Codifica video. Il video digitale. Sistemi Multimediali. Il video digitale. Il video digitale. Il video digitale.

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1 Sistemi Multimediali Codifica video La definizione di video digitale corrisponde alla codifica numerica di un segnale video. Esso eredita numerosissimi concetti dal video analogico, e li trasporta in digitale. Marco Gribaudo Un video viene codificato con una sequenza di immagini che si susseguono ad una velocita' costante nel tempo. Per un fenomeno chiamato "persistenza della visione" il cervello umano interpreta una sequenza di immagini che si succedono come un flusso in movimento. La velocita' a cui si susseguono i fotogrammi e' misurata in fotogrammi al secondo (FPS). Questa' velocita' e' chiamata frame rate. Alcune frame rate comuni sono: 24 FPS : Cinema 25 FPS : Televisione PAL 30 FPS : Televisione NTSC

2 Il segnale televisivo e' codificato mandando "meta'" fotogramma al doppio della frequenza. Un video digitale che invia i fotogrammi in modo completo e' detto progressivo. Un video che segue lo standard televisivo e' detto interlacciato. E' importante considerare il fatto che un video sia interlacciato, poiche' in molte riprese questo viene utilizzato per "raddoppiare" la framerate. Questo puo' dare origine ad immagini che viste singolarmente hanno un aspetto suddiviso a righe. Tale fenomeno viene detto combing. Alcune dimensioni comuni sono: 720 x 576 : PAL 720 x 480 : NTSC 1920 x 1020 : HD-TV

3 Questo porta a necessita' di memorizzazione motlo elevate: Le tecniche di compressione si dividono in: Es: 1 minuto PAL: 60 x 25 x 720 x 576 = = pixel al minuto Intra-frame Inter-frame Le codifiche Intra-frame sfruttano solamente le similitudini all'interno di un fotogramma. Le codifiche Iner-frame, sfruttano anche le similitudini presenti in sequenze di fotogrammi successivi. Forniscono un fattore di compressione inferiore, ma richeidono un minor numero di risorse per effettuare le operazioni di compressione e decompressione. Questo permette fattori di compressioni notevoli, anche se richiede un numero di risorse notevole. Due codifiche intra-frame estremamente popolari sono: Il formato DV e' uno dei formati video digitali piu' diffusi in ambiente professionale. DV M-JPEG

4 Utilizza come supporto apposite cassette, e effettua una compressione 1:5 rispetto al segnale originale. Il colore per il segnale NTSC viene codificato in 4:1:1, mentre invece quello PAL 4:2:0 Il formato effettua una trasformata DCT dei fotogrammi, dopo averli suddivisi in blocchi 8x8. La codifica finale pero' e' meno complessa rispetto al JPEG. Prevede anche una seconda strategia di formazione dei blocchi (applicata prima della trasformata) per considerare fotogrammi interlacciati. Il Motion JPEG (M-JPEG) e' un formato che codifica i fotogrammi di un filmato utilizzando lo standrd JPEG. Lo standard M-JPEG e' usato in alcune applicazioni particolari, come la codifica dei filmati nella Playstation (1). Questo consente una discreta qualita' ed una quantita' ridotta di risorse per la codifica e la decodifica. M-JPEG non va confuso con lo standard MPEG, capace di supportare anche compressioni inter-frame.

5 Compressione inter-frame In un filmato, solamente si muovono soltanto gli elementi in primo piano, mentre invece lo sfondo rimane costante. Compressione inter-frame Invece che codificare interamente un fotogramma, questo viene solitamente codificato come differenza rispetto al precedente. Le compressioni interframe cercano di sfruttare questa caratteristica per ridurre la quantita' di dati necessari alla codifica di un fotogramma. Compressione inter-frame Anche in questo caso si cerca di rendere la differenza piu' efficiente adottando una funzione di predizione. Compressione inter-frame A seconda dei fotogrammi che si considerano, l'efficacia della predizione puo' essere diversa. Consideriamo ad esempio il fotogramma al centro. In un filmato la predizione si implementa cercando di identificare i movimenti: per questo viene solitamente definita come compensazione del movimento. Compressione inter-frame Esso puo' essere costruito per differenza rispetto al precedente (le differenze sono indicate in nero). Compressione inter-frame Rispetto al successivo.

6 Compressione inter-frame Oppure puo' cercare di recuperare il massimo delle informazioni da entrambe i fotogrammi. Lo standard MPEG Lo standard MPEG e' lo standard di comperssione video attualmente piu' diffuso. Esistono numerose varianti ed estensioni che lo rendono applicabile in moltissimi contesti. Lo standard MPEG Lo standard MPEG-1 e' quello utilizzato dai Video CD e supporta un numero ristretto di dimensioni e di velocita' di trasmissione. Lo standard MPEG-2 e' quello usato nei DVD e nelle trasmissioni digitali terrestri e satelliatri. Esso estende MPEG-1 per velocita' di trasmissione e caratteristiche supportate. MPEG-4 e' uno standard invece destinato a fornire compressioni superiori e a lavorare a velocita' di trasmissione ridotte. Lo standard MPEG Anche se i tre fomrati presentano notevoli differenze, essi si basano sugli stessi prinicpi. Esistono altri standard sotto il nome di MPEG (MPEG-7 ed MPEG-21), ma non sono standard di compressione video, bensi' di raccolta di contenuti multimediali. Lo standard MPEG Lo standard MPEG prevede una codifica del colore 4:2:0. Lo standard MPEG Cosi come nel DV e nel JPEG, l'immagine viene suddivisa in blocchi da 8x8 pixel. Presenta anche esso numerose caratteristiche per considerare immagini interlacciate.

7 Lo standard MPEG Essendo 4:2:0, i blocchi da 8x8 pixel sono raggruppati in blocchi da 16x16 (4 Y + 1 CR + CB) chiamati Macroblocchi. MPEG supporta la predizione del movimento sia in avanti che in modalita' bidirezionale. Lo standard classifica i fotogrammi in modo diverso a seconda di come la predizione viene effettuata. I fotogrammi che non vengono calcolati in modo predittivo vengono chiamati I- Frame. (I = Intra-coded) I fotogrammi codificati per differenza rispetto ai precedenti sono chiamati P-frame (P = predictivecoded). Essi consistono in immagini codificate in modo molto simile alle fotografie JPEG. Ogni macroblocco ha associato un vettore di distanza, utilizzato per effettuare la predizione. Per ottenere predizioni piu' accurate, i vettori hanno una risluzione di mezzo pixel.

8 I vettori, essendo molto simili, vengono codificati per differenza rispetto a quelli vicini. I valori intermedi vengono calcolati per interpolazione. I B-frame (B = Bidirectional) utilizzano un predittore che e' una combinazione lineare di due predizioni, provenienti da un fotogramma precedente e da uno successivo. In questo caso ci sono due vettori di predizione per macroblocco. Vi sono inoltre differenti modalita' con cui effettuare le predizioni per tenere conto dei segnali interlacciati. Solitamente si inserisce un I-frame ed un P-frame ogni 6, e si utilizzano 4 B-frame nel mezzo.

9 Un insieme di fotogrammi posizionato tra due I-frame prende il nome di GOP (Group of Pictures). L'ordine in cui i fotogrammi vengono codificati deve tenere conto del loro tipo, ed anticipare alcuni fotogrammi per permettere la decodifica di quelli intermedi. Per poter gesitere la predizione bidirezionale occorre abbastanza memoria per memorizzare 3 frames. Questo e' uno degli aspetti che rende le richieste di risorse di computazione per decodificare l'mpeg superioiri a quelle necessarie per l' M-JPEG. Inoltre, l'ordine dei frame impone un certo delay nella trasmissione: un fotogramma B puo' essere mandato solo dopo aver acquisito il fotogramma P o I successivo. A 25 FPs, nel caso dei GOP presentati prima, questo si traduce in un ritardo minimo di 4/25 di secondo (0,16 sec) - quattro volte superiore a quello dell' M-JPEG. Questo problema e' particolarmente sentito in applicazioni di videoconferenza. Dopo aver effetuto la predizione, la differenza rispetto a questo e' codificata utilizzando una tecnica pressoche' identica a quella impiegata nelle immagini JPEG. Anche la decodifica e' molto simile a quella utilizzata nel JPEG, con la sola aggiunta della compensazione del moto (somma della predizione). In particolare, anche MPEG sfrutta una codifica lossy basata su DCT.

10 MPEG puo' tenere in conto le caratteristiche dovute al video interlacciato. Se tra due fotogrammi non vi e' movimento (assenaza di combing), la codifica segue il fotogramma in ingresso. Se e' presente un effetto di combing, i fotogrammi possono essere ordinati a linee alternate. Come accennato, la differenza e' codificata utilizzando una DCT. La tipologia di trasformata usata e' la stessa impiegata nel JPEG. Anche in questo caso i coefficienti vengono codificati attraverso apposite tabelle. Cosi come per il JPEG, le tabelle di quantizzazione possono essere definite nel filmato. Cosi come per il JPEG, il termine DC e' codificato come differenza rispetto al precedente. Lo standard permette di differenziare non solo le tabelle utilizzate per la luminanza e per la crominanza, ma anche tra quelle usate per gli I-frame (quelli interi) ed i P- frame o B-frame (quelli codificati in modo differenziale).

11 Ed i coefficienti AC sono memorizzati secondo lo stesso percorso a zig-zag. Infine, tutti i valori che identificano un fotogramma, vengono codificati attraverso un codice di Huffman modificato. In questo caso i valori comprendono non solo il coefficente DC ed i coefficienti AC, ma anche i vettori per la compensazione. La bit-rate Dal momento che i filmati possono essere estramamente pesanti, e' importante poter stimare la quantita di memoria necessaria in base alla lora lunghezza. Viene chiamata bit-rate la quantita' media di bit richiesta per codificare un secondo di filmato. La bit-rate A differenza del JPEG, nell'mpeg si ha il problema di dover garantire una bit-rate costante. La qualita' del filmato viene quindi dinamicamente alterata in modo da conservare la bit-rate: piu' questo valore e' alto, migliore e' la resa del filmato. La bit-rate La bit-rate viene determinata in funzione della complessita' della scena e delle tabelle di quantizzazione usate. La bit-rate Il codificatore sceglie la tabella piu' opportuna per mantenere la bit-rate piu' o meno costante.

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