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: 16×16;8×8;4×4;8×16;16×8….
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…
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.
Relación entre los estándares MPEG.
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).
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.
(Gp:) Audio
encoder
(Gp:) Vídeo
encoder
(Gp:) System
Mux.
(Gp:) Reloj
(Gp:) Salida
MPEG-1
Tasa de compresión: 27:1.
Los codificadores de audio y vídeo trabajan por separado.
Utilizan un reloj común para establecer el tiempo de cada una de sus capturas (system).
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 16×8 para vídeo entrelazado.
Otras mejoras (permite DC de hasta 10 bits, cuantización no lineal, nuevas tablas VLC, escalabilidad SNR y multiresolución)
MPEG-2
Características de MPEG-2.
Soporta barrido entrelazado y progresivo.
Puede trabajar con distintas resoluciones (nivel):
CIF: 352×288/240 (VCR quality) (Compatibilidad MPEG-1)
Principal: 720×576/480 (studio-quality)
High-1440: 1440×1152 (HDTV)
High: 1920×1080 (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 MPEG-1
Se pueden multiplexar/sincronizar varias fuentes de audio, vídeo y datos (ej.: subtítulos en varios idiomas).
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.
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.
MPEG-4
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).
Estándar H.261.
Características de H.261:
Formato de imagen: YCbCr
CIF: 352×288 (opcional)
QCIF: 176×144 (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 (16×16).
H.261 define el concepto de GOB (Group Of Blocks)
1 GOB = 3×11 macrobloques (QCIF: 3 GOBs)
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).
Estándar H.261.
(Gp:) PSC
(Gp:) TR
(Gp:) PType
(Gp:) GOB1
(Gp:) GOB2
(Gp:) ….
(Gp:) GOBm
(Gp:) GOB Start
(Gp:) Grp#
(Gp:) Quant
(Gp:) MB1
(Gp:) …
(Gp:) MBn
(Gp:) Addr
(Gp:) Type
(Gp:) Quant
(Gp:) Vector
(Gp:) CBP
(Gp:) b0
(Gp:) b1
(Gp:) …
(Gp:) b5
(Gp:) DC
(Gp:) Run, Valor
(Gp:) …
(Gp:) Run, Valor
(Gp:) EOB
Esquema del formato H.261
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 4×4, compensación de movimiento con bloques de tamaño variable, etc.
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.)
Introducción a la Difusión de Videos
Desde el punto de vista de la red:
Un stream de vídeo ha de ser “paquetizado” para su transporte.
La pérdida de paquetes implica una degradación de la calidad de vídeo que observa el destinatario.
Es por ello que resulte de interés el estudio de técnicas que protejan el vídeo en su viaje al destino y que los errores detectados puedan ser “ocultados” al usuario final ? Video resilience.
Desde el punto de vista del transporte de vídeo en sistemas y redes heterogéneos:
Interoperabilidad de distintos codecs con bitstreams incompatibles en la red ? heterogeneous transcoding.
Posibilidad de cambiar los parámetros de codificación (i.e. bitrate) de un mismo codec ? homogeneous transcoding.
Desde el punto de vista de la aplicación:
Las redes (i.e. Internet) tienen un comportamiento muy variable e impredecible en relación al ancho de banda disponible.
Por ello, con el fin de optimizar el uso de recursos disponibles en la red y maximizar la calidad de vídeo entregada al destinatario, se requieren mecanismos de control de flujo extremo-a-extremo.
Control de flujo.
Las técnicas de control de flujo deberán regular el bitrate de salida para conseguir la mejor relación calidad/productividad.
El control de flujo es una herramienta que al mismo tiempo nos permite prevenir situaciones de congestión en la red.
Para que un sistema de control de flujo funcione es necesario obtener de la red información acerca del ancho de banda disponible en cada momento (i.e. RTCP receiver reports).
Existen diferentes formas de realizar un control de flujo:
Cuantización variable (Variable-quantization)
Resolución reducida (Reduced resolution)
Codificación multinivel (Multi-layer coding)
Etc..
Variabilidad del bitrate.
Todos los estándares de compresión de vídeo producen de forma natural un bitstream con tasa de bits variable.
Se fija el valor de “Qp” para obtener una calidad constante.
Por contra, se puede variar el Qp (MB, GOB o Frame) para conseguir una tasa de bits constante a costa de una variabilidad en la calidad.
La variabilidad viene fijada por la actividad espacial y temporal de la secuencia de vídeo:
Un MB de un cuadro P, no se codifica si es muy similar al MB del cuadro de referencia. Dependiendo de la cantidad de movimiento en la escena, el número de MB que NO se codifican varía ? Variando también el bitrate.
La correlación entre los pixels de un bloque de 8×8, dicta el número de bits necesario para codificar los 64 coeficientes resultantes de la transformada. Junto con el valor de Qp determinará el número de coeficiente nulos que aparecen y que posteriormente serán codificados con VLC en flujos bits de tamaño variable.
Variabilidad del bitrate (II).
Parámetros de longitud fija y variable en un stream de vídeo H.263
La contribución de los parámetros de longitud variable en el bitrate final es mucho mayor que los de longitud fija, a pesar de ser menos.
36
 Página anterior | Volver al principio del trabajo | Página siguiente  |