Tema 6: Codificación y compresión
de vídeo.
1. Introducción.
2. Características del
vídeo.





2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Captura de vídeo analógico.
Digitalización.
Codificación.
Tipos de vídeo (según su calidad).
Parámetros específicos de red.
3. Compresión de vídeo.
Bibliografía
[FLU95] Understanding networked
multimedia
[GIB98] Digital Compression for
Multimedia
[TSU99] Introduction to video coding
standards for multimedia communication
[H.264] Overview of the H.264 / AVC Video
Coding Standard
[MPEG4] MPEG-4 Overview
[HiJa94] Compressing still and moving
images with wavelets
 3.1 Redundancia temporal.
 3.2 Estimación de movimiento.
 3.3 Estándares: MPEG y H.261.
4. Conclusiones.
Transmisión de Datos Multimedia –
http://www.grc.upv.es/docencia/tdm
– Master IC 2007/2008
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
1. Introducción
 Una secuencia de vídeo es una sucesión de imágenes que producen
sensación de movimiento.
 El proceso completo de transmisión de vídeo con compresión
consiste en:
 Adquisición del vídeo a transmitir.
 Captura analógica de la secuencia de imágenes.
 Digitalización del vídeo.
 (Re)codificación y subsampling de las muestras.
 Típicamente se pasa de RGB a YCbCr
 Subsampling de la crominancia (de 4:4:4 a 4:2:0 ó 4:2:2)
 Compresión del vídeo.
 Transmisión progresiva del vídeo comprimido (a ser posible usando
protocolos con soporte multimedia)
2
Tema 6: Codificación y compresión
de vídeo.
1. Introducción.
2. Características del vídeo.





2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Captura de vídeo analógico.
Digitalización.
Codificación (de RGB a YCbCr con subsampling).
Tipos de vídeo (según su calidad).
Parámetros específicos de red.
3. Compresión de vídeo.
 3.1 Redundancia temporal.
 3.2 Estimación de movimiento: algoritmos.
 3.3 Estándares: MPEG y H.261.
4. Conclusiones.
Transmisión de Datos Multimedia –
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– Master IC 2007/2008
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2.1 Captura de vídeo analógico I
 Las imágenes (dos dimensiones) son convertidas en una señal
analógica.
 Se capturan las imágenes a intervalos regulares.
 Cada imagen (cuadro o frame) es barrida calculando la intensidad de
cada punto (B&W).
 Para reproducir la imagen se realiza el proceso inverso.
Líneas de
barrido
1
3
5
7
9
Placa de
barrido
a
Lentes
t
483
4
Líneas de barrido mostradas
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2.1 Captura de vídeo analógico II
 La captura (y reproducción) de imágenes en color es muy similar a
la de blanco y negro.
 En este caso se utilizan tres haces de barrido (RGB).
 Conversión RGB a YUV (compatibilidad con señales B&W).
Filtros
Placa de
barrido
Y: Luminancia (intensidad).
U y V: Diferencias de color.
El ojo humano es más sensible a
la intensidad (brillo) que a la
información de color (subsampling).
a
R
Lentes
G
a
B
a
t
t
Divisor
TV Color
t
Y+C
Y
R
G
Cámara
B
R
G
B
CRT
U
V
C
Codificador Modulador
5
Demod.
Conv.
TV B&W
Y+C
Filtro
Y
CRT
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2.1 Captura de vídeo analógico III
 Parámetros de barrido:
 Relación de aspecto (ancho:alto): 4:3
 Existen distintos estándares:
 NTSC (Usa y Japón): 525 líneas, 30 frames/s
 PAL/SECAM (Resto): 625 líneas, 25 frames/s.
 Algunas líneas (superiores e inferiores) no son visibles.
 Durante el retorno vertical, se puede insertar información adicional
(teletexto).
 Barrido entrelazado y progresivo.
 Entrelazado.
 Cada cuadro se representa con dos campos sucesivos (uno con las
líneas impares y otro con las pares) (60 c/s ó 50 c/s).
6
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2.1 Captura de vídeo analógico IV
 Parpadeo de imagen (flicker)
 Efecto que aparece cuando la imagen no es refrescada con
suficiente rapidez.
 La retina mantiene una imagen durante un tiempo antes de que
desaparezca.
 Valor mínimo: 50 imágenes/segundo
 Continuidad de movimiento.
 Viene determinada por el número de cuadros diferentes por
segundo.
 No se recomienda utilizar menos de 25 cuadros/s.
 Ancho de banda de una señal de vídeo analógico: 6 MHz.
7
Tema 6: Codificación y compresión
de vídeo.
1. Introducción.
2. Características del vídeo.
 2.1 Captura de vídeo analógico.




2.2 Digitalización.
2.3 Codificación (de RGB a YCbCr con subsampling).
2.4 Tipos de vídeo (según su calidad).
2.5 Parámetros específicos de red.
3. Compresión de vídeo.
 3.1 Redundancia temporal.
 3.2 Estimación de movimiento: algoritmos.
 3.3 Estándares: MPEG y H.261.
4. Conclusiones.
Transmisión de Datos Multimedia –
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– Master IC 2007/2008
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2.2 Digitalización I
 ITU-R (CCIR-601): Estándar para la digitalización de señales de TV.
 Define los parámetros de muestreo, cuantificación, barrido y
resolución de imagen que se deben tomar para digitalizar una señal
de TV analógica.
 Parámetros de barrido:
 Dos formatos (NTSC y PAL/SECAM)
 525 líneas y 858 muestras/línea - 30 frames/seg.
 625 líneas y 864 muestras/línea - 25 frames/seg.
 Las muestras corresponden a la luminancia (Y): Intensidad de luz de
cada pixel (cantidad de blanco).
 Las diferencias de color Cr (U) y Cb (V) se muestrean a la mitad
(429/línea, 432/línea): Sub-sampling 4:2:2.
9
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2.2 Digitalización II
 Cada línea tiene una zona visible (línea activa). Este estándar define
una línea activa de 720 pixels.
 Se define un número de líneas visibles por cuadro:
 480 (NTSC), 576 (PAL/SECAM).
 Barrido entrelazado:
 Un cuadro (frame) está formado por dos campos:
 El primero con las líneas impares y el segundo con las pares.
Línea
completa
Tiempo
Línea activa
720 muestreos
 Frecuencia de muestreo única.
 525x858x30* = 625x864x25 = 13,5 MHz.
1
0
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2.2 Digitalización III
 Codificación y recodificación.
 Cada muestra RGB se codifica con 24 bits/color.
 La conversión de RGB a YCbCr (YUV) se realiza mediante una matriz
de conversión (aproximada):
 Y = 0.3R + 0.6G + 0.1B
 U = B - Y (Diferencia de color azul) (equiv. Cb=U/2+128)
 V = R - Y (Diferencia de color rojo) (equiv. Cr=V/1.6+128)
 Cada uno de los componentes se codifica con 8 bits.
 Y (8 bits): rango 16-235
 Cb (8 bits) y Cr (8 bits): rango 16-240
720
360
720
480
o
576
480
o
576
R
G
B
480
o
576
Y
Cb
Cr
Subsampling 4:2:2
1
1
Tema 6: Codificación y compresión
de vídeo.
1. Introducción.
2. Características del vídeo.
 2.1 Captura de vídeo analógico.
 2.2 Digitalización.
 2.3 Codificación (de RGB a YCbCr
 2.4 Tipos de vídeo (según su calidad).
 2.5 Parámetros específicos de red.
con subsampling).
3. Compresión de vídeo.
 3.1 Redundancia temporal.
 3.2 Estimación de movimiento: algoritmos.
 3.3 Estándares: MPEG y H.261.
4. Conclusiones.
Transmisión de Datos Multimedia –
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– Master IC 2007/2008
1
3
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2.3 Codificación: RGB
1
4
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2.3 Codificación: YCbCr
1
5
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2.3 Codificación: Y Subsampling (I)
1
6
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2.3 Codificación: Y Subsampling x2 (II)
1
7
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2.3 Codificación: Y Subsampling x4 (III)
1
8
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2.3 Codificación: Y Subsampling x8 (IV)
1
9
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2.3 Codificación: CbCr Subsampling (V)
2
0
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2.3 Codificación: CbCr Subsampling x2 (VI)
2
1
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2.3 Codificación: CbCr Subsampling x4 (VII)
2
2
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2.3 Codificación: CbCr Subsampling x8 (VIII)
Tema 6: Codificación y compresión
de vídeo.
1. Introducción.
2. Características del vídeo.
 2.1 Captura de vídeo analógico.
 2.2 Digitalización.
 2.3 Codificación (de RGB a YCbCr con subsampling).
 2.4 Tipos de vídeo (según su
 2.5 Parámetros específicos de red.
calidad).
3. Compresión de vídeo.
 3.1 Redundancia temporal.
 3.2 Estimación de movimiento: algoritmos.
 3.3 Estándares: MPEG y H.261.
4. Conclusiones.
Transmisión de Datos Multimedia –
http://www.grc.upv.es/docencia/tdm
– Master IC 2007/2008
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2.4 Tipos de vídeo (según su calidad) I
 La percepción de calidad de una señal de vídeo se basa en tres
parámetros:
 La resolución de las imágenes.
 La frecuencia de reproducción (cuadros/s.).
 El tipo de barrido (progresivo o entrelazado)
 Televisión de alta definición (HDTV).
 Existen diferentes variantes acerca HDTV.
 1920x1080/60, 1920x1080/30-24, 1280x720/30-24
 Relación de aspecto 16:9
 Vídeo digital profesional (studio-quality).
 Estándar ITU-R (CCIR-601) de vídeo digital.
2
4
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2.4 Tipos de vídeo (según su calidad) II
 Vídeo de difusión (TV broadcast).
 Difusión de señales de televisión analógicas.
 Estándares NTSC y PAL/SECAM.
 Reproductor de Vídeo (VCR-quality).
 Grabación de vídeo analógico (en VHS)
 Menor resolución de imagen (la mitad de PAL/SECAM).
 Videoconferencia (Low-speed).
 Tasas de bits pequeñas (alrededor de 128 Kbps)
 Resolución de imagen 4 veces inferior al vídeo digital.
 ITU-TS H.261: Common Intermediate Format (CIF) 352x288
 La secuencia de cuadros/s se reduce entre 5 y 10.
2
5
Tema 6: Codificación y compresión
de vídeo.
1. Introducción.
2. Características del vídeo.




2.1
2.2
2.3
2.4
 2.5
Captura de vídeo analógico.
Digitalización.
Codificación (de RGB a YCbCr con subsampling).
Tipos de vídeo (según su calidad).
Parámetros específicos de red.
3. Compresión de vídeo.
 3.1 Redundancia temporal.
 3.2 Estimación de movimiento: algoritmos.
 3.3 Estándares: MPEG y H.261.
4. Conclusiones.
Transmisión de Datos Multimedia –
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– Master IC 2007/2008
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2.5 Parámetros específicos de red I
 Lo que debe suministrar una red para el envío en tiempo real de
una secuencia de vídeo.
 Tasa de bits.
Calidad
Estándar
Sin comprimir
Mbps
Comprimido
Mbps
HDTV 1920x1080/60
2000
Sin comprimir
Comprimido
MPEG-2
25 a 34
ITU-R digital TV
Sin comprimir
166
Comprimido
MPEG-2
3a6
TV broadcast
MPEG-2
2a4
VCR
MPEG-1
1,2
H.261
0.1
Videoconferencia
2
7
ITU-R 601
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2
8
2.5 Parámetros específicos de red II
 Retardo y varianza del retardo.
 Normalmente se envían una secuencia de vídeo sincronizada con el
audio correspondiente.
 La sincronización es muy importante y necesaria desde HDTV hasta
VCR.
 En Videoconferencia no es tan importante ya que la imagen no es
continua (pocos cuadros/s).
 En estos casos, los requerimientos para estos parámetros los
impone el audio (más sensible).
 Valores indicativos para la varianza del retardo:
 HDTV: 50 ms.
 Vídeo difusión: 100 ms.
 Videconferencia: 400 ms.
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
2.5 Parámetros específicos de red III
 Tasa de error.
 El vídeo comprimido es más sensible a los errores.
 La degradación de la calidad de vídeo percibida depende:
 BER de la red
 Del tipo de error (simple, ráfaga, bloque, etc.)
 Donde se produce ese error.
 El índice de compresión de vídeo.
 Mecanismos de recuperación ante errores:
 Técnicas de protección de la señal.
– FEC (Forward Correction Codes).
– Marcas de resincronización.
– Reversible VLC.
– Técnicas de paquetización.
 Ocultación de errores (error concealment)
– Cuando se pierden bloques o llegan demasiado tarde.
– Técnicas de extrapolación e interpolación de cuadros.
2
9
Tema 6: Codificación y compresión
de vídeo.
1. Introducción.
2. Características del vídeo.





3.
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Captura de vídeo analógico.
Digitalización.
Codificación (de RGB a YCbCr con subsampling).
Tipos de vídeo (según su calidad).
Parámetros específicos de red.
Compresión de vídeo.
 3.1 Redundancia temporal.
 3.2 Estimación de movimiento: algoritmos.
 3.3 Estándares: MPEG y H.261.
4. Conclusiones.
Transmisión de Datos Multimedia –
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– Master IC 2007/2008
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
3
1
3.1 Redundancia temporal.
 Se basa en la similitud de cuadros sucesivos en una secuencia de
vídeo.
 Ej.: Secuencias de plano estático.
 Se utilizan técnicas de codificación diferencial o transformada 3D
 Sólo se codificarán las diferencias entre cuadros sucesivos (DPCM).
 La reconstrucción de un cuadro puede estar basado en otro(s)
anterior(es).
 Un algoritmo típico de eliminación de redundancia temporal (motion
compensation) es el que emplea MPEG.
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Redundancia temporal (MPEG-1)
 Cuadros de referencia y cuadros auto-contenidos
 Si F1 lo usamos para construir F2, se dice que F1 es un cuadro de
referencia (reference frame).
 Si un cuadro no se construye a partir de ningún otro, se dice que es
auto-contenido (intracoded frame)
 Normalmente estos sirven de referencia para otros.
 Macrobloques (macroblocks)
 16x16 pixels (6 bloques de 8x8: 4Y,1U y 1V).
F1
3
2
F2
F3
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Redundancia temporal (MPEG-1)
 Vectores de movimiento (motion vector)
 Identifican el desplazamiento de un determinado macrobloque
en el cuadro actual respecto a la posición que tenía en el cuadro
de referencia.
 Los vectores de movimiento se aplican cuando se identifica un
macrobloque existente en el cuadro de referencia (matching
blocks)
Vector de movimiento
Δx = -20, Δy = 0
Cuadro de referencia
Macrobloques
idénticos
F1
3
3
F2
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Redundancia temporal (MPEG-1)
 Búsqueda de macrobloques.
 Se buscan los macrobloques del cuadro a codificar en el cuadro de
referencia.
 Si se encuentra el mismo macrobloque, sólo se codifica el vector de
movimiento correspondiente.
 Si no se encuentra exactamente el mismo se elige el más parecido
(macrobloque INTER).
 Se codifica el vector de movimiento.
 Se calcula el macrobloque error (las diferencias) aplicándole codificación
estilo JPEG (DCT, quant, RLE+VLC en zigzag).
 Si no se encuentra ningún bloque similar (mb. INTRA)
 Se codifica dicho macrobloque con codificación estilo JPEG.
3
4
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
3
5
Redundancia temporal (MPEG-1)
 Tipos de cuadros
 I (Intracoded frames): Cuadro codificado usando JPEG
(autocontenido).
 P (Predictive frames): Cuadro basado en las diferencias
respecto a un cuadro de referencia anterior (tipo I).
 B (Bidirectional frames): Cuadros basados en la interpolación
de un cuadro anterior y otro posterior en la secuencia (tipo I
o P).
Cuadro de tipo I
autocontenido
Cuadro de tipo B
basado en F1 y F3
F1
F2
Macrobloque
encontrado!!
Cuadro de tipo P
basado en F1
Macrobloque
encontrado!!
F3
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
Redundancia temporal (MPEG-1)
 Secuencias de cuadros (Group Of Pictures)
 Los cuadros de tipo I son los menos comprimidos, a continuación
los de tipo P y por último los que más compresión obtiene son los
de tipo B.
 Secuencias típicas:
 IBBBPBBBI
 IBBPBBPBBI (PAL)
 IBBPBBPBBPBBI (NTSC)
I
3
6
B
B
P
B
B
P
B
B
I
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
Redundancia temporal (MPEG-1)
 La importancia de los cuadros de tipo I.
 En un sistema de vídeo es habitual el usar los controles de avance,
retroceso, pausa, etc.
 Si queremos detener la secuencia de vídeo, necesitamos encontrar el
último cuadro I para reconstruir el cuadro donde se ha detenido la
imagen.
 Sirven como puntos de sincronización.
 Se estima que deben aparecer al menos un cuadro I cada 300-400
ms.
 Si se está difundiendo una secuencia de vídeo comprimida (TV
broadcast, videoconferencia, etc)
 Permite “engancharse” rápidamente y recuperarse ante la recepción de
algún cuadro dañado.
3
7
Tema 6: Codificación y compresión
de vídeo.
1. Introducción.
2. Características del vídeo.





2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Captura de vídeo analógico.
Digitalización.
Codificación (de RGB a YCbCr con subsampling).
Tipos de vídeo (según su calidad).
Parámetros específicos de red.
3. Compresión de vídeo.
 3.1 Redundancia temporal.
 3.2 Estimación de movimiento:
 3.3 Estándares: MPEG y H.261.
algoritmos.
4. Conclusiones.
Transmisión de Datos Multimedia –
http://www.grc.upv.es/docencia/tdm
– Master IC 2007/2008
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
3
9
3.2 Estimación de movimiento: Algoritmos.
 La parte más costosa de la estimación de movimiento corresponde
a los algoritmos de búsqueda de macrobloques en el cuadro(s) de
referencia.
 Provoca codificación asimétrica
 Los algoritmos más conocidos son los siguientes:







Búsqueda completa (Full-Search).
TTS (Three-Step Search)
Búsqueda logarítmica.
Búsqueda en cruz (Cross-Search)
OTS (One-at-a-Time Search)
Vecinos más próximos (Nearest Neighbours Search)
Búsqueda jerárquica.
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
Estimación de movimiento.
 Se define una función de coste que calcula el error entre dos
macrobloques, por ejemplo, SAE (Sum of Absolute Errors)* :
N 1 M 1
SAEi, j     C i, j   Ri, j 
i 0
j 0
 (i,j) está definido dentro del área de búsqueda
 (NxM) determina las dimensiones del macrobloque.
 C(i,j) y R(i,j) definen los pixels del macrobloque actual y referencia
respectivamente.
 Las coordenadas (i,j) que menor SAE exhiban determinarán el
vector de movimiento del macrobloque actual.
4
0
(*) Más conocido como SAD (Sum of Absolute Differences)
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
Algoritmos: Full Search.
 Examina todos los puntos del área de búsqueda (+/- p)
 Complejidad computacional por macrobloque:
 Número total de posiciones: (2p + 1)2
 Cada posición (i,j), MxN pixels.
 Cada pixel requiere: 1 resta, 1 suma y 1 valor absoluto.
OMB  2 p  1 3MN
2
 Complejidad (secuencia IxJ pixels @ F fps)
 Ejemplo:
IJF
OFS  
OMB
MN
 Broadcast TV (I=720, J=480, F=30, N=M=16)
 Coste de este algoritmo: 29.89 GOPS (p=15) ó 6.99 GOPS (p=7)
4
1
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
Algoritmos: Three-Step Search.
(-7,-7)
(0,-7)
(7,-7)
MV: (7,-3)
1
1
1
1
2
3 3 3
2 3 2 3
3 3 3
2
1
2
2
2
1
1
1.
2.
3.
2
4.
1
1
5.
(0,7)
(-7,7)
 Coste:
(7,7)
6.


 Examina 8 log2 p   1 puntos
 1.02 GOPS (p=15) ó 770 MOPS (p=7).
4
2
Busca en la posición (0,0)
S=2N-1 (step size)
Busca 8 posiciones a +/-S
píxeles alrededor de (0,0)
De las nueva posiciones
elige aquella con el SAD
menor.
S=S/2 y el nuevo origen de
búsqueda el punto obtenido
en 4.
Repetir pasos 3-5 hasta que
S=1.
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
Algoritmos: Búsqueda logarítmica.
(-7,-7)
(0,-7)
(7,-7)
MV: (5,-3)
1
4
5 5 5
2 5 3 5 4
5 5 5
1
2
1
2
3
1
1
1.
2.
3.
4.
(-7,7)
(0,7)
 Coste:
 Examina 20 puntos
 616 MOPS (p=7 y N=2).
4
3
(7,7)
5.
6.
Busca en la posición (0,0) y establece
S=N (step size)
Selecciona 4 posiciones a S píxeles
del origen en los ejes X e Y.
Calcula la posición que ofrece el
menor SAD, fijándola como el
nuevo origen de la búsqueda
Si esta posición es la central de las 5
seleccionadas S=S/2
Si S=1 ir al paso 6, sino ir al paso 2.
Selecciona el origen actual y las 8
posiciones de alrededor, y calcula
aquella que minimiza el SAD
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
Algoritmos: Búsqueda en cruz (Cross Search)
(-7,-7)
(0,-7)
2
MV: (-3,-5)
2
4
1
4
1
1.
3
3
2
(7,-7)
2
3
2.
3
1
3.
1
1
4.
5.
(0,7)
(-7,7)
 Coste:

 Examina 4 log2
 523 MOPS (p=7).
4
4
(7,7)
p   5 puntos
Establece el origen en la posición
(0,0). S=2N-1 (step size)
Selecciona 4 posiciones a +/-S
píxeles del origen formando una
cruz (X) y el propio origen.
Calcula la posición que ofrece el
menor SAE, fijándola como el
nuevo origen de la búsqueda
Si (S>1) entonces S=S/2 y va al
punto 2. Sino ir al punto 5.
Si la mejor posición está en el punto
superior izquierda o inferior derecha
de la X, evaluar 4 puntos más en
forma de X a una distancia de +/-1
pixel. Sino hacer lo mismo pero con
los 4 puntos distribuidos en “+”.
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
Algoritmos: OTS (One-at-a-Time Search)
(-7,-7)
(0,-7)
5
9
8
7
6
4 3
6
(7,-7)
MV: (-4,-3)
1.
2.
2 1
1 1
3.
4.
5.
(0,7)
(-7,7)
 Coste:
 Examina 12 puntos
 369 MOP.
4
5
(7,7)
Establece el origen en (0,0).
Selecciona el origen y las dos
posiciones vecinas en el eje X
Calcula la posición que menor
SAD exhiba. Si es el origen ir
al paso 5.
Establece el nuevo origen en la
posición que ha ofrecido el
menor SAD. Ir al paso 2.
Repetir los pasos 2 al 4
seleccionando las posiciones
en el sentido vertical (eje Y).
Puede dar lugar a mínimos locales !
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
Algoritmos: Vecino más próximo.
(-7,-7)
(0,-7)
3 2
3 2 1 2
1 1 1
1
1.
2.
0
3.
4.
(0,7)
(-7,7)
 Coste:
 Examina 12 puntos
 369 MOP.
4
6
MV: (-3,-4)
(7,-7)
(7,7)
Calcula el SAD del (0,0).
Establece el origen de búsqueda a
la posición del vector supuesto
(predicted vector)
Selecciona 4 posiciones alrededor
del origen en forma de “+”.
Si el origen de búsqueda (o la
posición 0,0 en la primera
iteración) ofrece el menor SAD
entonces “fin de búsqueda”.
Sino establece el nuevo origen de
búsqueda en la posición que menor
SAD ha ofrecido.
Propuesto para H.263 y MPEG-4.
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
Estimación de movimiento: Otras consideraciones.
 Estimación de movimiento con fracciones de pixel
 Se basa en realizar la estimación de movimiento con mayor precisión,
ya que a veces el movimiento real no se ajusta a desplazamientos de
píxel enteros.
 Half-Pixel motion estimation
 Se obtiene un imagen de mayor resolución interpolando un punto de la
imagen entre cada dos píxeles.
A
b
A
b
A
Se incrementan notablemente las
prestaciones del algoritmo de
estimación de movimiento a expensas
de un mayor coste computacional.
 H.263 utiliza está técnica, incluso se
propone utilizar ¼ y 1/8 de píxel para
el estándar H.264

c
d
c
d
c
A
b
A
b
A
c
d
c
d
c
A
b
A
b
A
A: Píxeles reales (Enteros)
b,c,d: Píxeles interpolados. Las flechas
indican la dirección de interpolación.
4
7
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
Estimación de movimiento: Mejoras propuestas.
 Vectores de movimiento fuera del cuadro de referencia.
 Para estimar correctamente el movimiento que se produce en los
bordes del cuadro.
 Tamaño de bloque variable.
 Para realizar estimación de movimiento más precisa.
 Se utiliza en H.263 (Anexo F) y H.264.
 Tamaños: 16x16;8x8;4x4;8x16;16x8....
 OBMC (Overlapped Block Motion Compensation)
 Objetivo: Suavizar los efectos de “blocking” que aparecen en los
bordes de los macrobloques.
 Incremento significativo del coste computacional.
 H.263 recomiendo utilizar filtros de salida (deblocking filters) que realizan
esta operación a un coste computacional muy inferior.
 Modelos de estimación más complejos:
 Region-based, Picture Warping, Mesh-based, Object-based...
4
8
Tema 6: Codificación y compresión
de vídeo.
1. Introducción.
2. Características del vídeo.





2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Captura de vídeo analógico.
Digitalización.
Codificación (de RGB a YCbCr con subsampling).
Tipos de vídeo (según su calidad).
Parámetros específicos de red.
3. Compresión de vídeo.
 3.1 Redundancia temporal.
 3.2 Estimación de movimiento: algoritmos.
 3.3
Estándares: MPEG y H.26x.
4. Conclusiones.
Transmisión de Datos Multimedia –
http://www.grc.upv.es/docencia/tdm
– Master IC 2007/2008
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
3.3 Estándar MPEG.
 Conjunto de estándares ISO para la grabación y transmisión digital
de audio y vídeo.
 En su evolución se han desarrollado varias versiones del estándar
MPEG:
 MPEG-1 (ISO 11172) (‘91):
 CD-ROM vídeo (1,5 Mbps).
 MPEG-2 (ISO 13818) (‘93):
 TV Broadcast (4-6 Mbps).
 HDTV (25-34 Mbps).
 MPEG-4 (ISO 14496) (‘99):
 Originalmente: Videoconferencia (4,8 a 64 Kbps).
 Enfoque universal de tratamiento de elementos multimedia.
 MPEG-7 (00-?): Descripción de contenido multimedia
(videodatabases)
 MPEG-21 (01-?): Uso transparente de contenido multimedia entre
redes y usuarios heterogéneos.
5
0
5
1
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
Relación entre los estándares MPEG.
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
MPEG-1.
 MPEG-1 (ISO 11172) (‘91)
 MPEG-Vídeo (IS 11172-2)
 MPEG-Audio (IS 11172-3)
 MPEG-System (IS 11172-1):
 Multiplexado y sincronización.
 MPEG-Conformance Testing (IS 11172-4)
 Patrones de prueba, medida de calidad, etc
 MPEG-Software Coding (IS 11172-5)
 Directrices para la codificación de los algoritmos.
 Propósito de MPEG-1
 Almacenamiento en CD-ROM de audio (calidad CD) y vídeo (calidad
VCR) sincronizado (1,5 Mbps).
5
2
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
MPEG-1
 Características de MPEG-1:





Resolución de imagen: 352x(288 ó 240) (PAL/NTSC).
Reducción de color (sub-sampling): 4:2:0.
Barrido progresivo (no entrelazado).
Tasa de cuadros: 25/30 (PAL/NTSC).
Incluye cuadros de tipo D (DC-coded):
 Operaciones de avance rápido (Fast Forward).
 Codificador/decodificador asimétrico.
 Tasa
de compresión: 27:1.
 Los codificadores de audio y
vídeo trabajan por separado.

5
3
Utilizan un reloj común para
establecer el tiempo de cada una
de sus capturas (system).
Audio
encoder
Salida
MPEG-1
Reloj
Vídeo
encoder
System
Mux.
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
MPEG-2
 Conjunto de estándares ISO 13818 (‘93).
 Propósito:
 Mejorar la calidad de imagen respecto al anterior sin incrementar
excesivamente la tasa de bits requerida
 Calidad de vídeo profesional (studio-quality) y HDTV
 Aplicación:
 Difusión de señales de TV, HDTV, VOD
 La codificación/decodificación es muy similar a la de MPEG-1 salvo
algunas diferencias:
 No se incluyen cuadros de tipo D.
 Permite bloques de 16x8 para vídeo entrelazado.
 Otras mejoras (permite DC de hasta 10 bits, cuantización no lineal,
nuevas tablas VLC, escalabilidad SNR y multiresolución)
5
4
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
MPEG-2
 Características de MPEG-2.
 Soporta barrido entrelazado y progresivo.
 Puede trabajar con distintas resoluciones (nivel):
 CIF: 352x288/240 (VCR quality) (Compatibilidad MPEG-1)
 Principal: 720x576/480 (studio-quality)
 High-1440: 1440x1152 (HDTV)
 High: 1920x1080 (HDTV)
 Define varios perfiles de implementación
 Detalles de los algoritmos de compresión y parámetros de imagen,
barrido, etc.
 El multiplexado y sincronización es más general y flexible que MPEG1
 Se pueden multiplexar/sincronizar varias fuentes de audio, vídeo y datos
(ej.: subtítulos en varios idiomas).
5
5
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
MPEG-4
 Propósito:
 Diseño de aplicaciones multimedia interactivas distribuidas.
 Aplicación:
 Televisión digital
 Compatibilidad con MPEG-2 (backware compatibility)
 Aplicaciones multimedia interactivas
 El usuario puede interaccionar con los objetos multimedia de la sesión.
 Distribución de información multimedia (tipo WWW)
 A través de una red, se permitirá el acceso y distribución a información
multimedia, facilitando su diseño y presentación.
5
6
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
5
7
MPEG-4
 Características:
 Accesibilidad de la información de manera universal y robusta.
 Alta interactividad con la información multimedia.
 Definición de escenarios virtuales compuestos por objetos
independientes (AVOs).
 El usuario puede modificar/configurar el escenario actual.
 Codificación conjunta de datos sintéticos y reales.
 Codificación eficiente de la información.
 Mejoras en la compresión y multiplexación de la información.
 Codificación de objetos con forma irregular.
5
8
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
MPEG-4
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
3.3 Estándar H.261.
 Pertenece al conjunto de estándares H.320 del ITU dedicados a
videoconferencia sobre RDSI.
 H.320: Definición de la familia de estándares
 H.221: Multiplexado, sincronización sobre uno o varios canales
RDSI y empaquetamiento (framming).
 H.242/H.230: Establecimiento y control de sesión.
 H.224/H.281: Control remoto de cámaras.
 H.233 y H.234: Cifrado y autenticación de los datos.
 T.120: Soporte para aplicaciones (transferencia de imágenes,
anotaciones compartidas, etc.)
 G.711, G.72x ...: Algoritmos de compresión de audio
 H.261: Compresión de vídeo (conocido como px64).
5
9
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
Estándar H.261.
 Características de H.261:
 Formato de imagen: YCbCr
 CIF: 352x288 (opcional)
 QCIF: 176x144 (obligatorio)
 Reducción de color: 4:2:0
 Tasa de cuadros/seg: como máximo 30 max.
 Mecanismo de compresión similar a MPEG-1:
 Para la redundancia temporal se emplean mecanismos similares a
MPEG, basados en macrobloques (16x16).
 H.261 define el concepto de GOB (Group Of Blocks)
 1 GOB = 3x11 macrobloques (QCIF: 3 GOBs)
6
0
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
Estándar H.261.
 Sólo se definen dos tipos de cuadros: I y P.
 No existen secuencias predefinidas de cuadros.
 Decisión de codificación I o P para cada cuadro.
 Estimación de movimiento (motion estimation):
 Se realiza a nivel de macrobloque
 Búsqueda restringida en un área de +-15 pixels, usando sólo la
información de luminancia (Y).
 Resultado de la búsqueda:
 Macrobloque del cuadro de anterior que más se parece al actual
 Cálculo de las diferencias (macrobloque error).
 Si superan un cierto umbral se codifican (DCT), si no se elimina el
macrobloque error, utilizando sólo el vector de movimiento.
 Cuantificación lineal (menos costosa).
 Se siguen utilizando run-length y Huffman (VLC).
6
1
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
Estándar H.261.

PSC
Esquema del formato H.261
TR
GOB Start
Addr
Type
DC
6
2
PType
GOB1
Grp#
Quant
Run, Valor
GOB2
Quant
Vector
...
MB1
CBP
....
GOBm
...
b0
Run, Valor
MBn
b1
EOB
...
b5
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
Otros estándares H.26x.
 H.263: Mejora, amplía y sustituye el H.261




De propósito general (no sólo para videoconf.)
Incluye compensación de movimiento de “medio-píxel”
Soporta cinco resoluciones (SQCIF, QCIF, CIF, 4CIF y 16CIF)
Permite estimación de movimiento bidireccional y sin restricción en
el tamaño de la ventana de búsqueda
 H.263+: Añade nuevas características a H.263
 Escalabilidad SNR, espacial y temporal
 Predicción de los valores de los coeficientes de la DCT
 H.264: Mejora la eficiencia en codificación
 DCT con enteros y tam. bloque 4x4, compensación de movimiento
con bloques de tamaño variable, etc.
6
3
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
6
4
Otros estándares H.26x.
Comparación subjetiva MPEG-4 - H.264
Transmisión de Datos Multimedia - Master IC 2007/2008
4. Conclusiones
 Las imágenes son captadas por cámaras de vídeo que proporcionan
una señal analógica RGB.
 La digitalización está basada en el estándar ITU-R
 En función de la calidad de vídeo deseada, existen diversos formatos
de imagen, barrido, etc.
 Se definen distintos parámetros de red de importancia para el
transporte de vídeo
 Algoritmos de compresión de vídeo
 Fundamentos: Redundancia temporal
 Algoritmos de estimación de movimiento: Alto coste computacional.
 Estándares de compresión:
 Familia MPEG: 1-2-4
– Diseñados para procesar vídeo digital de calidad (Sector consumo).
 Familia ITU: H.261-3-4
– Diseñados para comunicaciones audiovisuales en distintos tipos de redes (RDSI, IP, telefonía,
etc.)
6
5
Descargar

Tema 6: Multimedia Vídeo.