CC BY
30
УДК 621. 397. 13
Е.И. Минаков, д-р техн. наук, проф., (4872)35-57-60, EMinakov@bk.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Д.С. Калистратов, асп., (4872)35-57-60, (Россия, Тула, ТулГУ)
РЕЖИМЫ ФОРМИРОВАНИЯ КАДРОВЫХ ПРОГНОЗОВ В КОМПЕНСАТОРАХ ДВИЖЕНИЯ ВИДЕООБЪЕКТОВ
Приводятся результаты анализа координатного и скоростного режима формирования кадровых прогнозов, а также затрагиваются вопросы возможности и целесообразности применения смешанного режима.
Ключевые слова: компенсация движения, координатный режим, скоростной режим, текущий кадр, ссылочный кадр.
Компенсация движения является актуальной задачей современного видеокодирования. Она проводится с целью устранения временной избыточности, содержащейся в видеофрагменте, состоящем из некоторой последовательности кадров [1,3]. При этом под устранением временной избыточности понимают удаление той части информации, которая дублируется на соседних кадрах[2]. Как правило, такой повторяющейся частью изображения на кадрах является фон видеосцены. Кроме того, особым образом могут обрабатываться движущиеся объекты кадров, что и приводит к необходимости компенсации движения. Основной задачей компенсатора является формирование кадрового прогноза для текущего обрабатываемого кадра. Кадр-прогноз строится с использованием некоторого набора уже известных кадров, называемых ссылочными. В самом лучшем случае кадр-оригинал и кадр-прогноз должны полностью совпадать, несмотря на то, что в видеофрагменте присутствует движение.
На текущий момент можно выделить два основных режима формирования кадровых прогнозов, направленных на обработку последовательностей прямоугольных кадров: координатный и скоростной. Координатный режим нацелен на статические видеофрагменты. В этом режиме ссылочным кадром и одновременно кадром-прогнозом является предыдущий кадр последовательности, а устранение временной избыточности достигается путём простого вычитания соответствующих областей (макроблоков) рассматриваемых кадров. Скоростной режим ориентирован на динамические видеосцены. В этом режиме ссылочным кадром также является предыдущий кадр последовательности, а прогноз достигается путём простого перебора и поиска для каждого макроблока кадра-оригинала наиболее подходящего макроблока на ссылочном кадре. При этом векторы скоростей найденных прогнозов кодируются и передаются декодеру, чтобы тот по ним мог восстановить текущий кадр, имея в наличии предыдущий. Для исследования была синтезирована последовательность кадров, содержащая как статические фрагменты, так и динамические. Расхождение значений видеосигнала в статических кадрах задавалось только случайными вход-
ными помехами. Отклонение сигнала в динамических кадрах определялось случайными входными помехами и подвижными частями кадра. Таким образом, два соседних кадра могли визуально оказаться идентичными, если движение отсутствует, либо различающимися вследствие движения. Синтезированная последовательность кадров (рис. 1) обрабатывалась при каждом режиме формирования кадровых прогнозов. Кроме того, при исследовании был добавлен также смешанный режим, являющийся комбинацией двух основных. Для этого в компенсатор движения была встроена функция, осуществляющая переключение режима компенсации по принципу отсутствия или наличия движения.
1-й кадр 5-й кадр 7-й кадр
Рис. 1. Последовательность кадров видео, содержащего статические
и динамические фрагменты
Математическая модель переключателя основных режимов компенсации движения выглядит следующим образом:
1 ЬяСэ
ММАЕ^ =-УУ К - К , .,
* ЬзСз у у 1 г'У* У*
(МАЕР < МАЕм) ^ (М = 0), (1)
(МАЕР > МАЕм) ^ (М = 1). где МАЕК - среднее абсолютное отклонение кадрового сигнала; Ls - количество строк в кадре; О- - количество столбцов в кадре; I - счётчик кадров; У - счётчик строк кадра; к - счётчик столбцов кадра; К - кадровый массив; МАЕМ - пороговый уровень среднего абсолютного отклонения, используемый при переключении режимов компенсации движения; М - режим компенсации движения.
Структурная схема алгоритма функции, переключающей режим формирования прогноза (рис. 2.), имеет довольно простой вид. Смешанный режим может обеспечить большую гибкость в обработке видеоданных, однако при этом усложняется организация компенсаторов движения как в кодере, так и в декодере. Кроме того, в декодер необходимо также передавать дополнительную информацию о том, какой режим для текущего кадра выбран в кодере.
Исследование видеопоследовательности проводилось с помощью видеокодека на основе стандарта МРБ04. Ниже (табл.1.) представлены ключевые параметры применённого кодека.
Рис. 2. Блок-схема алгоритма переключения компенсационного режима
Таблица 1
Значения параметров видеокодека, использовавшегося при исследовании
Параметр Значение
Режим цветности Чёрно-белый
Количество кадров 9
Формат кадра 64 х 48
Режим формирования кадрового прогноза (варьировался)
Размерность зоны отслеживания макр-ка 64
Шаг отслеживания макроблока 1
Размерность макроблока 8
Шаг квантования 1
Оценка качества кадрового прогноза (табл. 2, рис. 3) проводилась путём подсчёта совпадений яркости соответствующих пикселов кадра-прогноза и кадра-оригинала. Количество таких совпадений влияет на объём закодированной информации.
Эффективность кодирования (табл. 3, рис. 4) определялась объёмом выходной информации кодера. Индексация кадров в таблицах сопровождалась также указанием его статичности или динамичности.
Таблица 2
Данные о качестве кадрового прогноза при использовании различных
режимов компенсации движения
Количест-
Режим ком- во совпа-
пенсации Количество совпадений в кадровых прогнозах дений в
движения (количество нулевых значений в остаточном кадровых
кадре компенсатора движения при представлении начального кадра 3072 пикселами) прогнозах в среднем
по видео.
РСь пикселы
БСср, пик-
селы
1 2 3 4 5 6 7 8 9
(с) (с) (д) (с) (д) (д) (д) (с) (д)
Координатный 304 2 306 4 267 0 307 1 218 0 237 0 230 7 307 1 255 6 2703
Скоростной 304 2 306 4 248 2 307 1 155 5 192 3 176 5 307 1 237 7 2483
Смешанный 304 306 248 307 155 192 176 307 237 2483
2 4 2 1 5 3 5 1 7
Рис. 3. Зависимость качества прогноза от режима компенсации движения
Таблица 3
Данные об эффективности кодирования при использовании различных
режимов компенсации движения
Режим компенсации движения. Количество битов на кадр. (кодек МРБ04, исходный объём кадра 24576 бит) биты Количество битов на кадр в среднем по видео. БВср, биты
1 (с) 2(с ) 3 (д) 4(с ) 5 (д) 6 (д) 7 (д) 8(с ) 9 (д)
Координатный 133 9 763 511 1 624 970 2 724 9 776 0 624 460 5 4197
Скоростной 143 5 859 426 1 720 842 6 634 0 719 2 720 428 5 3804
Смешанный 133 9 763 426 1 624 842 6 634 0 719 2 624 428 5 3761
Рис. 4. Зависимость объёма закодированной информации от режима компенсации движения
По результатам исследования можно сделать следующие выводы: результаты обработки динамических кадров, в целом, уступают результатам обработки статических кадров независимо от режима формирования прогноза; координатный режим имеет заметное превосходство по числу
совпадений прогноза, но даёт больший объём закодированной информации; скоростной режим, напротив, обеспечивает лучшее сжатие, но уступает по количеству совпадений прогноза; смешанный режим способен обеспечить большую степень сжатия данных, нежели каждый из рассмотренных режимов по отдельности.
Список литературы
1. Вернер М. Основы кодирования. М.: Техносфера, 2004. 288 с.
2. Ричардсон Я. Видеокодирование. Н.264 и MPEG-4 - стандарты нового поколения. М.: Техносфера, 2005. 368 с.
3. Сэломон Д. Сжатие данных, изображений и звука. М.: Техносфера, 2004. 368 с.
Minakov E.I., Kalistratov D.S.
THE MODES OF MOTION-COMPENSATED PREDICTION
This article is about coordinate and speed modes of the motion-compensated prediction, and about questions of possibility and practicability of the mixed mode.
Key words: compensation of the motion, coordinate mode, speed mode, current frame, reference frame.
Получено 17.10.12
УДК 621.391.1
Е.И. Минаков, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-57-60, БМтакоу@Ьк. ги
(Россия, Тула, ТулГУ),
И.Ю. Мацур, асп., (4872) 35-57-60
(Россия, Тула, ТулГУ)
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ СОБЛЮДЕНИЯ ПДД ТС
Представлена структура информационно-измерительного комплекса автоматической системы контроля соблюдения ПДД ТС на основе применения КЕЮ-меток, а также представлены результаты экспериментальных исследований данной системы.
Ключевые слова: RFID-метка, транспортное средство, идентификация, система контроля.
Для измерения скорости движения транспортных средств (ТС) с одновременной их идентификацией предлагается использовать радиочастотный способ с использованием радиоэлектронных меток, интегрированных в государственный номерной знак и специальных считывателей информации с электронных меток.
