Compresi

1
Compresión de vídeo

• http//www.info-ab.uclm.es/asignaturas/42609/Tema4
  /sld035.htm

2
Estándares MPEG

• Motion Pictures Expert Group
• Estándar ISO/IEC JTC1/SC29/WG11
• MPEG 1
• El primer trabajo del grupo, iniciado en 1988 se
  concentró en la compresión de vídeo con
  velocidades bajas y adecuadas a dispositivos de
  almacenamiento tales como CD-ROM y transmisión a
  1,554 y 2,048 Mbits/s
• MPEG 2
• Método de codificación de señales audiovisuales
  para proporcionar una buena calidad sobre la base
  de la norma de televisión digital 601 del CCIR.
• MPEG 4
• Desarrollado para aplicaciones de comunicaciones
  multimedia a muy bajo caudal, en las cuales se
  requiere la comunicación de información
  audiovisual.
• MPEG 7
• Se basa en la realización de bases de datos de
  información multimedia que permitan la búsqueda
  de imágenes utilizando características como su
  color, textura o información de su forma o
  contorno de los objetos.

3
MPEG 1

• Estuvo basado inicialmente en el trabajo del
  grupo de expertos del ITU para videotelefonía y
  en el estándar H.261
• Para aumentar el factor de compresión, MPEG
  introdujo el concepto de predicción
  bidireccional, que consiste en el almacenamiento
  de imágenes pasadas y futuras para la predicción
  del cuadro (frame) presente.
• Para conseguir esto, los cuadros en el flujo de
  bits codificado deben estar en orden diferente al
  orden de visionado. Esto fuerza la creación de la
  estructura llamada Grupo de cuadros (GOP).

4
MPEG 1

• El conjunto de objetivos establecido para MPEG 1
  fue el siguiente
• Acceso aleatorio
• Búsqueda rápida/rebobinado rápido
• Visionado inverso
• Sincronización audiovisual
• Robustez frente a errores
• Retardo de codificación/descodificación
• Editabilidad
• Compatibilidad de formatos
• Costes

5
MPEG 1 Características

• Los requerimientos de capacidad de edición total
  y acceso aleatorio condujeron a la introducción
  de cuadros codificados completamente como
  intra-cuadro, de forma periódica en el flujo de
  bits codificado.
• La codificación de estos cuadros con codificación
  intra-cuadro se basó en gran parte en el estándar
  JPEG. Para compensar la reducción del factor de
  compresión, debido a la introducción periódica de
  imágenes intra-codificadas, se introdujo la
  predicción bidireccional.
• El estándar fue finalmente diseñado para
  conseguir compresiones óptimas en el rango entre
  1 y 1.5 Mbps, para secuencias de vídeo progresivo
  en color (MPEG 1 no soporta vídeo entrelazado),
  tanto para sistemas NTSc como PAL, con formato de
  muestreo 420 y un espacio de colores YCbCr.
• Para este formato de entrada, el factor de
  compresión alcanzado por el estándar MPEG 1 es de
  261 aproximadamente.

6
(No Transcript)
7
MPEG 1 Parámetros restringidos

• El conjunto de parámetros restringidos del flujo
  de bits que como mínimo debe soportar cada
  descodificador compatible con MPEG 1 son

Parámetros Valor máximo
Tamaño horizontal 768 píxeles
Tamaño vertical 576 líneas
Número macrobloques 396
Caudal de píxeles 396x25 MB/s
Caudal de cuadros 30 cuadros/s
Rango de los vectores de movimiento 64 píxeles
Tamaño del buffer de entrada 327.680 bits
Caudal de bits 1.856 kbits/s
8
MPEG-1 Residuo de movimiento compensado

• Con el método de compensación de movimiento, se
  crea una imagen de predicción con la imagen
  actual, o nueva, y la imagen precedente (ya
  codificada y en memoria) mediante la estimación
  del movimiento entre las dos imágenes y una
  compensación para el movimiento.
• La diferencia entre la imagen actual y la
  predicción que se ha hecho para esta imagen
  actual es lo que se llama residuo de movimiento
  compensado.
• En una secuencia típica de vídeo, este residuo,
  contendrá valores muy pequeños y próximos a cero,
  que se codificarán con unos pocos bits.
• Para la estimación del movimiento se supone que
  en las imágenes de vídeo consecutivas, aparecen
  los mismos componentes de la escena aunque
  posiblemente en diferentes posiciones (movimiento
  traslación).

9
(No Transcript)
10
(No Transcript)
11
MPEG 1 Predicción bidireccional

• La predicción bidireccional realiza el proceso de
  estimación de movimiento dos veces
• Una en una imagen pasada
• Y otra en una imagen futura,
• De forma que obtiene dos vectores de movimiento y
  dos predicciones para cada macrobloque.
• El codificador puede obtener el residuo de
  movimiento compensado utilizando
• Cualquiera de las dos predicciones (pasada o
  futura)
• O un promedio de ellas, eligiendo la estimación
  mas eficiente de las tres.
• En la terminología MPEG, este proceso es referido
  como codificación intercuadro bidireccional o
  interpolada.

12
(No Transcript)
13
MPEG 1 Predicción bidireccional

• Cuando la compensación es hacia delante o hacia
  atrás, sólo se genera un vector de movimiento.
• Cuando la compensación es interpolada se generan
  dos vectores de movimiento, uno para cada cuadro
  de referencia pasado y futuro.
• Tanto si se genera uno como si se generan dos,
  estos son codificados diferencialmente con
  respecto a los vectores de movimiento del
  macrobloque anterior.
• Posteriormente se les aplica una codificación
  Huffman para ser transmitidos o almacenados junto
  al residuo, para este macrobloque.

14
MPEG 1 Tipos de cuadros

• Cuadros I (Intra)
• Utilizan únicamente información contenida en el
  propio cuadro y no dependen de la información de
  otros cuadros (codificación intra-cuadro).
• Los cuadros I proporcionan un mecanismo para el
  acceso aleatorio al flujo de bits de vídeo
  comprimido pero proporcionan solamente una
  moderada compresión.
• Cuadros P (Predicted)
• Utilizan para la codificación, la información
  contenida en el cuadro previo, I o P, mas próximo
  (codificación intercuadro).
• A esta técnica se le conoce como predicción hacia
  delante y proporciona un mayor grado de
  compresión.
• Cuadros B (Bidirectional o Interpolated)
• Utilizan la información contenida en los cuadros
  pasado y futuro, I o P, mas próximos.
• A esta técnica se le conoce como predicción
  bidireccional o interpolada y proporciona el
  mayor grado de compresión.
• Estos cuadros no propagan errores ya que nunca se
  utilizan como referencia, al contrario que las
  imágenes I y P.

15
(No Transcript)
16
(No Transcript)
17
(No Transcript)
18
MPEG 1 Estructura de capas

• La estructura está definida para hacer del flujo
  de bits una secuencia de entidades individuales
  entre sí.
• Cada capa tiene una cabecera con información,
  seguida de un número de elementos de la siguiente
  capa
• Así, cada secuencia es precedida de una cabecera
  de secuencia seguida de un número de GOPs, y por
  último una marca de fin de secuencia.
• Cada GOP es precedido por una cabecera de inicio
  de GOP, y después por un número de cuadros.
• Cada cuadro a su vez se descompone en un número
  de franjas
• Cada franja por un número de macrobloques.
• Finalmente, los macrobloques se dividen en varios
  bloques.
• Cada cabecera de inicio coincide con un código
  que está alineado al inicio de un byte para
  facilitar su detección, y que no se puede
  producir en ningún otro lugar durante la
  codificación.

19
MPEG 1 Estructura de capas
Capas Significado funcional
Secuencia de vídeo Secuencia completa visible con un formato determinado
Grupo de cuadros Unidad mínima independientemente descodificable
Cuadro Unidad primaria de display
Franja Unidad de sincronización. Permite re-sincronización ante errores
Macrobloque Unidad de compensación de movimiento
Bloque Unidad de transformada DCT
20
MPEG 1 Estructura de capas

• Capa de secuencia
• Define una secuencia completa de vídeo
  codificada, como por ejemplo una película o un
  programa de TV.
• Los principales parámetros (sintaxis) que se
  pueden definir en la capa de secuencia son
• Las dimensiones (horizontal y vertical) de los
  cuadros
• La razón de aspecto de los píxeles
• La frecuencia de cuadro
• Las matrices de cuantificación

21
(No Transcript)
22
MPEG 1 Estructura de capas

• Capa de Grupo de Cuadros (GOP)
• Un GOP debe empezar (en orden de presentación)
  con un cuadro B o I. En caso de éste último el
  GOP se denomina cerrado.
• Si el GOP no es cerrado entonces necesitará el
  último cuadro I o P del GOP anterior para ser
  descodificado correctamente.
• El estándar no define ningún método para elegir
  la estructura de GOP, pero en la mayoría de las
  aplicaciones, éste suele tener una longitud de 12
  (PAL) o 15 (NTSC), y dos cuadros B entre cada par
  de cuadros I o P.
• Los parámetros (sintaxis) que se pueden definir
  en esta capa, son principalmente dos variables
  booleanas
• Para indicar si el GOP es cerrado,
• Y por otra para indicar si el GOP necesita el
  último cuadro I o P del anterior GOP para
  descodificar el GOP actual.

23
MPEG 1 Estructura de capas

• Capa de cuadro
• La capa de cuadro tiene toda la información
  necesaria para formar una imagen.
• Los parámetros (sintaxis) que se pueden definir
  en la cabecera de esta capa son
• La referencia temporal del cuadro.
• El tipo de codificación (I, P o B)
• El rango de los vectores de movimiento entre
  otros parámetros.

24
MPEG 1 Estructura de capas

• Capa de franja
• Esta capa que es innecesaria por si misma para el
  correcto funcionamiento del codificador, permite
  hacer al sistema mas robusto frente a errores.
• En el comienzo de cada una de las franjas, las
  predicciones para los vectores de movimiento y el
  coeficiente de continua (DC) de los bloques intra
  (se codifican diferencialmente) son puestos a
  cero.
• La cabecera de franja permite al descodificador
  resincronizarse ante un error en la transmisión o
  en la descodificación, perdiendo parcialmente la
  franja donde se produjo el error en la
  descodificación, desde el error hasta la
  siguiente cabecera de franja, pero no el cuadro
  entero.

25
MPEG 1 Estructura de capas

• Capa de franja
• El tamaño horizontal (de izquierda a derecha y de
  arriba abajo) de las franjas puede ser
  cualquiera, siendo el tamaño elegido en la
  mayoría de las aplicaciones una franja horizontal
  completa.
• El tamaño vertical es siempre de 16 píxeles,
  puesto que una franja está compuesta de una serie
  macrobloques y estos son de 16 x 16 píxeles.
• Los parámetros (sintaxis) que se definen en la
  cabecera de franja son
• La posición de la franja dentro del cuadro.
• El factor de escala para la cuantificación (entre
  1 y 31), lo que más tarde llamaremos factor de
  escala Q de cuantificación o MQUANT. Este factor
  se pueden definir a este nivel o a nivel de
  macrobloque.

26
MPEG 1 Estructura de capas

• Capa de Macrobloque (MB)
• El MB es la unidad básica de compensación del
  movimiento. Los vectores de movimiento y el
  residuo de movimiento compensado, son obtenidos
  en el codificador en el módulo de estimación de
  movimiento.
• Cada MB está formado por
• cuatro bloques de luminancia
• y 2 de crominancia.
• Algunos de los parámetros (sintaxis) más
  importantes de la capa MB son
• La posición de MB en la franja
• El factor de escala Q de cuantificación (MQUANT)
• El patrón de codificación de los bloques del MB.
• El tipo de MB.
• Los vectores de movimiento para el MB.

27
MPEG 1 Estructura de capas

• Capa de Macrobloque
• La sintaxis de MPEG-1 permite a cada MB ser
  codificado utilizando diferentes factores de
  escala Q de cuantificación.
• Este factor es variado por el codificador, entre
  31 niveles (desde 1 a 31) acorde al estado de
  ocupación del buffer de salida, para que éste
  pueda ser drenado al caudal constante, sin que se
  quede vacío o se desborde.
• Hay varios tipos de codificación de los MB para
  un tipo de cuadro determinado
• De acuerdo con la forma en que se realizó la
  compensación de movimiento, si es que la hubo,
• Si tienen un nuevo valor de MQUANT para la
  cuantificación
• O si los bloques van codificados o no,

28
(No Transcript)
29
MPEG 1 Estructura de capasCapa de Bloque

• Un bloque es una matriz de 8 x 8 valores que
  contienen
• O bien valores de píxeles del cuadro, tal cual,
  si pertenece a un MB que se decidió que fuese
  Intra-codificado,
• O bien valores del residuo del movimiento
  compensado si se decidió que fuese
  Inter-codificado.
• Sobre estos bloques que todavía presentan
  redundancia espacial, se aplicara
• DCT
• Cuantificación
• zig-zag
• RLE.
• Hay dos tipos de matrices de cuantificación,
• una para bloques intra-codificados
• y otra para bloques inter-codificados estas
  fueron definidas en la capa de secuencia.
• Estas matrices son diferentes porque
• los bloques intra contienen valores de la imagen
  (cuantificación con menor precisión acorde a las
  características psicovisuales del ojo humano),
• mientras que los bloques inter contienen residuos
  de movimiento compensado.

30
MPEG 1 Estructura de capasCapa de Bloque
Bloques Intra

• El coeficiente DC se cuantifica de forma
  diferente a como lo hacen los coeficientes AC. El
  coeficiente DC es cuantificado dividiéndolo por
  un valor de cuantificación 8 y redondeado después
  al entero mas próximo.
• Para los coeficientes AC la cuantificación se
  realiza mediante la utilización del coeficiente
  MQUANT y redondeando después al entero mas
  próximo.

31
MPEG 1 Estructura de capasCapa de Bloque
Bloques Intra

• En los bloques intra, el coeficiente DC se trata
  de manera diferente al resto este coeficiente se
  codifica diferencialmente con respecto al
  coeficiente DC del bloque anterior.
• Este valor que puede estar en el rango
  -2047,2047, es codificado mediante un par
  tamaño/amplitud donde el tamaño indica una de las
  12 categorías en que se divide el rango, que a su
  vez significa el número de bits necesario para
  codificar la amplitud.
• El tamaño es codificado mediante código Huffman,
  mientras que la amplitud es la representación
  binaria del valor diferencial.
• El resto de coeficientes AC se ordenan en zig-zag
  y se aplica la codificación por entropía.

32
MPEG-1 Estructura de capasCapa de bloque Inter

• Tanto los coeficientes AC como el DC se
  cuantifican de la misma manera utilizando el
  coeficiente MQUANT.
• Para el caso de los bloques inter, tanto el
  coeficiente DC como los coeficientes AC se
  codifican igual, se ordenan en zig-zag y se les
  aplica Huffman.

33
(No Transcript)
34
MPEG-1 Detalles

• Cuando se emplea la codificación de entropía,
• las palabras del código son de longitud variable
  en función de la estructura del vídeo
• es decir, la velocidad binaria no es constante.
• Si se pretende que la salida del codificador sea
  un flujo de bits constante, es necesario
  intercalar un buffer, para que el flujo de bits
  se transmita a una velocidad constante, acorde al
  canal que se vaya a utilizar.
• Para evitar que el buffer se sature o se vacíe,
  mediante un bucle de control se envían datos al
  cuantificador para que éste varíe su MQUANT a
  nivel de Macrobloque.
• Si la velocidad binaria disminuye
  apreciablemente, la codificación puede hacerse
  mas precisa para aumentarla, lo cual se consigue
  disminuyendo el valor de MQUANT. Si por el
  contrario, el buffer está cerca de su capacidad
  máxima, se dan instrucciones al cuantificador
  para que éste codifique los valores con menor
  precisión, lo cual se consigue aumentando el
  valor MQUANT.

35
MPEG-1 Detalles

• El descodificador es simplemente el lazo de
  realimentación del codificador, salvo que no
  incorpora el módulo de la estimación del
  movimiento (el mas costoso computacionalmente),
  por no serle necesario.
• A la salida se sitúa un buffer para reordenar los
  cuadros en el orden de presentación acorde a la
  referencia temporal transportada en el cuadro.
• Por último hay que hacer notar que el par
  codificador/descodificador es un par asimétrico.
• El precio del coste del codificador, será mucho
  mas elevado ya que requerirá sistemas basados en
  hardware más potente, mientras que el precio del
  descodificador será asequible para la mayoría del
  público.
• En aplicaciones VOD o televisión digital, harán
  falta unos pocos codificadores (grandes
  compañías que ofrecen estos servicios), y muchos
  descodificadores de precio asequible (público).