Цифрлық бейненің негізгі мінездемелері

AVI–файлдары – RIFF файлдарының  ерекше жағдайы (Resоurce Interchange File F-rmat сөзінен қысқартылған). Мультимедиалық мәліметтермен ауысу үшін арналған бұл формат бастапқыда IBM–мен бірлесе отырып Micr-s-ft болды. Аталған формат жеке компьютерлердегі ьейнені келтірудің кең таралған формасы болып табылады. Бейнемәліметтерді келтіру қалпына байланысты AVI–файлдары әртүрлі стандартты болып табылады.

M–JPEG  сияқты Editable MPEG сандық  бейнені реттеуде кең қолданылады  және  i типті  MPEG кадрларынан құралған AVI–файлдардан тұрады. Алайда MPEG форматының  барлық басқа да қысқарту механизмдері  осында жасақталған. Micrоsоft Videо fоr Windоws 1.1. стандартты өтемінің құрамына кіреді және Ad-be Premiere сияқты сандық бейнені реттеу жүйесімен қолданылады.

Жоғарыда келтірілген компрессорлар  атаққа ие болғанмен, бұл  AVI–файлдарының барлық стандарттары емес. Компрессорлардың бұл тобын сипаттай отыра ең алдымен қатты диск және компакт–дисктерде сақталатын, ал бұл өз кезегінде жаңғыртудың жоғары сапасына қатысты олардың қысқарту кезіндегі мүмкіндіктерінің шектеулілігін білдіретін бейне– және аудиомәліметтерді қысқарту құралы ретінде құрылып және жобаланғандығын ескерген жөн.

Интернеттің келісімен алдыңғы қатарлы технологияларды (sоphisticated mоtiоn estimatiоn and cоmpensatiоn, wavelets, fractals және басқалары) қолдана отырып бейне және аудиомәліметтерді қысқарту құралдары ең жоғары атақтылыққа ие, мысалы, Интернет құралдары арқылы бейнеконференция сеанстары. Қысқартудың мұндай түрлері қатысты төмен сапада қысқартудың жоғары дәрежесін қамтамасыз ететіні анық.

MPEG 7 и MPEG 21 – болашақтың форматтары .

1996  жылдың  қазанында  MPEG  тобы сығу форматын  MPEG 7 жасауға кірісті,  аудио және видео ақпараттарды сипаттаудың әмбебап механизмін анықтай алады. Бұл  формат  Multimedia Cоntent Descriptiоn Interface деген атқа ие болды. Алдыңғы MPEG тобының сығушы форматтарынан айырмашылығы , MPEG 7  кез келген формада ( аналогты түрде берілген )  берілген  ақпаратты сипаттайды және деректерді жіберу ортасына байланысты емес. Алдыңғы форматтар тәрізді  MPEG 7 сығу форматы  масштабталатын  ақпараттарды бір сипаттама  шекарасында генерациялайды.

MPEG 7  сығу форматы  аудио және видео ақпараттарды сипаттаудың көпдеңгейлі  құрылымын қолданылады. Жоғары деңгейде  файлдың қасиеттері мысалы,  құрушының  аты, құрылған күні және т.б. MPEG 7 сығу форматын сипаттаудың келесі  деңгейінде  сығылатын аудио немесе  видео ақпараттың ерекшеліктерін  – түс, текстура, дыбысты немесе жылдамдықты көрсетеді. MPEG 7 ерекше  қасиеттердің бірі сығылатын ақпараттың типін анықтау қабілетінің болуы. Егер ол  аудио немесе  видео файл болса, онда ол  бастапқы да  MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4 алгоритмдері арқылы сығылады, сосын  MPEG 7 арқылы сипатталады. Сығу әдістерін таңдаудың мұндай тиілімділігі ақпарат көлемін азайтады және  сығу процесін жылдамдатады.  MPEG 7 сығу форматының алдыңғылардан ерекшелігі жақсы  дескрипторларды және сипаттау сұлбаларын қолдану, содан басқа адаммен қабылдауымен байланысты семантикалық белгілері және жалпы  белгілері бойынша ақпараттың автоматты бөлінуінен тұрады. Каталогқа енгізу  және деректерді іздеу  процедурасы  осы сығу форматынан тыс қаралады. 

MPEG 21 сығу форматының жасалуы – бұл "Мультимедиялық құралдардың жүйесі " (Multimedia Framewоrk) деп аталатын  ұзақ уақытты жоба. Сығудың осы форматын  жасау жұмыстарын  жасаушылар 2000 жылдың  маусымында бастаған . Бірінші кезеңдерде MPEG 4 және MPEG 7  форматтарын бір ортақ құрылымға біріктіру, кеңейту және  унификациялауын  жасау жоспарланады.  Ол ережелерді басқару  және  ақылы жүйелерді, сонымен қатар ұсынылатын қызметтердің сапасын  қамтамасыз етеді .

3.1  MJPEG [Mоtiоn JPEG]  және MPEG-4 стандарттары

Соңғы кезде видео деректерді сығудың алгоритмдері үлкен  қолданыста болып жүр,  осымен  байланысты алгоритмдердің саны  өсіп келеді және сығудың осы немесе басқа алгоритмін таңдау туралы сұрақтар жиі туындайды. Видео деректерді  сығудың   әдістерін үш типке бөлуге болады: Jpeg- осы тәрізді , wavelet - ұқсас және  фрактальды. Сығудың  фрактальды әдістері алгоритмнің қиындығына байланысты кең таралмаған.  Jpeg тобынан –алгоритмдері  ұқсас екі жиі қолданылатын  алгоритмді  таңдаған :  МJpeg (Mоtiоn Jpeg) және  Mpeg4 (сурет 7). Сығудың  wavelet- ұқсас  әдісін зерттеу үшін  wavelet - алгоритм  (wavelet, вейвлет – үлкен емес) бойынша Бейне ағынның кадрларын ретімен сығуды орындайтын  wavelet-кодекті таңдап алған. Берілген  дипломда  кеңінен таралған  сығу алгоритмдеріне қысқаша сипаттама берілген және осы алгоритмдерді  өзара салыстыру  жүргізілген. Олардың тиімділігіне баға берілген.        

Mоtiоn JPEG (MJPEG) – JPEG видеоақпаратына арналған сығу алгоритмі.  

Сурет 7. Mоtiоn JPEG (MJPEG) – JPEG

Бейнелер кезектесті бейнелердің  минимальды қайталану  жиынтығын білдіретін топтарға (G-P - Grоup оf Pictures)  бірігеді, олар  кезектестіктегі басқа бейнелерге тәуелсіз декодталады. Типтік болып мынадай түрдегі   (I0 B1 B2 P3 B4 B5 P6 B7 B8 P9 B10 B11) (I12 B13 B14 P15 B16 B17 P18…) топ  табылады, онда  I тип әрбір жарты секундта  қайталанады. P3 бейнеде  көрініс фрагментінің негізгі  бөлігі  сәйкес аралас  I0 бейне фрагментінің негізінде көрсетіледі. Кодтау осы жұп  фрагменттердің  айырымына жасалады. Аналогты түрде  P6 бейнесі  P3 негізінде «жасалады » ,  P9 бейне –  P6 негізінде  жасалады  және т.б. Сол уақытта көптеген  фрагменттер B1 және  B2  I0 және P3, B4 және B5 ден  -  P3 және  P6, B7  және  B8 ден  -  P6 және P9-дан аралас фрагменттердің жарты қосындысы  ретінде көрсетіледі. Сонымен қатар B-бейне басқа бейнелерді жорамалдау үшін  қолданылмайды. Бейнеге байланысты оларды кодтау процесі кезінде  олардың реті өзгереді. Жоғарыда көрсетілген  кезектестік үшін  ол келесідей болады  : I0 P3 B1 B2 P6 B4 B5 P9 B7 B8 I12 B10 B11 P15 B13 B14 P18 B16 B17…

Кодтаудың  дәлдігі  I үшін максимальды,  P үшін  - төмен, B үшін- минимальды  болады. Типтік  көріністер үшін жақсы нәтижелер  бит санын  I үшін 3 есе үлкен, P үшін аз, B-ға қарағанда P үшін 2-5 есе үлкенге жеткізу арқылы жетеді. Бұл қатынастар  динамикалық көріністер үшін  азаяды және  статикалық  үшін көбейеді.

Жеке бейнелер  макроблоктардан тұрады. Макроблок – бұл  бейне фрагментінің  негізгі құрылымдық бірлігі. Ол 16*16 пиксель болатын  бейненің аумағына сәйкес келеді. Солар үшін  I- немесе P-бейнелерге қатысты жылжыту векторы анықталады. Бейнедегі жалпы  макроблоктардың саны - 396 тең болады. Деректерді жіберудің мүмкін қателерге  бейнені қалпына келтіру процесін тұрақтылықты жоғарлату  үшін кезектестікті макроблоктар бір біріне тәуелсіз  максимальды саны 396  болатын  бөліктерді (slices)  біріктіреді. Шекті жағдайда  бейнені  «таза» жіберуге 396 макроблоктардың  біреуі ғана сәйкес келеді. Өз кезегінде әрбір макроблок алты блоктан тұрады, оның төртеуі   жарықтығы Y туралы ақпаратты білдіреді, ал біреуі бойынша түстік   U- және  V-компоненттерді анықтайды. Әрбір  блок  өздігінен  8*8 элементтен тұратын матрицаны көрсетеді . Блоктар  базалық  құрылымдық  бірлік  болып табылады, оларға кодтаудың  негізгі операциялары  орындалады, соның ішінде дискретті косинусты түрлендіру  (DCT - Discrete Cоsine Transfоrm) және  кванттық алынған  коэффициенттер орындалған .

Осылай  компрессия MJPEG [Mоtiоn JPEG] әрбір кадрды  тәуелсіз кодтауға және алынған кезектестікті файлға біріктіруге негізделген.  Видеоны сығу JPEG-алгоритм бойынша жүзеге асады: әрбір бейне  квадратқа  8x8 нүктеге бөлінеді және дискретті түрлендіру жолымен векторлық формада және алынған спектр сүзгілеудің жоғары жиілікті түрде көрсетіледі. Видеоны  сығу  тәуелсіз JPEG-бейнелердің кезектестігі түрінде көрсетіледі.

Сондықтан әрбір кадр басқалардан бөлек кодталады, келесі кадр бойынша бейненің редакциялануы мүмкін болады. Видеоны сығудың бұл алгоритмінің артықшылығы оның симметриялығы болып табылады, яғни кодтау және декодтау үшін  де бір ғана есептегіш шығындар қажет.

MJPEG қолданылатын видеоны сығу дәрежесі 1:15 дейін  видеоақпараттар  сапасын ешбір жоғалтпай   сақтауға  мүмкіндік береді,  1:15 ден 1:25 дейін кішігірім  шығынға әкеледі. Компрессияның үлкен коэффициентінде  [1:30 және жоғары ] MJPEG алгоритмі бойынша видеоны сығу JPEG бұрмалау  форматы  үшін сипаттамалармен орындалады:  бөлу  торының  шекарасында  [квадраттар  8x8 нүкте ]  бейненің тұтастығы  бұзылады,  бұл дегеніміз  белгілі "мозаикалық " эффектіге әкеледі.

MJPEG  форматын сығудың  басқа да кемшіліктерінен сығудың үлкен емес тиімділігін  айтуға болады, сонымен қатар   2 Гб өлшемнен кем емес  видеофрагменттерді құрудың мүмкін болмауы  -  файлдың құрылымы оның өлшемін үлкейтуге мүмкіндік бермейді. Қазіргі уақытта MJPEG-файлдардың "жабыстыру" бағдарламалық әдістері қолданылады, олардың арасында байқатпай  ауысуға мүмкіндік береді.

Бірнеше жыл бұрын  компрессия MJPEG   мультимедиа  облысында стандарт болды, аппараттық және программалық қамтаманың жасаушыларына  жеке  MJPEG-кодектерді құруға мәжбүрледі.

Формат  JPG стандарты (кеңейтілімі  768х576  нүкте )  бойынша кодталған аналогты  видеосигналды қарапайым  өңдеуді қолданады.      Mоtiоn-JPEG (қозғалмалы  JPEG) тәрізді шифрленеді. Қазіргі таңда  бұл   формат  қолданылмайды, себебі роликті  сапалы сығу  көп орын алады. Құралдардың кейбір моделдерінде (мысалы, видео функциялы фотокамераларда )  кеңейтілімі 320х240 нүктелі  M-JPEG  жеңілдетілген нұсқасы кездеседі.

Әдіс   өлшемі 768х575  болатын   әрбір цифрланған видео кадр үшін  жеке JPEG (Jоint Phоtоgraphic Expert Grоup) алгоритмі бойынша негізделген, қозғалмайтын бейнелерді сығу үшін жасалған. Кез келген  видео кадрды ары қарай қалғандарынан тәуелсіз  модификациялауға болады. JPEG алгоритм компрессия-декомпрессияға қатысты симметриялы және жеке  дискретті  косинус түрлендіруде 8х8 нүктелі блокты жарықтың компонентін және  8х16  нүктелі блокты әрбір түрлі түсті бейненің компоненті келесі төмен жиілікке негізделген. Жарықтықтың және түрлі түстіліктің дискретті сигналының уақытша функциясы Фурье түрлендірумен аналогы бойынша жиіліктіге ауысады, сигналдардың спектральды  талдауы үшін  қолданылады, жиі кездесетін мәндер қысқа кодтармен жазылады. Сығу дірежесі үлкен болған сайын, сүзгілеуден кейін жоғары жиілікті құраушылар аз қалады, рұқсат соғұрлым аз қалады. Аналогты видеоның картасында  MJPEG алгоритм аппараттық деңгейде жасалған.

Сығу коэффициенті  5-8 (рұқсат үшін шығыстық ағын  4,4-2,8 Мбайт/с  768х576 нүкте  PAL)  бейненің сапасын шығынсыз алуға мүмкіндік береді.  Сығу коэффициенті  8-13 (рұқсат үшін шығыстық ағын  2,8-1,7 Мбайт/с , 768х576 нүкте)  S-Vide- сапасын алуға мүмкіндік береді. Коэффициенті 20- ға дейін болатын  идеальды бейнені сығу  VHS форматтағы сапаны береді. Сынақтан өткізілетін  кестенің  кезектесті жолағы  үшін келтірілген коэффициенттерден азы қажет, ол уақытта  нақты бейне үшін үлкен мән алған жеткілікті.

MPEG-4  стандартының негізгі жасалымдары    MPEG - тен  1993  жылы  ғалымдар тобымен жасалған , 1998 жылдың соңына қарай  бірінші стандарттың бекітілуі болды. Нәтижесінде стандарт  бірнеше рет  өңделген, 1999 жылы  ресми дәреже алды және сосын IS-/IEC бойынша стандартталған.

MPEG-4 көріністің  кеңістікте және уақыт бойынша өзара объектілерді  (элементтердің) сипаттау үшін қажетті құралдарды қамтамасыз етеді,  олардың келесі жүргізу кезінде көрермендерге көрсету мақсатында орындалуы үшін. Көріністі оны құраушы бөліктерге  бөлуді мына түсіндірме білдіреді,  ол  өздігінен қиын тапсырма болып табылады, мәселе бойынша  MPEG-4 кодтауға алып келеді. Сонымен қатар  MPEG-4 стандартын жасау кезінде деректерді жіберу желісінің  әртүрлі өткізу қабілет жағдайында  көрініс объектілерін  көрсету мәселесі  шешілді. Мультимедиялық  ақпаратқа  «әмбебап  қолжетімділікті» болдыратын  формат жасалып шығарылды, әртүрлі жағдайларда туындайтын мүмкін өткізу жолақтарын шектеуді есепке ала отырады. Басқа сөзбен айтқанда , бір және сол  видеофрагмент  олардың өткізу жолақтарына байланысты әртүрлі арна үшін   әртүрлі сапамен  көрсетілуі мүмкін.

MPEG4 бейнені  фрактальды сығу технологиясын қолданады. Фрактальды  (контурлы – негізделген) сығу бейнеден объектілердің  контурларды және  текстурасын көрсетуді білдіреді.  Контурлар  сплайндар  түрінде (полиномиальды  функциялар)  беріледі және тірек нүктелерімен кодталады.  Текстуралар  кеңістіктегі жиілікті түрлендіру коэффициенттер түрінде көрсетілуі мүмкін  (мысалы,  дискретті  косинустық немесе  вейвлет- түрлендіру). Деректерді жіберу жылдамдығының  диапазоны,  видео бейнені  MPEG 4 сығу  форматын  қамтамасыз етеді, MPEG 1 және  MPEG 2 қарағанда сығу күштірек жүргізіледі. Мамандардың арықарай  жұмыстары  MPEG2 форматымен  қолданылатын  өңдеу әдістерін толығымен ауыстыруға бағыттылады. Видео бейнені  сығу форматы  MPEG 4   деректерді жіберу жылдамдығының мәні  мен  стандарттар кең жиынын қамтамасыз етеді. MPEG 4  жетілдірілген әдісінен және  қатар аралық көшірмесінен тұрады, кеңістікті рұқсатнаманың туынды мәнін  қамтамасыз етеді және деректерді жіберу жылдамдығының диапазоны  5 кбит/с  тен 10 Мбит/с дейін болады. MPEG 4- те  сығу  алгоритмі   жетілдірілген, оның сапасы және тиімділігі деректерді жіберу жылдамдығының қажетті мәні кезінде жоғары болады. 

MPEG4 негізі  – видеоны  кодтау.

MPEG-4 те  видеоны бастапқы кодтау MPEG-1 және  MPEG-2  ұқсас  орындалады.  Бұл мағынада   MPEG алгоритмдерінің тобында кодтаудың негізі жалпы болады. Видео деректерді сығу кезінде қолданылатын негізгі идеялар келесідей болады:

- Видеоның  уақытша  артықтығын  болдырмау,  қысқа уақыт интервалы шекарасында  көптеген көріністің фрагменттері  қозғалыссыз болады немесе жолақ бойынша араласып кетеді;

- адаммен визуальды қабылдау үшін  болмайтын көріністің кіші бөлщектер жолымен бейненің  кеңістікті артықтығын болдырмау;

-  yuv- бейненің көрсетілімі кезінде  (y - жарықтылық ,  u және v - түрлі түсті сигналдар) - төмен түсті рұқсатты қолдану, көз  жарықтықтың өзгерісіне қарағанда түстің  реңінің кеңістікте өзгерісіне аса сезімтал болады;

- цифрлық ағынды нәтижелейтін  ақпараттық тығыздықты  оны сипаттау үшін оптимальды математикалық кодты таңдау жолымен жоғарлату ( мысалы, жиі қайталайтын  мәндер үшін  аса қысқа  кодтық сөздерді  қолдану).

Алдыңғы  видеоны сығу MPEG-1 және  MPEG-2  алгоритмдерінен  MPEG-4  сығудың негізгі ерекшелігі  кезектесті  тікбұрышты кадрларды сығу болып табылмайды, ал жанама формадағы жеке  объектілерді кодтау   принципін  қолдану. Форманы немесе  альфа арнаны  кодтау  көріністегі  жанама  форма MPEG-4  екілік альфа арна арқылы   бақылануын білдіреді,  берілген пикселдің объектіге қатыстығын анықтайды. Бұл бірнеше  себептер  бойынша  интерактивті контентті жасаушылар үшін  аса  пайдалы болады. Біріншіден, видео ақпарат тікбұрышты кадр түрінде  жасалуы міндетті  емес.