Обратите внимание, что в первом кадре первого набора находилось значение 185, а в наборе разниц находится разница 0. В этот момент предполагалось, что мы кодируем 100 кадров не из середины фильма, а как будто они у нас будут началом отдельного закодированного фрагмента. Допустим, красная цветовая плоскость опорного кадра была заполнена значением 185, поэтому для первого кадра разница между ним и плоскостью опорного кадра равна нулю.
В заключительной фазе подготовки набора байт для RLE-алгоритма кодировщик преобразует набор разниц из прямых значений в процентные отношения. Для этого каждая разница делится на 2.56 (256 / 100) и получается разница, выраженная в процентах. Посмотрите, каким получается окончательный набор байт.
00, 03, 00, 00, 00, 01, 00, 03, 00, 01, 00, 01, 00, 01, 01, 01, 04, 00, 00, 00, 01, 00, 02, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 01, 00, 00, 00, 00, 00, 53, 19, 00, 07, 14, 10, 05, 03, 16, 13, 00, 02, 01, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 01, 00, 01, 00, 00, 00, 03, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 01, 02, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 00, 01, 00, 00, 18, 00, 01, 01, 00, 00, 01
Вы видите, какие получились маленькие значения, какое количество нулей. К слову сказать, MPEG стремится к такому же большому количеству нулей, но за счет множественных потерь информации. Но PBC-кодировщику мало достигнуто результата. В его арсенале есть еще массив поведений. Закодировав полученный набор из 100 байт аналогично RLE (PBC-алгоритм в своей основе использует метод, похожий на RLE, но несколько измененный), кодировщик начинает отыскивать в сжатом фрагменте похожие участки. Нужно сказать, что данный сжатый фрагмент представляет собой поток поведений 100 кадров красной цветовой плоскости. Когда в потоке поведений (общий видеопоток) обнаруживается более одного похожего участка, кодировщик извлекает их из потока и забрасывает в свободный элемент массива поведений, а на место извлеченных участков ставит одно единственное поведение со ссылкой (с индексом) на этот элемент массива. Помещаемые в массив похожие участки поведений называются наборами поведений. Например, в окончательном наборе байт часто повторяются "не эффективно" кодируемые участки типа (00, 01), (00, 02) и (00, 03), которые сбрасываются в массив, а вместо них в поток поведений ставится одно поведение со ссылкой на соответствующие элементы массива поведений. Естественно, участки типа (00, 01) и т.п. забрасываются в массив поведений не как значения 0 и 1, а как их PBC-сжатый вариант. Принцип заполнения массива поведений чем-то похож на LZW-сжатие.
Если кодировщик привел набор байт к удобному сжатию, то массив поведений дополнительно "сгладил" неудобные для сжатия участки. Хочу обратить ваше внимание на тот факт, что при ссылке на первые 32 элемента массива поведений в общем видеопотоке расходуется всего лишь один байт, поэтому в эти элементы желательно заносить самые "корявые" с точки зрения эффективности кодирования наборы поведений. Ссылкой на остальные элементы массива всегда расходуется два байта в видеопотоке.
Но и на этом прелести PBC-сжатия не заканчиваются. Дело в том, что поведения цветовых плоскостей многих пикселей видеокадра на протяжении многих кадров один в один похожи на цветовые плоскости соседних пикселей. Например, значения тех же самых 100 кадров красной цветовой плоскости верхнего пикселя (прямо над текущим) в точности повторяли значения текущего пикселя. Значения красной цветовой плоскости пикселя справа тоже в точности повторяли текущий пиксель, но были как бы смещены на один кадр. Машина ехала через кадр с правой стороны, поэтому первым зацепила правый пиксель, а текущий пиксель воспроизвел ту же последовательность поведений цветовой плоскости, но с запозданием в один кадр. Нечего и говорить о том, что верхний пиксель над правым почти полностью походил по поведению (все же у него имелись различия в нескольких кадрах) на правый пиксель. Сбросив в свободный элемент массива поведений 100-кадровый набор поведений текущего пикселя, кодировщик может для верхнего и текущего пикселей в общем видеопотоке указать всего лишь по одному поведению, ссылающемуся на один и тот же элемент массива поведений. В общем, можно достичь высокой степени сжатия, и это при отсутствии сложности алгоритма, отсутствии необходимости в алгоритмах компенсации движения и т.п.
И это еще не все. Когда мы рассматривали, как кодировщик готовит набор байт для сжатия, я указал самый простой вариант подготовки байт, когда кодировщик "глупо" берет и заносит в подготавливаемый набор разницы цветовой плоскости между каждым смежным кадром. PBC-алгоритм предоставляет кодировщику достаточные возможности для еще более качественной подготовки набора байт для сжатия. Самый лучший подход, когда разница берется не между двумя смежными кадрами, а между начальным и конечным кадрами изменения цветовой плоскости. Если значение цветовой плоскости начало нарастать, то кодировщик ждет кадра, в котором плоскость перестанет нарастать. За время нарастания цветовой плоскости кодировщик просто подсчитывает, сколько же кадров она нарастала, а затем в видеопоток заносит, что плоскость нарастала столько-то кадров, а изменение ее значения составило столько-то процентов. Если значение цветовой плоскости начало убывать, снова ждет окончания убывания плоскости и заносит в видеопоток, что она столько кадров убывала на столько-то процентов. Когда же плоскость не изменяется, кодировщик ждет начала любого ее изменения, а в видеопоток заносит, сколько кадров она не изменялась.
Краткая справка по PBC-сжатию
Кодирование представляет собой запись видеоинформации с помощью наблюдений за изменением значений цветовых плоскостей всех пикселей кадра относительно предыдущих кадров. Всякое изменение рассматривается как разница (по модулю) между предыдущим значением и новым. Каждое изменение упаковывается в соответствующую структуру из одного, двух или трех байт и заносится в закодированный видеопоток.
Каждый следующий кадр видео анализируется по линиям - подряд от верхней линии к нижней. В каждой линии анализируются слева-направо все пиксели линии. В каждом пикселе анализируются все его три цветовые плоскости. В итоге содержимое видеокадра рассматривается как элементарный байтовый массив, где каждый байт определяет состояние соответствующей цветовой плоскости определенного пикселя кадра.
Упакованное изменение называется поведением цветовой плоскости пикселя. В поведении содержатся сведения: что происходит с цветовой плоскостью, на какую величину изменяется ее значение и сколько кадров уходит на это изменение.
Алгоритм допускает любой подход к наблюдению за изменением цветовых плоскостей. Самый простой (и самый неэффективный) подход заключается в записи данных об изменении между двумя смежными кадрами. Для этого из байтового массива текущего кадра отнимается по модулю байтовый массив предыдущего кадра (побайтно - байт массива текущего кадра минус байт с таким же смещением массива предыдущего кадра). Получившийся массив разниц заносится в закодированный видеопоток.
Самые эффективные методы включают в себя функции тщательного отслеживания окончания фазы изменения цветовой плоскости, чтобы закодированный видеопоток представлял собой последовательность прямых линий, описывающих кривую изменения цветовой плоскости. Причем тщательностью функций отслеживания можно добиться, чтобы кривая была максимально точно смоделирована из набора прямых линий.
Отсюда можно вывести, что в поведении цветовой плоскости всегда закодирована прямая линия. Угол наклона прямой линии относительно текущего значения цветовой плоскости определяется величиной следующего изменения и количеством кадров изменения. Чем длиннее прямая линия в сторону количества кадров, тем эффективнее сжатие, но и больше вероятность цветовых потерь, так как исходная кривая не всегда лежит в пределах прямой линии.
Закодированный видеопоток состоит из заголовка, массива поведений и общего видеопотока. В заголовке содержатся сведения о размере видеокадра, скорости следования кадров в секунду, отличительных особенностях кодирования видео и начальных значениях цветовых плоскостей опорного кадра.
Алгоритмом поддерживаются цветовые пространства RGB и YCbCr. Декодирование всегда осуществляется в цветовое пространство RGB. Задание изменений цветовых плоскостей может быть сделано как в виде прямых значений, так и в виде процентных отношений. Прямое значение - это натуральная величина изменения цветовой плоскости. Процентное отношение - величина изменения, выраженная в диапазоне от 0 до 100 процентов.
Опорный кадр представляет собой одинаковый по размерам с видеокадром кадр, от которого начинается декодирование первого кадра видео. Каждая цветовая плоскость опорного кадра полностью заполнена соответствующим начальным значением из заголовка закодированного видеопотока. В результате все пиксели опорного кадра заполнены одним и тем же цветом. Этот цвет можно считать некоторым подобием цвета фона первого кадра видео.
В массиве поведений находятся часто повторяющиеся наборы поведений цветовых плоскостей пикселей. Всего массив может содержать не более 8192 наборов по 256 поведений в каждом наборе. Набор поведений представляет собой несколько следующих подряд поведений цветовой плоскости пикселя. В любом наборе допускается хранить любое количество поведений, но не более 256. В массиве поведений допускается хранить любое количество наборов, но не более 8192. Также допускается не использовать массив поведений, но даже в этом случае он обязан присутствовать в закодированном видеопотоке в виде пустого массива.
В общем видеопотоке находятся разрозненные поведения цветовых плоскостей пикселей и ссылки на уже существующие в массиве поведений наборы поведений. Разрозненное поведение представляет собой одиночное поведение, мало встречающееся среди поведений цветовых плоскостей пикселей. Ссылка на набор поведений обозначает, что для некоторой цветовой плоскости под ссылкой подразумевается целая последовательность из нескольких поведений, которая уже описана в ссылаемом наборе поведений.