MPEG-2

Z Multimediaexpo.cz

Broom icon.png Tento článek potřebuje úpravy. Můžete Multimediaexpo.cz pomoci tím, že ho vylepšíte.
Jak by měly články vypadat, popisují stránky Vzhled a styl a Encyklopedický styl. 		Broom icon.png

MPEG-2 je ztrátový komprimační datový formát, který slouží ke snížení datového toku a tím i velikosti výsledného souboru u digitálně zpracovávaných videozáznamů při co nejmenším viditelném zhoršení kvality po dekomprimaci. Jeho předchůdcem je formát MPEG-1 a dokonalejším technologickým nástupcem formát MPEG-4. MPEG-2 je standardním formátem užívaným pro ukládání a přenos videa na DVD, nebo při distribuci digitálního televizního signálu DVB-T. U aplikací, které vyžadují MPEG-2 komprimaci či dekomprimaci videa v reálném čase, jsou kladeny výrazně vyšší nároky na výpočetní kapacitu procesoru, než u formátu MPEG-1. Písmena MPEG zkracují název expertní skupiny Motion Pictures Experts Group, která počátkem 90. let 20. století pracovala na standardizaci komprimačních formátů. Současně obecně pojmenovávají celou skupinu komprimačních MPEG formátů. MPEG-2 byl představen v roce 1994.

Obsah

Funkce a výhody

Pro pochopení funkce komprimace je potřeba vědět, že každý videozáznam je sekvencí jednotlivých samostatných snímků. Základním principem MPEG (Motion Picture Experts Group) komprimace videa je pak individuální přístup k jednotlivým snímkům, konkrétně určení tzv. klíčových snímků (I - Intra Frame), které se ukládají resp. přenášejí celé - jsou to v podstatě JPEGy (Joint Picture Experts Group) - zásadně kódovány vnitrosnímkově, a dále snímků pomocných (P - Predicted), které se ukládají zkomprimované (mezisnímková komprese) - jsou to jednosměrné předpovědi vzhledem k předcházejícímu I nebo P obrázku, přenášejí se pouze rozdíly oproti již přenesenému (referenčnímu) makrobloku, přičemž polohu ref. makrobloku udává pohybový vektor. Tyto dva typy snímků jsou pak proloženy ještě třetím typem snímků (B - Bidirectional Predicted), který se přenáší buď silně zkomprimován (také mezisnímkovou kompresí), nebo se nepřenáší vůbec - jsou to obousměrné předpovědi vzhledem k předcházejícímu I nebo P obrázku, přenášejí se pouze rozdíly oproti již přenesenému (referenčnímu) makrobloku. Tyto „chybějící“ snímky jsou pak při dekomprimaci (třeba i v reálném čase) dopočítávány z informací klíčových snímků. Typické pořadí snímků je např.: IBBPBBPBBPBBPBBPBB (tato sekvence mezi dvěma „I“ se nazývá GOP - Group of Pictures). Při dopočítávání se využívá i skutečnosti, že lze některé drobné části obrazu a jejich vzájemné rozdíly na po sobě jdoucích snímcích popsat matematicky (např. statická jednobarevná plocha). Práce s takto definovanými plochami se označuje jako kvantizace (quantized). Proto se v některých případech (typicky při televizním DVB-T přenosu), kdy je potřeba docílit při kódování co nejmenšího datového toku (TV= 3Mb/s), ještě obraz před samotným kódováním upravuje tak, aby obsahoval co nejméně ploch s detaily a naopak co nejvíce „jednobarevných“ ploch - typicky u fotbalových přenosů dochází ke „slití“ trávy na hřišti do univerzální plochy téměř bez vzorku. MPEG-2 se liší od formátu MPEG-1 tím, že dokáže pracovat s tzv. proměnlivým datovým tokem (VBR - variable bit rate). To v praxi znamená, že komprimační software rozpozná scénu, která obsahuje řadu za sebou jdoucích velmi podobných (statických) snímků, mezi kterými jsou jen velmi malé rozdíly - např. moderátor, který (z pohledu videostopy) „pouze“ otevírá ústa. V takovém případě sekvence obsahuje velmi málo klíčových snímků a relativně málo doplňkových informací k dopočtu výsledného obrazu. Opakem je např. záznam hokejového zápasu. Ve výsledku je pak průměrný datový tok (výsledný soubor) menší než při použití konstantního datového toku (CBR - constant bit rate) a současně kvalitnější, neboť u náročných scén se dočasně datový tok zvýší. MPEG-2 na rozdíl od MPEG-1 umí pracovat s prokládanými snímky, tzv. půlsnímky. MPEG-2 byl vyvinut pro rozlišení 720x576 obrazových bodů. V praxi je možné ale kódovat jakýkoliv vstupní rozměr a poměr stran a zvolit CBR nebo VBR s konkrétním datovým tokem. Obdobně lze v praxi nastavit i kvalitu komprimovaného zvuku. Žádný ztrátově komprimovaný formát videa není sám o sobě vhodný ke střihu (v nejhorším případě se stříhá se skupinou GOP=1, tj.: samé snímky I). Před jakoukoliv editací je potřeba jej převést do nativního formátu.

Využití

DVD

MPEG

Filmy na DVD byly u nás první možností, kdy se uživatel mohl setkat s MPEG-2 videem oficiálně. Při pořizování, či nastavování DVD/přehrávače můžeme narazit na různá nastavení. Podrobněji níže. Rozlišení:

  • NTSC - 720 × 480, 704 × 480, 352 × 480, 352 × 240 pixelů
  • PAL - 720 × 576, 704 × 576, 352 × 576, 352 × 288 pixelů

Poměr:

  • 4:3 - klasický
  • 16:9 – širokoúhlý (wide)

Frekvence:

  • NTSC – 29.97 snímků/sek.
  • PAL - 25 snímků/sek.

AV datový tok:

  • Video stropově 9.8 Mbit/s
  • Celkově stropově 10.08 Mbit/s
  • Minimálně 300 kbit/s

YUV 4:2:0 Zvuk

  • Lineárně pulsní kódová modulace -LPCM: 48kHz nebo 96kHz; 16-bit nebo 24-bit; možnost až šesti kanálů (v rámci možností využívaného datového toku)
  • MPEG Layer 2 (MP2): 48kHz, až 5.1 kanálů (pouze u PAL přehrávačů)
  • Dolby Digital (DD, neboli AC-3): 48kHz, 32-448kbit/s, až 5.1 kanálů
  • Digital Theater Systems (DTS): 754kbit/s nebo 1510kbit/s
  • DVD v normě NTSC musí obsahovat minimálně jednu LPCM nebo Dolby Digital zvukovou stopu.
  • V PAL normě musí obsahovat minimálně jednu MPEG Layer 2, LPCM, nebo Dolby Digital zvukovou stopu.
  • Stolní přehrávače nutně nemusí přehrávat zvuk ve více než dvou kanálech, ale musí být schopny vícekanálový zvuk usměrnit do dvou kanálů

DVB - digitální televize

Podporované rozlišení pro SDTV:

  • 720, 640, 544, 480 nebo 352 × 480 px., 24/1.001, 24, 30/1.001 nebo 30 snímků/s
  • 352 × 240 px, 24/1.001, 24, 30/1.001 nebo 30 snímků/s
  • 720, 704, 544, 480 nebo 352 × 576 pixelů, 25 snímků/s
  • 352 × 288 px, 25 snímků/s

Podporované rozlišení pro HDTV:

  • 720 × 576, 50 snímků/s progresivně (576p50)
  • 1280 × 720, 25 nebo 50 snímků/s progresivně (720p50)
  • 1440 nebo 1920 × 1080, 25 snímků/s progresivně (1080p25 – film mode)
  • 1440 nebo 1920 × 1080, 25 snímků/s prokládaně (1080i25)
  • 1920 × 1080, 50 snímků/s progresivně (1080p50) do budoucna možný H.264/AVC formát

ATSC

Podporované rozlišení:

  • 1920 × 1080 pixel, 30 snímků/s (1080i)
  • 1280 × 720 pixel, 60 snímků/s (720p)
  • 720 × 576 pixel, 25 snímků/s (576i, 576p)
  • 720 nebo 640 × 480 px, 30 snímků/s (480i, 480p)

Pozn.: 1080i je enkódován v rozlišení 1920 × 1088, ale posledních 8 vrstev je vyřazeno prioritně pro display. Zvuk v MPEG-2 se uchází o ATSC standard skrze DTV a „Grand Alliance“, ale ztrácí na H.262.

Profily a úrovně

Tabulky níže sumarizují limitace jednotlivých profilů a úrovní.

MPEG-2 Profily
Zkrt. Název Framy Chroma format Streamy Poznámka
SP Simple Profile P, I 4:2:0 1 bez prokládání
MP Main Profile P, I, B 4:2:0 1
422P 4:2:2 Profile P, I, B 4:2:2 1
SNR SNR Profile P, I, B 4:2:0 1-2 SNR: Signál pro Noise Ratio
SP Spatial Profile P, I, B 4:2:0 1-3 nízký, normální a vysoká kvalita dekódování
HP High Profile P, I, B 4:2:2 1-3

 

MPEG-2 Úrovně
Zkrt. Název Pixely/řádek Řádků Snímkování (Hz) Dat.tok (Mbit/s)
LL Low Level 352 288 30 4
ML Main Level 720 576 30 15
H-14 High 1440 1440 1152 30 60
HL High Level 1920 1152 30 80

ISO/IEC 13818

Část 1

  • Systém – Definuje synchronizaci a multiplexing video a audio signálu. Jinak známý jako ITU-T Rec. H.222.0.

Část 2

  • Video – Kompresní kodek pro prokládaný a neprokládaný video signál. Jinak známý jako ITU-T Rec. H.262.

Část 3

  • Zvuk – Kompresní kodek pro perceptualní kódování audio signálů. Jako vícekanálové rozšíření MPEG-1 zvuku.

Část 4

  • Definuje proceduru pro testování shody.

Část 5

  • Definuje systémy pro softwarovou simulaci.

Část 6

  • Definuje rozšíření pro DSM-CC (Digital Storage Media Command and Control).

Část 7

  • Rozšířené zvukové kódování (Advanced Audio Coding) (AAC).

Část 9

  • Rozšíření pro rozhraní pro reálný čas.

Část 10

  • Souhlasné rozšíření pro DSM-CC.


        Formáty multimediálních dat
Obrázky

APNG • BMP • GIF • JPEG • JPEG 2000 • JPEG XR • MNG • PCX • PNG • SVG • TIFF • WBMP • XPM

Video

MPEG-1 • MPEG-2 • MPEG-4 • M4V • H.264 (MPEG-4 AVC) • HuffYUV • RealVideo • Theora • Dirac • VP8 • WMV

Zvuk

AAC • Apple Lossless • AC-3 • AMR • ATRAC • FLAC • G.711 • G.729 • MP3 • MOD • Speex • Vorbis • TAK • WAV • WMA • Musepack

Kontejnery

3GP • AVI • Ogg • MPEG • QuickTime • ASF • MP4 • Matroska • WebM

Citováno z „http://www.multimediaexpo.cz/mmecz/index.php/MPEG-2“