Семейство форматов MPEG (mpeg, mpeg-2, HDTV)

Характеристики форматов, сравнение, история возникновения и развития.

Вступление

Прародитель этого формата - MPEG-1, не колеблясь можно назвать поистине революционным, ведь до него ничего подобного не существовало. Первые видеодиски и спутниковые телепередачи в формате MPEG-1 казались чудом - такое качество при таком относительно низком битрейте. Сжатое цифровое видео имело качество сопоставимое с качеством бытового видеомагнитофона и имело по сравнению с аналоговыми носителями массу преимуществ. 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.

Спустя несколько лет после начала работ, в октябре 1995 года через космический телевизионный спутник "Pan Am Sat" было осуществлено первое 20-канальное ТВ-вещание использующее стандарт MPEG-2. Спутник осуществлял и до сих пор осуществляет трансляцию на территории Скандинавии, Бельгии, Нидерландов, Люксембурга, Ближнего Востока и Африки.
В настоящее время идет широкая экспансия HDTV на Дальнем Востоке - в Японии и Китае.
Видеопотоки сжатые MPEG-2 с битрейтом 9 Мбит в секунду используются при студийной записи и в высококачественном цифровом видеомонтаже.

С появлением первых DVD-проигрывателей, обладающих колоссальной емкостью и относительно доступной ценой, MPEG-2, что вполне естественно был выбран в качестве основного формата компрессии видеоданных за его высокое качество и высокую степень сжатия. Именно фильмы, использующие MPEG-2, до сих пор являются главнейшим аргументом в пользу DVD.

Закончим с ретроспективным обзором MPEG-2 и попытаемся покопаться в его внутренностях. Как уже говорилось, MPEG-2 формат эволюционный, именно поэтому уместно его рассматривать, сравнивая с его именитым прародителем MPEG-1, с указанием, что же нового было внесено в исходный формат.

MPEG-2. Что нового?

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 нам 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, мы рассмотрели 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 мы увидели в MPEG-2. Разумеется, им пришлось хорошенько попотеть над уже существующими алгоритмами, буквально вылизав их и выжав все до последнего байта. Очень существенной модернизации подверглись алгоритмы сжатия видео.

Изменения в алгоритмах сжатия видеоданных по сравнению с MPEG-1

Основные изменения коснулись алгоритмов квантования, то есть алгоритмов преобразования непрерывных данных в дискретные. В MPEG-2 используется нелинейный процесс дискретно-косинусного преобразования, который гораздо эффективнее предшественника. Формат MPEG-2 предоставляет пользователям и программистам значительно большую свободу по сравнению с MPEG-1. Так теперь стало возможным в процессе кодирования задавать точность частотных коэффициентов матрицы квантования, что непосредственно влияет на качество получаемого в результате сжатия изображения (и на размер тоже). Используя MPEG-2, пользователь может задавать следующие значения точности квантования - 8, 9, 10 и 11 бит на одно значение элемента, что делает этот формат значительно более гибким по сравнению с MPEG-1, в котором было только одно фиксированное значение - 8 бит на элемент.

Также стало возможным загрузить отдельную матрицу квантования (quantization matrix) непосредственно перед каждым кадром, что позволяет добиться очень высокого качество изображения, хоть это и довольно трудоемко. Как с помощью матрицы квантования улучшить качество изображения? Не секрет что быстро движущиеся участки - традиционно слабое место для семейства MPEG, в то время как статичные участки изображения кодируются очень хорошо. Отсюда следует вывод, что нельзя статику и участки с движением кодировать одинаково. Так как качество изображения зависит от стадии квантования, которая во многом зависит от используемой матрицы квантования, то меняя эти матрицы для разных участков видеоролика можно добиться улучшения качества изображения. Многие кодеки MPEG-2 делают это автоматически, но есть программы, позволяющие помимо этого задавать матрицы квантования вручную, например перекодировщик AVI2MPG2, который можно найти в сети Internet по адресу: http://members.home.net/beyeler/bbmpeg.html.

Не обошли нововведения и алгоритмы предсказания движения. Данная секция обогатилась новыми режимами: 16x8 MC, field MC и Dual Prime. Данные алгоритмы существенно повысили качество картинки и, что немаловажно позволили делать ключевые кадры реже по сравнению с MPEG-1, увеличив, таким образом, количество промежуточных кадров и повысив степень сжатия. Основной размер блоков, на которые разбивается изображение, может быть 8х8 точек, как и MPEG-1, 16х16 и 16х8, что впрочем используется только в режиме 16х8 МС.

Из-за некоторых особенностей реализации алгоритмов предсказания движения в MPEG-2 появились некоторые ограничения на размер картинки. Теперь стало необходимо, чтобы разрешение изображения по вертикали и горизонтали было кратно 16 в режиме покадрового кодирование, и 32 по вертикали в режиме кодирования полей (field-encoder), где каждое поле состоит из двух кадров. Размер фрейма увеличился до 16383*16383.

Было введено еще два соотношения цветовых плоскостей и плоскости освещенности - 4:4:4 и 4:2:2.

Помимо вышеперечисленных улучшений в формат MPEG-2 были введены еще несколько новых нигде ранее не используемых алгоритмов компрессии видеоданных.

Наиболее важные из них - это алгоритмы под названиями Scalable Modes, Spatial scalability, Data Partitioning, Signal to Noise Ratio (SNR) Scalability и Temporal Scalability. Несомненно, эти алгоритмы внесли весьма важный вклад в успех MPEG-2 и заслуживают более подробного рассмотрения.

Scalable Modes - набор алгоритмов, который позволяет определить уровень приоритетов разных слоев видеопотока. Поток видеоданных делится на три слоя - base, middle и high. Наиболее приоритетный на данный момент слой (например, передний план) кодируется в большим битрейтом

Spatial scalability (пространственное масштабирование) - при использовании этого алгоритма, базовый слой кодируется с меньшим разрешением. В дальнейшем полученная в результате кодирования информация ислользуется в алгоритмах предсказания движения более приоритетных слоев.

Data Partitioning (дробление данных) - этот алгоритм дробит блоки размером в 64 элемента матрицы квантования на два потока. Один поток данных, более высокоприоритетный состоит из низкочастотных (наиболее критичные к качеству) компонентов, другой, соответственно менее приоритетный состоит из высокочастотных компонентов. В дальнейшем эти потоки обрабатываются по-разному. Именно поэтому в MPEG-2 и динамические и статистические сцены смотрятся весьма неплохо, в отличие от MPEG-1, где динамические сцены традиционно ужасны.

Signal to Noise Ratio (SNR) Scalability (масштабирование соотношения сигна/шум) - при действии этого алгоритма разные по приоритету слои кодируются с разным качеством. Низкоприоритетные слои более дискретизированны, более грубы, соответственно содержат меньше данных, а высокоприоритетный слой содержит дополнительную информацию, которая при декодировании позволяет восстановить высококачественное изображение.

Temporal Scalability (временное масштабирование) - после действия этого алгоритма у низкоприоритетного слоя уменьшается количество ключевых блоков информации, при этом высокоприоритетный слой, напротив содержит дополнительную информацию, которая позволяют восстановить промежуточные кадры используя для предсказания информацию менее приоритетного слоя.

У всех этих алгоритмов много общего: все они работаю со слоями потока видеоданных, использование этих алгоритмов позволяет достичь высокого сжатия при практически незаметном ухудшении картинки. Но есть еще одно свойство этих алгоритмов, возможно, что и не такое приятное. Использование любого из них, делает видеоролик абсолютно несовместимым с форматом MPEG-1. Поэтому эти алгоритмы были далеко не в каждом кодеке MPEG-2.
В результате появилось множество форматов, разного разрешения, качества, с разной степенью сжатия и с разным соотношением размер/ качество. С целью наведения порядка и окончательной стандартизации MPEG-2 комитетом MPEG были введены понятия уровней и профилей. Именно уровни и профили, а так же их комбинации позволяют однозначно описать практически любой формат из семейства MPEG-2.

Уровни

Профили

Допустимые комбинации Профилей и Уровней

Наиболее популярные стандарты

Изменения в алгоритмах сжатии аудиоданных формата MPEG-2

Основное изменение - на смену многолетнему лидеру в области сжатия звука MPEG Layer 3 пришел стандарт MPEG-2 AAC (Advanced Audio Coding), вернее целое семейство форматов.

Единственно, что хотелось бы добавить, для MPEG-2 AAC, так же как и для видео, существуют профили: базовый профиль Main, Low Complexity (LC) и Scalable Sampling Rate (SSR, требуется декодер поддерживающий VBR).

Из изменений касающихся форматов звука (не алгоритмов сжатия), можно назвать новые виды частот: 16, 22.05, 24 КГц и поддержку многоканальности - теперь вместо двух каналов, в MPEG-2 поддерживаются 5 полноценных каналов (left, center, right, left surround, right surround) + 1 низкочастотный (subwoofer).

Объединение звука и видео в формате MPEG-2

Системный уровень MPEG-2, отвечающий за синхронизацию видео и аудио, обеспечивает это объединение в 2 этапа:
Первый этап называется Packetized Elementary Stream (PES) - разбивка звукокого и видео потока на пакеты.

Второй этап может быть двух видов:

• MPEG-2 Program Stream, который полностью совместим с MPEG-1 System и используется в основном для локальных передач (носители, сеть Internet, кабельное телевидение).
• MPEG-2 Transport Stream - для передачи транспортных пакетов (длиной 188 либо 188+16 бит) двух типов (сжатые данные - PES - и сигнальную таблицу Program Specific Information - PSI) через спутниковые каналы или на плохих участках сетей, где возможно большое количество ошибок.

Послесловие

На этом заканчивается обзор MPEG-2. Вообще-то о нем можно говорить очень долго, но так всего и не рассказать. Особо интересующимся я бы посоветовал посетить http://www.mpeg.org/, там много чего интересного, правда, на английском языке.

В следующих главах речь пойдет об очень популярном в настоящее время формате MPEG-4 (хотя по сравнению с MPEG-2, это скорее регресс, чем прогресс), о его ближайшем родиче - кодеке DivX:) (именно так, со смайликом он пишется), а так же о практических советах по их использованию.