Описание форматов сжатия MPEG-2 и MPEG-4

Отличительной особенностью видеоданных является их чрезвычайно большой объем. Специалисты в области сжатия данных, уже на протяжение многих лет работают над улучшением эффективности алгоритмов компрессии видеоизображений. На рубеже 21 века, с появлением HDTV, назрела острая необходимость передавать большие объемы видеоинформации по спутниковым и кабельным сетям, и встала задача оптимизации способов кодирования видеоданных.

На сегодняшний день MPEG-2 - это стандарт цифрового кодирования аудио и видео сигналов, который используется большинством операторов спутникового телевидения для передачи сигналов абонентам. Данный стандарт был разработан рабочей группой Moving Pictures Experts Group и одобрен Международной Организацией по Стандартизации.

Технические аспекты стандарта MPEG-2

Рабочая группа MPEG описала общие принципы компрессии аудио и видео информации, а разработку деталей оставила для изготовителей кодеков. В основу алгоритма сжатия была положена модель восприятия человеческим глазом видеоизображений и особенности строения человеческого глаза - его способность воспринимать вариации цвета и градации яркости. Так, например, человеческий глаз способен лучше воспринимать градации яркости, чем цветности.

Задача сводится к определению на экране неподвижного фона и движущихся объектов, на основании этого можно выделить и передать информацию о базовом кадре, а потом уже передавать кадры с информацией о движущихся объектах. В процессе передачи данных происходит отбрасывание малозначимой информации, аналогичной принципам, которые используются в графическом формате JPEG. Реализуется процесс путем разбивки потока видеоинформации на группы видеоизображений, каждая группа состоит из 3-х типов видеокадров. Обычно используются потоки из 30 кадров в секунду.

Благодаря постоянному совершенствованию видео кодеков формата MPEG-2 операторы спутникового и кабельного вещания получили возможность передавать в 2 раза больший объем информации при той же пропускной способности канала, чем когда то, на заре эволюции цифрового вещания. Стало появляться все большее количество разных видео кодеков, но они уже не соответствовали существующему формату MPEG-2. Назрела необходимость дальнейшей унификации стандарта.

MPEG-4 и HDTV

Цифровое спутниковое телевидение использует формат MPEG-2, где при разрешении кадра в 720x576 пикселей, скорость информационного потока при 30 кадрах/сек. составляет около 12 Мбит/сек, практически же используется скорость потока около 3 Мбит/сек. При стандартной ширине полосы в 54МГц на одном транспондере спутника обычно умещается 18 каналов. При вещании в HDTV разрешение изображения составляет 1920x1080 пикселей, что в 5 раз больше по сравнению с обычным SD телевидением, и для вещания одного HDTV канала в стандарте MPEG-2 оператору потребовалось бы арендовать чуть ли не треть транспондера.

Очередным витком в развитии алгоритмов видеокомпрессии стал стандарт MPEG-4. Изначально он предназначался для передачи потокового видео по низкоскоростным каналам, но так же нашел применение и в цифровом телевидении.

Компрессии видео в формате MPEG-4 осуществляется по той же схеме, что и в MPEG-2. При кодировании исходного видеоизображения кодек ищет и сохраняет более значимые кадры, как правило, те, на которых происходит смена сюжета. Вместо сохранения промежуточных кадров алгоритм обрабатывает и сохраняет данные об изменениях в текущем кадре по отношению к предыдущему, т.е дифференциально. При этом в процессе обработки изображения кодек оперирует с объектами произвольной формы, в отличии от формата MPEG-2, который мог оперировать только прямоугольными областями изображения. В результате этого, человек, передвигающийся по комнате, будет воспринят форматом MPEG-4, как отдельный объект, перемещающийся относительно неподвижного объекта - заднего плана.

Идея стандарта MPEG-4 заключается в объединении 22 подстандартов, из которых поставщики могут выбрать тот, который более точно отвечает их задачам.

Выделим из них наиболее важные подстандарты:

• ISO 14496-3- Аудио: набор кодеков для сжатия звука и речи, включая Advanced Audio Coding (AAC)
• ISO 14496-10- Видео: продвинутое кодирование видео ( Advanced Video Coding - AVC), технически идентичный и известный как кодек H.264

При переходе операторов спутникового телевидения на стандарт DVB-S2 и сжатие данных в MPEG-4 кодеком H.264 позволило в стволе одного транспондера разместить 8-10 HDTV каналов.