Приложение А

Основные методы компрессии
(справочное)

Основные методы компрессии можно представить в виде следующей структуры (Рис. А 1)

Рис. А1

Первоначально для видеокомпрессии применялись алгоритмы без потери исходной информации (типа Шеннона-Фано и Хаффмана или LZ – алгоритмов (названы так по фамилиям их создателя Абрахама Лемпеля и Якоба Зива)).

Примечание. Алгоритм Шеннона - Фано - один из первых алгоритмов сжатия, который впервые сформулировали американские учёные Ше?ннон и Фано (англ. Robert Fano). Алгоритм использует коды переменной длины: часто встречающийся символ кодируется кодом меньшей длины, редко встречающийся - кодом большей длины.

Алгоритм Хаффмана является более поздним алгоритмом (был предложен Д. А. Хаффманом в 1952 году) и более сложным по сравнению с Алгоритм Шеннона - Фано хотя и имеет в свое основе идеи, заложенные в указанном выше алгоритме.

LZ - алгоритм предполагает описание новых поступающих несжатых данных через уже обработанные. При этом кодирование символов осуществляется только на основе тех данных, которые уже были обработаны. В этом случае, второе и дальнейшие вхождения некой подстроки, уже известной кодировщику, заменяются ссылками на ее первое вхождение.

Алгоритмы кодирования без потерь данных не так уж и редки, наиболее известные из них:

Алгоритм Шеннона - Фано; Алгоритм Хаффмана; Адаптивное кодирование Хаффмана; Преобразование Барроуза - Уилера; Преобразование Шиндлера; алгоритм DEFLATE; Дельта-кодирование; Энтропийное кодирование; Инкрементное кодирование; Алгоритмы Лемпеля - Зива; LZ77; LZ77-PM; LZFG; LZFG-PM; LZP; LZBW; LZSS; LZB; LZH; LZRW1; LZ78; LZW; LZW-PM; LZMW; LZMA; LZO; PPM; RLE; SEQUITUR; Вейвлет; Усечённое двоичное кодирование; Арифметическое кодирование; Адаптивное арифметическое кодирование; Кодирование расстояний; Энтропийное кодирование; Унарное кодирование; Кодирование Фибоначчи; Кодирование Голомба; Кодирование Райса; Кодирование Элиаса.

Однако с учетом того, что данные алгоритмы дают малый выигрыш по объему передаваемой информации и реально для передачи видеопотока используются только алгоритмы с потерями данных, мы не будем их разбирать.

Алгоритмы допускающие компрессию с потерей исходной информации делятся на алгоритмы с покадровым сжатием и алгоритмы с межкадровым сжатием.

В первом случае каждый кадр сжимается по определенному алгоритму независимо от предыдущих и последующих кадров. Типичным представителем такого алгоритма является алгоритм JPEG 2000.

Типичным представителем алгоритма с межкадровой компрессией является алгоритм H.264.

JPEG 2000 (или jp2) - графический формат, использует технологию вейвлет-преобразования, основывающуюся на представлении сигнала в виде суперпозиции базовых функций - волновых пакетов.

В результате такой компрессии изображение получается более гладким и чётким, а размер файла по сравнению с JPEG при одинаковом качестве оказывается меньшим. JPEG 2000 полностью свободен от главного недостатка своего предшественника: благодаря использованию вейвлетов, изображения, сохранённые в этом формате, при высоких степенях сжатия не содержат артефактов в виде «решётки» из блоков размером 8 х 8 пикселей. Формат JPEG 2000 так же, как и JPEG, поддерживает так называемое «прогрессивное сжатие», позволяющее по мере загрузки видеть сначала размытое, но затем всё более чёткое изображение.

Примечание. Вейвлет-преобразование (англ.Wavelet transform)- представляет собой свертку вейвлет-функции с сигналом.

Рис. А2 - Вейвлет-функция

Алгоритм H.264

Специалисты в области телекоммуникаций и эксперты, занимающиеся информационными технологиями, ожидают, что H.264 постепенно вытеснит другие используемые сегодня стандарты сжатия видеоизображения.*

*Примечание. В настоящее время разработан уже более совершенный алгоритм компрессии H.265, который является дальнейшим развитием алгоритма H.264. К сожалению, пока ещё не разработано оборудование реализующее алгоритм H.265 в серийных изделиях.

Алгоритм работы H.264

В H.264 - сжатие начинается с создания исходного (ключевого) I-кадра, или Intra-кадра. I-кадры играют роль опорных при восстановлении остальных изображений и размещаются последовательно через каждые 10 – 15 кадров. В интервале между I-кадрами изменяются только некоторые фрагменты изображений, и именно эта разница кодируется. Кроме I-кадров имеются еще два типа изображений:

• predicted (P) - предсказанные кадры, описывающие различия между текущим и предыдущим кадрами (типа I или P);

• bi-directional interpolated (B) - интерполированные в двух направлениях (вперед и назад) кадры, содержащие лишь указатели на предыдущие или последующие кадры типа I или P.

Вообще кодирование - процесс «возвратно-поступательный».

Рис. А3

Типовая последовательность I-, B- и P-кадров. P-кадр может ссылаться только на предшествующий I- или P-кадр, в то время как B-кадр может ссылаться как на предшествующий, и на последующий I- или P-кадры.

В последнее время в некоторых кругах специалистов по охранной технике бытует мнение, что алгоритмы с межкадровой компрессией не пригодны для экспертно-криминалистической оценки. Данное мнение в корне неверно. При равных объемах кадра или равных скоростях в канале передачи изображения алгоритмы с межкадровой компрессией дадут значительное преимущество, в том числе и с точки зрения экспертно-криминалистической оценки изображения, алгоритмам не использующие межкадровую компрессию.

Более того, если использовать только ключевые кадры (I-кадра), то алгоритм H.264 не будет использовать межкадровую компрессию, что ещё раз подчеркивает о несостоятельности тезиса о неприемлемости алгоритма H.264 для экспертно-криминалистических целей.

Далее >>>