сақталуына көп орын қажет және жолдау кезінде жылдамдығы аз болады. Бұдан бейнелерді сығуға деген қызығушылық тұрақты түрде қарқынды дамып отыр.

Бейнені сығу дегеніміз– сандық түрде сақталатын бейнеге мәліметтерді сығу алгоритмін қолдану. Сығу нәтижесінде бейненің өлшемі кішірейеді, сәйкесінше оны жолдау уақыты да азаяды, сақтауға қажетті жады көлемі үнемделеді. Бейнені сығудың екі түрін анықтайды: бейне толығымен қалпына келетін және қалпына келмейтін. Біріншісінің сығу коэффициенті өте аз, ол телевидениеде, медицинада, аэрофототүсірілімдерде қолданылады. Ал екіншісінің сығу коэффициенті бірнеше есе көп болуы мүмкін. Қазіргі таңда вейвлет сығу әдісінің қолданыста өзекті болуы жоғарыда аталған екі түрінде де сәтті қолданылуымен байланысты. Алайда, тізбекті жүзеге асу кезінде вейвлеттік талдау алгоритмі қажетті жылдамдыққа ие бола алмай отыр, бұл өз кезегінде бұл алгоритмнің деректерді нақты уақытта тізбекті өңдеуде қолданылуын қиындатады. Бұл мәселені шешудің негізгі жолы алгоритмді параллельдеу болып табылады. Параллельдеу әдісінің даму өзектілігі көпядролы және көпағынды технологияларды жүзеге асырушы микропроцессорлардың ауқымды және қарқынды дамуымен негізделеді.

Сандық бейнені қысқартудың көптеген технологиялары бар. Қарастырылатын компрессорлардың кейбіреулері қысқартудың тек бір технолгиясын ғана емес, олардың кей жиынтықтарын қолданады. Мысалы, Inde- 3.2 те, Cinepak те векторлық квантизацияны қолданады. MPEG–1, MPEG–2, MPEG–4, H.261 және H.263 халықаралық стандарттары БДКП біріктірілген технология мен қозғалыс компенсациясын қолданады. Кейбір қазіргі заманғы алгоритмдер ДВП (Discrete Wavelet Transf-rm, немесе DWT) технологиясын қолданады. Басқа технологиялар кескінді фрактальды қысқартылуынан (Fractal Image C-mpressi-n) тұрады.

Сонымен бірге бейнені сақтау және жіберу үшін бейнесигналдардың бірегей кодтауы қолданылады. Мұны аналогты сығу әдісі ретінде сипаттауға болады. Ол жиілік жолағында бір компонентті ақ-қара суреттерге арналған жоғарыда аталып кеткен суреттің үш компонентті түстерін тасымалдауға мүмкіндік береді. 

Аналогты сигналды цифрлегеннен кейін оған цифрлық кодтаудың кез-келген алгоритмі арқылы цифрлық сығуды қолдануға болады. Цифрлық формада берілген кез-келген сигналды сығуға болады, алайда композитті бейне үшін тізбекті екі еселенген сығуды (алдымен мықты аналогты сығу, содан кейін цифрлық сығу) қолдану мүмкін. Бұл сығуды қанағаттанарлық деп айтуға болмайды, себебі аналогты сигналды жоғары шуының әсерінен цифрлық сығу коэффициенті шектеулі болады. Сондықтан, мысалы бүгінгі таңда ең кең тараған цифрлық сығу стандарты – MPEG - тек жеке бейнесигналдар үшін  өңделген және негізінде алдын-ала аналогты сығу мүмкіндігінсіз толық түстік аналогтық сигналдарды цифрлық сигналдарға ауыстырады.

Ұсынылып отырған дипломдық жұмыстың мақсаты бейнені сығу барысында уақытты және ресурстарды үнемдеу қажеттілігінен туындайтын бейнені сығу алгоритмін тиімділеу, яғни тиімді, әрі сапалы параллельді алгоритмді ұсыну, жүзеге асыру, бейне ақпараттарды сығудың алгоритмдері мен стандарттары, бейнені сығудың  негізгі шарттары, бейнеконвертерді өңдеу сипатталған.

 

1 Цифрлық бейненің негізгі мінездемелері

 

 

Цифрлық бейне негізгі төрт фактор бойынша сипатталады: кадр жиілігі (Frame Rate), экрандық кеңейтілім (Spatial Res-luti-n), түс қанықтығы (C-l-r Res-luti-n) және бейненің сапасы (Image Quality).

Кадр жиілігі (Frame Rate). Бейнесигналды ойнатудың стандартты жылдамдығы - 30 кадр/с (кино үшін бұл көрсеткіш 24 кадр/с). Әрбір кадр белгілі жолдардың санынан тұрады, олар тізбектей емес бір-біреуден салынған, нәтижесінде «өріс» деп аталатын  екі жарты кадр пайда болады. Сондықтан аналогты бейнесигналдың әрбір секунды 60 өрістен құралған. Осындай процесс interlaced бейне  деп аталады.

Қарапайым есептеулердің көрсетуінше 640х480 өлшемді және 30 кадр/с жиіліктегі 24-биттік түсті бейнені жіберуде секундына 26 Мбайт мәліметтер қажет. Бұл ағын компьютерлік шинаның өткізгіштік қабілетінің шегінен тек асып қоймайды, сонымен қатар лезде дисктік кеңістікті «жеп» қояды.

Түсінікті болу үшін біздің есептеулерімізді мысалға келтіреміз:

- 640 көлденең өлшем X 480 тік  өлшем;

- 307,200 кадр нүктесі X 3 әрбір  байтқа нүкте/пиксел;

- 921,600 бар кадр байтқа X 30 кадр секундына;

- 27,648,000 барлығы секундына байт / 1,048,576 байттарды Мбайтқа конверттейміз.

Шешімі: 27,648,000 байт/с, немесе 26,36 Мбайт/с.

Кейде үлкен көлемді мәліметтерді қисынды деңгейге дейін қысқартуда жоғарыда айтылған бейнесигналдың бір параметрін қарастыруға болады. Қазіргі қосымшалар (ойындар, компьютерлік жаттықтырушылар, бейнекиосктар және кейбір істік дестелер) әдетте толық экранды бейнені талап етпейді. Мұндай бағдарламалар әдетте бейнені терезеде қолданылады, және олар үшін бүкіл кадрды цифрлау керек емес. Бейнесигналдың параметрлерін өзгертіп көрейік және 320х240 өлшемі үшін жаңа есептеулер енгіземіз:

- 320 горизонтальды шешім X 240 вертикальды шешім;

- 76,800 нүкте кадрға X 3 байт  әрбір нүкте/пиксель;

- 230,400 барлығы нүкте кадрға X 15 кадр секундына;

- 3,456,000 барлығы секундына байт / 1,048,576 байттарды Мбайтқа конверттейміз.

Шешімі: 3,456,000 байт/с, немесе 3,3 Мбайт/с.

Бейненің өлшемін қысқартып, уақыт бірлігінде жіберілетін мәліметтер көлемінің қысқарғанын байқауымызға болады. Алайда стандартты ISA-шинасы 600 Кбайт/с шамасында өткізгіштік қасиетіне ие. Сондықтан шамалы бейне сапасын өзгертсекте біз рұқсат етілген деңгейге қарағанда көлемі 6 есе үлкен мәліметтермен жұмыс жасауға мәжбүрміз.  Сонымен қатар, 3,3 Мбайт бейненің бір ғана секунд алады. Екі сағаттық фильм үшін дисктік кеңістіктің 23,73 Гбайт қажет. 

Сонымен қатар, экранды суреттеуге арналған компьютер мониторы «прогрессивті сканерлеу» (pr-gressive scan) әдісін қолданады. Мұнда кадр жолдары жоғарыдан төмен қарай тізбектеле қалыптасады, ал толық кадр әрбір секунд сайын 30 рет салынып отырады.  Бұл әдіс n-n-interlaced бейне деп аталады. Мұнда бейнесигнал қалыптасуының компьютерлік және телевизиялық әдістерінің арасында негізгі ерекшелік болып табылады.

Түс қанықтылығы (C-l-r Res-luti-n). Бұл көрсеткіш кешенді болып табылады және ол экранда бір уақытта көрсетілетін түстер санын анықтайды. Бейнені өзге әдістер қолданып жатқанда, компьютерлер түстерді RGB-форматында (қызыл-жасыл-көк) өңдейді. Бейнеформаттар үшін түстер қанықтылығының ең көп тараған модельдерінің бірі - YUV.  RGB және YUV модельдерінің әрқайсысы түс тереңдігінің (түстердің максималды саны) түрлі деңгейлерімен көрсетілуі мүмкін. RGB түстік модельдері үшін келесі түстер тереңдігінің келесі режимдері сипатталған: 8 бит/пиксель (256 түстер), 16 бит/пиксель (65,535 түстер) және 24 бит/пиксель (16,7 млн. түстер). YUV модельдері үшін келесі режимдер қолданылады: 7 бит/пиксель (4:1:1 немесе 4:2:2, шамамен 2 млн. түстер), және 8 бит/пиксель (4:4:4, шамамен 16 млн. түстер).

Экрандық кеңейтілім (Spatial Res-luti-n). Тағы бір сипаттамасы – экрандық кеңейтілім, өзге сөздермен айтатын болсақ, экрандағы бейне санынан тұратын нүктелер. PC және Macint-sh мониторлары базалық 640х480 нүктелі кеңейтіліміне есептеліп жасалған, көпшіліктің есептеуінше бұл стандартты формат болып табылады. Өкінішке орай, бұл олай емес. Аналогты бейне кеңейтілімі мен компьютерлік дисплей арасындағы  байланыс жоқ. Компьютерлік бейнеға тән стандартты аналогты бейнесигнал шектеусіз өлшемді толық экранды бейнелер береді. NTSC (Nati-nal Televisi-n Standards C-mmitte) телевизиялық стандарты АҚШ-ң телевизиялық стандарттары бойынша Ұлттық комитетпен өңделген. Дегенмен компьютерлік және аналогты бейне кеңейтілімде айтарлықтай ерекшеленеді, аналогты бейнені цифрлық бейнеге меншіктегенде кейде масштабтап және бейнені азайту керек болып жатады, ол сапаның жоғалуына алып келеді. 

Бейне сапасы (Image Quality). Соңғы және ең маңызды сипаттама – бұл бейненің сапасы. Сапаға қойылатын талаптар нақтылы міндеттерге байланысты. Кейде сурет экранның төрттен бір бөлігінде 256 түстер палитрасымен (8 бит), ойнату жылдамдығы 15 кадр/с болса жеткілікті болып жатады. Өзге жағдайларда палитрасы 16,7 млн. түстер (24 бит) және кадр толық жаймаланған (24 немесе 30 кадр/с) толық экранды бейне талап етіледі.

 

 

 

1. Цифрлық түрлендірулердің негізі

 

 

Цифрлық көрсетілімдер – бұл үздіксіз функцияның анықталу облысын кейбір интервалдарға бөлінуі және осы функцияның интервалдардың соңында мәндердің жиынтығы түрінде көрсетілуі. Сонымен, цифрлы дыбыстық  сигнал үшін уақыттық шкалада секундтық интервал 32, 44 немесе 48 аралықтарға бөледі, мұндай әрбір саналымда дыбысты тексеріп, оның мәнін көрсетілімнің нақты дәлдігі – әдетте 14-тен 20 разрядтарға дейін сақтайды.  Мұндай операциялар дискретизация процесі деп аталады, яғни периодты дискретті өлшеуіштердің қандай-да бір үздіксіз өлшемдерінің (дыбыстар) көрсетілімі. Осыдан кейін дыбыс 32-ден 48 кГц дискретизация жиілігімен және 14-тен 20 бит разрядтылығымен цифрленген деп саналады. Сәйкесінше алдымен цифрлық ағынды цифрлық формада жазып алу керек, ал содан кейін ойнату керек. Бір дыбыс каналының есептелуі көлемі 500 мыңнан 1 млн. бит/с болуы мүмкін. 

Цифрлық бейнеде дискретизация процесінің облысы сан емес суреттен тұратын бір мәнін көп мәнге жалпылайды. Бұл жалпылау суреттің (үш өлшемді болып келеді) пиксельдер деп аталатын үздіксіз жолдарын немесе бейне элементтері – біздің кеңістік үш өлшемді себебі, бейнені әрбір уақыт мезетінде көрсетуде дыбысқа қарағанда бір мән емес, толық сурет – кадрлерге бөлуде қатысады. Нәтижесінде бейнесигнал бүтін сандар тізбегінде беріледі, басқаша айтатын болсақ, мәліметтер ағынымен беріледі.

Компонентті аналогты бейнесигналдар жағдайында әрбір каналда бір уақытта үш түстік компонент жіберіп отыру керек (қызыл- Red, жасыл - Green және көк - Blue, яғни RGB) немесе сигнал айқындылығы түрлі түстер сигналдармен (YUV) сәйкес болып келеді. RGB түстік компоненттерін YUV компоненттеріне түрлендіру өзара бірегей, бірақ соңғы әдіс сигналдың айқындылығын адам көзінің ерекше қабылдау механизмі – торының көз колбочковыми   жасушаларына қарағанда таяқша жасушаларының көмегімен ерекшелеп көрсетеді. Колбочкаларға қарағанда таяқшалар сезімтал келеді, сондықтан жеке компоненттерін кодтау (мысалы, Betacam кәсіби бейнемагнитафондарында) жүйелерінде түрлі түсті сигналдардың жиілік жолағын айқындылық сигналына қарағанда екі есе жіңішке жасайды.

Өз кезегінде дискретизация теориясы цифрленетін дискретизация жиілігі сигнал жиілігінің енінен кем дегенде екі есе үлкен болуын талап етеді.  Кең жолақты сигнал (дыбыс үшін, мысалы, бір уақытта бірнеше жиілікті октавалардың ойнатылуы) жағдайында дискретизация жиілігі кірістік аналогты сигналдың жиілігінен кем  дегенде екі есе үлкен болуы тиіс(сурет 1).

 

 

Сурет 1. Аналогтық сигнал дискретизациясына мысал: a - дұрыс; б - дұрыс емес

 

Бірінші жағдайда шығыстық сигнал қисық есептеу түрінде қайта қалпына келтіруге болады, ал екінші жағдайда сигнал жиілігі қолданылатын дискретизация жиілігінің жартысынан артық болғанда, мұндай қисық есептеу шығыстық сигналмен еш байланысы болмайды. Мұндай дискретизация қателерінің көрінісі ретінде автомобиль дөңгелектері кері бағытта жүре бастайтын кинофильмдердің кадрлерін айтуға болады. Бұл спицалардың айналу жиілігі түсіру кезінде кадр жиілігі үшін үлкен, осыдан пайда болатын сурет пәрменділікпен ұқсастығы болмайды.

Егер айқындылық сигналын 13,5 мГц тең жиілікпен дискретизациялайтын болсақ, онда түрлі түсті жиіліктерді осы жиіліктің жартысымен, яғни 6,75 мГц дискретизациялай алатын едік. Сонымен қатар, айқындылық дискретизация жиілігінің төрттен бір бөлігінен кіші - 3,375 мГц қолданылады. Бұл тәжірибеде қолданылатын ең төмен жиілік болғандықтан, бейне стандарттарда ол «1» деген белгілеуге ие. 6,75 мГц «2» (екі еселенген), ал  13,5 мГц  «4» (төрт еселенген) деп белгіленеді. Осы негізде түрлі құрылғыларда қолданылатын белгілеулер беріледі, мысалы студиялық цифрлы бейнекамералар мен магнитафондар 4:2:2 жиілігінде жұмыс жасайды, ал DV форматты құрылғылар 4:1:1 немесе 4:2:0 сызбасын қолданады (сурет 2). Сәйкес сүзгілеу (аналогты сығу ретінде интерпретациялауға болады) цифрлық сығу коэффициентінің үлкен мәнін қолдануын қамтамасыз ете отырып, кірістік сигналдардың жиілік жолағының азаюына алып келеді.

 

 

Сурет 2. Түрлі форматта қолданылатын дискретизация алгоритмы

 

Дискретизация алгоритмына түсінік: ақ дөңгелекпен белгіленген элементтер түстік көріністе тек айқындылығын ғана өзгертеді, ал қызыл дөңгелекпен берілгендер айқындылығымен қоса, түсін де өзгертеді. 4:2:2 стандарттарында түстік айырма әрбір екінші есептеу үшін, 4:1:1 стандарты — әрбір төртінші есептеу үшін анықталып отырады, ал 4:2:0 құрылымдық есептеуде  түстік айырманың көлденең қадамы тік қадамға тең, бұл түс бойынша «квадраттық» құрылым береді. 

Сонымен қатар бейнені сақтау және жіберу үшін бейнесигналдардың бірегей кодтауы қолданылады. Мұны аналогты сығу әдісі ретінде сипаттауға болады. Ол жиілік жолағында бір компонентті ақ-қара суреттерге арналған жоғарыда аталып кеткен суреттің үш компонентті түстерін тасымалдауға мүмкіндік береді. 

Аналогты сигналды цифрлегеннен кейін оған цифрлық кодтаудың кез-келген алгоритмі арқылы цифрлық сығуды қолдануға болады. Цифрлық формада берілген кез-келген сигналды сығуға болады, алайда композитті бейне үшін тізбекті екі еселенген сығуды (алдымен мықты аналогты сығу, содан кейін цифрлық сығу) қолдану мүмкін. Бұл сығуды қанағаттанарлық деп айтуға болмайды, себебі аналогты сигналды жоғары шуының әсерінен цифрлық сығу коэффициенті шектеулі болады. Сондықтан, мысалы бүгінгі таңда ең кең тараған цифрлық сығу стандарты- MPEG – тек жеке бейнесигналдар үшін  өңделген және негізінде алдын-ала аналогты сығу мүмкіндігінсіз толық түстік аналогтық сигналдарды цифрлық сигналдарға ауыстырады.

Жоларалық.Бейнежүйелер жоларалық жаймалауды қолданылады. Әрбір кадрдың жолдары тақ және жұп жолдарға бөлінеді, ал осы тақ және жұп жолдардың жиынтығы өріс деп аталады. Айнымалы бойынша берілетін бүтін кадрдың орнына тақ және жұп өрістерді жіберу арқылы талап етілген жиілік жолағының енін екі еселемей, суреттің жаңару жиілігінің екі еселенуі қамтамасыз етілді. 

Сонымен жоларалық жаймалауды аналогты сығу деп те айтуға болады. Мұндай «сығудың» дефекттері баршаға мәлім жоларалық көрінулер, жылдам қозғалып бара жатқан объектің нашар кеңейтілу қасиеті және т.б.  болып табылады.

Жақсы нәтижелерге қол жеткізу үшін цифрлық сығуды жасау үшін жоларалық емес материалдарды қолданған дұрыс. Әйтпесе бұл тізбектелген екі есе сығуды талап етеді.

Қазіргі таңда бейнежүйелерде жоларалық жаймалаудың жүзеге асуы тәжірибеде цифрлық сығудың кодері жоларалық бастамалардан алыну керектігін көрсетеді. Жоларлық сығудың қозғалыс компенсация алгоритмдерін (мысалы MPEG) қолданып сығуда  ерекше қиындығы туады.  Себебі тізбектелген өрістер суреттің бір нүктелерін сипаттай берген жағдайда өзгерістерді бақылау өте қиын. Сонымен қатар, жоларалық суреттің өрісаралық сигналдарының айырмасын қалыптастыруын қиындатады.