История семейства форматов MPEG, к которому собственно и принадлежит стремительно набирающий в последнее время популярность формат MPEG-4, началась в далеком 1988 году. Именно в этом году был основан комитет Moving Pictures Expert Group, что на русский переводится примерно как экспертная группы кинематографии (движущихся изображений).

В этом же году была начата разработка формата MPEG-1, который в окончательном виде был выпущен в 1993 году. Несмотря на все очевидные недостатки этого формата, MPEG-1 по-прежнему является одним из наиболее массовых форматов видеосжатия, лишь в последнее время, начиная постепенно сдавать позиции под натиском более новых и совершенных форматов видеокомпрессии, по большей части из этого же семейства.

Формат MPEG-1 начал разрабатываться в те трудно вообразимые времена, когда не было широкодоступных носителей большого объема, в то время, как видеоданные, даже и сжатые, занимали совершенно колоссальные для конца 80-х объемы - средней продолжительности фильм имел размер больше гигабайта.

Если кто не помнит, то это была эпоха 286 и 386 процессоров, 4 Мб оперативной памяти и 250 Мб винчестер считались роскошью, а не убогостью, как сейчас, Windows была примочкой для DOS, а не наоборот, а в качестве легко переносимых носителей информации доминировали 5 дюймовые дискеты и только-только появившиеся 3,5» дискеты от фирмы SONY. В таких условиях необходимо было найти носитель, на который можно было бы записать гигабайт информации, при этом этот носитель должен был быть недорогим, иначе ни о какой массовости не могло быть и речи.

И такой носитель был найден. Как раз в эти годы впервые на платформе PC появился такой новый тип носителей информации как CD-ROM диски, которые смогли обеспечить необходимый объем информации. Правда, на один диск фильм в формате MPEG-1 все-таки не вмещался, но что мешало записать его на 2 CD, тем более, что новинка стоила очень недорого? Разумеется, первые CD-ROM проигрыватели были одно скоростными, поэтому не стоит удивляться, что максимальная скорость пересылки потока данных (bitstream) в формате MPEG-1 ограничена 150 Кб/сек., что соответствует одной скорости CD-ROM.

Надо сказать, что возможности MPEG-1 не ограничены тем низким разрешением, которое вы все видели при просмотре VIDEO-CD. В самом формате была заложена возможность сжатия и воспроизведения видеоинформации с разрешением вплоть до 4095х4095 и частотой смены кадров до 60 Гц.

Но из-за того, что поток передачи данных был ограничен 150 Кб/сек., то есть так называемый Constrained Parameters Bitstream (CPB) - зафиксированная ширина потока передачи данных, разработчики формата, а в дальнейшем и создатели кодеков на его основе, были вынуждены использовать разрешения кадра, оптимизированные под данный CPB. Наиболее широко распространенными являются два таких оптимизированных формата - это формат SIF 352х240, 30 кадров в секунду и урезанный формат PAL/SECAM 352х288, 25 кадров в секунду.

Но время шло, прогресс в области цифровых технологий шагал семимильными шагами, и вот старичку MPEG-1 понадобилась существенная доработка, чтобы угнаться за чудесами науки и техники. В результате возник формат MPEG-2, который является не революционным, а скорее, эволюционным форматом, возникнув в результате переделки MPEG-1 под нужды заказчиков. А заказчиками данного формата являлись крупнейшие массмедиа-компании, которые сделали ставку на спутниковое телевидение и нелинейный цифровой видеомонтаж.

Это сейчас формат MPEG-2 ассоциируется в первую очередь с DVD-дисками, а в 1992 году, когда стартовали работы по созданию этого формата, не существовало широко доступных носителей, на которые можно было бы записать видеоинформацию сжатую MPEG-2, но самое главное, компьютерная техника того времени не могла обеспечить нужную полосу пропускания - от 2 до 9 Мбит в секунду.

Зато данный канал могло обеспечить спутниковое телевидение с новейшим по тем временам оборудованием. Такие высокие требования к каналу вовсе не означали, что степень сжатия MPEG-2 ниже, чем у MPEG-1, наоборот, значительно выше! А вот разрешение изображения и количество кадров в секунду значительно больше, так как именно высокое качество при разумном битрейте и было той основной целью, которую поставили перед комитетом MPEG заказчики. Именно благодаря MPEG-2 и стало возможно появление телевидения высокого разрешения - HDTV, в котором изображение намного четче, чем у обычного телевидения.

Надо сказать, разработчики MPEG-2 подошли к решению поставленной проблемы творчески. Мозговой штурм, развязанный по поводу изыскания возможности удаления лишних битов и байтов из и без того уже сжатого изображения (вспомните, уже существовал MPEG-1, теперь нужно было ужать его) был начат сразу с трех сторон. Помимо улучшения алгоритмов компрессии видео (одна сторона) и аудио (другая) был найден альтернативный путь уменьшения размера конечного файла прежде ранее не использовавшийся.

Как стало известно из исследований комитета MPEG, свыше 95% видеоданных, так или иначе, повторяются в разных кадрах, причем неоднократно. Эти данные являются балластными или, если использовать термин, предложенный комитетом MPEG, избыточными. Избыточные данные удаляются практически без ущерба для изображения, на место повторяющиеся участков при воспроизведении подставляется один единственный оригинальный фрагмент.

К уже известным алгоритмам сжатия и удаления избыточной информации, которые встречались в формате MPEG-1, добавился еще один, по-видимому, наиболее эффективный. После разбивки видеопотока на фреймы, данный алгоритм анализирует содержимое очередного фрейма на предмет повторяющихся, избыточных данных.

Составляется список оригинальных участков и таблица участков повторяющихся. Оригиналы сохраняются, копии удаляются, а таблица повторяющихся участков используется при декодировании сжатого видеопотока. Результатом работы алгоритма удаления избыточной информации является превосходное высокочеткое изображение при низком битрейте. Подобное соотношение размер/качество до появления MPEG-2 считалось недостижимым.

Но и у этого алгоритма есть ограничения. Например, повторяющиеся фрагменты должны быть достаточно крупными, иначе пришлось бы заводить запись в таблице повторяющихся участков чуть ли не на каждый пиксел, что свело бы пользу от таблицы к нулю, так как ее размер превышал бы размер фрейма.

И еще оно обстоятельство делает этот алгоритм менее эффективным - наиболее полезным и эффективным было бы применение этого алгоритма не к отдельным фреймам, а ко всему видеоролику в целом, так как вероятность нахождения повторяющихся участков в большом видеоучастке намного выше, чем в отдельно взятом фрейме. Да и суммарный размер таблиц для всех фреймов намного больше, чем возможный размер одной общей таблицы. Но, к сожалению, MPEG-2 - это потоковый формат, который изначально предназначался для пересылки по спутниковым каналам или по кабельным сетям, поэтому наличие фреймов обязательное условие.

Итак, был рассмотрен один из подходов, который обеспечил существенное уменьшение размера кодируемого файла, но если бы этот трюк был один, то разработчики никогда не добились бы столь впечатляющих результатов, которые были сделаны в MPEG-2.

Всё что можно сказать о формате MPEG-3 - это то, что он разрабатывался группой MPEG как стандарт кодирования аудио и видео для Телевидения высокой четкости (High-definition television), имеющего скорость передачи данных в диапазоне от 20 до 40 Mбит/с. MPEG-3 начал разрабатываться приблизительно в то же время, что и MPEG-2.

Однако вскоре выяснилось, что те же задачи может выполнять немного модифицированная версия стандарта MPEG-2. Вскоре после этого работа по стандарту MPEG-3 была прекращена. MPEG-3 часто путают с MPEG-1 Part 3 Layer 3 (или MPEG-1 Audio Layer 3), называемым MP3.

Это глобальный мультимедиа стандарт, позволяющий передавать аудио и видео потоки профессионального качества по каналам с различной пропускной способности - от сотовых телефонов до широкополосных сетей и дальше. Обеспечивает более высокую степень сжатия, чем MPEG 1 и MPEG 2, также поддерживает различные дополнительные возможности, например, защиту от несанкционированного копирования и создание интерактивных элементов.

Спецификации стандарта MPEG-4 были установлены рабочей группой Moving Picture Experts Group (MPEG), входящей в состав организации International Organization for Standardization (ISO), разработавшей широко принятые и отмеченные наградой Emmy Award стандарты MPEG-1 и MPEG-2. Сотни разработчиков по всему миру внесли свой вклад в стандарт MPEG-4, который был окончательно сформирован в 1998 году, принят в качестве международного стандарта в 2000 году и включен в состав архитектуры QuickTime в 2002 году.

тандарт MPEG-4 представляет пользователям гибкие средства работы с мультимедийным контентом. Помимо работы с аудио и видео, формат позволяет работать с естественными и синтезированными компьютером 2D и 3D объектами, производить привязку их взаимного расположения и синхронизацию друг относительно друга, а также указывать их интерактивное взаимодействие с пользователем. Кроме того, формат обеспечивает доступ к мультимедийной информации через каналы различной пропускной способности.

Алгоритм компрессии видео в MPEG-4 работает по той же схеме, что и в предыдущих форматах. При кодировании исходного изображения кодек ищет и сохраняет ключевые кадры, на которых происходит смена сюжета. А вместо сохранения промежуточных кадров прогнозирует и сохраняет лишь информацию об изменениях в текущем кадре по отношению к предыдущему. Полученная таким образом информация сжимается по алгоритмам компрессии, аналогичным тем, что применяются в архиваторах. Компрессия звука чаще всего производится в формат MP3 или WMA. Однако возможно использование любого кодека, вплоть до применяемого в DVD шестиканального AC-3 потока (единственное требование - чтобы данный аудиокодек был установлен в системе).

Кардинальное нововведение при компрессии видео в MPEG-4 заключается в следующем. В отличие от предыдущих форматов, которые делили изображение на прямоугольники, при обработке изображений кодек оперирует объектами с произвольной формой. К примеру, человек, двигающийся по комнате, будет воспринят как отдельный объект, перемещающийся относительно неподвижного объекта - заднего плана. Естественно, алгоритмы поиска и обработки подобных объектов требуют гораздо больше вычислительных ресурсов, нежели в случае MPEG-1/2. Но с учетом быстродействия современных компьютеров последнее обстоятельство нельзя рассматривать сегодня как крупное препятствие на пути широкого распространения формата MPEG4. Для сравнения - во времена выхода MPEG-2, в 1995 году, частота процессора новых PC составляла около 100 МГц. Сегодня эта цифра возросла в десять раз!

Для нас как конечных пользователей наибольший интерес представляет именно хранение и воспроизведение видео на компьютере. Этот формат вполне можно назвать дешевой и как следствие более доступной альтернативой DVD в области развлечений.

Ссылки на дополнительную информацию: Формат MPEG-4 Семейство форматов MPEG. Часть вторая - MPEG-2 Семейство форматов MPEG. Часть первая - MPEG-1

\ Назад: alexander