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Codificación de Vídeo Multimedia

Fernando Díaz de María - DTSC -Universidad Carlos III de Madrid 1

Codificación de VídeoCodificación de Vídeo

Vídeo digitalVídeo digital

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Tasas de trama típicasTasas de trama típicasMovimientoTasa de trama

(fps)

Vídeo EntrelazadoVídeo Entrelazado

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Tamaños de imagen en vídeo digitalTamaños de imagen en vídeo digital

Resolución (Y)Formato

Imágenes: necesidad de compresión Imágenes: necesidad de compresión

2048

512

128

KN

25.165.82416.777.2168.388.608

1.572.8641.048.576524.288

98.30465.53632.768

6 (L=64)4 (L=16)2 (L=4)

Número de bits: • M x N x k • N2 x k

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Vídeo: necesidad de compresiónVídeo: necesidad de compresión

4.6 Mbps1588x72176x144QCIF

36.5 Mbps30176x144352x288CIF

216 Mbps30429x525858x525ITU-R 601

bpsfpsResolución Crominancia

Resolución Luminancia

Representación del ColorRepresentación del Color

crominancias

( )( )YRCr

YBCb

BGRY

−=−=++=

71.0

56.0

1.06.03.0

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Submuestreo de CrominanciasSubmuestreo de Crominancias

4:4:4 4:2:2 4:2:0

Submuestreo de CrominanciasSubmuestreo de Crominancias

4:4:4 4:2:2 4:2:0

Ejemplo (720 x 576)

• 4:4:4 720 x 576 x 8 x 3 = 9.953.280 bits• 4:2:2 (720 x 576 x 8) + (720 x 288 x 8 x 2) = 6.635.520 bits• 4:2:0 (720 x 576 x 8) + (360 x 288 x 8 x 2) = 4.976.640 bits

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Codificación de ImagenCodificación de Imagen

Transformación CuantificaciónCodificación

EntrópicaImagen

Comprimida

DCT (I)DCT (I)

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DCT(II)

Reordenamiento en Zig-ZagReordenamiento en Zig-Zag

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Codificación Basada en DCT

8x8 DCT

Q

Codificación

Transformación por bloquesTransformación por bloques

DCT(bloques 8x8)

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Efecto de la cuantificaciónEfecto de la cuantificación

IDCTCuantif.

Efecto de la cuantificaciónEfecto de la cuantificación

IDCT

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Efecto de la cuantificaciónEfecto de la cuantificación

IDCT

Factor de CompresiónFactor de Compresión

Píxelesde NúmeroComprimda Imagen Bitsde Número

(bpp) pixelpor bits de Número

Comprimida Imagen BitsNúmeroOriginal Imagen BitsNúmero

(FC) Compresión deFactor

=

=

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Medidas de Calidad (I)Medidas de Calidad (I)

( )∑∑==

−=

=

N

jijij

M

i

xyMN

MSE

MSEPSNR

1

2

1

2

10

1

255log10

Medidas de Calidad (II)Medidas de Calidad (II)

• Calidad subjetiva buena• Calidad objetiva pésima

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Codificación de VídeoCodificación de Vídeo

Objetivo e ImplicacionesObjetivo e Implicaciones

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Correlación temporal: predicción

Compensación de MovimientoCompensación de MovimientoTramaActual

Estimación de Movimiento

TramaAnterior

+-

TramaEstimada

Codificadorde Imagen

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Compensación de movimientoCompensación de movimiento

macrobloque

Diagrama de bloquesDiagrama de bloques

Transformada2D

Q

Q-1

TransformadaInversa 2D

Codificador

V(k,l)U(m,n)

CuantificadorAdaptativo

Predicción

Canal

Compensaciónde Movimiento

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Área de búsquedaÁrea de búsqueda

Número de comparaciones según el área de búsquedaNúmero de comparaciones según el área de búsqueda

99.1 x 106± 15

23.4 x 106± 7

5.2 x 106± 3

1.0 x 106± 1

Número de comparaciones

Área de búsqueda

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Posibles variacionesPosibles variaciones

( )∑∑==

−=N

jijij

N

i

rxN

MSE1

2

12

1

∑∑==

−=N

jijij

N

i

rxN

MAE11

2

1

∑∑==

−=N

jijij

N

i

rxSAE11

Algoritmos de estimación de movimientoAlgoritmos de estimación de movimiento

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Búsqueda en 3 pasosBúsqueda en 3 pasos

11 1

111

1 1 1

2 2

222

2 2 23 3

3333

33

Búsqueda LogarítmicaBúsqueda Logarítmica

1 11

1

1 2

2

2

3

3

4

45 5

55

55 55

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“Cross-Search”“Cross-Search”

1

1

1

1

1

2

22

2

3

33

34

4

Búsqueda según el vecino más próximo (I)Búsqueda según el vecino más próximo (I)

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Búsqueda según el vecino más próximo (II)Búsqueda según el vecino más próximo (II)

0

111

112323

2

Búsqueda JerárquicaBúsqueda Jerárquica1

2 2 2212

2 2 2

2 3333

33 3 3

Nivel 0

Nivel 1

Nivel 2

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Una comparaciónUna comparación

3.6 x 106914 753Búsqueda enTres pasos

99.1 x 106897 163BúsquedaExhaustiva

Número decomparaciones

SAE totalAlgoritmo

Resolución de ½ ó ¼ de pixelResolución de ½ ó ¼ de pixel

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Tramas de referenciaTramas de referencia

Tipos de ImágenesTipos de Imágenes

Tiempo

I BB B P B BPB I

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MejorasMejoras

Pre- y PostprocesoPre- y Postproceso

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Rate-DistortionRate-Distortion

Rate (kbps)

PSN

R (

dB)

Claire

Foreman

Estándares de codificación de vídeoEstándares de codificación de vídeo1984 1986 1988 1990 1992 1994

H.261 H.263, H.263+

MPEG-2MPEG-1

ISO

ITU

MPEG-4

1996 1998

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Estándares: MPEG-1Estándares: MPEG-1

IP

B

Estándares: MPEG-2Estándares: MPEG-2

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MPEG-4MPEG-4

H.264H.264

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Predicción INTRAPredicción INTRA

Predicción INTRAPredicción INTRA

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Compensación de movimientoCompensación de movimiento

Filtro de suavizado de bloquesFiltro de suavizado de bloques

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Transformación y CuantificaciónTransformación y Cuantificación

Codificación de entropíaCodificación de entropía

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H.264 (I)H.264 (I)

H.264 (II)H.264 (II)