Что такое mpeg в телевизоре

В этой статье мы попытаемся дать представление о формате MPEG и обсудим его преимущества и недостатки для хранения, передачи и редактирования видеоданных.

Концепция

Видеоданные по своей природе занимают чрезвычайно большой объем. Над задачей возможно более эффективного сжатия видео уже много лет бьются специалисты в этой области. В начале третьего тысячелетия в связи с острой необходимостью передавать большие объемы видео по различным сетям, задача оптимального по соотношению качество/объем способа кодирования видео стала еще более актуальной.
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. Это и сделало MPEG-2 фактическим стандартом для приема/передачи цифрового телевидения по различным сетям.

Взлом телевизора Samsung LC350, чтобы играл mpeg4

К сожалению, не существует возможности однозначно оценить качество кодирования некими приборами и измерениями. Единственный критерий здесь — человек и как он воспримет сжатую информацию. Поэтому правила сжатия видеоданных при MPEG кодировании вырабатывались на основе модели восприятия человеком видеоизображений (HVS — Human Visual Sense).
Избыточность изображения согласно HVS определяется по трем основным критериям:

• Невидимые человеческим глазом детали изображения — места гашения по вертикали и горизонтали. Удаление этой информации вообще никак не сказывается на изображении
• Статистическая избыточность. Подразделяется на пространственную и временную. Под пространственной избыточностью понимаются участки изображения, на которых смежные пиксели практически одинаковы. Под временной — не изменяемые во времени фрагменты изображения.
• Избыточность по цвету и яркости — рассчитывается исходя из ограниченной чувствительности человека к небольшим изменениям цветов и яркости деталей изображения.

Как реализуется

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

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.

ОСТОРОЖНО!!! Телевизоры быстро ломаются! Срочно поменяйте настройки вашего телевизора!

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.

Такую структуру MPEG потока обычно описывают в виде дроби M/N, для которой M сообщает общее число кадров в GOP, а N — каким по счету будет очередной P кадр после предыдущего. Таким образом, GOP последовательность, изображенная на рисунке выше, может быть записана как 12/3.
Собственно поток данных MPEG состоит из 6-ти иерархических уровней:

• Блок — данные по яркости и цветности для блоков 8х8 изображения. Блоки анализируются по значениям Y (яркость), CB и CR (цветоразностные сигналы)
• Макроблок — как следует из названия, состоит из 4 простых блоков в окне 16х16 пикселей соответственно. В формате 4:2:0 макроблок содержит 4 блока яркостных данных Y и по одному CB и CR.
• Слой — содержит несколько смежных макроблоков.
• Кадр — состоит из группы слоев, содержащих изображение, которое, в свою очередь, может быть как I, так P или B.
• Группа изображений (она же GOP) — содержит последовательность кадров. Может включать до 15 кадров и должна обязательно начинаться с I кадра.
• Видеопоследовательность — должна содержать минимум одну GOP, а также заголовок в начале последовательности и код конца последовательности.

Уровни и профили MPEG

Под профилем MPEG понимается подмножество структуры битового потока сжатого видеоизображения. В пределах такого подмножества возможен широкий разброс параметров потока и, соответственно, кодеров и декодеров для них.
Под уровнем понимается ряд ограничений, применяемых к параметрам MPEG потока, например, разрешение выходного изображения, частота кадров и т.п.
Таблица ниже иллюстрирует максимальные значения ограничений, накладываемых на уровни и профили MPEG:

Профиль/ уровень	Простой I, P 4:2:0 (Simple Profile)	Основной I, P, B 4:2:0 (Main Profile)	I, P, B 4:2:2	I, P, B 4:2:0 ( SNR Scalable Profile)	Пространственный I, P, B 4:2:0 (Spatially Scalable Profile)	Высокий I, P, B 4:2:0 или 4:2:2 (High Profile)
Самый высокий (High Level)	1920×1152 80 Mbit/s	1920×1152 100 Mbit/s
Высокий (High 1440 Level)	1440×1152 60 Mbit/s	1440×1152 60 Mbit/s	1440×1152 80 Mbit/s
Основной (Main Level)	720×576 15 Mbit/s	720×576 15 Mbit/s	720×608 50 Mbit/s	720×576 15 Mbit/s	720×608 20 Mbit/s
Низкий (Low Level)	352×288 4 Mbit/s	352×288 4 Mbit/s

Эта таблица нужна в первую очередь, для понимания часто встречающихся обозначений формата конкретной записи или описаний возможности какого-либо кодера. Например, вот так может характеризоваться запись в формате MPEG-1:

**На самом деле здесь правильнее было бы написать: PAL — название аналогового стандарта телевидения, в котором был создан исходный видеофильм. Собственно MPEG фильм нельзя отнести к какой-либо системе цветного телевидения, так кадры в MPEG являются просто цифровым представлением ранее аналогового изображения и не имеют никакого отношения даже к исходной для оригинала фильма системе телевидения.

Практическое использование

Придирчивый читатель спросит — чем поможет мне в работе эта информация? Тем, кто не работает с видео, конечно, эта информация может мало что дать, но остальным может помочь в их практической работе. Многие пользователи, начавшие работать с DV видеокамерами и программами для нелинейного видеомонтажа, стали задумываться над способами сохранения своих творений если не на века, то, по крайней мере, на ближайшие несколько десятков лет. Как не странно, большинство начинающих DV видеомонтажников, еще основательно не зная MPEG, планируют хранить свои проекты именно на CD дисках в формате MPEG, даже не представляя, насколько сложно решается эта задача, если пользователь желает в MPEG варианте сохранить качество исходного DV фильма. Итак, наиболее часто встречающиеся вопросы на эту тему:

Почему я после сохранения своего фильма в формате MPEG-2 вижу, что качество его заметно ухудшилось?
Причин здесь несколько:

• С цифровой видеокамеры на компьютер сбрасывается уже компрессированное, сжатое изображение. DV, кстати, в сущности представляет собой частный случай MPEG компрессии — это поток, состоящий только из I кадров. Поэтому для сжатия в MPEG DV изображение подвергается повторному сжатию, что качества не улучшит никогда.
• Параметры компрессии были заданы неверно с точки зрения качества изображения.
• Используется быстрый, но не очень качественный кодер MPEG

Почему качество изображения на DVD дисках очень высокое, хотя это тоже MPEG-2 — можно ли получить подобное качество в домашних условиях?
Качество видео на DVD дисках действительно очень высокое. Объясняется оно двумя основными факторами — в качестве исходного видеоматериала для создания MPEG-2 варианта фильма используется несжатое видео профессионального качества, и, кроме этого, для кодирования в MPEG-2 применяются аппаратные кодеры с очень высоким качеством кодирования изображения. Стоимость таких кодеров доходит до нескольких десятков тысяч долларов США. Поэтому получить в домашних условиях подобное качество с DV фильма невозможно.

Я имею DV видеокамеру с возможностью съемки в режиме прогрессивного сканирования. Потом я хочу сохранить готовый фильм в формате MPEG. Как мне лучше снимать, в обычном чересстрочном режиме или в прогрессивном?
Так как кодеры MPEG выполняют покадровую обработку изображения, съемка с прогрессивной разверткой будет более правильным решением для последующего сохранения в MPEG формате.

Что означают параметры, которые предлагается указать до кодирования фильма в MPEG формат?
Таких параметров может быть много, но следует остановиться на наиболее важных из них:

• Profile ID и Level ID — см. таблицу выше
• Frame Intervals — для понимания того, что имеется ввиду, следует учесть, что обычно задается интервал между I кадрами, что фактически означает размер GOP, а также каким по счету будет очередной P кадр после предыдущего. Чем больше будет интервал между I кадрами, тем хуже будет качество изображения, но меньше размер результирующего файла. Кроме этого, интервал между I кадрами не рекомендуется делать больше 15.
• Motion Estimation — компенсация движения. Параметр определяет, насколько правильно будет предсказываться движение объекта и очень важен как для качества выходного изображения, так и для оценки времени кодирования. Большее значение даст лучшее качество, но значительно увеличит время работы кодера. При установке этого параметра надо понимать, что максимальное значение может быть «неподъемным» для процессора компьютера и желанный фильм может создаваться несколько суток.
• Frame sequence — параметр, во многом аналогичный Frame Intervals. Обычно предлагает выбрать вид кодирования — только I кадры, I + P кадры и I, P, B кадры, а также интервалы для P и B кадров. Что касается того, как кодировать — лучшее качество, но максимальный объем дает кодирование в только I кадры, затем соответственно, I + P и I, P, B. Классическими апробированными значениями для интервалов значениями являются P=3 и B=2. Строго говоря, для DVD принято использовать структуру 15/3 или IBBPBBPBBPBBPBB.
• Video Data Rate — скорость видеопотока. Во многих кодерах, рассчитанных на массового пользователя, это основной параметр, относительно которого кодер сам устанавливает все остальные. Измеряется обычно в мегабитах в секунду. Установив это значение и умножив его на продолжительность фильма в секундах, легко получить объем итого файла.

Я хочу хранить свои фильмы только в MPEG-2 формате. Каким образом я смогу показывать свои фильмы в MPEG-2 на телевизоре моим гостям, ведь изображение на TV выходе видеокарты очень некачественное?
Для этих целей желательно приобрести аппаратный MPEG-2 декодер, стоимость которого не превышает $65-70. Эти декодеры имеют как композитные, так и S-VHS видеовыходы и позволяют получить наивысшее качество изображения. Следует помнить, что наилучшее качество изображения всегда будет именно на телевизоре. Конечно, кодировать свои фильмы в этом случае надо будет в том профиле и уровне MPEG, который поддерживается аппаратным декодером.

Я хочу сразу сохранять фильмы в MPEG формате и в нем же редактировать. Возможно и правильно ли это делать?
Сохранять, конечно, можно, но редактировать MPEG видео очень трудно и неудобно. Дело в том, что при редактировании MPEG невозможна точная до кадра нарезка фрагментов, так как отделять фрагменты друг от друга можно только по I кадрам, иначе, при удалении опорного кадра и сохранении следующих за ним кадров, изображение потеряет читаемость. Наложение эффектов, переходов, фильтров также будет нельзя делать с точностью до кадра, что может привести к невозможности воплощения художественных замыслов. Кроме этого, рекомпрессия изображения будет занимать значительно большее, по сравнению с DV, время и требовать более мощных процессоров для этого.

По материалам сайта spline.ru

Источник: dvd-home-video.ru

Разница между MPEG2 и MPEG4

Форматы медиафайлов MPEG2 и MPEG4 — в числе самых часто используемых на современных компьютерах. Что они представляют собой?

Факты о MPEG2

MPEG2 — это фактически не один цифровой формат, а группа стандартов, применяемых для кодирования и сжатия видео- и аудиоданных. Чаще всего используется для обработки видео, предназначенного для записи на DVD, а также при организации трансляции мультимедийного потока по каналам цифрового телевидения. Видео, закодированное с помощью MPEG2, обычно воспроизводится со скоростью около 30 кадров в секунду. Сжатие звука, сопровождающего кадры, может осуществляться в нескольких каналах.

Если говорить о технических нюансах, MPEG2 позволяют кодировать видео при обеспечении точности вектора движения кадра, составляющей порядка 0,5 пикселей. Тип преобразования при данном формате — дискретный конусный с 8 функциями. Стандарты в рамках MPEG2 не предполагают использования de-blocking фильтра, который позволяет улучшить качество воспроизводимого видеопотока. Коэффициент квантования в MPEG2 — фиксированный. Для кодирования видео применяются алгоритмы VLC, Huffman.

Факты о MPEG4

MPEG4 — это также группа стандартов кодирования и сжатия цифровых данных. Фактически является результатом дальнейшего развития технологий, используемых в MPEG2. Основное его преимущество перед предшествующим стандартом — возможность включать в структуру обрабатываемого медиафайла картинки, текст, трехмерные изображения. Кроме того, технологии MPEG4 в значительной степени ориентированы на применение не только профессиональными студиями звукозаписи и видеомонтажа, но и рядовыми пользователями.

Данные, которые допустимо кодировать с помощью стандартов MPEG4, могут быть не только записаны с естественных источников (например, посредством видеосъемки или звукозаписи на микрофон), но также и сгенерированы с помощью компьютерных программ.

Касательно технологических нюансов MPEG4 следует отметить, что этот стандарт обеспечивает точность вектора движения кадра в 0,25 пикселя, задействует не дискретное конусное преобразование, а целостное с 4 функциями, предполагает использование de-blocking фильтра. Основные алгоритмы кодирования, применяемые в MPEG4, — VLC, а также CABAC.

Как считают многие современные специалисты, MPEG4 примерно на 50 % более эффективен в части кодирования видео в сравнении со стандартами MPEG2. То есть соответствующие ему технологии могут быть задействованы при более низкой пропускной способности доступных каналов, меньшем объеме дискового пространства на серверах, а также меньшей величине памяти в ТВ-приставках — если речь идет об абонентской трансляции видеопотоков.

Сравнение

Главное отличие MPEG2 от MPEG4 — в уровне технологичности обработки аудио- и видеопотоков. Кроме того, второй стандарт можно считать менее ресурсоемким — с точки зрения нагрузки каналов и ресурсов памяти на различных устройствах, используемых при передаче данных. MPEG4 поддерживает более новые алгоритмы кодирования, большее количество типов источников данных.

Определив то, в чем разница между MPEG2 и MPEG4, зафиксируем ее критерии в небольшой таблице.

Таблица

MPEG2	MPEG4
Что между ними общего?
Оба стандарта используются для кодирования и сжатия цифрового аудио и видео. MPEG4 — результат развития технологий, реализованных в MPEG2
В чем разница между ними?
Поддерживает эффективную обработку данных только с естественных источников — видео- и аудиозаписей	Поддерживает эффективную обработку также и цифровых данных, созданных с помощью компьютерных программ
Обеспечивает точность вектора движения кадра в 0,25 пикселя	Обеспечивает точность вектора движения в 0,5 пикселя
Не предполагает использования de-blocking фильтра	Предполагает использование de-blocking фильтра
Относительно ресурсоемок — требует большей пропускной способности каналов и ресурсов памяти задействуемых устройств	Примерно на 50 % менее ресурсоемок, чем MPEG2

Похожие статьи

(4 оценок, среднее: 5,00 из 5)

Источник: thedifference.ru

MPEG: Вопросы и ответы

В этой статье пойдет речь про MPEG. Больше похожих материалов доступно на нашем сайте.

161 просмотров
Что такое MPEG?

MPEG — это группа людей в ISO (Internation Standards Organization), которые встречаются для выработки стандартов сжатия цифрового видео и аудио. В частности, они определили сжатый поток и декомпрессор для него. Алгоритмы сжатия определяются индивидуально каждым производителем, в чем и достигается преимущество в рамках опубликованного международного стандарта. Группа MPEG собирается приблизительно четыре раза в год примерно на неделю. Основная работа происходит между встречами, будучи организованной и спланированной на них.

Имеет ли он отношение к JPEG?

Да, названия созвучны, и группы принадлежат одному подкомитету ISO, вместе с JBIG и MHEG. Встречаются они в одно время и в одном месте. Тем не менее это разные люди с разными целями и запросами. JPEG — это стандарт, который предназначен для сжатия неподвижных изображений, а MPEG — «живого» видео и сопутствующего аудио.

Что такое JBIG и MHEG?

JBIG — это стандарт сжатия двоичных изображений без потерь, а MHEG — стандарт, предназначенный для мультимедиаданных: интеграция неподвижных изображений, видео, аудио, текста и т. д.

Как работает MPEG видео?

Цветное цифровое изображение из сжимаемой последовательности переводится в цветовое пространство YUV (YCbCr). Компонента Y представляет собой интенсивность, а U и V — цветность. Так как человеческий глаз менее восприимчив к цветности, чем к интенсивности, то разрешения цветовых компонент могут быть уменьшены в два раза по вертикали, или и по вертикали, и по горизонтали. К анимации и высококачественному студийному видео уменьшение разрешения не применяется, чтобы сохранить качество изображения, а для бытового применения, где потоки более низкие, а аппаратура более дешевая, такое действие не приводит к заметным потерям в визуальном восприятии, сохраняя в то же время драгоценные биты данных.

Основная идея всей схемы — это предсказывать движение от кадра к кадру, а затем применить дискретное косинусное преобразование (ДКП), чтобы перераспределить избыточность в пространстве. ДКП выполняется на блоках 8х8 точек, предсказание движения выполняется на канале интенсивности (Y) на блоках 16х16 точек, или, в зависимости от характеристик исходной последовательности изображения (черезстрочная развертка, содержимое), на блоках 16х8 точек.

Другими словами, данный блок 16х16 точек в текущем кадре ищется в соответствующей области большего размера в предыдущих или последующих кадрах. Коэффициенты ДКП (исходных данных или разности этого блока и ему соответствующего) квантуются, то есть делятся на некоторое число, чтобы отбросить несущественные биты. Многие коэффициенты после такой операции оказываются нулями.

Коэффициент квантизации может изменяться для каждого макроблока (макроблок — блок 16х16 точек из Y-компонент и соответствующие блоки 8х8 в случае отношения YUV 4:2:0, 16х8 в случае 4:2:2 и 16х16 в случае 4:4:4). Коэффициенты ДКП, параметры квантизации, векторы движения и прочее кодируется по Хаффману с использованием фиксированных таблиц, определенных стандартом MPEG. Закодированные данные складываются в пакеты, которые формируют поток согласно синтаксису MPEG.

Как кадры соотносятся друг с другом?

Существует три типа закодированных кадров. I-кадры — это кадры, закодированные как неподвижные изображения без ссылок на последующие или предыдущие. Они используются как стартовые. P-кадры — это кадры, предсказанные из предыдущих I- или P-кадров. Каждый макроблок в P-кадре может идти с вектором и разностью коэффициентов ДКП от соответствующего блока последнего раскодированного I или P, или может быть закодирован как в I, если несоответствующего блока не нашлось.

И, наконец, существуют B-кадры, которые предсказаны из двух ближайших I или P-кадров, одного предыдущего и одного последующего. Соответсвующие блоки ищутся в этих кадрах и из них выбирается лучший. Ищется прямой вектор, затем обратный, и вычисляется среднее между соответствующими макроблоками в прошлом и будущем. Если это не работает, то блок может быть закодирован как в I-кадре.

Последовательность раскодированных кадров обычно выглядит как

I B B P B B P B B P B B I B B P B B P B .

Здесь 12 кадров от I до I. Это основано на требовании произвольного доступа, согласно которому начальная точка должна повторяться каждые 0,4 секунды. Соотношение P и B основано на опыте.

Чтобы декодер мог работать, необходимо, чтобы первый P-кадр в потоке встретился до первого B, поэтому сжатый поток выглядит так:

0 x x 3 1 2 6 4 5 .

где числа — это номера кадров, а xx может не быть ничем, если это начало последовательности, или B-кадры -2 и -1, если это фрагмент из середины потока.

Сначала необходимо раскодировать I-кадр, затем P, затем, имея их оба в памяти, раскодировать B. Во время декодирования P показывается I-кадр, B показывается сразу, а раскодированный P показывается во время декодирования следующего.

Как сжимается аудио?

При компрессии звука используются хорошо разработанные психоакустические модели, полученные из экспериментов с самыми взыскательными слушателями, чтобы выбросить звуки, которые не слышны человеческому уху. Это называется «маскированием». Например, большая составляющая в некоторой частоте не позволяет услышать компоненты с более низким коэффициентом в близлежащих частотах, где соотношение между энергиями частот, которые маскируются, описывается некоторой эмпирической кривой. Существуют похожие временные эффекты маскирования, а также более сложные взаимодействия, когда временной эффект может выделить частоту или наоборот.

Звук разбивается на спектральные блоки с помощью гибридной схемы, которая объединяет синусные и полосные преобразования, и психоакустической модели, описанной на языке этих блоков. Все, что можно убрать или сократить, убирается и сокращается, а остаток посылается в выходной поток. В действительности все выглядит несколько сложнее, поскольку биты должны распределяться между полосами. И, конечно же, все, что посылается, кодируется с сокращением избыточности.

Странные слухи об MPEG.

Существует множество зачастую непонятных и надуманных слухов об MPEG.

1. Коэффициент сжатия свыше 100:1

Зачастую статьи в прессе и маркетинговой литературе заявляют, что MPEG достигает необычайно высокого качества видео при степени компрессии свыше 100:1. Эти заявления обычно не включают понижение цветового разрешения исходного цифрового изображения. На практике, поток кодируемого изображения редко превышает величину потока, закодированного в MPEG, более чем в 30 раз. Предварительное сжатие за счет уменьшения цветового разрешения играет основную роль в формировании коэффициентов сжатия с 3 нулями во всех методах кодирования видео, включая отличные от MPEG.

2. MPEG-1 всегда 352×240

Как MPEG-1, так и MPEG-2, могут быть применены к широкому классу потоков, частот и размеров кадров. MPEG-1, знакомый большинству людей, используется для передачи 25 кадр/с с разрешением 352×288 в PAL или 30 кадр/с с разрешением 352×240 в NTSC при величине потока менее 1.86 Мбит/с — комбинация, известная как Constrained Parameters Bitstreams. Эти цифры введены спецификацией стандарта White Book для видео на CD (VideoCD).

Фактически, синтаксис позволяет кодировать изображения с разрешением до 4095х4095 с потоком до 100 Мбит/с. Эти числа могли бы быть и бесконечными, если бы не ограничение на количество бит в заголовках.

С появлением стандарта MPEG-2, самые популярные комбинации были объединены в уровни и профили. Самые общие из них:

• Source Input Format (SIF), 352 точки x 240 линий x 30 кадр/с, известный также как Low Level (LL) — нижний уровень,
• CCIR 601 (например 720 точек/линию x 480 линий x 30 кадр/с), или Main Level — основной уровень.

3. Компенсация движения заменяет макроблоки макроблоками из предыдущих картинок

Предсказания макроблоков формируются из соответствующих 16х16 блоков точек (16х8 в MPEG-2) из предыдущих восстановленных кадров. Никаких ограничений на положение макроблока в предыдущей картинке, кроме ее границ, не существует.

Исходные кадры (reference, из которых формируются предсказания) показаны безотносительно своей закодированной формы. Как только кадр раскодирован, он становится не набором блоков, а обычным плоским цифровым изображением из точек.

4. Размер отображаемой картинки совпадает с размером закодированной

В MPEG размеры отображаемого изображения и частота кадров может отличаться от закодированного в потоке. Например, перед кодированием некоторое подмножество кадров в исходной последовательности может быть опущено, а затем каждый кадр фильтруется и обрабатывается. При восстановлении интерполированы для восстановления исходного размера и частоты кадров.

Три фундаментальных фазы (исходная частота, кодированная и показываемая) могут отличаться в параметрах. Синтаксис MPEG описывает кодированную и показываемую частоту через заголовки, а исходная частота кадров и размер известен только кодеру. Именно поэтому в заголовки MPEG-2 введены элементы, описывающие размер экрана для вывода цифрового видео.

5. В I, P и B-фреймах все макроблоки одного типа.

В I-фрейме макроблоки должны быть закодированы как внутренние — без ссылок на предыдущие или последующие кадры, если не используются масштабируемые режимы. Однако макроблоки в P-фрейме могут быть как внутренними, так и ссылаться на предыдущие кадры. Макроблоки в B-фрейме могут быть как внутренними, так и ссылаться на предыдущий кадр, последующий или оба. В заголовке каждого макроблока есть элемент, определяющий его тип.

Источник: vc.ru