Содержание

MPEG

Возникновение MPEG

В настоящее время наибольшую популярность в нашей стране приобрел формат DivX, использующий стандарт видео сжатия MPEG-4.

Еще несколько лет назад под цифровым телевидением понимали использование цифровых линий передачи. Аналоговый сигнал на выходе студии преобразовывался в цифровой, передавался по наземным или спутниковым линиям связи, а на приемном конце его снова превращали в аналоговый и в таком виде передавали пользователю. Затем в эту цепочку влились цифровые комплексы подготовки программ, существенно расширившие возможности режиссера и повысившие качество телевизионного изображения (или, как часто говорят специалисты, картинки). Но наиболее важным шагом к действительно цифровому телевидению стало появление систем цифрового телевизионного вещания.

С возникновения первых цифровых видеосистем началась и активная разработка методов и алгоритмов сжатия видеоданных. Это и понятно, ведь для качественной оцифровки телевизионного сигнала шириной 6 МГц необходимо работать с частотой дискретизации не менее 12 МГц, т. е. брать как минимум 12 млн отсчетов в секунду. При использовании восьмибитного кодирования получим скорость передачи сигнала яркости (для черно-белой картинки) 100—120 Мбит/с. Добавьте сюда цветовую информацию и служебные сигналы, получите цифру 270 Мбит/с. Обработать в реальном времени, передать и сохранить такой поток зачастую не под силу и современным компьютерным системам, а что уж говорить о 80-х!

Как в старой сказке о спящей красавице, к колыбели с подарками и пожеланиями пришли волшебницы. И главная из фей — MPEG (Motion Picture Experts Group), группа экспертов по подвижным изображениям, специально организованная Международной организацией по стандартизации (ISO) и Международной электротехнической комиссией (IEC). MPEG активно участвует в разработке стандартных алгоритмов сжатия, от которых всецело зависит судьба цифрового телевидения. В эту группу входят Fujitsu, General Instrument, Matsushita, Mitsubishi, Philips, Scientific Atlanta, Sony, Samsung Electronics и ряд других производителей аппаратуры сжатия, мультиплексирования и модуляции телевизионного сигнала.

Каждый новый стандарт, утверждаемый MPEG, имеет свою точку отсчета: это значение скорости передачи информации, которая зависит не только от уровня развития компьютерных технологий, но и от области применения конкретного стандарта. Воплощение алгоритмов сжатия относится к сфере ответственности производителя. Такой подход стимулирует непрекращающуюся борьбу за потребителя, а значит, и за достижение наилучших результатов.

MPEG 1

В 1988 г. немногочисленная группа молодых экспертов взялась за разработку формата хранения видеоинформации на CD-ROM и ее воспроизведения со скоростью около 1,5 Мбит/c. Поддержку ей оказала голландская фирма Philips, которая в 1956 г. выпустила на рынок первую компакт-кассету, а затем создала технологию цифровых оптических дисков (она и по сей день играет заметную роль в деятельности MPEG).

В январе 1992 г. опубликованы спецификации MPEG-1 — первого представителя семейства MPEG. В качестве стандарта они были приняты почти через два года, к декабрю 1993.

Алгоритм сжатия MPEG-1 предусматривает получение изображения с разрешением (за счет развертки) вчетверо меньшим, чем разрешение картинки вещательного телевидения: 288 активных строк по 352 отсчета в активной части каждой. Этот эффект достигнут благодаря идее «прореживания» исходного телевизионного сигнала по вертикали и горизонтали (согласно MPEG-1, изымается каждая вторая строка и каждый второй отсчет в оставшихся строках). При приеме такое изображение с помощью аппаратных или программных средств растягивается до размера полного экрана. И хотя картинка явно теряет качество, зато остается возможность смотреть полноэкранную видеозапись, даже если используются самые простенькие дисководы CD-ROM.

Таким образом, MPEG1 обеспечивает среднее качество изображения и не очень высокую степень сжатия. Использовался для создания VideoCD (Существует также разновидность этого алгоритма, предназначенная для сжатия звука, - MPEG 1 level 3 (уровень 3); аудиофайлы, сжатые с помощью этого алгоритма, имеют расширение mpЗ.)

MPEG 2

Воодушевленная успехом применения MPEG-1, группа энтузиастов приступает к работе над MPEG-2. Он был задуман как стандарт для передачи (а не для хранения и воспроизведения, подобно MPEG-1) цифрового телевизионного изображения, поэтому, конечно, хотелось обойтись без потерь четкости.

Ключевой особенностью MPEG-2 является возможность разделить результирующий, подготовленный к передаче, видеосигнал на несколько независимых потоков, содержащих сигналы различного качества. Такая функция потребуется в будущем, когда возникнет необходимость в одновременной трансляции сигнала ТВЧ (телевидения высокой четкости) и стандартного цифрового телевизионного сигнала. Они будут принимать одну и ту же программу, но с разным качеством картинки. И совместимость важна не только потому, что позволяет использовать предшествующие, более простые, системы. Она создает условия для перехода на более высокие уровни качества.

Эти и многие другие требования легли в основу стандарта ISO/IEC 13818-2, определяющего MPEG-2 как целое семейство согласованных и совместимых цифровых стандартов сжатия телевизионных сигналов с различной степенью сложности используемых алгоритмов.

Таким образом, MPEG 2 обеспечивает более высокое качество изображения и степень сжатия, чем MPEG 1. Также используется для создания SuperVideoCD.

Пример изображения в MPEG 2:

MPEG 2

MPEG 3

Повальное увлечение телевидением высокой четкости, охватившее в свое время специалистов в области телевещания, не обошло стороной и MPEG. Первоначально для сжатия сигналов ТВЧ разрабатывался самостоятельный алгоритм MPEG-3, однако на последующих этапах оказалось, что кодирование по MPEG-2 и даже по MPEG-1 (правда, с некоторой доработкой) вполне можно применять для формата ТВЧ. В результате разработка MPEG-3 была прекращена.

MPEG 4

Зато начались работы над MPEG-4 — принципиально новым объектно-ориентированным мультимедийным алгоритмом компрессии и передачи цифровых аудио- и видеосигналов, предназначенным для «кодирования аудио- и видеоданных с очень малыми скоростями передачи». И хотя разработка его спецификаций началась еще до массового признания Всемирной паутины, MPEG-4 прочат большое будущее в приложениях Internet-вещания, причем не случайно. Здесь задачи намного сложнее, чем при традиционной передаче изображений. Большего внимания требуют не только само кодирование, но и коррекция ошибок, адаптивная синхронизация. Кроме того, для обеспечения непрерывности трансляции при постоянно меняющейся доступной пропускной способности особое значение приобретает система буферизации. Все это требует принципиально иных (по сравнению с MPEG-1) технологий сжатия изображения и звука, которые и реализованы в MPEG-4.

Таким образом, MPEG 4 обеспечивает более высокое качество изображения и степень сжатия, чем MPEG 1 и MPEG 2, также поддерживает различные дополнительные возможности, например, защиту от несанкционированного копирования и создание интерактивных элементов. На сегодня - самый перспективный алгоритм сжатия видеоинформации.

Концепция сжатия

Концепция сжатия видео в MPEG очень проста - определить, какая именно информация в потоке повторяется хотя бы в течении какого-то отрезка времени и принять меры к избежанию дублирования этой информации. Наиболее ценное достоинство MPEG кодирования, особенно удобное для передачи по различным сетям - возможность гибкой настройки качества изображения в зависимости от пропускной способности сети.

Для удобства кодирования видеоданных весь видеопоток разбивается на группы, называемые GOP (Group of Pictures- группой изображений). Такая группа строится следующим образом:

Кодирование видеоданных

где:

I - Intra кадры, которые обычно называются опорными и содержат всю информацию об изображении. MPEG последовательности без этих кадров быть не может в принципе. При компрессии I кадров происходит удаление только пространственной избыточности. Именно с этого кадра начинается декодирование изображения в последовательности.

P- Predictive кадры. «Предсказанные» кадры, при формировании которых используется метод предсказания изображения на следующем кадре с учетом компенсации движения от последнего I или P кадра перед формируемым. P кадр также служит для дальнейшего предсказания изображения. P кадр создается с помощью межкадровой компрессии, уменьшающей как пространственную, так и временную избыточность. Изображение P кадра вычитается из следующего изображения и эта разница кодируется и вместе с вектором движения добавляется к сжатым данным.

B - Bi-directional, «двунаправленные» кадры. Они названы так потому, что хранят наиболее существенную информацию с окружающих их I и P кадров. B кадры имеют наивысшую степень компрессии, но требуют предыдущего и последующего изображения для компенсации движения объектов на изображении.

Собственно поток данных MPEG состоит из 6-ти иерархических уровней

Разновидности MPEG

MPEG файлы бывают различных разновидностей:

Пример изображения в формате VOB:

Формат VOB

Серии кадров независимо группируются в MPEG файлах. Это значит, что Вы можете разрезать/соединять MPEG фалы стандартными файловыми средствами, и он остаётся полностью функциональным.

Одно из основных преимуществ MPG’ов это то, что в них есть поле, описывающее соотношение сторон видео потока. Например, на SVCD содержится видео разрешением 480×480, и заголовок установил его(поле) в 4:3, поэтому это будет проигрываться на 640×480.

Список источников