Komprimované video? Jedině MPEG

Poté, co jsme nakousli tématiku digitálního videa povídáním o rozhraní FireWire, se dostáváme až k pojmům komprimované video, MPEG apod. Dnes si podrobněji povíme o standardu MPEG-1.

Poté, co jsme nakousli tématiku digitálního videa povídáním o rozhraní FireWire, se dostáváme až k pojmům komprimované video, MPEG apod. Dnes si podrobněji povíme o standardu MPEG-1.

MPEG-1

Vývoj první verze formátu trval dlouho zejména proto, že šlo o průkopnickou práci. Bylo nutno vytvořit metodologii, která převede video signál resp. pohyblivý obraz do datové podoby a to tak, aby výsledný datový tok odpovídal přenosové rychlosti běžné CD-ROM mechaniky. Reálný datový tok těchto mechanik v době návrhu formátu nepřesahoval 200kB/s resp. 1,5Mb/s. Bylo jasné, že formát musí používat silnou kompresi signálu, protože daný tok odpovídá kompresnímu poměru 150:1 (v soustavě PAL). Pro pochopení vlastností formátu MPEG-1 (zejména degradace vstupního obrazu) probereme podrobněji jednotlivé kroky komprese.

Výchozím materiálem se stala doporučení pro digitalizaci video signálu (ITU-R 601), která vycházejí z běžných vysílacích standardů PAL (popř. NTSC v Americe). Již samotné barevné vzorkování (digitalizace) video signálu umožňuje kompresi signálu. Dle doporučení je barevný obraz reprezentován pomocí barevného modelu YCbCr, který odděluje jasový (Y) a barvonosný signál (CbCr). Tento model je praktický nejen vzhledem k černobílým televizím a displejům, ale též vzhledem k citlivosti lidského oka na změny (a tím i chyby) v jasové složce a menší citlivosti v barvonosných složkách barev. Proto si můžeme dovolit vzorkovat barvonosný signál méně přesně než jasový signál. Vstupní signál je obvykle vzorkován poměrem 4:2:2, tj. na dva po sobě jdoucí jasové vzorky v každém řádku, připadá jeden vzorek barvonosný (CbCr). V případě standardů JPEG a MPEG se používá vzorkování 4:2:0. Tento formát přiřazuje každému bloku jasových vzorků 2 x 2 jeden vzorek barvonosný (CbCr), viz obrázek.

Dalším materiálem, ze kterého MPEG vznikl je (paralelně vznikající) formát JPEG, který je vyvíjen jinou standardizační skupinou ISO - JPEG (Joint Photographics Expert Group). JPEG využívá pro ukládání statických obrazů ztrátovou kompresi, která se provádí v následujících krocích:

  1. Vstupní obraz se převede na model YCbCr dle formátu vzorkování 4:2:0.
  2. Obraz se rozdělí na čtvercové bloky 8 x 8 pixelů, ve kterých se provádí komprese nezávisle blok po bloku.
  3. Každý blok je komprimován pomocí diskrétní kosinové transformace (DCT), jejíž koeficienty jsou kvantizovány (tzn.definovaným způsobem je jim přiřazeno celé číslo). Koeficienty jsou pak uspořádány pomocí tzv. zig - zag schématu do posloupnosti čísel charakterizující jeden blok. Kvantizace poté určuje kvalitu ztrátové komprese, kterou může volit uživatel.
  4. Získané posloupnosti koeficientů se uspořádají dle zvoleného způsobu (standard definuje celkem 3) a provede se komprese standardním kodérem (Huffman encoding v kombinaci s Run Length).

Uvedené kroky jsou přejaté i do formátu MPEG, ale navíc se přidávají další kroky, které využívají zejména předem známého rozlišení obrazu. Formát je určen pro uložení video signálu, z čehož plyne i výchozí rozlišení: vzorkováním jasového signálu v soustavě PAL získáme matici 720 x 576 vzorků. Formát MPEG převede vstupní rozlišení na signál SIF (Source of Input Signal), který sníží počet vzorků v každém řádku a sloupci na polovinu. Poloviční rozlišení je tedy 360 x 288, tím se sníží datový tok na čtvrtinu. Vzhledem k vzorkování barev 4:2:0 je obraz rozdělen na makro - bloky 16 x 16 odpovídajícím čtyřem sousedním blokům 8 x 8. Obrazové rozlišení SIF se tedy musí zarovnat tak, aby bylo v řádcích i sloupcích dělitelné 16. Výsledné rozlišení MPEG-1 SIF je tedy 352 x 288.

Nejkomplikovanější částí MPEG komprese je využití redundance obrazového signálu v časové ose, kterou lze ušetřit mnoho dat. Například při pohledu na TV zpravodajství zůstává pozadí často beze změny a mění se jen části obrazu odpovídající poloze moderátora. Právě tohoto jevu využívá tzv. rozdílová komprese, která kóduje pouze změny v po sobě jdoucích obrazech. Změny se zaznamenávají jako pozice změněných makro - bloků, tj. zaznamená se současný makro - blok a jeho pozice v následujícím snímku. Obraz zakódovaný rozdílem od předchozích obrazů se označuje jako obraz P (prediction) a odpovídá vlastně předpovědi nové podoby snímku.
Obraz, který se stal referenčním pro zakódování se označuje I (intra frame). Obraz I je vlastně obdobný jednomu snímku zakódovanému pomocí komprese JPEG. Kombinací snímků I a P lze průměrně komprimovat signál na polovinu. Většího efektu lze dosáhnout tzv. obousměrným kódováním, tj. kódováním pomocí průměru předchozího a budoucího obrazu. Tento obraz se označuje jako B (bi-directional). Kombinací snímků P, I a B lze dosáhnout vysokého kompresního poměru. Snímky se řadí do opakujících se skupin obrazů v pořadí I, P, B. Počet snímků I určuje minimální rychlost náhodného přístupu k danému obrazu. Volba počtu bloků obrazů P a B ovlivňuje kvalitu MPEG komprese.
Výsledkem uvedených kroků je proud dat, který obsahuje jednotlivé zakódované makro - bloky, ze kterých se skládají obrazy I, P a B. Zvuk je v MPEG-1 komprimován se vzorkovací frekvencí 48kHz (max. 384kb/s) v maximálně dvou kanálech.

Vlastnosti MPEG-1

Z uvedených kroků MPEG komprese plyne i značná část vlastností formátu MPEG-1. Často kritizovanou vlastností MPEG-1 komprese jsou viditelné "čtverečky", které odpovídají makro - blokům. Bloky jsou viditelné zejména díky nízkému rozlišení obrazu a také díky tomu, že lidské oko je velmi citlivé na ostré hrany vznikající na rozhraní sousedících bloků. Problematická je též vazba formátu MPEG-1 na rychlost datového toku. Pokud se při kódování rozdílovým kódováním nedosáhne požadovaného datového toku, pak je obraz značně nekvalitní až do příchodu prvního obrazu typu I.

Hledání makro - bloků pro rozdílovou kompresi je mimořádně náročný úkol. Nalézt odpovídající si části v obraze totiž není jednoznačný úkol, a proto kvalita nalezení I, P, B bloků závisí na softwarové implementaci. Dobrý kodér se například vyznačuje tím, že místa střihu kóduje jen pomocí obrazů I a místa s prolínáním obrazy B. Pokud se při kódování nedosahuje požadovaných výsledků, tak je možné ještě před samotné kódování zařadit průměrování obrazů (viz obrazy typu B).
Standard MPEG-1 neobsahuje instrukce pro řízení datového toku, což vytváří problémy zejména při přenosu dat. Rozlišení není omezeno pouze na PAL či NTSC, ale jeho teoretické možnosti jsou od 16 x 16 do 4095 x 4095pixelů s až 30 snímky za sekundu. MPEG není principielně určen k dalšímu zpracování videa, tj. k jeho dalšímu přetváření. Jeho určení je spíše směrováno jako výsledný produkt, který se "jen" prohlédne.

Po tomto širokém a poměrně obsáhlém úvodu do MPEG komprimace se příště podíváme na téma zajímavější. Budou to standardy MPEG-2 a MPEG-4.

  • Nejčtenější

Kam pro filmy bez Ulož.to? Přinášíme další várku streamovacích služeb do TV

v diskusi je 125 příspěvků

26. března 2024

S vhodnou aplikací na vás mohou v televizoru na stisk tlačítka čekat tisíce filmů, seriálů nebo...

Z jaderné triády zbyly Britům už jen ponorky. A ty musejí posílit

v diskusi je 76 příspěvků

27. března 2024

Jadernou triádu tvoří strategické bombardéry s jadernými zbraněmi, mezikontinentální balistické...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Hlučínsko patří nám. Před 100 lety byl podepsán definitivní protokol o hranici

v diskusi je 30 příspěvků

28. března 2024

Před 100 lety definitivně skončily tahanice o československo-německé hranice. 28. března 1924 byl...

Rusko zastavilo odlet na ISS s první Běloruskou, letět měla i Američanka

v diskusi je 50 příspěvků

21. března 2024  10:23,  aktualizováno  14:26

Ve čtvrtek 21. března se necelých deset minut před půl třetí odpoledne měla vydat na Mezinárodní...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Načapali jsme otesánka, který se velkého sousta nezalekne. Boeing 747-400F

v diskusi je 8 příspěvků

21. března 2024

Poté, co na Letiště Václava Havla Praha přestaly v barvách Qatar Airways létat nákladní Boeingy...

Dočasná raketa se po téměř 70 letech loučí. Nyní startuje naposledy

v diskusi jsou 3 příspěvky

28. března 2024  15:36

Tento čtvrtek stojí na startovací rampě mysu Canaveral poslední potomek raket Thor, nosič Delta IV...

Američané odepsali modul, který je vrátil po půl století na Měsíc

v diskusi je 20 příspěvků

28. března 2024,  aktualizováno  11:41

Od začátku letošního roku je na Měsíci a kolem něj poměrně rušno. Vedle řady sond, které zamířily...

Hlučínsko patří nám. Před 100 lety byl podepsán definitivní protokol o hranici

v diskusi je 30 příspěvků

28. března 2024

Před 100 lety definitivně skončily tahanice o československo-německé hranice. 28. března 1924 byl...

Úspěšný let prototypu XB-1 vrací do hry cestování nadzvukovou rychlostí

v diskusi je 34 příspěvků

27. března 2024  17:17

Po více než dvaceti letech, od ukončení provozu letounu Concorde, se možná opět dočkáme nadzvukové...

FOR KIDS by měl být zážitkem pro celou rodinu, říká Monika
FOR KIDS by měl být zážitkem pro celou rodinu, říká Monika

Monika Pavlíčková (35 let) je maminkou dvou dcer, sedmileté Terezy a čtyřleté Laury, a zároveň také manažerkou obchodního týmu společnosti ABF,...

Rána pro britskou monarchii. Princezna Kate má rakovinu, chodí na chemoterapii

Britská princezna z Walesu Kate (42) se léčí s rakovinou. Oznámila to sama ve videu na sociálních sítích poté, co se...

Smoljak nechtěl Sobotu v Jáchymovi. Zničil jsi nám film, řekl mu

Příběh naivního vesnického mladíka Františka, který získá v Praze díky kondiciogramu nejen pracovní místo, ale i...

Rejžo, jdu do naha! Balzerová vzpomínala na nahou scénu v Zlatých úhořích

Eliška Balzerová (74) v 7 pádech Honzy Dědka přiznala, že dodnes neví, ve který den se narodila. Kromě toho, že...

Pliveme vám do piva. Centrum Málagy zaplavily nenávistné vzkazy turistům

Mezi turisticky oblíbené destinace se dlouhá léta řadí i španělská Málaga. Přístavní město na jihu země láká na...

Kam pro filmy bez Ulož.to? Přinášíme další várku streamovacích služeb do TV

S vhodnou aplikací na vás mohou v televizoru na stisk tlačítka čekat tisíce filmů, seriálů nebo divadelních...