Бесплатная техническая библиотека

MPEG и его применение

Справочник / Искусство видео

 Комментарии к статье

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, чтобы избежать дублирование 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.

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 - группой изображений). Такая группа строится следующим образом:

Здесь:

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.

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:

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:

** 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 в сущности представляет собой частный случай JPEG компрессии - это поток, состоящий из сжатых по немного измененному алгоритму JPEG кадров. От идеи (но не принципов сжатия) MPEG в DV используется только то, что при сжатии в DV учитывается информация с двух полей одного кадра - так называемая intrafield компрессия. Поэтому для сжатия в MPEG DV изображение сначала декомпрессируется, а затем 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.

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 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?

Для MPEG-1 ответ однозначный - съемка с прогрессивной разверткой лучше, так при компрессии в MPEG-1 одно поле телевизионного изображения просто отбрасывается. Для MPEG-2 ответ на этот вопрос зависит от того, как планируется использовать созданный MPEG-2 клип. Если планируется просматривать его только на компьютере и/или аппаратного декодера нет, то лучше использовать съемку с прогрессивной разверткой - изображение будет более четким, без артефактов движения. Если же аппаратный декодер MPEG-2 есть и планируется смотреть фильм на телевизоре, то более плавные и естественные движения объектов в фильме будут при съемке в обычном режиме. Многие современные кодеры MPEG-2 разрешают выбор типа исходного фильма (прогрессивная или чересстрочная развертка), при выборе чересстрочной развертки используют поля и при выводе с аппаратного декодера на видеовыход будет восстанавливаться исходное изображение с теми же полями, что и до сжатия.

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 реальная 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. Редакторы видео с поддержкой MPEG позволяют как бы редактировать с точностью до кадра, но надо понимать, что при любых изменениях не I кадра будет выполняться рекомпрессия всей GOP, что скажется на качестве фильма отнюдь не в лучшую сторону. Наложение эффектов, переходов, фильтров также будет нельзя делать с точностью до реального кадра, что может привести к невозможности качественного воплощения художественных замыслов. Кроме этого, рекомпрессия изображения в случае MPEG-2 будет занимать значительно большее, по сравнению с DV, время и требовать более мощных процессоров для этого.

Сейчас очень популярен в России формат MPEG-4. Есть ли смысл сохранять свои фильмы в этом формате?

Формат MPEG-4 изначально создавался для передачи видео по низкоскоростным каналам и не предназначался для хранения видео. Качество изображения по MPEG-4 безусловно хуже MPEG-2, но немного лучше MPEG-1. Компрессия/декомпрессия в MPEG-4 требует значительных затрат процессорного времени и просмотр, а тем более создание видео в формате MPEG-4 на компьютере с процессором ниже Celeron II 700 весьма затруднителен. В основном MPEG-4 используется для рекомпрессии в него оригинальных MPEG-2 фильмов, записанных на DVD дисках. MPEG-4 позволяет записать на обычном CD диске часовой фильм. Сохранять же в этом формате собственные фильмы нет никакого смысла по двум основным причинам:

• Качество намного хуже оригинала.
• Отсутствует стандарт записи MPEG-4 на диск, аналогичный DVD стандарту.

Какие кодеры MPEG поддерживают работу с DV форматом и обеспечивают при этом хорошее качество?

Есть несколько популярных кодеров MPEG, поддерживающих работу с DV форматом:

• TMPEnc Encoder - программа, популярная даже не столько собственно кодировщиком MPEG, сколько инструментами для мультиплексирования, демультиплексирования и склеивания/нарезки MPEG файлов.
• Main Concept MPEG Encoder - неплохой кодер, встроенные в популярные видеоредакторы Adobe Premiere, Ulead MSP и Vegas Video.
• Canopus ProCoder - пожалуй, лучший кодировщик DV материалов.

Автор: Компания Сплайн; Публикация: pctuner.ru

 Рекомендуем интересные статьи раздела Искусство видео:

▪ Интерлейсинг и как с ним бороться

▪ Конечное DivX видео

▪ Основные правила видеосъемки

Смотрите другие статьи раздела Искусство видео.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Глазные капли, возвращающие молодость зрению 05.10.2025

С возрастом человеческий глаз постепенно теряет способность четко видеть на близком расстоянии - развивается пресбиопия, или возрастная дальнозоркость. Этот естественный процесс связан с утратой эластичности хрусталика и ослаблением цилиарной мышцы, отвечающей за фокусировку. Миллионы людей по всему миру сталкиваются с необходимостью носить очки для чтения или прибегают к хирургическим методам коррекции. Однако исследователи из Центра передовых исследований пресбиопии в Буэнос-Айресе представили решение, которое может стать удобной и неинвазивной альтернативой - специальные глазные капли, способные улучшать зрение на длительный срок. Разработку возглавила Джованна Беноцци, директор Центра. По ее словам, цель исследования состояла в том, чтобы предоставить пациентам с пресбиопией эффективный и безопасный способ коррекции зрения без хирургического вмешательства. Новые капли, созданные на основе пилокарпина и диклофенака, показали убедительные результаты: уже через час после первого пр ...>>

Цифровая рация Xiaomi Digital Walkie Talkie 05.10.2025

Компания Xiaomi представила современное устройство, объединившее классические принципы радиосвязи с возможностями цифровых технологий. Новинка под названием Xiaomi Digital Walkie Talkie демонстрирует, как привычные рации могут быть переосмыслены в духе времени. Устройство оснащено цветным дисплеем диагональю 1,57 дюйма, который отображает список контактов, параметры соединения и даже примерное местоположение собеседника. Такой подход превращает стандартную рацию в компактное средство связи, сочетающее функциональность смартфона и устойчивость профессиональной техники. Одним из ключевых преимуществ стала высокая автономность. Встроенный аккумулятор емкостью 2500 мА·ч обеспечивает до 100 часов работы в режиме ожидания и около 14 часов непрерывных разговоров, что особенно важно в экспедициях, на дальних маршрутах или в зонах, где подзарядка невозможна. Согласно данным портала unionrayo.com, такое время работы выгодно отличает устройство от большинства аналогов. По дальности дейст ...>>

Открыт обращаемый драйвер старения 04.10.2025

Недавняя работа ученых из Сямэньского университета в Китае показала, что в гипоталамусе, главном регуляторе внутренних функций организма, кроется один из ключей к продлению молодости. Команда под руководством Лиге Ленга обнаружила, что снижение уровня белка менина в гипоталамусе связано с ускорением процессов старения. Менин, как выяснилось, играет важную роль в предотвращении воспаления и поддержании нормальной работы нейронов. Когда его уровень снижается, в мозге возрастает активность воспалительных сигналов, что запускает цепную реакцию возрастных изменений во всем организме - от ослабления когнитивных функций до потери плотности костей и истончения кожи. Чтобы понять, как именно менин влияет на старение, ученые вывели генномодифицированных мышей, у которых этот белок можно было выборочно отключить. Даже у молодых животных такое вмешательство быстро привело к ухудшению памяти, снижению прочности костей и эластичности кожи, а также к укорочению жизни. Эти результаты убедительно ...>>

Случайная новость из Архива Микросхема тройного видеодрайвера FMS6418A 24.01.2004 Фирма FAIRCHILD SEMICONDUCTOR представила микросхему тройного видеодрайвера FMS6418A, способного работать как с форматом обычного телевидения, так и форматом телевидения высокой четкости. В микросхему встроены фильтры 6-го порядка с частотами 8 МГц для обычного телевидения и 30 МГц для телевидения высокой четкости. Микросхема выпускается в корпусе SOIC-16.

Другие интересные новости:

▪ Кондиционеры GE Appliance с поддержкой Apple HomeKit

▪ Куркумин предотвратит потерю зрения

▪ Влияние укусов комаров на организм

▪ Строится крупнейшая в мире цифровая камера

▪ Мантия-невидимка для солнечных панелей

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Палиндромы. Подборка статей

▪ статья Франсуа Буше. Знаменитые афоризмы

▪ статья Кто хотел создать вертолет, работающий на порохе? Подробный ответ

▪ статья Выправление велосипедной восьмерки. Личный транспорт

▪ статья Самодельная ветросиловая установка. Токоприемник. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Талышские пословицы и поговорки. Большая подборка

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025