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(1) वीडियो सिग्नल की अनावश्यक जानकारी
उदाहरण के रूप में डिजिटल वीडियो रिकॉर्डिंग के YUV घटक प्रारूप को लेते हुए, YUV क्रमशः चमक और दो रंग अंतर संकेतों का प्रतिनिधित्व करता है। उदाहरण के लिए, मौजूदा पाल टीवी सिस्टम के लिए, ल्यूमिनेन्स सिग्नल की नमूना आवृत्ति 13.5mhz है; क्रोमा सिग्नल की आवृत्ति बैंड आमतौर पर चमक संकेत के आधे या उससे कम होती है, जो कि 6.75mhz या 3.375mhz है। उदाहरण के रूप में 4: 2: 2 के नमूने की आवृत्ति लेते हुए, वाई सिग्नल 13.5mhz को गोद लेता है, क्रोमा सिग्नल U और V को 6.75mhz द्वारा नमूना किया जाता है, और नमूना संकेत 8bit द्वारा मात्रा निर्धारित किया जाता है, फिर डिजिटल वीडियो की कोड दर की गणना की जा सकती है निम्नलिखित नुसार:
13.5 * 8 + 6.75 * 8 + 6.75 * 8 = 216Mbit / s
यदि डेटा की इतनी बड़ी मात्रा को सीधे संग्रहीत या प्रसारित किया जाता है, तो बिट दर को कम करने के लिए संपीड़न तकनीक का उपयोग करना मुश्किल होगा। डिजिटल वीडियो सिग्नल को दो बुनियादी स्थितियों के अनुसार संकुचित किया जा सकता है:
एल डेटा अतिरेक। उदाहरण के लिए, स्थानिक अतिरेक, समय अतिरेक, संरचना अतिरेक, सूचना एन्ट्रॉपी अतिरेक, आदि, अर्थात्, छवि के पिक्सल के बीच एक मजबूत सहसंबंध है। इन अतिरेक को खत्म करने से जानकारी का नुकसान नहीं होता है, और यह दोषरहित संपीड़न है।
एल। दृश्य अतिरेक। मानव आंखों की कुछ विशेषताएं, जैसे कि चमक भेदभाव दहलीज, दृश्य दहलीज, चमक और क्रोमा के प्रति संवेदनशीलता में भिन्न हैं, जो कोडिंग में उपयुक्त त्रुटियों को पेश करना असंभव बनाता है और इसका पता नहीं लगाया जाएगा। मानव आंखों की दृश्य विशेषताओं का उपयोग निश्चित उद्देश्य विरूपण के साथ डेटा संपीड़न के आदान-प्रदान के लिए किया जा सकता है। यह संपीड़न हानिप्रद है।
डिजिटल वीडियो सिग्नल का संपीड़न उपरोक्त दो स्थितियों पर आधारित है, जो वीडियो डेटा को बहुत संकुचित करता है, जो संचरण और भंडारण के लिए अनुकूल है। डिजिटल वीडियो संपीड़न के सामान्य तरीके मिश्रित कोडिंग हैं, जो कि कोडिंग, गति अनुमान और गति क्षतिपूर्ति को संयोजित करने के लिए है, और कोडिंग को संपीड़ित करने के लिए एन्ट्रापी कोडिंग है। आमतौर पर, छवि के इंट्रा फ्रेम अतिरेक को खत्म करने के लिए ट्रांसफॉर्मिंग कोडिंग का उपयोग किया जाता है, और छवि के अंतर फ्रेम अतिरेक को हटाने के लिए गति अनुमान और गति क्षतिपूर्ति का उपयोग किया जाता है, और संपीड़न क्षमता को और बेहतर बनाने के लिए एन्ट्रापी कोडिंग का उपयोग किया जाता है। निम्नलिखित तीन संपीड़न कोडिंग विधियों को संक्षेप में पेश किया जाता है।
(ए) संपीड़न कोडिंग विधि
(बी) कोडिंग को बदलना
ट्रांसफ़ॉर्म कोडिंग का कार्य स्पेस डोमेन में वर्णित इमेज सिग्नल को फ़्रीक्वेंसी डोमेन में बदलना है, और फिर ट्रांसफॉर्म किए गए गुणांकों को एनकोड करना है। सामान्यतया, छवि का अंतरिक्ष में मजबूत संबंध है, और आवृत्ति डोमेन में परिवर्तन से सजावट और ऊर्जा एकाग्रता का एहसास हो सकता है। आम ऑर्थोगोनल परिवर्तन में असतत फूरियर रूपांतरण, असतत कोसाइन परिवर्तन और इतने पर शामिल हैं। डिजिटल वीडियो संपीड़न में असतत कोसाइन ट्रांसफॉर्म का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।
असतत कोसाइन रूपांतरण को DCT रूपांतर के रूप में जाना जाता है। यह स्पेस डोमेन से फ्रीक्वेंसी डोमेन में L * l का इमेज ब्लॉक बदल सकता है। इसलिए, डीसीटी पर आधारित छवि संपीड़न और कोडिंग की प्रक्रिया में, छवि को गैर अतिव्यापी छवि ब्लॉकों में विभाजित करने की आवश्यकता होती है। मान लीजिए कि एक छवि का आकार 1280 * 720 है, इसे ग्रिड के रूप में ओवरलैप किए बिना 160 * 90 आकार के साथ 8 * 8 छवि ब्लॉकों में विभाजित किया गया है। फिर प्रत्येक छवि ब्लॉक के लिए डीसीटी परिवर्तन किया जा सकता है।
ब्लॉक को विभाजित करने के बाद, प्रत्येक 8 * 8 पॉइंट इमेज ब्लॉक को डीसीटी एनकोडर को भेजा जाता है, और 8 * 8 इमेज ब्लॉक को स्थानिक डोमेन से आवृत्ति डोमेन में बदल दिया जाता है। नीचे दिया गया चित्र 8 * 8 के एक छवि ब्लॉक का एक उदाहरण दिखाता है जिसमें संख्या प्रत्येक पिक्सेल के चमक मूल्य का प्रतिनिधित्व करती है। यह आंकड़ा से देखा जा सकता है कि इस छवि ब्लॉक में प्रत्येक पिक्सेल के चमक मान अपेक्षाकृत समान हैं, विशेष रूप से आसन्न पिक्सेल का चमक मूल्य बहुत बड़ा नहीं है, जो इंगित करता है कि छवि संकेत का एक मजबूत संबंध है।
एक वास्तविक 8 * 8 छवि ब्लॉक
निम्नलिखित आंकड़ा उपरोक्त छवि में छवि ब्लॉक के डीसीटी परिवर्तन के परिणाम दिखाता है। यह आंकड़ा से देखा जा सकता है कि डीसीटी परिवर्तन के बाद, ऊपरी बाएं कोने में कम आवृत्ति गुणांक बहुत अधिक ऊर्जा केंद्रित करता है, जबकि निचले दाएं कोने में उच्च आवृत्ति गुणांक पर ऊर्जा बहुत छोटी होती है।
डीसीटी परिवर्तन के बाद छवि ब्लॉक के गुणांक
डीसीटी परिवर्तन के बाद संकेत को निर्धारित किया जाना चाहिए। क्योंकि मानव की आंखें छवियों की कम आवृत्ति विशेषताओं के प्रति संवेदनशील होती हैं, जैसे कि वस्तुओं की समग्र चमक, और छवि में उच्च आवृत्ति विवरणों के लिए नहीं, इसलिए संचरण प्रक्रिया में, उच्च-आवृत्ति जानकारी को कम या नहीं प्रसारित किया जा सकता है, केवल कम आवृत्ति वाला हिस्सा। मात्रा का ठहराव प्रक्रिया कम आवृत्ति क्षेत्र के गुणांक और उच्च आवृत्ति क्षेत्र में गुणांक के मोटे मात्रा का ठहराव करके सूचना संचरण को कम करती है, जो उच्च आवृत्ति जानकारी को हटा देती है जो मानव आंखों के प्रति संवेदनशील नहीं है। इसलिए, परिमाणीकरण एक हानिपूर्ण संपीड़न प्रक्रिया है और वीडियो संपीड़न कोडिंग में गुणवत्ता के नुकसान का मुख्य कारण है।
परिमाणीकरण प्रक्रिया निम्न सूत्र द्वारा व्यक्त की जा सकती है:
उनमें से, FQ (U, V) परिमाणीकरण के बाद DCT गुणांक का प्रतिनिधित्व करता है; च (यू, वी) परिमाणीकरण से पहले डीसीटी गुणांक का प्रतिनिधित्व करता है; क्यू (यू, वी) मात्रा का ठहराव मैट्रिक्स का प्रतिनिधित्व करता है; q परिमाणीकरण कदम है; गोल समेकन को संदर्भित करता है, और आउटपुट होने का मूल्य निकटतम पूर्णांक मान के रूप में लिया जाता है।
यथोचित मात्रा में गुणांक का चयन करें, और रूपांतरित छवि ब्लॉक की मात्रा निर्धारित करने के बाद परिणाम चित्र में दिखाया गया है।
परिमाणीकरण के बाद डीसीटी गुणांक
DCT के अधिकांश गुणांक परिमाणीकरण के बाद 0 में बदल दिए जाते हैं, जबकि केवल कुछ गुणांक गैर-शून्य मान होते हैं। इस समय, केवल इन गैर-शून्य मूल्यों को संकुचित और एन्कोडेड करने की आवश्यकता है।
(b) एन्ट्रॉपी कोडिंग
एन्ट्रॉपी कोडिंग को नाम दिया गया है क्योंकि कोडिंग के बाद की औसत कोड लंबाई स्रोत के एन्ट्रापी मूल्य के करीब है। एंट्रॉपी कोडिंग को VLC (वैरिएबल लेंथ कोडिंग) द्वारा कार्यान्वित किया जाता है। मूल सिद्धांत स्रोत में उच्च संभावना के साथ प्रतीक को लघु कोड देना है, और घटना की छोटी संभावना के साथ प्रतीक को लंबा कोड देना है, ताकि सांख्यिकीय औसत कोड लंबाई प्राप्त हो सके। परिवर्तनीय लंबाई कोडिंग में आमतौर पर हॉफमैन कोड, अंकगणित कोड, रन कोड आदि शामिल हैं। रन लंबाई कोडिंग एक बहुत ही सरल संपीड़न विधि है, इसकी संपीड़न दक्षता अधिक नहीं है, लेकिन कोडिंग और डिकोडिंग की गति तेज है, और यह अभी भी व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, विशेष रूप से एन्कोडिंग के परिवर्तन के बाद, रन-लंबाई कोडिंग का उपयोग करना, एक अच्छा प्रभाव है।
सबसे पहले, क्वांटाइज़र के आउटपुट डीसी गुणांक के तुरंत बाद एसी गुणांक को जेड-प्रकार (जैसा कि तीर रेखा में दिखाया गया है) में स्कैन किया जाएगा। Z- स्कैन द्वि-आयामी परिमाणीकरण गुणांक को एक-आयामी अनुक्रम में बदल देता है, और फिर रन लंबाई कोडिंग पर ले जाता है। अंत में, एक अन्य चर लंबाई कोड का उपयोग रन एन्कोडिंग के बाद डेटा को एन्कोड करने के लिए किया जाता है, जैसे हॉफमैन कोडिंग। इस तरह की चर लंबाई कोडिंग के माध्यम से कोडिंग की दक्षता में और सुधार होता है।
(c) गति अनुमान और गति क्षतिपूर्ति
मोशन आकलन और गति क्षतिपूर्ति, छवि अनुक्रमों के समय दिशा के सहसंबंध को समाप्त करने के लिए प्रभावी तरीके हैं। ऊपर वर्णित डीसीटी रूपांतरण, परिमाणीकरण और एन्ट्रापी कोडिंग विधियाँ एक फ्रेम छवि पर आधारित हैं। इन विधियों के माध्यम से, छवि में पिक्सेल के बीच स्थानिक संबंध को समाप्त किया जा सकता है। वास्तव में, स्थानिक सहसंबंध के अलावा, छवि संकेत में अस्थायी संबंध है। उदाहरण के लिए, पृष्ठभूमि स्थिर के साथ डिजिटल वीडियो के लिए जैसे समाचार सह प्रसारण और तस्वीर के मुख्य शरीर के छोटे आंदोलन, प्रत्येक तस्वीर के बीच का अंतर बहुत छोटा है, और छवियों के बीच संबंध बहुत बड़ा है। इस मामले में, हमें प्रत्येक फ़्रेम छवि को अलग से एनकोड करने की आवश्यकता नहीं है, लेकिन केवल आसन्न वीडियो फ़्रेम के परिवर्तित भागों को एन्कोड कर सकते हैं, ताकि डेटा राशि को और कम किया जा सके। इस कार्य को गति अनुमान और गति क्षतिपूर्ति द्वारा महसूस किया जाता है।
मोशन आकलन तकनीक आम तौर पर वर्तमान इनपुट छवि को कई छोटे छवि उप खंडों में विभाजित करती है जो एक दूसरे को ओवरलैप नहीं करते हैं, उदाहरण के लिए, एक फ्रेम छवि का आकार 1280 * 720 है। सबसे पहले, यह 40 * के साथ 45 * 16 छवि ब्लॉकों में विभाजित है 16 आकार जो ग्रिड के रूप में एक दूसरे को ओवरलैप नहीं करते हैं, और फिर, पिछली छवि या बाद की छवि की खोज विंडो के दायरे के भीतर, प्रत्येक छवि ब्लॉक के लिए एक छवि ब्लॉक खोजने के लिए एक ब्लॉक को एक के दायरे में खोजें। खोज विंडो सबसे समान छवि ब्लॉक। खोज प्रक्रिया को गति अनुमान कहा जाता है। सबसे समान छवि ब्लॉक और छवि ब्लॉक के बीच स्थिति की जानकारी की गणना करके, एक गति वेक्टर प्राप्त किया जा सकता है। इस तरह, वर्तमान छवि ब्लॉक को संदर्भ छवि गति वेक्टर द्वारा इंगित सबसे समान छवि ब्लॉक से घटाया जा सकता है, और एक अवशिष्ट छवि ब्लॉक प्राप्त किया जा सकता है। क्योंकि अवशिष्ट छवि ब्लॉक में प्रत्येक पिक्सेल मान बहुत छोटा होता है, इसलिए संपीड़न कोडिंग में एक उच्च संपीड़न अनुपात प्राप्त किया जा सकता है। इस घटाव प्रक्रिया को गति क्षतिपूर्ति कहा जाता है।
क्योंकि कोडिंग प्रक्रिया में गति अनुमान और गति क्षतिपूर्ति के लिए संदर्भ छवि का उपयोग किया जाना आवश्यक है, इसलिए संदर्भ छवि का चयन करना बहुत महत्वपूर्ण है। आम तौर पर, एनकोडर प्रत्येक फ्रेम छवि इनपुट को अलग-अलग संदर्भ छवियों के अनुसार तीन अलग-अलग प्रकारों में विभाजित करता है: I (इंट्रा) फ्रेम, बी (मार्गदर्शन भविष्यवाणी) फ्रेम और पी (भविष्यवाणी) फ्रेम। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।
विशिष्ट I, B, P फ्रेम संरचना अनुक्रम
जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, मैं फ़्रेम केवल कोडिंग के लिए फ़्रेम में डेटा का उपयोग करता हूं, और कोडिंग प्रक्रिया के दौरान इसे गति अनुमान और गति क्षतिपूर्ति की आवश्यकता नहीं होती है। जाहिर है, चूंकि मैं फ्रेम समय दिशा के सहसंबंध को समाप्त नहीं करता हूं, इसलिए संपीड़न अनुपात अपेक्षाकृत कम है। कोडिंग की प्रक्रिया में, पी फ्रेम मोशन मुआवजे के लिए संदर्भ छवि के रूप में फ्रंट I फ्रेम या पी फ्रेम का उपयोग करता है, वास्तव में, यह वर्तमान छवि और संदर्भ छवि के बीच अंतर को एन्कोड करता है। बी फ्रेम का एन्कोडिंग मोड पी फ्रेम के समान है, केवल अंतर यह है कि कोडिंग प्रक्रिया के दौरान भविष्यवाणी करने के लिए सामने आई फ्रेम या पी फ्रेम और बाद में आई फ्रेम या पी फ्रेम का उपयोग करने की आवश्यकता होती है। इस प्रकार, प्रत्येक पी फ्रेम कोडिंग को संदर्भ छवि के रूप में एक फ्रेम छवि का उपयोग करने की आवश्यकता होती है, जबकि फ्रेम बी को संदर्भ के रूप में दो फ्रेम की आवश्यकता होती है। इसके विपरीत, B फ्रेम में P फ्रेम की तुलना में उच्च संपीड़न अनुपात है।
(d) मिश्रित कोडिंग
कागज वीडियो संपीड़न और कोडिंग में कई महत्वपूर्ण तरीकों का परिचय देता है। व्यावहारिक अनुप्रयोग में, इन विधियों को अलग नहीं किया जाता है, और वे आमतौर पर सबसे अच्छा संपीड़न प्रभाव प्राप्त करने के लिए संयुक्त होते हैं। निम्नलिखित आंकड़ा हाइब्रिड कोडिंग (यानी कोडिंग + मोशन आकलन और गति क्षतिपूर्ति + एन्ट्रापी कोडिंग को बदलना) के मॉडल को दर्शाता है। मॉडल को व्यापक रूप से MPEG1, MPEG2, H.264 और अन्य मानकों में उपयोग किया जाता है। आकृति से, हम देख सकते हैं कि वर्तमान इनपुट छवि को पहले ब्लॉकों में विभाजित किया जाना चाहिए, ब्लॉक द्वारा प्राप्त छवि का ब्लॉक घटाया जाएगा। अंतर छवि x प्राप्त करने के लिए गति क्षतिपूर्ति के बाद अनुमानित छवि, और फिर अंतर छवि ब्लॉक के लिए डीसीटी परिवर्तन और मात्रा का ठहराव किया जाता है। क्वांटाइज़्ड आउटपुट डेटा में दो अलग-अलग स्थान होते हैं: एक इसे कोडिंग के लिए एन्ट्रापी एनकोडर में भेजना है, और एन्कोडेड कोड स्ट्रीम एक कैश सेव डिवाइस में आउटपुट है और ट्रांसमिशन की प्रतीक्षा करें। एक अन्य अनुप्रयोग सिग्नल x के लिए परिवर्तन की मात्रा को बदलने और रिवर्स करने के लिए है, जो एक नई भविष्यवाणी छवि संकेत प्राप्त करने के लिए गति क्षतिपूर्ति के साथ छवि ब्लॉक आउटपुट को जोड़ता है, और मेमोरी को फ़्रेम करने के लिए एक नया पूर्वानुमान छवि ब्लॉक भेजता है।
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