Language
Country/Area
No result found
Раскрыт алгоритм сопоставления блоков: почему сжатие видео настолько эффективно?
В области цифровой обработки видео решающую роль играет алгоритм сопоставления блоков (BMA). Этот алгоритм в основном используется для поиска совпадающих макроблоков в последовательностях видеокадров, и его основной целью является оценка движения. Оценка движения предполагает, что объекты и фон в видеокадрах перемещаются во времени, тем самым генерируя соответствующие объекты в последующих кадрах.
Этот процесс может выявить временную избыточность в видеопоследовательности, что сделает межкадровое сжатие видео более эффективным.
При реализации алгоритма сопоставления блоков текущий кадр делится на несколько макроблоков, и каждый макроблок сравнивается с соответствующим блоком в предыдущем кадре и соседними с ним блоками. Таким образом генерируется вектор движения, который представляет собой перемещение макроблока из одной позиции в другую. Сводка движения для всех макроблоков представляет собой оценку движения кадра.
В процессе сжатия видео крайне важно выбрать подходящий диапазон поиска, который определяется «параметром поиска» с. В частности, p представляет количество пикселей, окружающих соответствующий макроблок в предыдущем кадре. Если значение p больше, это означает, что могут быть большие смещения, что облегчает поиск хорошего совпадения, но это также может привести к увеличению сложности вычислений. Обычно размер макроблока составляет 16 пикселей, а значение p области поиска устанавливается равным 7 пикселям.
Мотивация
В процессе оценки движения вычисление векторов действия может, с одной стороны, описывать переход от одного 2D-изображения к другому, а с другой стороны, также может прогнозировать изменения изображения посредством компенсации движения. Эта технология является краеугольным камнем таких стандартов сжатия видео, как MPEG 1, 2 и 4.
Сжатие видео может эффективно уменьшить количество бит, необходимых для передачи данных посредством оценки движения, поскольку передача закодированных разностных изображений более эффективна, чем полностью закодированные кадры.
Однако во всем процессе сжатия оценка движения является наиболее вычислительно затратной операцией, поэтому поиск быстрого и простого в вычислительном отношении алгоритма оценки движения стал важным требованием для технологии сжатия видео.
Показатели оценки
Наиболее часто используемыми функциями стоимости при сравнении одного макроблока с другим являются средняя абсолютная разность (MAD) и среднеквадратическая ошибка (MSE). Эти индикаторы могут помочь алгоритму оценить качество сопоставления:
MAD = 1/N^2 * ∑(i=0 до n-1) ∑(j=0 до n-1) |C(i,j) - R(i,j)|
MSE = 1/N^2 * ∑(i=0 до n-1) ∑(j=0 до n-1) (C(i,j) - R(i,j))^2
Среди них N представляет размер макроблока, а C(i,j) и R(i,j) — это пиксели в текущем макроблоке и опорном макроблоке соответственно.
Алгоритм
С 1980-х годов исследования алгоритмов сопоставления блоков достигли значительного прогресса, и появилось множество эффективных алгоритмов. Ниже приводится введение в несколько распространенных алгоритмов:
1. Полный поиск
Этот алгоритм вычисляет функцию стоимости каждой позиции в окне поиска и может найти наиболее подходящий макроблок в опорном кадре. Однако его вычислительные затраты огромны, и это самый громоздкий из всех алгоритмов сопоставления блоков.
2. Оптимизированное иерархическое сопоставление блоков (OHBM)
Этот алгоритм основан на оптимизированной пирамиде изображений и позволяет ускорить весь процесс поиска и повысить эффективность.
3. Трехэтапный поиск (TSS)
TSS — это один из первых алгоритмов быстрого сопоставления блоков, который значительно сокращает количество макроблоков, которые необходимо оценить путем поиска в нескольких местах.
4. Четырехэтапный поиск (FSS)
По сравнению с TSS, FSS работает лучше с точки зрения вычислительных затрат и пикового отношения сигнал/шум (PSNR), а также использует метод поиска со смещением по центру.
"Как с развитием видеотехнологий развитие алгоритмов сопоставления блоков повлияет на эволюцию будущих технологий сжатия видео?"
Эффективность и качество сжатия видео во многом зависят от точности и вычислительной эффективности оценки движения, которые, в свою очередь, тесно связаны с выбранным алгоритмом сопоставления блоков. Поэтому понимание плюсов и минусов различных алгоритмов окажет важное влияние на развитие будущих видеотехнологий. Как алгоритм сопоставления блоков повлияет на будущие изменения в технологии цифрового видео?
