Formáty MPEG videosúborov a ich kompresia RNDr. Róbert R ohdal, PhD. 1
Formáty MPEG Moving Picture Experts Group (MPEG) je názov skupiny, ktorá vytvorila štandardy pre kompresiu pohyblivých obrazových a zvukových dát. Tieto dáta sú uložené na digitálnych médiách vo forme niektorého zo známych kontajnerových typov (avi, mpg, ogg, mp4,...) a prenášané na diaľku cez tzv. transportné prúdy (transport streams). Od r. 1988 bolo schválených 5 noriem pre rôzne použitie, líšiacich sa metódou a stupňom kompresie MPEG-1, MPEG-2, MPEG-3, MPEG-4 a MPEG-7. V súčasnosti sa používajú najmä MPEG-2 a MPEG-4. 2
MPEG-1 (1993) Je určený je určený pre stály dátový tok až do 1,5Mb/s. Používa sa pre záznam na Video-CD s rozlíšením obrazu 352 288/25Hz neprekladane (noninterlaced) a dátovým tokom 1,25Mb/s. Pre zvuk je určený dátový tok 250Kb/s s dvoma kanálmi. ol používaný aj v digitálnom satelitnom prenose predtým ako sa rozšíril MPEG-2. Zahŕňa aj populárny MP3 audio kompresný formát. 3
MPEG-2 (1995) Je vytvorený pre profesionálne účely a rozširuje formát MPEG-1 o nové vlastnosti, ktoré umožňujú jeho použitie v súčasnom televíznom priemysle. Špecifikuje aj formát pre uloženie filmov distribuovaných na DVD. Pokrýva potreby digitálnej televízie od systémov LDTV (352 288) s prenosovou rýchlosťou 4 Mb/s, cez SDTV (720 576) s 15 Mb/s až po HDTV (1920 1152) s 80 Mb/s aj s podporou prekladaného (interlaced) režimu. Prináša nielen rozšírenie v kvalite obrazu ale i zvuku, pričom môžeme použiť až 6 nezávislých kanálov. Najčastejšie sa využíva systém AC-3 (Dolby Digital). DVD filmy obsahujúce zvuk v AC3 môžu obsahovať viacej zvukových stôp. 4
MPEG-4 (1998) Využíva ďalšie kódovacie možnosti s vyššou náročnosťou, aby dosiahol vyšší kompresný faktor (Qpel, GMC). Pre použitie v mobilnej komunikácií zaviedol podporu pre nižšie dátové toky a rozlíšenia. Pridáva nové črty ako napr. VRML podporu pre 3D renderovanie, kombinované objektovo-orientované súbory (zahŕňajúc audio, video, text a VRML objekty), podporu pre DRM (Digital Rights Management) and rozličné druhy interaktivity. MPEG-4 ASP (Advanced Simple Profile; DivX a Xvid). MPEG-4 AVC = H.264 (Advanced Video Coding; x264). V súčasnosti sa ďalej rozširuje. 5
Formát MPEG Súbor typu MPEG je zložený z prúdu video a audio dát. Prúd videodát videosekvencia je vlastne sled snímkov. Videosekvencia Postupnosť obrázkov...... Obrázok Segment Makroblok lok 6
Formát MPEG MPEG využíva časovú redundanciu prítomnú v každej videosekvencii. Používa dva druhy kódovania: obrázkové a medziobrázkové. Obrázkové je založené na kompresii pomocou DCT pre redukciu priestorovej redundancie. Medziobrázkové blokovo orientované používa motion compensation pre využitie časovej redundancie. Prediktívne kódovanie súčasný snímok je vytvorený pomocou zmeny predchádzajúceho. Interpolačné kódovanie používa predchádzajúci aj nasledujúci snímok. 7
Formát MPEG MPEG prúd používa 3 typy kompresie snímkov: Intra-snímky používajú sa pre náhodný prístup (rýchle prehrávanie vpred alebo vzad) a poskytujú priemerný kompresný pomer. Prediktívne sú komprimované vzhľadom na predchádzajúci I- alebo P-snímok. Dosahujú väčší kompr. pomer. i-direkčne kódované sú komprimované s použitím predošlého aj nasledujúceho I- resp. P-snímku, aby sa dosiahol čo najväčší kompresný pomer. 8
Formát MPEG Postupnosť snímkov v MPEG prúde (MPEG stream) zahŕňa sled I-, - a P-snímkov v presne stanovenom počte. Keďže sa používajú -snímky, postupnosť snímkov pri dekódovaní sa líši od sledu v akom sa zobrazujú. I P P P I 9
MPEG I-snímky I-snímky sú komprimované podobne ako bežné statické obrázky, najčastejšie použitím podobného postupu ako v JPEG kompresii. Táto kompresia je jednoduchá a dá sa vykonávať v reálnom čase. Prevzorkovanie R G Zmena far. priestoru Y Cr Cb Rozdelenie na bloky 8x8 DCT 4:2:0 Kvantizácia 010101... Huffmanovo kódovanie RLE kódovanie Cikcak prechod 10
MPEG P-snímky Pri kompresii P-snímkov je nutné odhadnúť vektor pohybu pomocou metódy motion estimation. Metódy, ktoré ho počítajú sú časovo náročné, avšak pri celkovej kompresii P-snímkov sa dosahuje väčší komp. pomer ako u statických snímkov. MPEG formát nešpecifikuje metódu akým sa počíta. Cieľový obraz Rozdielový obraz Zdrojový obraz DCT+kvant.+ RLE+Huffmann 010111... Vektor pohybu 11
MPEG -snímky -snímky sú komprimované podobne ako P-snímky s tým rozdielom, že vektory pohybu môžu odkazovať buď na predošlý resp. nasledovný snímok alebo na oba. Predošlý obraz Cieľový obraz Nasledovný obraz 1/2 ( + ) = Rozdielový obraz Vektory pohybu DCT+kvant.+ RLE+Huffmann 010111... 12