Mjukvarurealiserad bildtelefoni - Umeå universitet

Temporal redundans
Hitintills har komprimering av stillbilder eller enskilda bildrutor i videosekvenser och de tekniker
för detta som används diskuterats. Det finns dock stora effektivitetsvinster att göra i kompression
av rörliga bilder genom att studera hur temporal redundans, d.v.s. överflödig och över tiden dåligt
representerad information i bildsekvenser, kan reduceras. När det gäller kompression av videosekvenser
finns det ett flertal olika format och tekniker att använda, både för lagring och för överföring
av video. Vissa kan användas för båda områden men den stora skillnaden dem emellan
brukar som tidigare vara att vid lagring är det möjligt att göra större antaganden om den klient som
skall spela upp eller använda bildsekvensen. Inom bildtelefon avses naturligtvis överföring av
bilder och noteras bör att de tekniker som används för detta ofta även kan användas för lagring
även om det motsatta sällan är fallet.
Ett enkelt och illustrativt exempel på temporal redundans är vid överföring av bilder – om övre
halvan av en bild inte har förändrats sedan föregående bildruta så finns det ju ingen anledning att
sända den delen av bilden igen, mottagaren instrueras helt enkelt istället att återanvända den övre
halvan från föregående bildruta. Naturligtvis finns det en stor nackdel med denna typ av
resonemang – förlitar systemet sig på att föregående bildruta verkligen nått fram till mottagaren
intakta begränsas möjligheten till att återhämta sig från fel som beror på paketbortfall eller
temporära förkastningar av hela bildrutor. Det senare (s.k. frame drops) är för övrigt ett vanligt
problem även för användning av lokala filmsekvenser som dyker upp när den codec (kodare /
avkodare) som används för att (av)koda filmsekvensen inte hinner med. Denna typ av fel, som
uppstår när referenser till föregående bildrutor är ogiltiga, kan även fortplanta sig till efterföljande
bildrutor i en kaskadeffekt av fel. För att motverka denna effekt är det därför brukligt att
regelbundet sätta in s.k. reference frames som sänds i sin helhet och inte har några beroenden av
tidigare bildrutor.
Det är även viktigt att notera att det vid kompression för överföring finns stora skillnader i kraven
på temporala komponenter inom systemet. Handlar det om envägskommunikation (exempelvis
videoöverföring för television) så kan det i förväg läggas ner mycket tid på att identifiera temporal
redundans och koda undan denna. Handlar det om tvåvägskommunikation så kommer svarstiden
för kommunikationskanalen att stå för en stor del av användarnas uppfattning av systemets
effektivitet. Eftersom temporal redundans kan vara mycket kostsam att identifiera men även samtidigt
ge stora möjligheter till kompression så bör denna del designas noggrant.
Som tidigare noterades beror den stora effektiviteten för transformbaserad kompression på den
höga korrelationen mellan närliggande pixlar i naturliga bilder. Det är faktiskt även möjligt att
använda en tredimensionell DCT för att komprimera en bild som förändras över tiden, d.v.s. en
videosekvens. Framgången för denna metod beror då på att även korrelationen över den tredje
dimensionen (tiden) för närliggande pixlar är hög. Detta är speciellt sant för bildsekvenser med
hög bildfrekvens eftersom rörliga objekt i bilden då inte hinner förflytta sig lika långt i bilden som
de skulle med en lägre bildfrekvens. Med andra ord tenderar rörelserna av objekt i bilden att
minska när signalens bildfrekvens ökar. Detta ökar i sin tur korrelationen mellan pixlar i närliggande
bildrutor. Denna observation är viktig även om metoden med tredimensionell DCT är
olämplig för kompression för överföring (man skulle då behöva flera bilder innan det var möjligt
att ens komprimera ett enda block i den första). Även för kompression för lagring är denna metod
sällan använd, här dock eftersom det finns andra och mer effektiva metoder för elimination av
temporal redundans.
Det går även att öka den temporala redundansen i rörliga bilder med hjälp av förbehandling, ofta
genom att modellera en fysisk störningskälla och kompensera för denna. Ett exempel på detta är de
s.k. skakfilter som idag är vanliga på handhållna videokameror. Dessa är dock sällan med i bildtelefonisystem
eftersom dess kameror (av just den anledningen) monteras fixt. När det generellt
gäller system som utnyttjar temporal redundans är det värt att notera att en bildkälla av hög kvali-
48