Основные положения системы сжатия видеосигнала MPEG 2

 

22. MPEG-2: принципы сжатия информации.

Motion JPEG (M-JPEG)

Этот алгоритм является тем же самым алгоритмом JPEG только применяемый к видеоизображению. А процесс компрессии ничем особенным не отличается, кроме того, что весь видеопоток разбивается на отдельные кадры, над которыми и происходит преобразования в формат JPEG. Стоит отметить, что при использовании этого формата средний коэффициент сжатия достигает значения 1:5. Скорость передачи видеопотока в режиме 720х576 составляет 5 Мбит/с.

MPEG-1 кодирование

Формат MPEG-1 вышел в свет в 1993 году. Для своего времени (486 процессор, зарождение массового использования компьютерных CD дисков) стандарт был очень прогрессивный.
Поскольку в качестве носителя информации был выбран CD диск, а на момент выхода стандарта CD-ROM приводы были односкоростными, получилось, что скорость видеопотока в формате MPEG-1 ограничена 150 Килобайт в секунду.

В реальной жизни это вылилось в формат NTSC 352х240, 30 кадров в секунду и формат PAL/SECAM 352х288, 25 кадров в секунду.

На первый взгляд очень мало, однако если Вы вспомните предыдущие статьи – как раз получится стандартное VHS качество изображения.

Теперь собственно об алгоритме.
Алгоритм подразумевает использование трех типов кадров (frame):
1) Ключевые кадры. Кадры типа I – Intra frame (вводный кадр). Кадры, которые сжимаются без изменений и особых потерь информации.
2) Кадры типа P – Predirected frame(кадр, использующий предыдущий). При кодировании этих кадров часть информации, которая наличествует в I кадре (или предыдущем P кадре) из P кадра удаляется. При воспроизведении P кадра используется информация из предыдущего I или P кадра.
3) Кадры типа В – Bidirectional frame(двунаправленный кадр). При кодировании этих кадров потери информации более значительны. При воспроизведении В кадра используется информация уже от двух предыдущих I или P кадров.

При кодировании MPEG-1 формируется цепочка кадров,типичная последовательность которых выглядит следующим образом:
IPBBPBBPBBIPBBPBBPBB...

После того, как алгоритм определился с разбиением видеопотока на разные типы кадров, происходит собственно кодирование кадров.

I кадр

Здесь все просто – кадр разбивается на блоки 8х8, которые и обрабатываются кодеком.

P и B кадры

Здесь несколько сложнее.
Для увеличения степени сжатия используется алгоритм предсказания движения, который в качестве входной информации получает блок 8х8 текущего кадра и аналогичные блоки от предыдущих кадров. На выходе данного алгоритма имеем следующую информацию о блоке:
1) вектор движения текущего блока относительно предыдущих
2) разницу между текущим и предыдущими блоками, которая и будет в дальнейшем кодироваться

В результате при использовании данного алгоритма можно получить приблизительно следующий коэффициент сжатия
I:P:B - 1:3:2.5

Затем идет собственно кодирование, проходящее в три стадии:
1) Дискретное косинусное преобразование (Discrete Cosine Transformation, DTC) (Ау JPEG:-))
2) Квантование (Quantization). Перевод сигнала из непрерывной формы представления в дискретную
3) Преобразование из матричной формы хранения в линейную (храним – то в потоке с последовательной выборкой)

Помимо видео происходит кодирование аудио потока. Принципы схожие, останавливаться на аудио кодировании я не стану.
Используются один из трех звуковых кодеков этого семейства – MPEG-1 Layer I, Layer II или Layer 3 (MP3).

Кодеки.

У большинства видеокарт с функцией TV -in и TV Tunerов (если не реализовано в железе) в состав программного обеспечения, входящего в комплект устройств входит и MPEG-1 кодек. Реализация может быть от терпимой до безобразной.

Наиболее распространенные кодеки семейства MPEG-1:

Рекомендации по использованию.
Не рекомендую. Единственное разумное применение – запись телевизионных передач для однократного просмотра и дальнейшего безжалостного уничтожения. Да и то это имеет смысл только на маломощных компьютерах.

MPEG-2 кодирование

Дальнейшее развитие стандарта MPEG-1. На его возникновение и массовое распространение повлияло три вещи – DVD, цифровое спутниковое телевидение и телевидение высокого разрешения – HDTV

Что же нового появилось в MPEG-2?

Помимо выросшего разрешения видеоизображения (размер кадра до 16383х16383), появилась возможность работать с блоками 8х8, 16х8 и 16х16, новые алгоритмы сжатия и удаления избыточной информации, изменяемая точность квантования сигнала.

Точность квантования – теперь можно использовать 8, 9, 10 и 11 бит на элемент. Для чего это надо? в статических сценах можно использовать низкий поток данных, для динамических сцен – увеличить точность квантования и, как следствие, потеряв в степени сжатия данных, улучшить качество изображения.