Введение

Искажение медиа, вызванное сжатием с потерями данных. Артефакт сжатия (или артефакт) — это заметное искажение медиа (включая изображения, аудио и видео), вызванное применением сжатия с потерями. Сжатие данных с потерями предполагает отбрасывание части данных медиа, чтобы они стали достаточно малыми для хранения на необходимом дисковом пространстве или передачи (потоковой передачи) в пределах доступной полосы пропускания (известной как скорость передачи данных или битрейт). Если компрессор не может сохранить достаточно данных в сжатой версии, результатом является потеря качества или появление артефактов. Алгоритм сжатия может быть недостаточно интеллектуальным, чтобы различать искажения, не имеющие большого субъективного значения, и те, которые неприятны пользователю. Наиболее распространенными цифровыми артефактами сжатия являются блоки DCT, вызванные алгоритмом сжатия дискретного косинусного преобразования (DCT), используемым во многих стандартах цифровых медиа, таких как форматы файлов JPEG, MP3 и MPEG. Или датамошинг. Технически, артефакт сжатия — это особый класс ошибок данных, обычно являющийся следствием квантования при сжатии данных с потерями. При использовании трансформационного кодирования он обычно проявляется в виде одной из базисных функций трансформационного пространства кодера.

Артефакты границы блока

При низких битовых скоростях любая схема блочного кодирования с потерями приводит к появлению видимых артефактов в пиксельных блоках и на границах блоков. Эти границы могут быть границами блоков преобразования, границами блоков предсказания или и теми, и другими, и могут совпадать с границами макроблоков. Термин "макроблокировка" обычно используется независимо от причины возникновения артефакта. Другие названия включают блокирование, разбиение на плитки, мозаичность, пикселизация, лоскутное шитье и шахматную доску. Блочные артефакты являются следствием самого принципа блочного преобразования. Преобразование (например, дискретное косинусное преобразование) применяется к блоку пикселей, и для достижения сжатия с потерями коэффициенты преобразования каждого блока квантуются. Чем ниже битовая скорость, тем грубее представляются коэффициенты и тем больше коэффициентов квантуется до нуля. Статистически, изображения содержат больше низкочастотных, чем высокочастотных составляющих, поэтому после квантования сохраняется преимущественно низкочастотный контент, что приводит к размытым блокам с низким разрешением. В крайнем случае сохраняется только коэффициент DC, то есть коэффициент, представляющий средний цвет блока, и блок преобразования после восстановления становится одноцветным. Поскольку этот процесс квантования применяется к каждому блоку независимо, соседние блоки квантуют коэффициенты по-разному. Это приводит к разрывам на границах блоков, которые наиболее заметны на однородных участках изображения, где мало деталей, маскирующих эффект.

Уменьшение артефакта изображения

Были предложены различные подходы к уменьшению эффектов сжатия изображений, но для использования стандартизированных методов сжатия/декомпрессии и сохранения преимуществ сжатия (например, снижение затрат на передачу и хранение), многие из этих методов фокусируются на "постобработке" – то есть обработке изображений при получении или просмотре. Ни одна техника постобработки не продемонстрировала улучшение качества изображения во всех случаях; следовательно, ни одна из них не получила широкого распространения, хотя некоторые были реализованы и используются в проприетарных системах. Многие программы для редактирования фотографий, например, имеют собственные алгоритмы снижения артефактов JPEG. Потребительское оборудование часто называет эту постобработку "шумоподавлением MPEG". Граничные артефакты в JPEG можно преобразовать в более приятные "зерна", похожие на те, что встречаются на фотопленках с высокой чувствительностью. Вместо простого умножения квантованных коэффициентов на шаг квантования Q, соответствующий 2D-частоте, к деквантованному коэффициенту можно добавить интеллектуальный шум в виде случайного числа в интервале 1=[Q/2; Q/2]. Этот метод можно интегрировать в JPEG-декомпрессоры, работающие с триллионами существующих и будущих JPEG-изображений. Таким образом, это не является техникой "постобработки". Эффект ореола можно уменьшить на этапе кодирования, превысив значения DCT и подавив кольца. Постеризация обычно возникает только при низком качестве, когда постоянной составляющей уделяется недостаточно внимания. Настройка таблицы квантования помогает решить эту проблему.

Видео

При использовании предсказания движения, как в MPEG 1, MPEG 2 или MPEG 4, артефакты сжатия, как правило, сохраняются на протяжении нескольких поколений декомпрессированных кадров и перемещаются вместе с оптическим потоком изображения, что приводит к специфическому эффекту, находящемуся между эффектом живописи и движущейся "грязью" на объектах сцены. Ошибки данных в сжатом битовом потоке, вызванные, возможно, ошибками передачи, могут приводить к ошибкам, схожим с крупным квантованием, или полностью нарушать разбор потока данных на короткое время, вызывая "распад" изображения. В случае серьёзных ошибок в битовом потоке, декодеры продолжают применять обновления к поврежденному изображению в течение короткого промежутка времени, создавая эффект "фантомного изображения", пока не будет получен следующий независимо сжатый кадр. В кодировании изображений MPEG такие кадры известны как "I-кадры", где 'I' обозначает "внутрикадровый" (intra). До получения следующего I-кадра декодер может выполнять сокрытие ошибок.

Границы блока компенсации движения

Разрывы границ блоков могут возникать на границах блоков предсказания с компенсацией движения. При сжатии видео с компенсацией движения текущий кадр предсказывается путем смещения блоков (макроблоков, парциальных блоков или блоков предсказания) пикселей из ранее декодированных кадров. Если два соседних блока используют различные векторы движения, на границе между ними возникнет разрыв.

Шум комаров

Артефакты сжатия видео включают в себя совокупный эффект сжатия составляющих его кадров. Например, ореолы или другие искажения на границах в последовательных кадрах проявляются как мерцающая размытость точек вокруг краев, известная как "шум комаров", из-за сходства с роем комаров вокруг объекта. Этот "шум комаров" возникает из-за блочного алгоритма дискретного косинусного преобразования (DCT), используемого в большинстве стандартов видеокодирования, таких как форматы MPEG.

Сокращение видео артефактов

Артефакты на границах блоков можно уменьшить, применив фильтр деблокировки. Как и при кодировании изображений, фильтр деблокировки можно применить к выходу декодера в качестве постобработки. В кодировании видео с предсказанием движения и замкнутым циклом предсказания, кодировщик использует выход декодера в качестве опорного кадра для предсказания будущих кадров. Для этого кодировщик концептуально включает в себя декодер. Если этот "декодер" выполняет деблокировку, то деблокированное изображение используется в качестве опорного для компенсации движения, что повышает эффективность кодирования за счет предотвращения распространения блочных артефактов между кадрами. Это называется фильтром деблокировки в цикле (in-loop deblocking filter). Стандарты, определяющие фильтр деблокировки в цикле, включают VC-1, H.263 Annex J, H.264/AVC и H.265/HEVC.

Аудио

Сжатие аудио с потерями обычно работает с психоакустической моделью — моделью восприятия человеческого слуха. Форматы с потерями обычно используют преобразование во временной/частотной области, такое как модифицированное дискретное косинусное преобразование. С помощью психоакустической модели используются эффекты маскировки, такие как частотная и временная маскировка, чтобы звуки, которые должны быть неслышными, не записывались. Например, как правило, человек не способен воспринимать тихий тон, звучащий одновременно с похожим, но более громким тоном. Алгоритм сжатия с потерями может определить этот тихий тон и попытаться удалить его. Кроме того, шум квантования можно "скрыть", маскируя его более заметными звуками. При слабом сжатии используется консервативная психоакустическая модель с небольшими размерами блоков. Если психоакустическая модель неточна, размер блока преобразования ограничен или используется агрессивное сжатие, это может привести к артефактам сжатия. Артефакты сжатия в сжатом аудио обычно проявляются в виде звона, предыскажений, "артефактов щебетания", пропусков, треска, колебаний, металлического звона, ощущения нахождения под водой, шипения или "зернистости". Примером артефактов сжатия в аудио являются аплодисменты в относительно сильно сжатом аудиофайле (например, MP3 со скоростью 96 кбит/с). В целом, музыкальные тоны имеют повторяющиеся волновые формы и более предсказуемые изменения громкости, в то время как аплодисменты по сути случайны, поэтому их сложно сжать. В сильно сжатом фрагменте аплодисментов могут возникать "металлический звон" и другие артефакты сжатия.

Художественное использование

Артефакты сжатия могут преднамеренно использоваться как визуальный стиль, иногда известный как глюк-арт. В работах Розы Менкман используются артефакты сжатия, в частности, дискретные косинусные преобразования (DCT-блоки), встречающиеся в большинстве форматов сжатия данных цифровых медиа, таких как цифровые изображения JPEG и цифровой звук MP3. В статичных изображениях, например, работы Томаса Руффа, немецкого фотографа, который использует преднамеренные JPEG-артефакты как основу стиля изображения. В видеоарте одним из приемов является datamoshing, когда два видео переплетаются, и промежуточные кадры интерполируются из двух разных источников. Другой прием заключается в простом перекодировании из одного формата видео с потерями в другой, что использует различия в обработке информации о движении и цвете разными видеокодеками. Эта техника была впервые применена художниками Бертраном Планесом в сотрудничестве с Кристианом Жакменом в 2006 году с использованием DivXPrime, Свеном Кёнигом, Такеши Муратой, Жаком Перконте и Полом Б. Дэвисом в сотрудничестве с Paperrad, а в последнее время – Дэвидом О’Рейли, а также в музыкальных клипах для Chairlift и Набилом Элдеркином в клипе "Welcome to Heartbreak" для Канье Уэста. Существует также жанр интернет-мемов, где часто бессмысленные изображения намеренно сильно сжимаются, иногда многократно, для создания комического эффекта. Изображения, созданные с помощью этой техники, часто называют "deep fried" (дословно: "глубоко жареными").