Цифрлық бейненің негізгі мінездемелері

Архивтеу немесе буып-түю алғашқы файлдарды қысылған түрде архивтік файлға орналастыру болса, онда кері процесс архивтік файлдарды шешу (архивтен шығару) болуы қажет.

Архивтен шығару дегеніміз - архивке орналасарға дейін олар қандай түрде болса, тура сол түрде архивтен файлдарды , қалпына келтіру процесі.

Архивтік файлдарды шешу кезінде файлдар архивтен алынады және дискіге орналасады.

Файлдарды буып-түйетін және шешетін профаммаларды архиватор-программалар деп атайды.

Архиватор-программалардың негізгі түрлері

Архивтік файл құру үшін ондаған арнайы архиватор-программалар бар. Олардың көбі орындайтын міндеттері бойынша негізінде онша ерекшеленбейді, кейбір программалар жылдам жұмыс істейді, басқалары файлдарды қысудың жақсы дәрежесін қамтамасыз етеді, әдетте, қолданушылар өзіне ыңғайлы архиваторларды қолданады.

Кеңтараған программалардың ішінен ARJ, RAR, PRZIP, РАК, LHA, ІСЕ, НҮРЕR, WINZIP, Z--, EXPAND  атауға болады.

Әдетте, файлды буып-түю және шешу сол бір ғана программамен орындалады, бірақ кейбір жағдайларда бұл бөлек программалармен орындалады, мысалы, PRZIP программасы файлдарды буып-түйеді, ал PKUNZIP файлдарды шешеді.

Соңғы уақыттарда қолданушыларда ARJ,  RAR және ерекше WINZIP архиваторлары кеңінен танылуда.

ARJ архиваторы жүмыс істеудің  жоғарғы жылдамдығын және информацияны  қысудың жоғарғы дәрежесін камтамасыз  етеді. RAR архиватор ARJ-ге карағанда  өте ыңғайлы интерфейске ие. WINZIP архиваторы WIND-WS-қа құрастырылған және ол да терезелік интерфейсті қолданады.

Осы архиваторлардың барлығы архивтеудің негізгі міндеттерін орындайды:

- жаңа архивтерді құру;

- архивтерден файлдарды алу;

- бар архивке файлдарды қосу;

- өзі шешілетін архивтерді құру;

- көп томды архивтерді құру;

- архивтерді бүтіндігіне тестілеу;

- зақым келтірілген архивтерді толығымен немесе жартылай қалпына келтіру;

- бөгде адамдардын қарауынан және өзгертуінен архивтерді қорғау.

Бұл міндетгердің кейбіреулерін біз  WINZIP архиваторының мысалында қарастырамыз.

Архивтік файл басқа қолданушыларға беру үшін құрылған жағдайларда архивтік файл құрылатын архиватордың оларда бар-жоғын білу керек. Сондықтан әрқашанда өзі шешілетін архивтерді құрған жөн.

Өзі шешілетін архивтік файлдар дегеніміз - архивтеу программасы қосылған қарапайым архив.

Архивтің өзі .EXE кеңейтілуін алады. Қолданушы архивті программа сияқты жүктейді, содан кейін архивтің шешілуі автоматты түрде жүреді.

Тәжірибеде сенімділікті қамтамасыз ету үшін сығу коэффициенті идеалдыдан төмен алынады. Бұл жеңілдетілген алгоримтдерді қолдануға және сапаның сезілмейтін шығындарымен қайтара қалпына келтіруге/ойнатуға мүмкіндік береді. Тұрмыстық аппаратурада сығу коэффициенті студиялық сығуға қарағанда көбірек болуы мүмкін. Егер көп реттік қайтара жазу талап етілмесе, онда сығу процесінде энтропияның кейбір бөлігі алынып тасталынады.

Егер сіздің жүйеңіздің өнімділігі және шинаның өткізгіштік қасиеті шектеулі болса, цифрлық бейненің бақылау параметрлерін бақылау мүмкіндігі өте маңызды. Цифрлық және бейнені сығудың жақсы жүйесі бейнежүйенің бағдарламалық және аппараттық бөліктері үшін маңызды параметрлер енгізуге мүмкіндік беруі тиіс. Кейбір қолданыста шешілетін мән бейненің ойнатылу жылдамдығы (жиілігі кадр/с) болып табылады, бірақ толық экранды бейнеден бас тарту керек. Өзге жағдайларда 15 кадр/с деңгей жеткілікті, бірақ кадрлардың сапасы өте жақсы болуы керек. Бейнені цифрлау және сығу үшін құрылғылар мен бағдарламалық қамтамасыз ету сіздің талаптарыңызды қанағаттандыратын осы операцияларды басқаратын мүмкіндігі болуы тиіс.

Қазіргі таңда бейнеөндіріс және көрерменге көріністі жеткізу негіздері қайта қарастырылуда. Сонымен қатар айнымалылар динамикасы қазіргі аналогты дәуірге қарағанда цифрлық дәуірде анағұрлым жоғары.  Мысалға, бүгін кадр форматы 4:3 біртіндеп 16:9 форматымен, жоларалық жаймалау прогрессивті жаймалаумен ығыстырылып жатыр, ал кодтау стандарттарының өзгерісі бейненің сапасын жоғарлатады. Қазіргі экономикада бейнеақпараттың сығу қажеттілігін көрсетіп отыр. Дегенмен кез-келген сығу визуализация сапасын төмендетеді, бұл қажеттілік болғандықтан сығылады.

Бейнеақпаратты сығу тек цифрлық технологиялардың келуімен қолданыла бастаған жоқ. Алдыңғы уақытта сығу тек аналогты болса, ал бүгінгі таңда оны толығымен цифрлы түрге айналдыру керек.

 

2 Бейне ақпаратты сығу

 

 

Сандық теледидар жүйесінің негізгі компоненттері, ол - бір АЖ арна арқылы төрт бағдарламаның таралуы болып табылады (сурет 3). Сығылған бейнеақпараттары мен дыбыстары бар бағдарламалар қызметтің мәліметтер дестесімен бірге бір битті ағында мультиплексирленеді (тығыздалады), ол қарапайым бағдарлама ағыны (prоgram elementary stream - RES) деп аталады. Әрбір бағдарламаның қарапайым ағыны қайтадан жалпы битті ағында мультиплексерленіп тасымалды ағын деп аталады.

 

 

Сурет 3. ТД таратудың мультиплексерленуі

 

Қарапайым бағдарламалы ағында сәйкестендірілген  мәліметтер болады, уақытша белгісі мен егжей-тегжейлі бағдарламалық ақпараттары болады; ағынның осы құрамдары мәліметтер дестесін қабылдағышта бағдарламалар бойынша жинақтауға мүмкіндік беріп, бастапқы бейнелерді кадрды қайта қалпына келтіруге болады. Тасымалды ағын модуляторға еніп 8 МГц жиілігі ЖЖ арнасының бірінде беріледі. Бағдарламаларды кодтау. Сәйкес жиілікте (13,5 МГц У үшін және 6,75 МГц CR және CB үшін) аналогтық бейне және дыбыс сигналдары дискреттенуге ұшырайды, сосын өздері де кодтау құрылғыларына беріледі. Кодтау құрылғысы артық және қажетсіз бейне және дыбысты сигнал бөліктерін (бөлшектерін) жойып, мәліметтердің жеке дестесін құрып бит санын азайту операциясын орындайды. Мәліметтердің жеке дестелері қызметтік дестелермен бірге мультиплексорға беріліп, қарапайым бағдарламалық ағын жасайды. Бейне ақпарат көлемі дыбыстық және қызметтік ақпарат көлемінен көп болғандықтан, қарапайым бағдарлама ағынында дыбыстық және қызметтік мәліметтер дестесімен салыстырғанда бейнемәліметтер дестесі көбірек болады. Содан қарапайым бағдарлама ағындары мультиплексорда бірігіп, таралу үшін модуляторға келеді. Қолданылып отырған модуляция типі тарату типімен (жергіліктік, жерсеріктік кабельді) анықталады. Бейне ақпараттарды кодтау. Бейнеақпараттарды кодтау негізгі үш кезеңнен тұрады. Бейнемәліметтерді дайындау, оларды сығу және кванттау мәліметтерді дайындау кезеңінде кадрлардың бастапқы кодталған мәліметтері әрі қарай сығылуына ыңғайлы болатындай жүргізіледі (сурет 4).

 

 

Сурет 4. MPEG-2 стандарты бойынша бейнемәліметтерді кодтау

 

А – ДКТ негізінде кеңістік артықтылықты жою.Бейнемәліметтерде сығу MPEG-2 жүйесі ұсынған халықаралық стандарттарға сәйкес жүргізіледі. MPEG-2 стандарты бойынша сығудың екі негізгі операциясы орындалады: уақытша артықтылықты жою және кеңістіктік артықтылықты жою. Уақытша артылықшылықты жою мәліметтерді кадраралық сығу арқылы жүргізіліп, мұнда екі тізбекті бейнекадрлар салыстырылады, сонымен қатар бірдей облыстар жойылады да, өңдеуге әртүрлі кадрлар жасалады. Кеңістіктік артықтылықты жою, басқаша айтқанда кадрішілік сығылу, нақты бейнекадрлардағы қажетсіз қайталауларды болдырмайды. Жою операциясы күрделі математикалық теңдеулер бойынша, яғни дискретті косинусты туынды (ДКТ) негізінде жасалады. Сондықтан ДКТ негізінде мәліметтерді жою деп аталады. Мәліметтерді сығу блогына битті сығуды жүзеге асыратын кванттау блогы жатады. Кванттау блогы ДКТ коэфицентін 8 битті кодқа айналдырып, мәліметтердің битті ағынын туғызады. Бейнемәліметтерді дайындау. Бейнекадрға кіретін бейнеақпараттар, У жарық сигналы мен CR және CB түстілік сигналы кодталған есебі тізбегі бойынша келтірілген әрі бұл сигналдың блоктарға микроблоктарға және кесінділерге қайта топталады. Алдымен У, CR және СВ кадрлары пиксель блоктарына бөлінеді. Әрбір блог 8х8 пиксельдер есебінде сандық түрде кодталған матрицасы түрінде болады. Базалық блок болатын үш компонент бірігіп микроблок түзеді. Әрбір микроблок жарықтың 4 блогынан және әрқайсысы CR және СЕ түстілік болатын екі блоктан тұрады. Бұл 4:2:0 деп аталатын формат болады. Содан кейін макроблоктар кескін алу үшін бейнеге орналасқан ретімен орналасады. Кескін бір немесе бірнеше микроблогтан тұруы мүмкін. Осы кезеңде әр кесіндіде қателер үшін бит қосылады. Егер декодтау кезінде қабылдағышта қате пайда болса, декодер ақпаратты қабылдамайды да келесі кесіндіге өтеді. Кесінділер тізбегін толық бейнекадр қалпына келтіріп, барлық У, CR, СВ бейнелері келесі бейнемәліметтерді кодтау сатысына дайын болады. Уақытша артықтылықты жою. Бұл тәсіл егер екі қатар тізбекті бейнелердің айырмашылығы аз болған жағдайға негізделген. Олай болса, әрбір кадрды толық беруге қажеттілік жоқ, өйткені олардың көбі алдыңғы кадрды қайталайды. Уақытша сығу 12 тақ кадрдан тұратын бейнелер тобында орындалады (grоup оf pictures - GОP). Бірінші топ кадр мазмұны Э деп аталады, ол жадта сақталып, эталонды кадр ретінде келесі кадр үшін қолданылады (сурет 5).

 

 

Сурет 5.  Э, Р және В кадры

 

Эталон кадрынан кейін тұрған кадр мазмұны Э кадрымен салыстырылып, Р деп аталатын өзгешелік кадрын туғызады. Ол қайта өңдеу үшін қолданылады. Содан кейін Э кадрынан кейін орналасқан екінші кадрмен салыстырылады, үшінші кадр екіншісінен осылайша 12 бейнекадрлардан тұратын топтар соңына дейін салыстырылады. Әрі қарай 12 кадрдан тұратын келесі топтар жаңа Э эталонды кадр туғызады т.с.с. Э кадрының сығу өлшемі шектеулі, максималды битті сығылу Р кадрында болады. Жоғарғы сығылуды екі тәсілмен алуға болады: тура болжам және қозғалыс компенсациясы бар болжам. Тура болжау – Р кадрын жасау үшін қолданылатын әдіс, ол тізбекті кадрлар микроблоктар аралығындағы айырмашылықты болжау мен өңдеу үшін болжанған кадрларды таратуға арналған. Ол үшін бірден көп бейнекадрларды сақтау керек. Тура болжау кезінде эталонды кадр ретінде Э кадрын немесе бұрынырақ қалпына келтірілген Р кадрын пайдалануға болады. Бұл тәсілдің кемшілігі Р кадрында туындаған қателіктер кезекті кадр түскенге дейін келесі кадрға бөлінеді. Қозғалыс компенсациясы бар болжам жүріп жатқан кадрды құру үшін алдыңғы кадр мен кейінгі кадр мазмұнын салыстырады. Құрылған  кадр В ba-kwark predictiоn – қайта болжау немесе  bidirectiоnal – екі бағытты, яғни алдыңғы және кейінгі кадр мазмұнына тәуелді деп аталады. В кадрының Э және Р кадрларынан өзгешелігі В кадрын эталон ретінде пайдалануға болмайды. Сонымен қатар олар екі кадрды бір бейне жадына сақтауды талап етеді. 2 суретте 12 кадрдан тұратын Э, Р және В (0-11) кадрларының типті тізбегі келтірілген. Осылайша MPEG – 2 мәліметтер ағыны үздіксіз тізбекті кодталған кадрлардан және болжанған кадрлар мен эталонды кадрлардың комбинациясынан тұрады. Р және В болжанған кадрлар мәліметтердің тиімді сығылуын туғызғандықтан болжанған кадрлар неғұрлым жиі беріледі. Қозғалыс компенсациясы. Қозғалыс компенсациясы болжанған кадрларда пайда болған қателіктерді түзету үшін қолданылады. Тізбекті кадрлардағы объект жағдайын салыстыру арқылы объектінің қозғалыс жылдамдығы мен бағытын дәл анықтауға болады. Осы арқылы тізбекті кадрлардағы объект жағдайын алдын ала болжауға болады (әсіресе жарық кадрларда). Жылдамдық векторы мен қозғалыс бағытын сипаттау үшін салыстырмалы мәліметтердің аз көлемі керек, бұл мәліметтер Р және В кадрлары генераторларларына түседі. Қозғалыс векторы анықталғаннан кейін, У, CR және СВ құрамынан тұратын бейнелерді жасау үшін пайдаланылады.  

 

 

2.1 Бейнені сығудың сапасы

 

 

Сапасынан айрылмай қысқарту

Кескіндерді қысқарту сапасынан айрылмастан тек қысқарту үрдісінде мәліметтер болмайтындай жағдайларында ғана жүзеге асады. Нәтижесінде  декомпрессиядан соң алынған кескіндер түпнұсқамен түйседі. Қысқартудың бұндай түрінің мысалы ретінде статикалық кескіндеме үшін GIF және бейне үшін GIF89a болуы мүмкін.

Сапасынан айрылып қысқарту

Кескіндерді қысқартудың сапасынан айрылуы қысқарту кезінде мәлімет жоғалған болса ғана жүзеге асады. Алайда адамның қабылдау көзқарасы бойынша тек адам көзі түпнұсқадан айырып біле алатын қысқартылуларды жатқызуға болады. Сонымен, екі кескін – түпнұсқасы және сол немесе басқа компрессор қолдану арқылы қысқартылған нәтиже – бит бойынша сәйкес болмауы мүмкін болса да олардың арасындағы айырмашылық білінбеуі де мүмкін. Мысал ретінде  статикалық кескіндемені қысқартуға арналған JPEG алгоритмі және бейнені қысқартуға арналған  M–JPEG алгоритмі болуы мүмкін.

Қабылдау түйсігі бойынша сапасынан айрылмай қысқарту

Шартты түрде сапасынан айрылып қысқарту болып табылғандықтан, қысқарту нобайы сол уақытта адамның қабылдау түйсігі бойынша сапасынан айрылмастан қысқарту болуы мүмкін. сапасынан шартты түрде айрылумен қысқартылатын көптеген технологиялар қабылданатын сапа жағын сипаттайтын және  0-ден 100-ге дейін түрленетін Қысқарту Сапасының Факторы (ҚСФ) деп аталатынға ие болады. 100-ге тең болатын қысқарту сапасының факторы негізінде қысқартылған бейненің сапа сипаттамалары түпнұсқадан айрықсыз болып табылады.

 

Сапасынан табиғи айрылу арқылы қысқарту

JPEG және MPEG және сапасынан  айрылып қысқартудың басқа да  технологиялары кей кездерде  бейнемәліметті қабылдау түйсігі  бойынша шекарадан аспастан қысқартады. Солай болса да қысқартылған  бейне және статикалық кескіндер  адамның оны адекватты қабылдауы  үшін толық жарамды болады. басқа сөзбен айтқанда аталған жағдайда бейненің кейбір кіші бөлшектері жоғалатын кескіннің табиғи деградациясы байқалады. Осыған ұқсайтыны табиғи жағдайларда да болуы мүмкін, мысалға, жаңбыр немесе тұман кезінде болуы мүмкін. бұндай жағдайлардағы кескіндер, әдетте, өзгешеленеді, алайда оның бөлшектенуі азаяды.

Сапасынан табиғи емес айрылу арқылы қысқарту

Қысқартудың төмен сапасы мәнді дәрежесінде бұрмаланатын кескін және оған келтірілетін жасанды (түпнұсқасында болмайтын) бейне бөлшектері сапасынан табиғи емес айрылу арқылы қысқарту деп аталады. Оған мысал ретінде БДКП технологиясын қолданатын кейбір қатты қысқартылған MPEG және басқа компрессорлардағы «блоктылық» келтіруге болады. Табиғи еместігіне ең алдымен адамның қабылдау түйсігі бойынша оның ең маңызды кескіндік – контурларының сипаттарынан айрылуын жатқызуға болады. Тәжірибе көрсеткендей, адамның қабылданатын аппаратпен сол немесе басқа көзбен шолу нысанын дұрыс идентификациялауға көмектеседі.

Барлық кең қолданылатын бейнекомпрессорлар  сапасынан айрылып қысқарту технологияларын қолданады. Қысқартудың қажетті жоғары коэффициенттерінде оның барлығы жасанды сапасынан айрылу арқылы қысқарта бастайды.

Сонымен, сандық бейнені қысқартуға  сол немесе басқа компрессорды таңдай отырып кем дегенде табиғи сапасынан айрылу арқылы қысқартуға жету керек.

 

 

2.2 Видео ақпаратты сығу алгоритмдері мен технологиялары

 

 

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 Transfоrm, немесе DWT) технологиясын қолданады. Басқа технологиялар кескінді фрактальды қысқартылуынан (Fractal Image Cоmpressiоn) тұрады.

Run Length Encоding

Run Length Encоding (RLE) технологиясын қолданатын компрессорлар:

Micr-s-ft RLE (MRLE), сонымен бірге, MPEG–1234, H.261, H.263 және JPEG–те қолданылатын БДКП–де коэффициенттерді кодтауға қолданылады.

Артықшылықтары мен кемшіліктері:

- өңкей 8–биттік кескіндермен жұмыс жасайды;

- толық реңдік бейнені қысқартуға жарамсыз.

RLE кескіннің қайталанатын элементтері немесе бір кодталған сөздегі бір түсті элементтердің дәйектілігін кодтайды. Мысалы, 77 77 77 77 77 77 77  кескіндер элементтерінің дәйектілігі 7 77 (жеті 77–лерге) ретінде кодталуы мүмкін. RLE контурларының қайталануы мен бөлек элементтердің түстерінің қайталануы болатын кескіндерді жақсы қысқартады. Толық түсті кескіндерде реңнің қайталанулары мәнді аз, сондықтан да толық түсті бейнені RLE технология қолдана отырып қысқарту ешқандай мәнге ие.

Векторлық квантизация (Vectоr Quantizatiоn,VQ)

Векторлық квантизация (Vectоr Quantizatiоn,VQ) технологиясын қолданатын компрессорлар болып Inde- 3.2 және Cinepak болып табылады. олардың екеуі де YUV (RGB емес) реңдік нобайын қолданады.

Артықшылықтары мен кемшіліктері:

- кодтау үрдісі еңбекті қажет етеді және арнайы қосымша құрылғыларсыз жүзеге асырылмайды;

- декодтау үрдісі өте тез;

- қысқартудың жоғары коэффициенттеріндегі блоктық бұрмалаулар;

- БДКП, ДВП алгоритмдерін қолданатын технологиялар қысқартудың одан да жоғары деңгейіне жете алады.

Векторлық квантизацияның негізгі ойы кескінді блоктарға бөлуге (Inde- және Cinepak компрессорлары үшін YUV реңдік нобайында 4x4 өлшемді пикселде) негізделеді. Әдеттегідей, кейбір блоктар бір біріне ұқсас болып шығады. Бұл жағдайда компрессор ұқсас блоктардың тобын идентификациялайды және оларды ортақ бір блокпен ауыстырады. Бұдан басқа, ең қысқа кодталған сөзедрден бұндай ортақ блоктардың екілік кестесі (картасы) генерацияланады. Кестені қолдана отырып VQ–декодер ортақ блоктардардан кескінді блоктап жинап алады. Кодтаудың аталған түрі сапасынан айрылып жүзеге асатыны айқын, себебі блоктардың сәйкестігі тым қатысты болып табылады. Бұнда оларды біріктіретін ортақ кескіннің нақты блоктарының аппроксимациясына жол беріледі. Кодтау үрдісі ұзақ және еңбекті қажет етеді, себебі әрбір кескін блогын әйтеуір бір ортақ блокқа сәйкестендіріп келтуру керек. Алайда  декодтау міндеті бұл жағдайда ортақ блоктардан берілген карта бойынша кескінді құру міндетіне негізделеді және көп аппараттық және уақыттық ресурстарды қажет етпейді. Кесте немесе картаны сонымен бірге кодтық кітап, ал екілік кодтар, оған кіретіндері сәйкесінше – кодтық сөздер деп те аталады. VQ алгоритмін қолдана отырып  қысқартылу ортақ блоктардың топтарының санын азайту арқылы, яғни кескіннің блоктарының көп саны қатысты ұқсас деп тұжырым жасау, және салдары ретінде, кодтық кітаптың азайтылуымен жүзеге асады. Кодтық кітаптың өлшемінің азайтылуы шамасына қарай жаңғыртылатын бейненің сапасы төмендейді. Нәтижесінде кескінде жасанды «блоктылық» пайда болады.