Методи стиснення зображень розроблені для того, щоб зберігати або передавати інформаційний вміст даного зображення у стиснутому вигляді з якомога меншим вмістом даних, і в той же час бути максимально наближеним до вихідного зображення після стиснення. Процедури компресії кодек позначається як, засноване на оригінальній англійській назві, яка є кодеком, отриманим від абревіатури coder-decoder. Ми можемо говорити про стиснення зображень та стиснення відео насамперед у випадку оцифрованих або цифрових зображень та відеовмісту. Стиснення зображення базується на тому, що більшість зображень містять велику кількість повторюваних елементів. Розпізнаючи та використовуючи ці повторення, пікселі з однаковим інформаційним вмістом можна опустити, зменшуючи тим самим розмір зображення. Найважливішим параметром стиснення є ступінь стиснення, який виражає ступінь зменшення розміру стисненого файлу порівняно з початковим станом.

Стиснення зображення без втрат

Застосовуючи лише низька компресія, або досягається низький ступінь стиснення. Перевага полягає в тому, що після декомпресії ми отримуємо абсолютно те саме зображення, що й оригінал, ніякої втрати інформації не відбувається. Більш відомі формати зображень без втрат включають GIF та PNG.

Стиснення з втратою зображення

Застосовуючи високий ступінь стиснення доступні, але це також призводить до погіршення якості. Після розпакування зображень, створених цим методом, інформація втрачається, тому вихідне зображення більше не можна відновити. Тільки менш важлива інформація втрачається з точки зору розпізнавання декомпресованого зображення. Основною метою є насамперед мінімізація розміру та якості зображення під час стиснення, причому останнє не слід помічати якомога більше.

Існує багато різних типів методів стиснення зображень, кодеків, включаючи багато стандартизованих методів. Звичайно, типи варіантів стиснення з втратами можна знайти у набагато більшій кількості, ніж варіанти процесів без втрат. Який із них слід використовувати в даній заявці, можна визначити за потребами, які виникають. Методи стиснення можна розділити на дві великі групи: стиснення нерухомих зображень та відео. Хоча методи стиснення нерухомих зображень фокусуються лише на певному зображенні в даний момент, методи стиснення відеозаписів базуються на характеристиках послідовних зображень, тобто відеопотоку.

Стиснення зображення та кольори

нерухомих зображень

Забарвлення зображення в системі кольорів RGB (Джерело: www.equasys.de)

Забарвлення зображення в системі кольорів YUV (Джерело: www.equasys.de)

Розробка стиснення зображення

Розробка методів стиснення технічно базувалася на характеристиках, що виникають внаслідок властивостей людського зору, з одного боку, та властивостей природного рухомого зображення, з іншого. Це наступне:

Характеристики, що випливають із властивостей людського зору:

  • Людське око набагато чутливіше до змін яскравості, ніж до змін кольору, залежно від колірного складу зображеного.
  • Хороша роздільна здатність потрібна лише для нерухомих та повільних зображень, тоді як нижчої - для швидких.
  • Погіршення якості зображення менш дратує лише для нерухомих та повільних зображень, тоді як це менша проблема для швидко рухаються або раптових змін зображення.

Характеристики, що випливають із властивостей природного рухомого зображення:

Рухоме зображення складається з послідовних нерухомих кадрів, у яких існує подібність і надмірність як між окремими кадрами, так і між частинами зображення окремих кадрів. Якщо ми зберігаємо лише змінні деталі зображення, кількість необхідних даних буде на порядок меншою.

Характеристики, що визначають ступінь стиснення:

  • обсяг та якість інформації, яку можна опустити;
  • тип та ефективність процесу ущільнення;
  • статистика зображення, яке потрібно стиснути, тобто скільки схожої деталі зображення в ньому.

Процедура стиснення полягає в наступному. Значення яскравості кожного пікселя зберігається окремо, але значення кольорів зберігається лише для певних пікселів. Все це позначається парою потрійного співвідношення (x: x: x). У кожному випадку перше значення показує, наскільки широкий блок (його висота завжди становить 2 пікселі) відображає інформацію про колір. Друге значення показує кількість кольорової інформації, що зберігається у першому рядку, а третє - кількість кольорової інформації, що зберігається у другому рядку. Ми знаємо деякі загальні значення: третє число або приймає значення 0 (у цьому випадку у відповідному рядку не надається окрема інформація про колір), або воно таке саме, як значення другого числа.

На зображенні нижче показано кілька прикладів значень, які можуть приймати сигнали яскравості та різниці кольорів у кожному блоці.

Зображення містять кольорову інформацію в блоках 4 × 2. На першому малюнку в кожному рядку зберігається лише один колір, а на третьому - лише два кольори. У блоці 4: 4: 4 кожен піксель має інформацію про колір. На другому малюнку у першому рядку зберігається інформація про два кольори, а у другому - 0. У таких випадках, якщо для останнього рядка встановлено значення 0, він завжди використовує інформацію про колір попереднього рядка.

Говорячи про блоки, варто згадати кілька слів. У кожному випадку кожен кодек стиснення починає стиснення, розділяючи саме зображення на блоки, тобто менші площі. Їх розмір, як правило, залежить від кодеків, але загалом можна сказати, що чим менший розмір кожного блоку, тим більше корисної інформації залишається, але також і більше місця, необхідного для зберігання.

Після визначення розмірів блоків розподіл інформаційного вмісту випливає, іншими словами, наскільки розподіляється відповідна інформація у кожній області. Найчастіше це робиться за допомогою дискретного косинусного перетворення, яке є матрицею, що показує частотний спектр кожної області та частоту кожного пікселя. Чим менша частота області, де знаходиться піксель, тим більш відповідним інформаційним вмістом він володіє. Після перетворення т. Зв операція квантування виконується програмами стиснення, що насправді є операцією поділу. У процесі ці поділи проводяться на всі блоки, в результаті чого виникає безліч «чисел». Відтепер лише ці цифри слід зберігати в якомога меншому просторі.

(Запис зроблено на основі статті www.geeks.hu "Як працює кодування H.264".)

Методи стиснення нерухомих зображень

Найвідомішими та найпоширенішими методами стиснення нерухомих зображень є JPEG та JPEG2000.

Стиснення JPEG

JPEG була створена групою під назвою Joint Photographers Experts Group, яка була сформована в 1986 році, і процес стиснення також походить від абревіатури цієї назви. JPEG є одним із методів стиснення з втратами, і це вважається основною процедурою для інших процесів стиснення. Тим не менше, навіть при стисненні 10-100x, зображення буде не тільки впізнаваним, але й приємним. Під час стиснення зображення ділиться на частини 8 × 8 пікселів, де 64 пікселі перетворюються разом як зображення (а не пікселі). з дискретним косинус-перетворенням (DTC). У випадку JPEG ми завжди говоримо про стиснення нерухомих зображень. Розширення: jpeg, jpg, іноді jpe.

Стиснення JPEG 2000

Стандарт JPEG 2000 також названий на честь Об'єднаної групи експертів фотографів, і його поява, як випливає з назви, відбулася в 2000 році (точніше, він був стандартизований у січні 2001 року). JPEG 2000 підходить для стиснення як нерухомих зображень, так і відео. Потрібно було більше 10 років, щоб стандарт використовувався загалом, головним чином через те, що новий стандарт не сумісний з JPEG. Однак його нинішня популярність пов’язана з тим, що інші методи стиснення зображень насправді не могли передавати зображення мультимегапіксельних камер з дуже високою роздільною здатністю з вищою швидкістю оновлення зображення. Хоча поліпшення JPEG, стиснення використовує вейвлет-перетворення замість дискретного косинусного перетворення, яке перевершує JPEG як за якістю зображення, так і за ефективністю стиснення.

Крім того, програмне забезпечення було вдосконалено низкою функцій, які виходять далеко за рамки JPEG:

  • Підходить для надзвичайно великих, т. Зв. для стиснення мультимегапіксельних зображень.
  • Він здатний як стискати, так і втратити.
  • У порівнянні з JPEG можна створити до трьох разів менший розмір стиснення, тому для його застосування потрібно набагато менше пропускної здатності.
  • Зображення, стиснуті JPEG 2000, не відчувають перевірки навіть при низькій якості, наприклад для JPEG. Втрата даних менш помітна.
  • Велика перевага полягає в тому, що він може змінювати роздільну здатність без перекодування зображення. При відображенні в Інтернеті зображення спочатку завантажується з низькою роздільною здатністю, а потім поступово перетворюється на кращу роздільну здатність. Це означає, що він під час завантаження підлаштовується під роздільну здатність монітора, тому завжди відображає зображення лише з роздільною здатністю дисплея. Ця функція також зменшує вимоги до пропускної здатності.

JPEG 2000 може мати кілька розширень: J2K, JP2, J2C, JPC, JPX, JPF.

Методи стиснення відео

Головною метою стиснення фільмів спочатку було зробити зберігання великих відеоматеріалів економічним, з одного боку, та компакт-дисків та DVD-дисків, з іншого. Все це вирішується таким чином, що в матеріалі не відбувається ні видимої, ні чутної втрати інформації. Розмір відеоматеріалу в порівнянні з окремими зображеннями настільки великий, що практично немає сенсу записувати чи зберігати його без стиснення. Крім того, різниця в якості між стисненим та стисненим відео не виправдовує їхнього жодного стискання.

Найвідомішими методами стиснення відео є MJPEG та MPEG, сімейство стандартів (включаючи MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 та H.264). Ці типи використовуються в системах моніторингу безпеки. Більшість методів в основному засновані на тому, що рухоме зображення складається з серії нерухомих зображень, в яких безпосередньо послідовні зображення в більшості випадків дуже схожі. Наприклад, різниця між зображеннями відеокамери є лише тоді, коли в зоні спостереження є рух. Отже, якщо реєструються лише зміни, розмір відео, що зберігається, може бути значно зменшений.

Motion JPEG (MJPEG)

MJPEG всі кадри окремо Стискається у формат JPEG, потім об'єднує їх у відеопотік. Коефіцієнт стиснення варіюється від кадру до кадру, тому оцінити розмір відео, створених цим методом стиснення, непросто. При коефіцієнті стиснення 5: 1 ми все ще отримуємо зображення дуже високої якості, але при ступені стиснення 10: 1 деградація зображення вже помітна. Його перевага полягає в тому, що його апаратні вимоги низькі, тому його можна використовувати з комп’ютерами та цифровими реєстраторами зі слабшими технічними параметрами.

У 1988 р. Міжнародна організація зі стандартизації, ISO сформував робочу групу під назвою Група експертів із рухомих знімків, від якої походить скорочення MPEG ім'я. Групі було доручено створити стандарт для формату цифрового відео, який на той час вже швидко розвивався. Суть сімейства стандартів MPEG полягає в тому, що метод не стискає кожен кадр окремо у відеопотоці, а ділить їх на групи з 1-15 зображень. Перший кадр у кожній групі - це високоякісний стиснений у форматі JPEG опорний кадр, який містить всю інформацію про зображення. Зберігаються та стискаються лише деталі наступних зображень, які мають невідповідність. Оскільки різниця між послідовними зображеннями зазвичай незначна, в більшості випадків зміна може бути краще стиснута, ніж у випадку відеопотоку, створеного за допомогою кодування MJPEG.

Типи стандартів MPEG (і H.26x)

MPEG-1

Він був опублікований у 1993 році. Він працює з роздільною здатністю 352 × 288 (якість відео VHS), а при частоті кадрів 25 кадрів/сек швидкість передачі зображення становить 1,5 Мбіт/с. Формат MPEG-1 може використовуватися лише для кодування прогресивних фільмів, а бітрейт стиснення є постійним. Власне ми можемо говорити про стандарт цифрового відео якості VHS. Це дозволило 74-хвилинний фільм поміститися на відео CD. Недоліком формату стиснення - з сьогоднішньої точки зору при низькій роздільній здатності - є те, що у відеосценах, де не тільки люди та предмети, але й фон швидко рухалися, це призвело до низької якості зображення.
На основі MPEG-1 Міжнародний союз електрозв'язку (МСЕ), стандарт міжнародної стандартизації в галузі телекомунікацій та телекомунікацій, був стандартом, розробленим для додатків для відеотелефонів та відеоконференцій, який Він був опублікований як H.261. На основі цього та подальшого розвитку були створені додаткові стандарти MPEG. Згодом Робоча група MPEG та МСЕ розробили свої стандарти щодо цифрових відеотехнологій як самостійно, так і у співпраці між собою. Усі стандарти H.26x також є стандартами МСЕ.

MPEG-2

За змістом він ідентичний стандарту H.262, розробленому ITU-T. Кодек набагато складніший, ніж з MPEG-1. Цей стандарт був розроблений в 1994 році для цифрового мовлення (DVB) та програм для DVD для супутникового, кабельного та ефірного мовлення. Він може стискати з більш високою роздільною здатністю, ніж його попередник, і зі змінною швидкістю передачі даних. Стандарт дозволяє змінювати швидкість передачі даних і одночасно стиснення в широкому діапазоні від 1,5 Мбіт/с до 40 Мбіт/с. При найкращій роздільній здатності аналогового телевізійного сигналу (PAL) (720 × 576 розмір зображення), при частоті кадрів 25 кадрів/сек, типова швидкість передачі даних становить 4-10 Мбіт/сек. З моменту появи цього стандарту на ринку мине повільно два десятиліття, але він все ще використовується в традиційних програвачах DVD. MPEG-2 також здатний відповідати очікуванням телевізійної технології високої чіткості, HDTV (роздільна здатність 1920 × 1080), хоча на момент випуску цього ще не очікували.

Хоча цей формат стиснення, розроблений у 1995-96 рр., Не призначений для відеоспостереження, про це варто сказати кількома словами. Спочатку він був розроблений МСЕ для проведення відеоконференцій, але широко використовується ним використовується в мобільних телефонах. Суть технології полягає в тому, що вона стискається при постійному і надзвичайно низькому бітрейті. На жаль, якщо у відео є об’єкти, які рухаються швидше, якість зображення також є низькою.

MPEG-3

Цей стандарт в основному був розроблений для використання в програмах HDTV, але розробка показала, що стандарт MPEG-2 також може відповідати очікуванням телебачення високої чіткості, тому випуск MPEG-3 з часом застарів.

Група MPEG-4

MPEG-4 насправді є не самостійний стандарт, але один група майже 30 частин. Їх розвиток розпочався в 1998 році. Найвідомішими з них і найбільш широко використовуваними у відеоспостереженні є два підстандарти MPEG-4, частина 2, також відома як MPEG-4 ASP, і MPEG-4, частина 10, також відома як H.264.

MPEG-4, частина 2

Стандарт, введений в 1999 році. При використанні системи камер Стиснення MPEG-4ми говоримо, тоді це так це насправді означає формат MPEG-4 Частина 2. Частота кадрів більше не обмежується 25/30 кадрів/сек. Основною метою його розробки було кодування відеовмісту з низькою швидкістю передачі даних, як правило, від 5 кбіт/с до 4 Мбіт/с. Він може кодувати та стискати як зображення, так і звук. Він вимагає набагато більше ресурсів, ніж його попередник, формат MPEG-2. На додаток до використання в телевізійних програмах, відеотелефонах та потоках веб-медіа, це був типовий процес стиснення для цифрових реєстраторів та IP-камер протягом декількох років.

H.264 або MPEG-4, частина 10 або MPEG-4 AVC

Три найважливіші стандартні профілі H.264 - це базовий, основний та високий. Виробники цифрових реєстраторів та IP-камер в основному використовують головний профіль у своїх пристроях. Високий профіль використовується рідше, але саме той профіль досягає набагато кращої якості стиснення, ніж основний. Оскільки процесор та інші схеми обробки відеосигналу, що використовуються в цьому випадку, також потрапляють до категорії вищої якості, рівень цін на такі пристрої також вищий.

MJPEG або H.264?

Виходячи з того, що було описано до цього моменту, ми припустимо, що стиснення H.264 дає кращі результати у всіх відношеннях, ніж значно старший MJPEG. Хоча набагато ефективніші результати зазвичай отримуються за допомогою стандарту стиснення H.264, у деяких випадках MJPEG виявляється кращим вибором.

Це стосується відео з великою кількістю рухів або зміною умов освітлення, оскільки кожен кадр відрізняється. Попередні зображення не можна взяти за посилання, лише відмінності неможливо передати, тому H.264 втрачає отриману перевагу. Оскільки MJPEG обробляє відео окремо на кадр, MJPEG є набагато економічнішим, коли камера встановлена ​​на транспортному засобі, що рухається, на стовпі, схильному до сильного вітру, або на ділянці, де постійний рух та щільні зміни освітленості є загальним явищем. більш ефективний метод стиснення.