MPEG та його застосування. Мистецтво відео

КНИГИ ТА СТАТТІ
Безкоштовна бібліотека / Довідник / Мистецтво відео

MPEG та його застосування

Мистецтво відео

Концепція

Відеодані за своєю природою займають надзвичайно великий обсяг. Над завданням можливо ефективнішого стиснення відео вже багато років б'ються фахівці в цій галузі. На початку третього тисячоліття у зв'язку з гострою необхідністю передавати великі об'єми відео по різних мережах, завдання оптимального за співвідношенням якість/обсяг способу кодування відео стало ще більш актуальним.

Концепція стиснення відео в MPEG дуже проста - визначити, яка саме інформація в потоці повторюється хоча б протягом якогось відрізка часу і вжити заходів, щоб уникнути дублювання цієї інформації. Найбільш цінна перевага MPEG кодування, особливо зручна для передачі по різних мережах - можливість гнучкого налаштування якості зображення в залежності від пропускної здатності мережі. Це і зробило MPEG-2 фактичним стандартом для прийому/передачі цифрового телебачення різними мережами.

На жаль, немає можливості однозначно оцінити якість кодування деякими приладами і вимірами. Єдиний критерій тут – людина і як вона сприйме стислу інформацію. Тому правила стиснення відео при MPEG кодуванні вироблялися на основі моделі сприйняття людиною відеозображень (HVS - Human Visual Sense).

Надмірність зображення згідно з HVS визначається за трьома основними критеріями:

Невидимі людським оком деталі зображення – місця гасіння по вертикалі та горизонталі. Вилучення цієї інформації взагалі ніяк не позначається на зображенні.
Статистична надмірність. Поділяється на просторову та тимчасову. Під просторовою надмірністю розуміються ділянки зображення, у яких суміжні пікселі майже однакові. Під часовою - фрагменти зображення, що не змінюються в часі.
Надмірність за кольором та яскравістю - розраховується виходячи з обмеженої чутливості людини до невеликих змін кольорів та яскравості деталей зображення.

Як реалізується

Для зручності кодування відеоданих весь відеопотік розбивається на групи, які називають GOP (Group of Pictures - групою зображень). Така група будується так:

MPEG та його застосування

тут:

I - Intra кадри, які зазвичай називаються опорними та містять всю інформацію про зображення. MPEG послідовності без цих кадрів не може бути в принципі. При компресії I кадрів відбувається видалення лише просторової надмірності. Саме з цього кадру починається декодування зображення у послідовності.

P - Predictive кадри. "передбачені" кадри, при формуванні яких використовується метод передбачення зображення на наступному кадрі з урахуванням компенсації руху від останнього I або P кадру перед формованим. P кадр також служить для подальшого прогнозування зображення. P кадр створюється з допомогою межкадровой компресії, що зменшує як просторову, і тимчасову надмірність. Зображення P кадру віднімається з наступного зображення і ця різниця кодується і разом із вектором руху додається до стислих даних.

B - Bi-directional, "двонаправлені" кадри. Вони названі так тому, що зберігають найбільш істотну інформацію з навколишніх I і P кадрів. B кадри мають найвищий ступінь компресії, але вимагають попереднього та наступного зображення для компенсації руху об'єктів на зображенні.

Таку структуру MPEG потоку зазвичай описують у вигляді дробу M/N, для якої M повідомляє загальну кількість кадрів GOP, а N - яким за рахунком буде черговий P кадр після попереднього. Таким чином, GOP послідовність, зображена на малюнку вище, може бути записана як 12/3.

Власне потік даних MPEG складається з 6 ієрархічних рівнів:

Блок - дані по яскравості та кольоровості для блоків 8х8 зображення. Блоки аналізуються за значеннями Y (яскравість), CB і CR (цвітрозносні сигнали).
Макроблок – як випливає з назви, складається з 4 простих блоків у вікні 16х16 пікселів відповідно. У форматі 4:2:0 макроблок містить 4 блоки даних Y і по одному CB і CR.
Шар містить кілька суміжних макроблоків.
Кадр - складається з групи шарів, що містять зображення, яке, своєю чергою, може бути як I, так P або B.
Група зображень (вона ж GOP) містить послідовність кадрів. Може включати до 15 кадрів і має обов'язково починатися з I кадру.
Відеопослідовність - повинна містити щонайменше одну GOP, а також заголовок на початку послідовності та код кінця послідовності.

Рівні та профілі MPEG

Під профілем MPEG розуміється підмножина структури бітового потоку стисненого відео. У межах такого підмножини можливе широке розкидання параметрів потоку і, відповідно, кодерів і декодерів для них.

Під рівнем розуміється ряд обмежень, які застосовуються до параметрів MPEG потоку, наприклад, роздільна здатність вихідного зображення, частота кадрів і т.п.

Таблиця нижче ілюструє максимальні значення обмежень, що накладаються на рівні та профілі MPEG:

Ця таблиця потрібна в першу чергу, для розуміння часто зустрічаються позначень формату конкретного запису або описів можливості будь-якого кодера. Наприклад, ось так може характеризуватись запис у форматі MPEG:

** Насправді тут правильніше було б написати: PAL – назва аналогового стандарту телебачення, у якому було створено вихідний відеофільм. Власне MPEG фільм не можна віднести до будь-якої системи кольорового телебачення, так кадри в MPEG є просто цифровим поданням раніше аналогового зображення і не мають жодного відношення навіть до вихідної для оригіналу фільму системи телебачення.

практичне використання

Прискіпливий читач запитає – чим допоможе мені у роботі ця інформація? Тим, хто не працює з відео, звичайно, ця інформація може мало що дати, але решта може допомогти в їх практичній роботі. Багато користувачів, що почали працювати з DV відеокамерами та програмами для нелінійного відеомонтажу, стали замислюватися над способами збереження своїх творів якщо не на віки, то принаймні на найближчі кілька десятків років. Як не дивно, більшість початківців DV відеомонтажників, ще ґрунтовно не знаючи MPEG, планують зберігати свої проекти саме на CD дисках у форматі MPEG, навіть не уявляючи, наскільки складно вирішується це завдання, якщо користувач бажає в MPEG варіанті зберегти якість вихідного DV фільму. Отже, питання, що найчастіше зустрічаються на цю тему:

Чому я після збереження свого фільму у форматі MPEG-2 бачу, що якість його помітно погіршилася?

Причин тут декілька:

З цифрової відеокамери на комп'ютер скидається компресоване, стисле зображення. DV по суті є окремим випадком JPEG компресії - це потік, що складається з стислих за трохи зміненим алгоритмом JPEG кадрів. Від ідеї (але не принципів стиснення) MPEG в DV використовується тільки те, що при стисканні в DV враховується інформація з двох полів одного кадру – так звана intrafield компресія. Тому для стиснення MPEG DV зображення спочатку декомпресується, а потім піддається повторному стиску, що якості не покращить ніколи.
Параметри компресії були задані неправильно з погляду якості зображення.
Використовується швидкий, але дуже якісний кодер MPEG.

Чому якість зображення на DVD дисках дуже висока, хоча це теж MPEG-2 - чи можна отримати подібну якість у домашніх умовах?

Якість відео на DVD дисках справді дуже висока. Пояснюється воно двома основними факторами - як вихідний відеоматеріал для створення MPEG-2 варіанта фільму використовується стисло відео професійної якості, і, крім цього, для кодування в MPEG-2 застосовуються апаратні кодери з дуже високою якістю кодування зображення. Вартість таких кодерів сягає кількох десятків тисяч доларів США. Тому отримати в домашніх умовах таку якість із DV фільму неможливо.

Що означає параметри, які пропонується вказати до кодування фільму в формат MPEG?

Таких параметрів може бути багато, але слід зупинитися на найважливіших:

Profile ID та Level ID - див. таблицю вище.
Frame Intervals - для розуміння того, що мається на увазі, слід врахувати, що зазвичай задається інтервал між I кадрами, що фактично означає розмір GOP, а також яким буде черговий P кадр після попереднього. Чим більше буде інтервал між I кадрами, тим гіршою буде якість зображення, але менший розмір результуючого файлу. Крім цього, інтервал між I кадрами не рекомендується робити більше ніж 15.
Motion Estimation – компенсація руху. Параметр визначає, наскільки правильно передбачатиметься рух об'єкта і дуже важливий як для якості вихідного зображення, так і для оцінки часу кодування. Більше значення дасть найкраща якість, але значно збільшить час роботи кодера. При встановленні цього параметра треба розуміти, що максимальне значення може бути "непідйомним" для комп'ютера процесора і бажаний фільм може створюватися кілька діб.
Frame sequence - параметр, багато в чому аналогічний Frame Intervals. Зазвичай пропонує вибрати вид кодування - лише I кадри, I + P кадри та I, P, B кадри, а також інтервали для P та B кадрів. Що стосується того, як кодувати - найкраща якість, але максимальний обсяг дає кодування тільки I кадри, потім відповідно, I + P і I, P, B. Класичними апробованими значеннями для інтервалів значеннями є P=3 і B=2. Строго говорячи, для DVD прийнято використовувати структуру 15/3 або IBBPBBPBBPBBPBB.
Video Data Rate – швидкість відеопотоку. Багато кодерах, розрахованих на масового користувача, це основний параметр, щодо якого кодер сам встановлює й інші. Вимірюється зазвичай у мегабітах за секунду. Встановивши це значення і помноживши його на тривалість фільму в секундах, легко отримати обсяг всього файлу.

Я маю відеокамеру DV з можливістю зйомки в режимі прогресивного сканування. Потім хочу зберегти готовий фільм у форматі MPEG. Як мені краще знімати, у звичайному черезрядковому режимі чи прогресивному?

Для MPEG-1 відповідь однозначна - зйомка з прогресивною розгорткою краще, так при компресії MPEG-1 одне поле телевізійного зображення просто відкидається. Для MPEG-2 відповідь це питання залежить від цього, як планується використовувати створений MPEG-2 кліп. Якщо планується переглядати його лише на комп'ютері та/або апаратного декодера немає, то краще використовувати зйомку з прогресивною розгорткою – зображення буде чіткішим, без артефактів руху. Якщо апаратний декодер MPEG-2 є і планується дивитися фільм на телевізорі, то більш плавні та природні рухи об'єктів у фільмі будуть при зйомці у звичайному режимі. Багато сучасних кодерів MPEG-2 дозволяють вибір типу вихідного фільму (прогресивна або черезрядкова розгортка), при виборі черезрядкової розгортки використовують поля і при виведенні з апаратного декодера на відеовихід відновлюватиметься вихідне зображення з тими ж полями, що й до стиснення.

Я хочу одразу зберігати фільми у MPEG форматі і в ньому ж редагувати. Чи можливо і чи правильно це робити?

Зберігати, звичайно, можна, але редагувати MPEG відео дуже важко та незручно. Справа в тому, що при редагуванні MPEG неможлива реальна точна до кадру нарізка фрагментів, так як відокремлювати фрагменти один від одного можна тільки по I кадрах, інакше, при видаленні опорного кадру і збереженні кадрів, що слідують за ним, зображення втратить читальність. Редактори відео з підтримкою MPEG дозволяють редагувати з точністю до кадру, але треба розуміти, що при будь-яких змінах не I кадру буде виконуватися рекомпресія всієї GOP, що позначиться на якості фільму аж ніяк не на краще. Накладення ефектів, переходів, фільтрів також не можна робити з точністю до реального кадру, що може призвести до неможливості якісного втілення художніх задумів. Крім цього, рекомпресія зображення у випадку MPEG-2 займатиме значно більший, порівняно з DV, час і вимагатиме потужніших процесорів для цього.

Нині дуже популярний у Росії формат MPEG-4. Чи є сенс зберігати свої фільми у цьому форматі?

MPEG-4 спочатку створювався для передачі відео по низькошвидкісних каналах і не призначався для зберігання відео. Якість зображення MPEG-4 безумовно гірше MPEG-2, але трохи краще MPEG-1. Компресія/декомпресія MPEG-4 вимагає значних витрат процесорного часу і перегляд, а тим більше створення відео у форматі MPEG-4 на комп'ютері з процесором нижче Celeron II 700 дуже скрутний. В основному MPEG-4 використовується для рекомпресії оригінальних MPEG-2 фільмів, записаних на DVD дисках. MPEG-4 дозволяє записати на звичайному CD-диску годинний фільм. Зберігати ж у цьому форматі власні фільми немає жодного сенсу з двох основних причин:

Якість набагато гірша за оригінал.
Відсутня стандарт запису MPEG-4 на диск, аналогічний DVD стандарту.

Які MPEG-кодери підтримують роботу з DV форматом і забезпечують при цьому хорошу якість?

Є кілька популярних кодерів MPEG, що підтримують роботу з форматом DV:

TMPEnc Encoder - програма, популярна навіть не так власне кодувальником MPEG, як інструментами для мультиплексування, демультиплексування та склеювання/нарізки MPEG файлів.
Main Concept MPEG Encoder – непоганий кодер, вбудовані в популярні відеоредактори Adobe Premiere, Ulead MSP та Vegas Video.
Canopus ProCoder - мабуть, найкращий кодувальник DV матеріалів.

Автор: Компанія Сплайн; Публікація: pctuner.ru

Рекомендуємо цікаві статті розділу Мистецтво відео:

▪ Авторинг DVD

▪ Основні налаштування відеокамери

▪ Прийоми відеомонтажу

Дивіться інші статті розділу Мистецтво відео.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Штучна шкіра для емуляції дотиків 15.04.2024

У світі сучасних технологій, де віддаленість стає дедалі більш повсякденною, збереження зв'язку й почуття близькості грають значної ролі. Нещодавні розробки німецьких учених із Саарського університету в галузі штучної шкіри становлять нову еру у віртуальних взаємодіях. Німецькі дослідники з університету Саарського розробили ультратонкі плівки, які можуть передавати відчуття дотику на відстані. Ця передова технологія надає нові можливості для віртуального спілкування, особливо для тих, хто виявився далеко від своїх близьких. Ультратонкі плівки, розроблені дослідниками, товщиною всього 50 мікрометрів, можуть бути інтегровані в текстильні вироби та носитися як друга шкіра. Ці плівки діють як датчики, що розпізнають тактильні сигнали від мами чи тата, і як виконавчі механізми, що передають ці рухи дитині. Дотики батьків до тканини активують датчики, які реагують на тиск та деформують ультратонку плівку. Ця ...>>

Котячий унітаз Petgugu Global 15.04.2024

Турбота про домашніх тварин часто може бути викликом, особливо коли йдеться про підтримку чистоти в будинку. Представлено нове цікаве рішення стартапу Petgugu Global, яке полегшить життя власникам кішок та допоможе їм тримати свій будинок в ідеальній чистоті та порядку. Стартап Petgugu Global представив унікальний котячий унітаз, здатний автоматично змивати фекалії, забезпечуючи чистоту та свіжість у вашому будинку. Цей інноваційний пристрій оснащений різними розумними датчиками, які стежать за активністю вашого вихованця в туалеті та активуються для автоматичного очищення після його використання. Пристрій підключається до каналізаційної системи та забезпечує ефективне видалення відходів без необхідності втручання з боку власника. Крім того, унітаз має великий обсяг сховища, що змивається, що робить його ідеальним для домашніх, де живуть кілька кішок. Котячий унітаз Petgugu розроблений для використання з водорозчинними наповнювачами та пропонує ряд додаткових матеріалів. ...>>

Привабливість дбайливих чоловіків 14.04.2024

Стереотип про те, що жінки віддають перевагу "поганим хлопцям", довгий час був широко поширений. Однак нещодавні дослідження, проведені британськими вченими з Університету Монаша, пропонують новий погляд на це питання. Вони розглянули, як жінки реагують на емоційну відповідальність та готовність допомагати іншим у чоловіків. Результати дослідження можуть змінити наше уявлення, що робить чоловіків привабливими в очах жінок. Дослідження, проведене вченими з Університету Монаша, призводить до нових висновків щодо привабливості чоловіків для жінок. В рамках експерименту жінкам показували фотографії чоловіків з короткими історіями про їхню поведінку в різних ситуаціях, включаючи їхню реакцію на зіткнення з бездомною людиною. Деякі з чоловіків ігнорували безпритульного, тоді як інші надавали йому допомогу, наприклад, купуючи їжу. Дослідження показало, що чоловіки, які виявляють співчуття і доброту, виявилися більш привабливими для жінок порівняно з т ...>>

Випадкова новина з Архіву

3-канальний аналоговий підсилювач MCP2030 29.01.2006

Мікросхема MCP2030 від MICROCHIP TECHNOLOGY є 3-канальним аналоговим підсилювачем з чутливістю по входу 1 мВ для тривимірних датчиків положення.

Діапазон напрузі живлення від +2 до +3,6 В. Має зовнішній інтерфейс типу SPI із пропускною здатністю до 125 кбіт/с. Мікросхема виготовляється за безсвинцевою технологією.

Інші цікаві новини:

▪ Пристрій для безпечного розпізнавання облич Intel RealSense ID

▪ Паливний елемент у кишені

▪ ТВ-рекордер формату 4K від Sharp

▪ Драйвери надяскравих світлодіодів

▪ Електрична бабка

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ Розділ сайту Пристрої захисного відключення. Добірка статей

▪ стаття Спальний куточок. Поради домашньому майстру

▪ стаття Хто побудував перші канали? Детальна відповідь

▪ стаття Проведення лісокультурних робіт у рівнинних умовах. Типова інструкція з охорони праці

▪ стаття Антена на 160 м. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Акумуляторні установки. Санітарно-технічна частина. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages of this page

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт