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La codifica videoLa codifica video
Marco CagnazzoMarco Cagnazzo
Elaborazione dei Segnali MultimedialiElaborazione dei Segnali Multimediali
27 27 maggio maggio 2010201027 27 maggio maggio 20102010
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SommarioSommario• Il segnale video• Il segnale video• La codifica video
Principi di base
C i i lCompressione spaziale
Tecniche di predizione temporalep p
Stima e compensazione del movimento
• Il codificatore ibrido
ESM – Codifica Video 227 maggio 2010
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Il segnale video: esempioIl segnale video: esempio
ESM – Codifica Video 327 maggio 2010
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Il segnale video: formatiIl segnale video: formati
Righe Colonne
QCIF 144 176
CIF 288 352
SD 576 704
HD720p 720 1280
ESM – Codifica Video 427 maggio 2010
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Il segnale video: caratteristicheIl segnale video: caratteristiche
• Frame rate: 25 al secondo• Risoluzione : 576 × 720 pixels per frame p p
(Standard definition)• Colore : 3 canali per pixelp p• Precisione : 1 byte = 8 bit per canale
Totale : 25 × 576 × 720 × 3 × 8 ≈ 250 Mbps
Compressione
ESM – Codifica Video 527 maggio 2010
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Il segnale video: ridondanzaIl segnale video: ridondanza
• Ridondanza statisticaL t ll di d t ti ti d i i iLegata alla dipendenza statistica dei campioni
• Ridondanza psicofisicaLegata all’incapacità del sistema visuale umano di cogliere tutti i dettagliSensibilità ai dettagli spaziali alle basse frequenze temporaliInsensibilità al colore in condizioni di scarsa luminositàff i di h
ESM – Codifica Video 627 maggio 2010
Effetti di mascheramento
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Il segnale video: ridondanza spazialespaziale
Ampie aree omogenee all’interno di una singola immagine
ESM – Codifica Video 727 maggio 2010
singola immagine
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Il segnale video: ridondanza temporaletemporale
Ampie aree immutate da un’immagine all’altra
ESM – Codifica Video 827 maggio 2010
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Criteri di valutazione di un codificatore videocodificatore video
• Tasso di codifica• Tasso di codifica• QualitàQ
Oggettiva: percettiva, non percettiva
S iSoggettiva
• ComplessitàComplessità• Ritardo• Robustezza agli errori
ESM – Codifica Video 927 maggio 2010
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Schema generale di n codificato e ideodi un codificatore video
Sequenza difi t
Compressione Compressione codificatatemporale spaziale Buffer
Sequenza video
d’ingresso
Informazioni di movimento
ESM – Codifica Video 1027 maggio 2010
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Compressione spazialeCompressione spaziale
• Compressione di immagini: JPEGO bl hi di i l• Opera su blocchi di pixel
• Tre stadi:Tre stadi:
Quantiz-zatore
Trasformata2d
Codificalossless
ESM – Codifica Video 1127 maggio 2010
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Compressione spazialeCompressione spaziale
k k k
QDCT2d
Codificalossless
k1, k2, k3, …
0101011100000110101…
Q*IDCT2d
Decodificalossless
k1, k2, k3, …k1, k2, k3, …
ESM – Codifica Video 1227 maggio 2010
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Compressione temporaleCompressione temporaleTecniche di predizioneTecniche di predizione
• Codifica differenziale (DPCM)• Conditional replenishment• Compensazione del movimento• Compensazione del movimento
ESM – Codifica Video 1327 maggio 2010
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Famiglie di codificatoriFamiglie di codificatori
Spazio Tempo + e - Applic.
Motion picture Trasform – Semplice;
comprime poco
Fotoca-mere, webcamp p p webcam
Ibrido Trasform PredizioneCompressione ottima; poco
Distribuzione video Ibrido Trasform Predizione ottima; poco
scalabileone video supporti
Scalabile DistribuziTrasf. 3D Trasform Trasform
Scalabile, comprime meno bene dell’ibrido
Distribuzione video su rete
ESM – Codifica Video 1427 maggio 2010
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Il codificatore ibrido: DPCMIl codificatore ibrido: DPCM
Il modo più semplice di predire il fotogramma corrente è usare il precedenteg p
Frame correnteCodificatore
Errore
JPEG
Frame precedente
ESM – Codifica Video 1527 maggio 2010
a e p ecede te
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Il codificatore ibrido: DPCMIl codificatore ibrido: DPCM
Problema: sincronizzazione tra codifica e decodifica
Frame correnteCodificatore
Errore
JPEG
Buffer
Frame precedente
ESM – Codifica Video 1627 maggio 2010
a e p ecede te
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Conditional ReplenishmentConditional Replenishment
Immagine divisa in macroblocchi
ESM – Codifica Video 1727 maggio 2010
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Conditional ReplenishmentConditional Replenishment
Possiamo allora suddividere i MB di una frame in “statici” (marcati con 1) e “dinamici” (con 0)
1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 0 1 1 1 1 1
1
11 1 0 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 0 0 1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
0
1
0
0
1
01
1
ESM – Codifica Video 1827 maggio 2010
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Conditional ReplenishmentConditional Replenishment
• Test
( ) γ<)()( , pphk BBd ( )
Blocco centrato nel pixel p nella frame k
Blocco centrato nel pixel p nella frame h
ESM – Codifica Video 1927 maggio 2010
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Conditional ReplenishmentConditional Replenishment
• MB statici:refine: si trasmette ( ) refine: si trasmette l’errore di predizione
skip: non vengono per ( ) γ<)()( , pp
hk BBdskip: non vengono per niente trasmessi
• MB dinamici:( ) γ>)()( pp BBdnew: si trasmette il MB
( ) γ>)()( , pphk BBd
ESM – Codifica Video 2027 maggio 2010
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Stima del movimentoStima del movimento
Bk(p) Bh
(p+v) d(v)=d(Bk(p), Bh
(p+v)) v* = arg min d(v)v
ESM – Codifica Video 2127 maggio 2010
v
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Stima del movimentoStima del movimento
( )• Test ME ( ))()( ,)( vppv += hk BBdd
• Vettore scelto )(minarg* vv d=Vettore scelto )(minarg vvv
d
• Blocco trasmesso
)()( *vpp +− hk BBtrasmesso
ESM – Codifica Video 2227 maggio 2010
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Stima del movimentoStima del movimento• Qual è il vettore “ottimo”?Qual è il vettore ottimo ?
• Compromesso tasso distorsione
)()(min arg* vvvv
rd λ+=
• Funzione di costo r(v)
v
Costo di codifica
C it i di l itàCriterio di regolaritàESM – Codifica Video 23
27 maggio 2010
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Stima del movimento: esempioStima del movimento: esempio
ESM – Codifica Video24
27 maggio 2010
![Page 25: Marco Cagnazzo Elaborazione dei Segnali Multimediali 27 ...unina.stidue.net/Elaborazione di Segnali Multimediali/Materiale/Slides/2 - Codifica...• Risoluzione : 576 × 720 pppixels](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042709/5f45110f91d8e81cf0616c5d/html5/thumbnails/25.jpg)
Stima del movimento: esempioStima del movimento: esempio
Entropia MVF: 1.675 Kbits PSNR errore predizione: 21.69 Entropia MVF: 1.430 Kbits PSNR errore predizione: 21.69
Minimizzazione SSD Minimizzazione D+λR
ESM – Codifica Video 2527 maggio 2010
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Stima del movimento: esempioStima del movimento: esempioE i MVF 8 39 Kbi PSNR di i 22 82 E i MVF 642 Kbi PSNR di i 22 9Entropia MVF: 8.397 Kbits PSNR errore predizione: 22.82 Entropia MVF: 5.642 Kbits PSNR errore predizione: 22.79
Minimizzazione SSD Minimizzazione D+λR
ESM – Codifica Video 2627 maggio 2010
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Stima del movimento: complessità vs efficienzacomplessità vs. efficienza
• Full search: n2 valutazioni del • Full search: n valutazioni del criterio
Cross search: ricerca prima in • Cross search: ricerca prima in orizzontale e poi in verticale
• Log search: raffinamenti successivi
ESM – Codifica Video 2727 maggio 2010
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Stima del movimento: full searchStima del movimento: full search
n2 valutazionidel criterio
ESM – Codifica Video 2827 maggio 2010
![Page 29: Marco Cagnazzo Elaborazione dei Segnali Multimediali 27 ...unina.stidue.net/Elaborazione di Segnali Multimediali/Materiale/Slides/2 - Codifica...• Risoluzione : 576 × 720 pppixels](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042709/5f45110f91d8e81cf0616c5d/html5/thumbnails/29.jpg)
Stima del movimento: cross searchStima del movimento: cross search
2n-1 valutazioni del criterio
ESM – Codifica Video 2927 maggio 2010
![Page 30: Marco Cagnazzo Elaborazione dei Segnali Multimediali 27 ...unina.stidue.net/Elaborazione di Segnali Multimediali/Materiale/Slides/2 - Codifica...• Risoluzione : 576 × 720 pppixels](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042709/5f45110f91d8e81cf0616c5d/html5/thumbnails/30.jpg)
Stima del movimento: log searchStima del movimento: log search
≈ 9(log2n-1) 9(log2n 1) valutazionidel criterio
ESM – Codifica Video 3027 maggio 2010
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Stima del movimento: classificazioneclassificazione
• Modello di movimento (traslazione • Modello di movimento (traslazione, rotazione, deformazione; basato su bl hi h )blocchi o su mesh, …)
• Criterio da minimizzare (SSD, SAD, Criterio da minimizzare (SSD, SAD, ottimizzato RD, psicovisuale, …)
• Strategia di ricerca (Full search, log search, …), )
ESM – Codifica Video 3127 maggio 2010
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Compressione temporale: conclusioniconclusioni
• A valle dello stadio di compressione temporale troviamo:temporale troviamo:
Sequenza difi t
Compressione Compressione codificatatemporale spaziale Buffer
Sequenza video
d’ingresso
Informazioni di movimento
ESM – Codifica Video 3227 maggio 2010
![Page 33: Marco Cagnazzo Elaborazione dei Segnali Multimediali 27 ...unina.stidue.net/Elaborazione di Segnali Multimediali/Materiale/Slides/2 - Codifica...• Risoluzione : 576 × 720 pppixels](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042709/5f45110f91d8e81cf0616c5d/html5/thumbnails/33.jpg)
Motion JPEG: il fotogramma originaleoriginale
ESM – Codifica Video 3327 maggio 2010
![Page 34: Marco Cagnazzo Elaborazione dei Segnali Multimediali 27 ...unina.stidue.net/Elaborazione di Segnali Multimediali/Materiale/Slides/2 - Codifica...• Risoluzione : 576 × 720 pppixels](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042709/5f45110f91d8e81cf0616c5d/html5/thumbnails/34.jpg)
DPCM: la differenza tra frame consecutiveconsecutive
100
150
50
100
0
-50
-100
ESM – Codifica Video 3427 maggio 2010
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CR: New & Refine blocksCR: New & Refine blocks
ESM – Codifica Video 3527 maggio 2010
![Page 36: Marco Cagnazzo Elaborazione dei Segnali Multimediali 27 ...unina.stidue.net/Elaborazione di Segnali Multimediali/Materiale/Slides/2 - Codifica...• Risoluzione : 576 × 720 pppixels](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042709/5f45110f91d8e81cf0616c5d/html5/thumbnails/36.jpg)
MC: errore compensato in movimentomovimento
ESM – Codifica Video 3627 maggio 2010
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Il codificatore video ibridoIl codificatore video ibrido• Codifica macroblocco per macroblocco• Codifica macroblocco per macroblocco
• Modi di codificaIntra: nessuna predizione temporale, trasformata spaziale p
Inter: ME/MC per la predizione temporale trasformata spazialetemporale, trasformata spaziale
Direct: vettore di movimento dedotto dai vicini; blocco copiato dal riferimentovicini; blocco copiato dal riferimento
Lossless: codifica senza perdite
ESM – Codifica Video 3727 maggio 2010
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Codifica di un MB:compromesso R/Dcompromesso R/D
Direct mode
tors
ione
Dis
t
ME/MC, Inter 16x16
CR, blocchi 16x16
no ME
ME/MC, Inter 8x8
CR, blocchi8x8
no ME, Intra Lossless
T
ESM – Codifica Video 3827 maggio 2010
Tasso
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Selezione del modo di codificaSelezione del modo di codifica• Minimizzare D per R totale assegnato• Minimizzare D per R totale assegnato
),( QiDD k
K
k∑= ),( QiRR k
K
k∑=• Il passo Q è prefissato
),(1
QiDD kk
k∑=
),(1
QiRR kk
k∑=
• Il passo Q è prefissato
• L’insieme dei modi i={ik}k deve essere scelto in modo da minimizzare
∑∑KK
QiRQiDQJ )()()( λλi ∑∑==
+=k
kkk
kk QiRQiDQJ11
),(),(),,( λλi
ESM – Codifica Video 3927 maggio 2010
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Selezione del modo di codificaSelezione del modo di codifica• Invece di cercare congiuntamente il • Invece di cercare congiuntamente il
vettore i, si sceglie separatamente il modo di ogni macroblocco minimizzando:di ogni macroblocco, minimizzando:
),(),(),,( QiRQiDQiJ kkkkkk λλ +=• La scelta del modo dipende quindi da Q e
da λ
• Q è un parametro d’ingresso
è d l• λ è determinato sperimentalmente in funzione di Q
ESM – Codifica Video 4027 maggio 2010
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Codifica di un MB:compromesso R/Dcompromesso R/D
Direct mode
tors
ione
Dis
t
ME/MC, Inter 16x16
CR, blocchi 16x16
no ME
ME/MC, Inter 8x8D+λ2R = J
CR, blocchi8x8
no ME, Intra Lossless
T
D+λ1R = J
ESM – Codifica Video 4127 maggio 2010
Tasso
![Page 42: Marco Cagnazzo Elaborazione dei Segnali Multimediali 27 ...unina.stidue.net/Elaborazione di Segnali Multimediali/Materiale/Slides/2 - Codifica...• Risoluzione : 576 × 720 pppixels](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042709/5f45110f91d8e81cf0616c5d/html5/thumbnails/42.jpg)
Struttura del codificatore ibridoStruttura del codificatore ibrido
Control
Channelx e
JPEGcoder
Input DCT Q VLC ChannelBuffer
x
xp
e
ME
Q*Inter/Intra
Frame xqMV
IDCT
eq
MC FrameBuffer
xq q
xp
ESM – Codifica Video 4227 maggio 2010
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Struttura del decodificatore ibridoStruttura del decodificatore ibrido
ChannelInput Channelbuffer VLD
MVQ*
IDCT
eqFrame xq qFrameBuffer
xq
xp
MC xq
ESM – Codifica Video 4327 maggio 2010