الإطار البيني
الإطار البيني هو إطار في دفق ضغط الفيديو يُعبّر عنه بدلالة إطار واحد أو أكثر من الإطارات المجاورة. يشير مصطلح "بيني" إلى استخدام تقنية التنبؤ بالإطارات البينية ، التي تستغل التكرار الزمني بين الإطارات المتجاورة، مما يُتيح معدلات ضغط أعلى.
التنبؤ بين الإطارات
يُقسّم الإطار المُشفّر إلى كتل تُعرف باسم الكتل الكبيرة . بعد ذلك، وبدلًا من تشفير قيم البكسل الخام لكل كتلة مباشرةً، يحاول المُشفّر إيجاد كتلة مشابهة لتلك التي يُشفّرها في إطار مُشفّر مُسبقًا، يُشار إليه بالإطار المرجعي . تتم هذه العملية بواسطة خوارزمية مطابقة الكتل . إذا نجح المُشفّر في بحثه، يُمكن تشفير الكتلة بواسطة متجه، يُعرف باسم متجه الحركة ، والذي يُشير إلى موضع الكتلة المطابقة في الإطار المرجعي. تُسمى عملية تحديد متجه الحركة بتقدير الحركة .
في معظم الحالات، ينجح المُشفِّر، ولكن من المُرجَّح ألا تكون الكتلة المُكتشفة مُطابقة تمامًا للكتلة التي يُشفِّرها. لهذا السبب، يحسب المُشفِّر الفروقات بينهما. تُعرف هذه القيم المتبقية بخطأ التنبؤ، ويجب تحويلها وإرسالها إلى المُفكِّك.
باختصار، إذا نجح المُشفِّر في إيجاد كتلة مُطابقة في إطار مرجعي، فسيحصل على متجه حركة يُشير إلى الكتلة المُطابقة، بالإضافة إلى خطأ التنبؤ. وباستخدام هذين العنصرين، سيتمكن المُفكِّك من استعادة وحدات البكسل الأصلية للكتلة. تُظهر الصورة التالية العملية كاملةً بشكلٍ بياني:
لهذا النوع من التنبؤ بعض الإيجابيات والسلبيات:
- إذا سارت الأمور على ما يرام، فسيكون بإمكان الخوارزمية العثور على كتلة مطابقة مع خطأ تنبؤ ضئيل بحيث يكون الحجم الإجمالي لمتجه الحركة بالإضافة إلى خطأ التنبؤ، بعد التحويل، أقل من حجم الترميز الخام.
- إذا فشلت خوارزمية مطابقة الكتل في إيجاد تطابق مناسب، فسيكون خطأ التنبؤ كبيرًا. وبالتالي، سيكون الحجم الإجمالي لمتجه الحركة بالإضافة إلى خطأ التنبؤ أكبر من الترميز الخام. في هذه الحالة، سيستثني المُشفِّر هذه الحالة ويرسل ترميزًا خامًا لتلك الكتلة تحديدًا.
- إذا تم ترميز الكتلة المطابقة في الإطار المرجعي باستخدام التنبؤ بين الإطارات، فإن الأخطاء التي حدثت أثناء ترميزها ستنتقل إلى الكتلة التالية. وإذا تم ترميز كل إطار باستخدام هذه التقنية، فلن يكون هناك سبيل أمام جهاز فك التشفير للمزامنة مع دفق الفيديو، لأنه سيكون من المستحيل الحصول على الصور المرجعية.
بسبب هذه العيوب، يجب استخدام إطار مرجعي موثوق ودوري زمنيًا لكي تكون هذه التقنية فعالة ومفيدة. يُعرف هذا الإطار المرجعي باسم الإطار الداخلي ، وهو مُشفّر داخليًا بشكل صارم، لذا يمكن فك تشفيره دائمًا دون الحاجة إلى معلومات إضافية.
في معظم التصاميم، يوجد نوعان من الإطارات البينية: إطارات P وإطارات B. عادةً ما تتحد هذه الإطارات مع إطارات I (الصور المشفرة داخليًا) في مجموعة صور ( GOP ). لا يحتاج إطار I إلى معلومات إضافية لفك تشفيره، ويمكن استخدامه كمرجع موثوق. كما يتيح هذا الهيكل تحقيق دورية إطار I، وهو أمر ضروري لمزامنة جهاز فك التشفير.
أنواع الإطارات
الفرق بين إطارات P وإطارات B هو الإطار المرجعي الذي يُسمح لهما باستخدامه.
إطار P
يُستخدم مصطلح "إطار P" لوصف الصور المتوقعة مسبقًا. ويتم التنبؤ بناءً على صورة سابقة، غالبًا ما تكون إطار I أو إطار P، مما يقلل من حجم بيانات الترميز المطلوبة (حوالي 50% مقارنةً بحجم إطار I).
تتضمن كمية البيانات اللازمة لإجراء هذا التنبؤ متجهات الحركة ومعاملات التحويل التي تصف تصحيح التنبؤ. ويتضمن ذلك استخدام تعويض الحركة .
إطار على شكل حرف B
يُطلق مصطلح B-frame على الصور التي يتم التنبؤ بها ثنائياً. يستهلك هذا النوع من أساليب التنبؤ بيانات ترميز أقل من P-frames عموماً (حوالي 25% مقارنةً بحجم I-frame) لأن التنبؤ يتم إما من إطار سابق أو لاحق أو كليهما. (قد تكون B-frames أقل كفاءة من P-frames في بعض الحالات، [ 1 ] مثل: الترميز غير الفاقد للبيانات).
على غرار إطارات P، تُعبَّر إطارات B عن طريق متجهات الحركة ومعاملات التحويل. ولتجنب تزايد خطأ الانتشار، لا تُستخدم إطارات B كمرجع لإجراء تنبؤات لاحقة في معظم معايير التشفير. مع ذلك، في طرق التشفير الأحدث (مثل H.264/MPEG-4 AVC و HEVC )، يمكن استخدام إطارات B كمرجع لتحسين استغلال التكرار الزمني. [ 2 ] [ 3 ]
هيكل نموذجي لمجموعة من الصور (GOP)
يتكون هيكل مجموعة الصور (GOP) النموذجي من IBBPBBP... يُستخدم الإطار I للتنبؤ بالإطار P الأول، ويُستخدم هذان الإطاران أيضًا للتنبؤ بالإطارين B الأول والثاني. يُتنبأ بالإطار P الثاني باستخدام الإطار I الأول. يتحد كلا الإطارين P للتنبؤ بالإطارين B الثالث والرابع. يوضح الشكل التالي المخطط:
يشير هذا الهيكل إلى وجود مشكلة، إذ أن الإطار الرابع (إطار P) ضروري للتنبؤ بالإطارين الثاني والثالث (إطار B). لذا، نحتاج إلى إرسال إطار P قبل إطاري B، مما سيؤدي إلى تأخير الإرسال (سيكون من الضروري الاحتفاظ بإطار P). يتميز هذا الهيكل بنقاط قوة:
- يقلل ذلك من مشكلة المناطق غير المغطاة المحتملة.
- تحتاج إطارات P وإطارات B إلى بيانات أقل من إطارات I، لذلك يتم إرسال بيانات أقل.
لكن له نقاط ضعف:
- يؤدي ذلك إلى زيادة تعقيد وحدة فك التشفير، مما قد يعني الحاجة إلى المزيد من الذاكرة لإعادة ترتيب الإطارات، وقليلًا من قوة المعالجة الإضافية.
- قد تؤدي الإطارات B إلى اعتمادية فك التشفير مما يزيد حتماً من زمن استجابة فك التشفير.
تحسينات في التنبؤ بين الإطارات في ترميز H.264
أهم التحسينات التي طرأت على تقنية H.264 مقارنةً بالمعايير السابقة لها (وخاصةً MPEG-2 ) هي:
- تقسيم أكثر مرونة للكتل
- دقة تصل إلى ¼ بكسل لتعويض الحركة
- مراجع متعددة
- ماكرو محسّن للتنفيذ المباشر/التخطي
تقسيم أكثر مرونة للكتل
تقسيم كتلة الإضاءة إلى 16×16 ( MPEG-2 )، و16×8، و8×16، و8×8. تسمح الحالة الأخيرة بتقسيم الكتلة إلى كتل جديدة بحجم 4×8، أو 8×4، أو 4×4.
يتم تقسيم الإطار المراد ترميزه إلى كتل متساوية الحجم كما هو موضح في الصورة أعلاه. ستكون كل كتلة متوقعة عبارة عن كتل بنفس حجم الصور المرجعية، مع إزاحة طفيفة.
دقة تصل إلى ¼ بكسل لتعويض الحركة
يتم الحصول على وحدات البكسل في موضع نصف البكسل عن طريق تطبيق مرشح بطول 6.
H=[1 -5 20 20 -5 1]، أي نصف بكسل "b" = A - 5B + 20C + 20D - 5E + F
يتم الحصول على وحدات البكسل عند موضع ربع البكسل عن طريق الاستيفاء الثنائي الخطي .
بينما سمح معيار MPEG-2 بدقة نصف بكسل، يسمح معيار Inter frame بدقة تصل إلى ربع بكسل. هذا يعني أنه من الممكن البحث عن كتلة في الإطار المراد ترميزه في إطارات مرجعية أخرى، أو يمكننا استكمال البكسلات غير الموجودة للعثور على كتل أكثر ملاءمة للكتلة الحالية. إذا كان متجه الحركة عددًا صحيحًا من وحدات العينات، فهذا يعني أنه من الممكن العثور في الصور المرجعية على الكتلة المُعوضة المتحركة. أما إذا لم يكن متجه الحركة عددًا صحيحًا، فسيتم الحصول على التنبؤ من البكسلات المستكملة بواسطة مرشح استكمال في الاتجاهين الأفقي والرأسي.
مراجع متعددة
تتيح المراجع المتعددة لتقدير الحركة إيجاد أفضل مرجع في مخزنين مؤقتين محتملين (القائمة 0 للصور السابقة، والقائمة 1 للصور اللاحقة) يحتوي كل منهما على ما يصل إلى 16 إطارًا. [ 4 ] [ 5 ] يتم التنبؤ بالكتل من خلال مجموع مرجح للكتل من الصورة المرجعية. وهذا يُحسّن جودة الصورة في المشاهد التي تشهد تغييرات في المستوى أو التكبير، أو عند ظهور أجسام جديدة.
ماكرو محسّن للتنفيذ المباشر/التخطي
يُستخدم وضعا التخطي والمباشر بكثرة، خاصةً مع إطارات B. فهما يُقللان بشكل كبير عدد البتات المراد ترميزها. يُشار إلى هذين الوضعين عندما يتم ترميز كتلة دون إرسال خطأ متبقٍ أو متجهات حركة. يسجل المُشفِّر فقط أنها كتلة ماكرو للتخطي. يستنتج المُفكِّك متجه حركة الكتلة المُرمَّزة بوضعي المباشر/التخطي من الكتل الأخرى التي تم فك ترميزها مسبقًا.
هناك طريقتان لاستنتاج الحركة: 
- زمني
- يستخدم متجه حركة الكتلة من إطار القائمة 1، الموجود في نفس الموضع، لاستنتاج متجه الحركة. تستخدم كتلة القائمة 1 كتلة من القائمة 0 كمرجع.
- مكاني
- يتنبأ هذا الأسلوب بحركة الكتل الكبيرة المجاورة في نفس الإطار. ومن المعايير الممكنة نسخ متجه الحركة من كتلة مجاورة. تُستخدم هذه الأساليب في المناطق المتجانسة من الصورة حيث لا توجد حركة كبيرة.
في الشكل أعلاه، تمثل المربعات الوردية مربعات مشفرة بنظام Direct/Skip Mode. وكما نرى، فهي تُستخدم بكثرة، وخاصة في إطارات B.
معلومات إضافية
على الرغم من أن استخدام مصطلح "إطار" شائع في الاستخدام غير الرسمي، إلا أنه في كثير من الحالات (كما هو الحال في المعايير الدولية لترميز الفيديو بواسطة MPEG و VCEG ) يتم تطبيق مفهوم أكثر عمومية باستخدام كلمة "صورة" بدلاً من "إطار"، حيث يمكن أن تكون الصورة إما إطارًا كاملاً أو حقلًا متشابكًا واحدًا .
تُقلل برامج ترميز الفيديو مثل MPEG-2 و H.264 و Ogg Theora من كمية البيانات في البث عن طريق إضافة إطار أو أكثر بين الإطارات الرئيسية. ويمكن ترميز هذه الإطارات عادةً باستخدام معدل بت أقل من معدل البت المطلوب للإطارات الرئيسية، لأن معظم الصورة يكون متشابهًا، وبالتالي لا يلزم ترميز سوى الأجزاء المتغيرة.
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ "منتدى Doom9 - عرض مشاركة واحدة - سؤال حول x264 بدون فقدان الجودة" .
- ↑ "إطارات B الهرمية أو هرم B - ضغط الفيديو" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 15-06-2017 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24-03-2019 .
- ↑ "إعدادات X264 - MeWiki" . mewiki.project357.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 18 نوفمبر 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 يناير 2022 .
- ↑ "سؤال مبتدئ بخصوص الإطار B في AVC - منتدى Doom9" .
- ↑ "مخرجات إحصائيات X264، الجزء "ref B L1"" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-11-2014.
- برنامج H.264: http://iphome.hhi.de/suehring/tml/download/
- تي. ويغاند، جي. جيه. سوليفان، جي. بيونتيجارد، إيه. لوثرا: نظرة عامة على معيار ترميز الفيديو H.264/AVC . معاملات IEEE في الدوائر والأنظمة لتكنولوجيا الفيديو، المجلد 13، العدد 7، يوليو 2003
- تكنولوجيا الأفلام والفيديو
- خوارزميات الضغط