Стиснення телевізійного сигналу: простіший і з найкращою якістю, ніж у стандартних MPEG-4 і NEVC

Стиснення кадру при ДАСІ

Розглянемо три НДФ, зручні реалізації на мікросхемах. Для всіх апертур ПДФ оберемо квадрат 3х3 із загальним розміром 9 елементів, вагами рядків (1, 1, 1), (1, 1, 1), (1, 1, 1) та загальною вагою 9. Ефективні діаметри апертур (ЕДА) ПДФ -1, ПДФ-2 та ПДФ-3 збільшені послідовно в 2 рази – до 2, 4, 8 елементів. Відліки цих ПДФ на кадрі маємо в своєму розпорядженні з кроками (2, 4, 8), однаковими за елементами вздовж рядка і рядків (по вертикалі) відповідно. Це знижує у них кількість відліків на кадрі відповідно у 4, 16, 64 рази. Рядки та стовпці сусідніх апертур ПДФ при цьому збігаються, що забезпечує рівномірне покриття растру. На кадрі з 400 тис. елементів кількість відліків у цих ПДФ – 100, 25, 6,25 тис.

Смужні двовимірні фільтри (ПДФ) формує різницю апертур - меж ПДФ. Вони мають ділянки "позитивної та негативної прозорості" з нульовою загальною вагою і тому виділяють, як і в раніше розглянутому випадку 1 тільки контури переходів яскравості. Квадратна апертура кожного ПДФ відповідає різниці центрального елемента з вагою 9 та квадратної апертури ПДФ – його межі. Ваги її рядків (1, 1, 1), (1, 8, 1), (1, 1, 1). У всіх периферійних елементів вага одиниць негативна. Позитивна вага центрального елемента 8 забезпечує апертур всіх ПДФ нульовий загальну вагу.

Апертури з ЕД 1, 2, 4, 8 елементів утворюють три ПДФ з межами (1-2), (2-4), (4-8) елементів та НДФ-3 з ЕДА 8 елементів. Кожен ПДФ виділяє лише контури ТВІ з розміром, що відповідає його меншому кордону (1, 2, 4 елементів). Виберемо, як раніше1, для сигналу ПДФ-1 два рівня квантування (КК) – 1 біт, для ПДФ-2 – 4 КК (2 біта), для ПДФ-3 – 8 КК (3біта) та для НДФ-3 – 16 КК (4 біти). Кількість відліків на кадрі з 400 тис. елементів у цих ПДФ – 400, 100, 25 тис. елементів та НДФ-3 – 6,25 тис. елементів. Обсяг сигналів на кадрі вони – 400, 200, 75 і 25 Кбіт, загальний обсяг – 700 Кбіт. Такий ДАСІ стиснув кадр у 4 рази і при цьому покращив якість ТВІ.

Складність ДАСИ кадру

Обробка інформації на двійкових регістрах зсуву (ДРС) простіше обробки у вузлах пам'яті. Для формування ПДФ-2 і ПДФ-1 потрібні дві малі ДРС на 1 біт, кожна на 700 відліків – 1400 відліків (1,4 Кбіт). Для наступних ПДФ та ПДФ через переривчасту розгортку з кроками 2, 4, 8 елементів уздовж рядка потрібні ДРС на 700, 350, 175 елементів з кількістю біт – 2, 3, 4 відповідно. Вони мають складність 1,4, 1,050 і 0,7 Кбіт, а загальна складність всіх ДРС аналізу кадру – близько 3,15 Кбіт (1,4 + 1,05 + 0,7).

При синтезі необхідно поєднати сигнали всіх ПДФ та НДФ-3. Сигнали НДФ-3 та ПДФ-3 затримки не вимагають. Сигнал ПДФ-2 вимагає 4 рядки затримки на 700 елементів із 2 бітами – 1,4 Кбіт. Сигнал ПДФ-1 вимагає 8 рядків затримки на 700 елементів із 1 біт – 5,6 Кбіт. Для їхнього підсумовування потрібні суматори та допоміжні ланцюги загальною складністю близько 3–4 Кбіт. Загальна складність ДАСІ кадру зі стисненням ТВІ у 4 рази – близько 14 Кбіт. При п'яти умовних вентилях (УВ) за кожен розряд ДРС реалізації на мікросхемах цього ДАСИ необхідні близько 70 тис. УВ.

Складність інерційного стиску при ДАСІ

Складність згорткового стиску при ДАСІ

Скорочення статистичної надмірності сигналу кадру без інерційного стиску було запропоновано ще 1961 р. 4 і реалізовано програмно 1979 р. 5 . Необхідні "характеристичні зрушення"5 задавали відводи двійкових регістрів зсуву (РС) аналізатора синдрому (АС) згорткового кодеку перешкоди з малою щільністю перевірокна парність (МППЧ - Low Density Parity Check - LDPC) з властивістю "не більше одного збігу позицій ненульових членів". Ці зрушення задавали генераторні поліноми (ГП) коду, що підбираються вручну. Дослідження КСС було проведено програмно для кодової швидкості R=4/55. Двійкові символи контурного сигналу ПДФ-1 ці ГП перетворювали на 4 послідовності, які надходили на 4 входи АС, де їх обробляли в чотирьох ГП подібно до обробки чотирьох гілок інформаційного сигналу при формуванні перевірочної послідовності. Було отримано стиск сигналу ПДФ-1 у 4 рази. При синтезі їх відновлювали вихідний контурний сигнал. Темні точки помилок "інтерференції", що виникали на хаотичних позиціях, були непомітні. Випробувати вищі КСС компонент ПДФ-1 (до 10 разів) і КСС ПДФ-2 (до 8-15 разів) не вдалося через труднощі пошуку необхідних ДП. Така можливість виникла пізніше для ГП на базі таблиць досконалих різницевих множин (СРМ), використаних у кодеках МППЧ6, 7. У них були реалізовані АС на мікросхемах - стаціонарний ДП на СРМ-553 (Н1515ХМ7-158) для космічного човника ДП на СРМ-133 (5503ХМ1-006) з змінними характеристичними зрушеннями від кадру до кадру для космічного каналу безпілотника 6 . Переваги нестаціонарних ГП істотні й у мікросхем КСС, оскільки сигнали суміжних ПДФ і ПДФ сильно корелированны. Нестаціонарні ДП покращують придушення інтерференційних перешкод.

Для стиснення сигналів ПДФ-1 вчетверо та інших ПДФ і ПДФ-3 у 8 разів потрібні КСС із загальною довжиною ДРС разом із допоміжними ланцюгами близько 50 Кбіт – 250 тис. УВ. Складність у КСС у 2,7 рази менша, ніж у другого ІС. Загальний обсяг сигналу кадру КСС знижує до 137,5 Кбіт, що відповідає такому ж, як у ІВ, стиску сигналу ТВІ у 20 разів – швидкості близько 3,5 Мбіт/с привисокій якості ТВІ. Загальна складність стиснення кадру (14 Кбіт) разом із КСС (50 Кбіт) – близько 64 Кбіт (320 тис. УВ).

Порівняння апаратури стиснення ТВІ на мікросхемах

У кодері HEVC перший кадр ТВІ кодують внутрішньокадровим передбаченням відліку всередині кадру сусідніх відліків. У наступних кадрах працює міжкадрове передбачення, в якому за відліками опорного кадру та вектора руху, що використовує подібність до суміжних кадрів, оцінюють поточні відліки кожного блоку. Це прогноз набагато складніше НДФ і ПДФ, що використовуються в ДАСІ. Кодер та декодер створюють ідентичні міжкадрові передбачення, компенсуючи рух за допомогою векторів руху та даних вибраного режиму, які передають додатково. Можливо, що векторне передбачення у поєднанні з сигналами НДФ і ПДФ дозволить стиснути кадр ДАСІ простіше, ніж описані вище інерційне та скручування. Але такий стиск ще не досліджено і тут не розглянуто. Складність стиснення кадру в 20 разів за ДАСІ з скручуванням близько 60 Кбіт. Воно покращує якість ТВІ та простіше стандартів H.264 та H.265 більш ніж у 1000 разів.

Реалізація апаратури стиснення ТВІ на мікросхемах

Постанова Уряду України № 809 від 26.11.07 "Розвиток електронної компонентної бази та радіоелектроніки на 2008–2015 рр." потребує розробок на мікросхемах апаратури, конкурентної на світовому рівні. Воно передбачає реалізацію технології 45 нм у 2015 р. Сучасні технології дозволяють реалізувати ДАСІ з КСС простими засобами на базі вітчизняних мікросхем. Двовимірний аналіз-синтез зображень 3 є єдиним алгоритмом, що використовує найпростіші апаратні засоби, подібні до раніше успішно випробуваних мікросхем перешкодостійкого і криптографічного кодування 7 . У НВК "Технологічний центр МІЕТ" вже освоєно випуск БМКсерій 5529 та 5521 з КМОП-технологіями 0,25 мкм та 0,18 мкм. Є досвід спільних робіт із МІЕТ. Максимальний обсяг цих БМК – 1500 тис. УВ – вп'ятеро перевищує обсяг, необхідний реалізації ДАСІ з скручуванням. Необхідні МБІС з КМОП-технологіями з ПН до 0,13 мкм можуть виготовляти "Ангстрем" та "Мікрон" (Зеленоград). Томський НДІ напівпровідникових приладів для діапазону 3,1–5,1 ГГц розробив комплект інтегральних мікросхем для ВРС та технічних засобів охорони із частотами вище 30 ГГц за арсенід-галієвою технологією з проектною нормою (ПН) 0,5 мкм.

Відомий понад 30 років двовимірний аналіз-синтез зображень (ДАСІ) з інерційним та скручуванням забезпечує стиснення сигналу зображення в 20 разів – до швидкості 3,5 Мбіт/с і покращують якість ТВІ. Подальше збільшення стиснення ТВІ в 30 разів і більше можливе з покращеним інерційним та скручуванням. Ймовірно також, що векторне передбачення спільно з ДАСІ дозволять збільшити стиск та спростити його апаратуру, але це потребує досліджень. Відновлене ДАСІ після стиснення ТВІ має якість вищу, ніж у вихідного ТВІ, що неможливе для інших способів. Апаратна реалізація ДАСІ з скручуванням на мікросхемах більш ніж в 1000 разів простіше способів стиснення систем MPEG-4 і HEVC за стандартами H.264 і H.265.