Почему аналоговое видео не может быть сжато, как цифровое видео (пример внутри)?

Я изучаю основы аналоговых и цифровых телевизионных сигналов и наткнулся на эту ( оригинальную ссылку , теперь нет) короткую статью (см. Также следующую страницу).

Почему аналоговые видеосигналы не могут быть сжаты аналогично цифровым сигналам при использовании MPEG-2 (см. Статью выше, где они дают базовый пример того, что я понимаю под MPEG-2)? почему нельзя «игнорировать» повторяющиеся пиксели в аналоге, чтобы уменьшить использование полосы пропускания, как в цифровом?

Чтобы увидеть, что я имею в виду, обратитесь к этому вопросу . Там вы можете найти следующую картину:

Почему вы не можете просто «игнорировать» (не модулируя) линию пикселей (при условии, что она не менялась между кадрами) и уменьшить частоту сигнала данных и, следовательно, использование полосы пропускания?

Вы можете сжать аналоговое видео, чтобы оно использовало меньшую полосу пропускания за счет качества: телевидение с медленным сканированием . Используется для передачи прямого телевидения с поверхности Луны, в размытом монохромном режиме. В эти дни мы можем иметь цвет HD с поверхности Марса.

Стоит детально рассмотреть, как работают различные методы цифрового сжатия, но все они основаны на хранении предыдущих кадров или битов текущего кадра и вычислений, основанных на отличии от текущего кадра. Есть две причины, по которым вы не можете сделать это с помощью аналога:

• нет произвольного доступа , быстрая, аналоговая память. Линия задержки, упомянутая Брайаном Драммондом, является практически единственной практической технологией для аналоговой памяти, и она дает вам тот же сигнал с той же скоростью в будущем.

• аналоговые вычисления ограничены пропускной способностью и потерями. Продукт с расширенной полосой пропускания ограничивает степень, в которой вы можете ускорить его.

Обратите внимание, что каждый кадр декодирования HD h264 будет включать в себя сотни миллионов отдельных арифметических операций. Кодирование еще больше операций.

Первоначально аналоговый телевизионный сигнал был предназначен для декодирования с наименьшим практическим количеством клапанов (трубок). Таким образом, около половины пространства сигнала (30% амплитуды сигнала и почти 30% времени) выделяется исключительно для импульсов синхронизации, легко обнаруживаемых аналоговой схемой клапана, а информация об изображении остается только для другой половины.

Любые улучшения по сравнению с этой оригинальной спецификацией должны были быть реализованы совместимым способом. Таким образом, цветовой сигнал модулируется на высокочастотной несущей, которая не нарушает работу нижележащего черно-белого сигнала (хотя действительно хороший черно-белый набор покажет его в виде мелкого пестрого рисунка).

Позже, другая информация (в Великобритании, PRESFAX, тестовые сигналы - импульс и полоса, одна строка цветных полос, CEEFAX / телетекст и скрытые субтитры) были «совместимо» сжаты в номинально невидимые «неиспользуемые» строки во время синхронизации поля, но в попрактиковавшись, вы могли видеть узор движущихся точек в верхней части плохо выровненного экрана.

Сжатие не может быть реализовано таким совместимым образом ... как бы вы сохранили несколько строк изображения? Вот коробка с трубками, имейте это! Когда появился цвет, в строке задержки была сохранена одна строка цветового сигнала с низкой пропускной способностью для декодеров с задержкой PAL или SECAM «Sequential Color with Memory», но это было бы недостаточно дешево до середины 1960 - й года. Я думаю, что линия задержки была SAW (Surface Acoustic Wave) устройством.

В любом случае, сигналы, столь же регулярные, как ваш тестовый шаблон цветовой шкалы, слишком редки, чтобы их стоило оптимизировать. И если бы вы сохранили некоторое пространство сигнала на простой картинке, что бы вы сделали с ним? В любом случае сложный сигнал, такой как более типичное изображение, нуждается в полной полосе пропускания.

Аналоговый видеосигнал - это в основном сигнал. Он основан на 100% времени, и для передачи одного кадра требуется определенный промежуток времени, так как это длина волны.

Сама волна занимает определенную полосу пропускания, которая в основном равна тому, сколько данных содержится в этой волне. Можно уменьшить количество необходимой полосы пропускания с помощью различных методов фильтрации.

Аналоговое видео действительно имеет концепцию «сейчас» - один пиксель, который отображается в данный момент.

И наоборот, цифровой видеосигнал является чередующимся потоком данных. Одним из подпотоков является поток изображений. Это основанный на кадрах поток, где каждый кадр видео рассматривается как отдельный объект. Именно эта концепция кадров позволяет сжатие видео. Цифровое видео имеет понятие «этот кадр», а не «этот пиксель», поэтому оно может сравнивать соседние пиксели во всех трех измерениях (не только в двух измерениях кадра вверх / вниз влево / вправо, но и в третьем «времени»). измерение, сравнивая с прошлыми и даже будущими рамками).

Аналоговый видеосигнал может быть довольно легко преобразован в цифровой формат с помощью фрейм-граббера. Затем он может быть сжат, как и любой другой цифровой формат.

Хорошей аналогией будет аудио. Сравните старую аудиокассету с MP3. Когда вы играете на кассете, лента движется мимо считывающей головки с установленной скоростью, и считывающая головка преобразует магнетизм на кассете в этот конкретный момент времени в движение динамика.

С другой стороны, с MP3, куски данных (опять же, они называются кадрами) и декодирует их в аудио-сигнал для воспроизведения через динамик.

(примечание: это очень упрощенное описание, и в результате оно совершенно неверно;))

Редактировать: Есть разные виды того, что можно назвать сжатием. Я буду различать независимое от содержимого сжатие и зависящее от содержимого сжатие. Независимое от содержимого сжатие будет, например, уменьшать полосу пропускания сигнала, чересстрочную развертку и т. Д. Такие методы могут применяться независимо от передаваемого содержимого и, как правило, каким-либо образом снижать качество сигнала. Контентно-зависимым сжатием могут быть такие методы, как MPEG-2, которые смотрят на содержимое сигнала и удаляют дублирующиеся части изображения / звука / и т. Д. Улучшение использования полосы пропускания независимыми от содержимого методами всегда одинаково, для зависящих от содержимого методов это зависит от содержимого сигнала (при условии фиксированного качества вывода). Если имеется много дубликатов (например, неподвижное изображение, кодируемое в MPEG-2), объем данных значительно сокращается, если нет дублирования (например, кодируется случайный шум), уменьшение не происходит. На практике такие методы, как MPEG-2, гарантируют максимальное использование данных за счет снижения качества сигнала, если для его использования недостаточно дублирования.

В оставшейся части этого ответа я рассматриваю только методы сжатия, зависящие от содержимого, такие как MPEG.

В принципе, нет причин, по которым аналоговый сигнал не может быть сжат. Сжатие изначально не использовалось в аналоговом телевидении, потому что технология еще не существовала, она требует обработки аппаратного обеспечения, которое не существовало, и если бы оборудование могло быть создано вообще с технологией времени, это было бы слишком дорого.

Изменение существующего формата сигнала, например, для добавления сжатия, проблематично, потому что все приемники должны быть изменены. Это в основном то, что происходит при переходе от аналогового к цифровому во многих странах. Если все приемники должны быть обновлены или заменены в любом случае, вы могли бы также изменить сигнал на цифровой, который с современной технологией более эффективен с точки зрения затрат и пропускной способности, чем аналоговые сигналы.

Можно разработать способ добавления какого-либо дополнительного сигнала к существующему аналоговому сигналу, но если вы не хотите, чтобы все существующие приемники обновлялись, вы не можете удалить существующий аналоговый сигнал и, следовательно, не можете уменьшить использование полосы пропускания. Основной причиной, по которой страны заменяют свои аналоговые передачи цифровыми передачами вместо того, чтобы просто передавать цифровые данные рядом с аналоговыми, является ограниченный объем доступной полосы радиочастотного спектра.

Другой аспект заключается в том, что, например, чтобы не передавать строку развертки в аналоговой телевизионной передаче, если она не изменилась по сравнению с предыдущим кадром, вам необходимо решить, что именно означает «не изменилось». В цифровом сигнале значения пикселей квантованы, поэтому легко определить, когда одна строка пикселей совпадает с предыдущей строкой. В аналоговом сигнале вы никогда не найдете сигналы для двух линий развертки абсолютно одинаковыми, поэтому вам потребуется некоторый порог того, что вы считаете равным. Применяя такой порог, вы количественно определяете этот аспект сигнала, так что вы на шаг ближе к цифровому.