गति प्रतिकरण

कंप्यूटिंग में गति मुआवजा, एक एल्गोरिथम तकनीक है जिसका उपयोग वीडियो में कैमरे और/या वस्तुओं की गति के हिसाब से पिछले और/या भविष्य के फ्रेम दिए जाने पर वीडियो में एक फ्रेम की भविष्यवाणी करने के लिए किया जाता है। यह वीडियो संपीड़न के लिए वीडियो डेटा के एन्कोडिंग में कार्यरत है, उदाहरण के लिए MPEG-2 फ़ाइलों की पीढ़ी में। मोशन कंपंसेशन एक तस्वीर का वर्णन एक संदर्भ तस्वीर को वर्तमान तस्वीर में बदलने के संदर्भ में करता है। संदर्भ चित्र समय से पहले या भविष्य से भी हो सकता है। जब छवियों को पहले प्रेषित/संग्रहीत छवियों से सटीक रूप से संश्लेषित किया जा सकता है, तो संपीड़न दक्षता में सुधार किया जा सकता है।

असतत कोसाइन परिवर्तन (डीसीटी) के साथ-साथ मोशन मुआवजा वीडियो कोडिंग मानकों में उपयोग की जाने वाली दो प्रमुख वीडियो संपीड़न तकनीकों में से एक है। अधिकांश वीडियो कोडिंग मानक, जैसे कि H.26x और MPEG प्रारूप, आमतौर पर गति-क्षतिपूर्ति DCT हाइब्रिड कोडिंग का उपयोग करते हैं, ब्लॉक मोशन मुआवजा (बीएमसी) या गति-मुआवजा डीसीटी (एमसी डीसीटी) के रूप में जाना जाता है।

कार्यक्षमता
मोशन मुआवजा इस तथ्य का फायदा उठाता है कि, अक्सर, एक फिल्म के कई फिल्म फ्रेम के लिए, एक फ्रेम और दूसरे के बीच एकमात्र अंतर या तो कैमरे के हिलने या फ्रेम में किसी वस्तु के हिलने का परिणाम होता है। एक वीडियो फ़ाइल के संदर्भ में, इसका अर्थ है कि एक फ्रेम का प्रतिनिधित्व करने वाली अधिकांश जानकारी अगले फ्रेम में उपयोग की जाने वाली जानकारी के समान होगी।

गति मुआवजे का उपयोग करते हुए, एक वीडियो स्ट्रीम में कुछ पूर्ण (संदर्भ) फ़्रेम होंगे; तब बीच में फ़्रेम के लिए संग्रहीत एकमात्र जानकारी पिछले फ़्रेम को अगले फ़्रेम में बदलने के लिए आवश्यक जानकारी होगी।

सचित्र उदाहरण
गति क्षतिपूर्ति कैसे काम करती है, इसकी एक सरल सचित्र व्याख्या निम्नलिखित है। हाथी का सपना  फिल्म से लगातार दो फ्रेम लिए गए। जैसा कि छवियों से देखा जा सकता है, दो फ़्रेमों के बीच नीचे (गति मुआवजा) अंतर में पहले की छवियों की तुलना में काफी कम विवरण होता है, और इस प्रकार यह बाकी की तुलना में बहुत बेहतर होता है। इस प्रकार मुआवजा फ्रेम को एन्कोड करने के लिए आवश्यक जानकारी अंतर फ्रेम के मुकाबले बहुत छोटी होगी। इसका मतलब यह भी है कि कम संपीड़न दक्षता की लागत पर अंतर छवि का उपयोग करके जानकारी को सांकेतिक शब्दों में बदलना भी संभव है, लेकिन बिना गति प्रतिपूर्ति कोडिंग के कोडिंग जटिलता को बचाकर; वास्तव में गति प्रतिपूर्ति कोडिंग (गति आकलन, गति क्षतिपूर्ति सहित) एन्कोडिंग जटिलता के 90% से अधिक पर कब्जा कर लेती है।

एमपीईजी
MPEG में, छवियों का पूर्वानुमान पिछले फ़्रेमों से लगाया जाता है (P frames) या पिछले और भविष्य के फ्रेम से अप्रत्यक्ष रूप से (B frames). B frames अधिक जटिल हैं क्योंकि छवि अनुक्रम को प्रेषित किया जाना चाहिए और ऑर्डर से बाहर संग्रहीत किया जाना चाहिए ताकि भविष्य का फ्रेम उत्पन्न करने के लिए उपलब्ध हो B frames. गति मुआवजे का उपयोग करके फ़्रेम की भविष्यवाणी करने के बाद, सांकेतिक शब्दों में बदलनेवाला अवशिष्ट पाता है, जो तब संकुचित और प्रसारित होता है।

वैश्विक गति मुआवजा
वैश्विक गति मुआवजे में, गति मॉडल मूल रूप से कैमरा गतियों को दर्शाता है जैसे:
 * डॉली — कैमरे को आगे या पीछे ले जाना
 * ट्रैक — कैमरे को बाएँ या दाएँ ले जाना
 * बूम — कैमरे को ऊपर या नीचे ले जाना
 * पैन — कैमरे को उसके Y अक्ष के चारों ओर घुमाते हुए, दृश्य को बाएँ या दाएँ घुमाते हुए
 * झुकाएँ — कैमरे को उसके X अक्ष के चारों ओर घुमाना, दृश्य को ऊपर या नीचे ले जाना
 * रोल - व्यू एक्सिस के चारों ओर कैमरे को घुमाना

यह गतिमान वस्तुओं के बिना स्थिर दृश्यों के लिए सबसे अच्छा काम करता है।

वैश्विक गति मुआवजे के कई फायदे हैं:
 * यह आमतौर पर वीडियो अनुक्रमों में पाए जाने वाले प्रमुख गति को केवल कुछ मापदंडों के साथ मॉडल करता है। इन पैरामीटरों की बिट-दर में हिस्सेदारी नगण्य है।
 * यह फ्रेम का विभाजन नहीं करता है। यह विभाजन सीमाओं पर कलाकृतियों से बचा जाता है।
 * फ्रेम में समान स्थानिक स्थिति वाले पिक्सेल की एक सीधी रेखा (समय की दिशा में) वास्तविक दृश्य में एक निरंतर गतिमान बिंदु से मेल खाती है। अन्य एमसी योजनाएं समय की दिशा में निरंतरता का परिचय देती हैं।

एमपीईजी-4 एएसपी तीन संदर्भ बिंदुओं के साथ वैश्विक गति मुआवजे का समर्थन करता है, हालांकि कुछ कार्यान्वयन केवल एक का उपयोग कर सकते हैं। एक एकल संदर्भ बिंदु केवल ट्रांसलेशनल गति की अनुमति देता है जो अपेक्षाकृत बड़ी प्रदर्शन लागत के लिए ब्लॉक आधारित गति मुआवजे पर थोड़ा लाभ प्रदान करता है।

एक फ्रेम के भीतर चलती वस्तुओं को वैश्विक गति मुआवजे द्वारा पर्याप्त रूप से प्रदर्शित नहीं किया जाता है। इस प्रकार, स्थानीय गति अनुमान भी आवश्यक है।

ब्लॉक मोशन मुआवजा
ब्लॉक मोशन मुआवजा (बीएमसी), जिसे गति-मुआवजा असतत कोसाइन ट्रांसफॉर्म (एमसी डीसीटी) के रूप में भी जाना जाता है, सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली गति मुआवजा तकनीक है। BMC में, फ़्रेम को पिक्सेल के ब्लॉक में विभाजित किया जाता है (उदाहरण के लिए MPEG में 16×16 पिक्सेल के मैक्रो-ब्लॉक)। संदर्भ फ्रेम में समान आकार के ब्लॉक से प्रत्येक ब्लॉक की भविष्यवाणी की जाती है। पूर्वानुमानित ब्लॉक की स्थिति में स्थानांतरित किए जाने के अलावा ब्लॉक किसी भी तरह से रूपांतरित नहीं होते हैं। यह बदलाव एक मोशन वेक्टर द्वारा दर्शाया गया है।

पड़ोसी ब्लॉक वैक्टर के बीच अतिरेक का फायदा उठाने के लिए, (उदाहरण के लिए कई ब्लॉकों द्वारा कवर की गई एकल चलती वस्तु के लिए) बिट-स्ट्रीम में केवल वर्तमान और पिछले गति वेक्टर के बीच के अंतर को सांकेतिक शब्दों में बदलना आम है। इस विभेदीकरण प्रक्रिया का परिणाम गणितीय रूप से पैनिंग करने में सक्षम वैश्विक गति मुआवजे के बराबर है। आगे एन्कोडिंग पाइपलाइन के नीचे, एक एन्ट्रापी एन्कोडिंग आउटपुट आकार को कम करने के लिए शून्य वेक्टर के आसपास गति वैक्टरों के परिणामी सांख्यिकीय वितरण का लाभ उठाएगी।

पिक्सेल की एक गैर-पूर्णांक संख्या द्वारा एक ब्लॉक को स्थानांतरित करना संभव है, जिसे उप-पिक्सेल परिशुद्धता कहा जाता है। इन-बीच के पिक्सेल पड़ोसी पिक्सेल को प्रक्षेपित करके उत्पन्न होते हैं। सामान्यतः, आधा-पिक्सेल या चौथाई पिक्सेल परिशुद्धता (Qpel, H.264 और MPEG-4/ASP द्वारा उपयोग किया जाता है) का उपयोग किया जाता है। उप-पिक्सेल परिशुद्धता का कम्प्यूटेशनल खर्च इंटरपोलेशन के लिए आवश्यक अतिरिक्त प्रसंस्करण और एन्कोडर पक्ष पर, संभावित स्रोत ब्लॉकों की एक बड़ी संख्या के मूल्यांकन के कारण बहुत अधिक है।

ब्लॉक मोशन मुआवजे का मुख्य नुकसान यह है कि यह ब्लॉक सीमाओं (अवरुद्ध कलाकृतियों) पर असंतोष का परिचय देता है। ये कलाकृतियां तेज क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर किनारों के रूप में दिखाई देती हैं जो मानव आंखों द्वारा आसानी से देखी जाती हैं और फूरियर-संबंधित परिवर्तनों की सूची के गुणांकों के परिमाणीकरण के कारण झूठे किनारों और रिंगिंग प्रभाव (उच्च आवृत्ति उप-बैंड में बड़े गुणांक) उत्पन्न करती हैं। |फूरियर से संबंधित कोडिंग बदलना उपयोग अवशिष्ट फ्रेम के कोडिंग को बदलने के लिए किया जाता है ब्लॉक मोशन कंपंसेशन मौजूदा फ्रेम को नॉन-ओवरलैपिंग ब्लॉक्स में विभाजित करता है, और मोशन कंपंसेशन वेक्टर बताता है कि वे ब्लॉक कहां से आए हैं (एक आम ग़लतफ़हमी यह है कि पिछले फ्रेम को गैर-अतिव्यापी ब्लॉकों में विभाजित किया गया है, और गति क्षतिपूर्ति वैक्टर बताते हैं कि वे ब्लॉक कहाँ जाते हैं)। स्रोत ब्लॉक आमतौर पर स्रोत फ्रेम में ओवरलैप होते हैं। कुछ वीडियो संपीड़न एल्गोरिदम वर्तमान फ़्रेम को कई अलग-अलग पूर्व-संचारित फ़्रेमों के टुकड़ों से इकट्ठा करते हैं।

फ्रेम्स को भविष्य के फ्रेम से भी भविष्यवाणी की जा सकती है। भविष्य के फ्रेम को अनुमानित फ्रेम से पहले एन्कोड करने की आवश्यकता होती है और इस प्रकार, एन्कोडिंग ऑर्डर वास्तविक फ्रेम ऑर्डर से मेल नहीं खाता है। इस तरह के फ़्रेमों की भविष्यवाणी आमतौर पर दो दिशाओं से की जाती है, यानी I- या P-फ़्रेम से जो अनुमानित फ़्रेम से तुरंत पहले या बाद में होते हैं। इन द्विदिश रूप से अनुमानित फ़्रेमों को वीडियो संपीड़न चित्र प्रकार | बी-फ़्रेम कहा जाता है। उदाहरण के लिए, एक कोडिंग योजना IBBPBBPBBBPBB हो सकती है।

इसके अलावा, गति क्षतिपूर्ति के लिए त्रिकोणीय टाइलों का उपयोग भी प्रस्तावित किया गया है। इस योजना के तहत, फ्रेम को त्रिकोणों के साथ टाइल किया जाता है, और इन त्रिकोणों पर एक परिशोधन परिवर्तन करके अगला फ्रेम उत्पन्न किया जाता है। केवल एफ़िन परिवर्तन रिकॉर्ड/प्रेषित किए जाते हैं। यह जूमिंग, रोटेशन, ट्रांसलेशन आदि से निपटने में सक्षम है।

परिवर्तनीय ब्लॉक-आकार गति मुआवजा
वेरिएबल ब्लॉक-साइज़ मोशन कंपनसेशन (VBSMC) BMC का उपयोग है जिसमें एनकोडर के लिए गतिशील रूप से ब्लॉक के आकार का चयन करने की क्षमता होती है। वीडियो कोडिंग करते समय, बड़े ब्लॉकों का उपयोग गति वैक्टर का प्रतिनिधित्व करने के लिए आवश्यक बिट्स की संख्या को कम कर सकता है, जबकि छोटे ब्लॉकों के उपयोग से एन्कोड करने के लिए भविष्यवाणी की अवशिष्ट जानकारी कम हो सकती है। कार्य के अन्य क्षेत्रों ने ब्लॉक सीमाओं से परे चर-आकार सुविधा मेट्रिक्स के उपयोग की जांच की है, जिससे इंटरफ्रेम वैक्टर की गणना की जा सकती है। पुराने डिज़ाइन जैसे H.261 और MPEG-1 वीडियो आमतौर पर एक निश्चित ब्लॉक आकार का उपयोग करते हैं, जबकि नए जैसे H.263, MPEG-4 भाग 2, H.264/MPEG-4 AVC, और VC-1 एनकोडर देते हैं गति का प्रतिनिधित्व करने के लिए किस ब्लॉक आकार का उपयोग किया जाएगा, इसे गतिशील रूप से चुनने की क्षमता।

ओवरलैप्ड ब्लॉक मोशन मुआवजा
ओवरलैप्ड ब्लॉक मोशन मुआवजा (ओबीएमसी) इन समस्याओं का एक अच्छा समाधान है क्योंकि यह न केवल भविष्यवाणी सटीकता को बढ़ाता है बल्कि कलाकृतियों को अवरुद्ध करने से भी बचाता है। ओबीएमसी का उपयोग करते समय, ब्लॉक आमतौर पर प्रत्येक आयाम में दोगुने बड़े होते हैं और सभी 8 पड़ोसी ब्लॉकों के साथ चतुर्भुज-वार ओवरलैप होते हैं। इस प्रकार, प्रत्येक पिक्सेल 4 ब्लॉकों से संबंधित है। ऐसी योजना में, प्रत्येक पिक्सेल के लिए 4 भविष्यवाणियाँ होती हैं जिन्हें एक भारित माध्य तक अभिव्यक्त किया जाता है। इस उद्देश्य के लिए, ब्लॉक एक विंडो फ़ंक्शन से जुड़े होते हैं जिसमें गुण होता है कि 4 ओवरलैप्ड विंडो का योग हर जगह 1 के बराबर होता है।

ओबीएमसी की जटिलता को कम करने के तरीकों के अध्ययन से पता चला है कि तिरछे-आसन्न ब्लॉक के लिए विंडो फ़ंक्शन में योगदान सबसे छोटा है। इस योगदान के लिए वजन को शून्य तक कम करने और अन्य वजन को समान मात्रा में बढ़ाने से गुणवत्ता में बड़े दंड के बिना जटिलता में पर्याप्त कमी आती है। ऐसी योजना में, प्रत्येक पिक्सेल तब 4 के बजाय 3 ब्लॉकों से संबंधित होता है, और 8 पड़ोसी ब्लॉकों का उपयोग करने के बजाय, प्रत्येक ब्लॉक के मुआवजे के लिए केवल 4 का उपयोग किया जाता है। ऐसी योजना H.263 अनुलग्नक F उन्नत भविष्यवाणी मोड में पाई जाती है

क्वार्टर पिक्सेल (QPel) और आधा पिक्सेल गति मुआवजा
गति मुआवजे में, चौथाई या आधे नमूने वास्तव में भिन्नात्मक गति वैक्टर के कारण प्रक्षेपित उप-नमूने होते हैं। वैक्टर और पूर्ण-नमूने के आधार पर, उप-नमूने की गणना बाइबिक या बिलिनियर 2-डी फ़िल्टरिंग का उपयोग करके की जा सकती है। H.264 मानक के उपखंड 8.4.2.2 भिन्नात्मक नमूना प्रक्षेप प्रक्रिया देखें।

3डी इमेज कोडिंग तकनीक
गति क्षतिपूर्ति का उपयोग स्टीरियोस्कोपिक वीडियो कोडिंग में किया जाता है

वीडियो में, समय को अक्सर तीसरे आयाम के रूप में माना जाता है। स्टिल इमेज कोडिंग तकनीकों को एक अतिरिक्त आयाम में विस्तारित किया जा सकता है।

जेपीईजी 2000 वेवलेट्स का उपयोग करता है, और इन्हें अनुकूली तरीके से ब्लॉक के बीच अंतराल के बिना गति को एन्कोड करने के लिए भी इस्तेमाल किया जा सकता है। फ्रैक्शनल पिक्सेल affine परिवर्तन से आसन्न पिक्सेल के बीच रक्तस्राव होता है। यदि कोई उच्च आंतरिक रिज़ॉल्यूशन का उपयोग नहीं किया जाता है, तो मई + डेल्टा छवियां ज्यादातर छवि को धुंधला करने के खिलाफ लड़ती हैं। डेल्टा छवि को वेवलेट्स के रूप में भी एन्कोड किया जा सकता है, ताकि अनुकूली ब्लॉकों की सीमाएं मेल खा सकें।

2D+डेल्टा एन्कोडिंग तकनीक H.264 और MPEG-2 संगत कोडिंग का उपयोग करती है और त्रिविम छवियों के बीच संपीड़ित करने के लिए गति क्षतिपूर्ति का उपयोग कर सकती है।

इतिहास
गति मुआवजे की अवधारणा का एक अग्रदूत 1929 से शुरू होता है, जब ब्रिटेन में आर.डी. केल ने एक एनालॉग वीडियो दृश्य के केवल भागों को प्रसारित करने की अवधारणा का प्रस्ताव रखा था जो फ्रेम-टू-फ्रेम से बदल गया था। 1959 में, एनएचके के शोधकर्ताओं वाई. टाकी, एम. होतोरी और एस. तनाका द्वारा अंतर-फ्रेम  मोशन मुआवजे की अवधारणा प्रस्तावित की गई थी, जिन्होंने अस्थायी आयाम में अनुमानित इंटर-फ्रेम वीडियो कोडिंग प्रस्तावित की थी।

गति-मुआवजा डीसीटी
प्रैक्टिकल गति-मुआवजा वीडियो संपीड़न गति-मुआवजा असतत कोसाइन ट्रांसफ़ॉर्म (MC DCT) कोडिंग के विकास के साथ उभरा, ब्लॉक मोशन मुआवजा (BMC) या DCT मोशन मुआवजा भी कहा जाता है। यह एक हाइब्रिड कोडिंग एल्गोरिथम है, जो दो प्रमुख डेटा संपीड़न तकनीकों को जोड़ती है: असतत कोसाइन ट्रांसफ़ॉर्म (DCT) कोडिंग स्थानिक आयाम में, और लौकिक आयाम में भविष्य कहनेवाला गति मुआवजा। डीसीटी कोडिंग एक हानिपूर्ण संपीड़न ब्लॉक संपीड़न परिवर्तन कोडिंग तकनीक है जिसे पहली बार एन. अहमद द्वारा प्रस्तावित किया गया था, जो शुरू में इसे 1972 में छवि संपीड़न के लिए अभिप्रेत था। 1974 में, दक्षिणी कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय में अली हबीबी ने हाइब्रिड कोडिंग की शुरुआत की, जो प्रिडिक्टिव कोडिंग को ट्रांसफॉर्म कोडिंग के साथ जोड़ती है। हालाँकि, उनका एल्गोरिथ्म शुरू में स्थानिक आयाम में इंट्रा-फ्रेम कोडिंग तक सीमित था। 1975 में, जॉन ए. रोएज़ और गनर एस. रॉबिन्सन ने हबीबी के हाइब्रिड कोडिंग एल्गोरिद्म को टेम्पोरल डाइमेंशन में ट्रांसफ़ॉर्म कोडिंग और टेम्पोरल डायमेंशन में प्रेडिक्टिव कोडिंग का उपयोग करते हुए इंटर-फ़्रेम मोशन-मुआवज़ा हाइब्रिड कोडिंग विकसित करते हुए, टेम्पोरल डायमेंशन तक बढ़ाया। स्थानिक परिवर्तन कोडिंग के लिए, उन्होंने डीसीटी और फास्ट फूरियर ट्रांसफॉर्म (एफएफटी) के साथ प्रयोग किया, दोनों के लिए इंटर-फ्रेम हाइब्रिड कोडर विकसित किया, और पाया कि डीसीटी इसकी कम जटिलता के कारण सबसे कुशल है, छवि डेटा को कम करने में सक्षम है 2- अंश प्रति पिक्सेल की आवश्यकता वाले इंट्रा-फ्रेम कोडर की तुलना में छवि गुणवत्ता वाले videotelephone दृश्य के लिए 0.25-बिट प्रति पिक्सेल।

1977 में, वेन-सिउंग चेन ने सी.एच. के साथ एक तेज़ डीसीटी एल्गोरिदम विकसित किया। स्मिथ और एस.सी. फ्रलिक। 1979 में, अनिल के. जैन (इलेक्ट्रिकल इंजीनियर, जन्म 1946) | अनिल के. जैन और जसवंत आर. जैन ने गति-प्रतिपूर्ति डीसीटी वीडियो संपीड़न विकसित किया, ब्लॉक मोशन मुआवजा भी कहा जाता है। इसने 1981 में चेन को एक व्यावहारिक वीडियो संपीड़न एल्गोरिथ्म विकसित करने के लिए प्रेरित किया, जिसे गति-क्षतिपूर्ति DCT या अनुकूली दृश्य कोडिंग कहा जाता है। मोशन-मुआवजा DCT बाद में 1980 के दशक के अंत से वीडियो संपीड़न के लिए मानक कोडिंग तकनीक बन गया।

पहला डिजिटल वीडियो कोडिंग मानक H.120 था, जिसे 1984 में ITU-T (अब ITU-T) द्वारा विकसित किया गया था। H.120 ने गति-क्षतिपूर्ति DPCM कोडिंग का उपयोग किया, जो वीडियो कोडिंग के लिए अक्षम था, और H.120 इस प्रकार कम प्रदर्शन के कारण अव्यावहारिक था। H.261 मानक 1988 में गति-क्षतिपूर्ति DCT संपीड़न के आधार पर विकसित किया गया था, और यह पहला व्यावहारिक वीडियो कोडिंग मानक था। तब से, मोशन-कंपेंसेटेड DCT कम्प्रेशन को सभी प्रमुख वीडियो कोडिंग मानकों (H.26x और MPEG फॉर्मेट सहित) द्वारा अपनाया गया है।

यह भी देखें

 * मोशन अनुमान
 * छवि स्थिरीकरण
 * इंटर फ्रेम
 * एचडीटीवी धुंधला
 * टेलीविजन मानक रूपांतरण
 * विडफायर
 * एक्स-वीडियो मोशन मुआवजा

अनुप्रयोग

 * वीडियो संपीड़न
 * 60 हर्ट्ज एलसीडी या 100 हर्ट्ज interlaced  कैथोड रे ट्यूब पर 24 फ्रेम प्रति सेकेंड मूवी प्लेबैक के लिए फ्रेम रेट का परिवर्तन

बाहरी संबंध

 * Temporal Rate Conversion - article giving an overview of motion compensation techniques.
 * A New FFT Architecture and Chip Design for Motion Compensation based on Phase Correlation
 * DCT and DFT coefficients are related by simple factors
 * DCT better than DFT also for video
 * John Wiseman, An Introduction to MPEG Video Compression
 * DCT and motion compensation
 * Compatibility between DCT, motion compensation and other methods