Standard MPEG-2 a digitální obraz

Posláním tohoto článku je podrobnější seznámení s MPEG-2 standardem videodatového toku. MPEG-2 audio/video datový t...


Posláním tohoto článku je podrobnější seznámení s MPEG-2 standardem
videodatového toku. MPEG-2 audio/video datový tok využívá stále širší spektrum
zařízení a aplikací, proto nebude na škodu tuto technologii popsat a především
ozřejmit možné směry jejího dalšího využití.
Co je to MPEG
Zkratka MPEG (Motion Picture Expert Group) označuje standard pro digitální
kompresi, ukládání a přenos pohyblivých obrázků (videa). Většina z vás jistě
zaznamenala existenci několika úrovní (verzí) a profilů standardu MPEG a zcela
jistě se setkala se standardem MPEG-1 (hojně používaným v multimediálních
CD-ROM prezentacích), jako datovým formátem Video CD-ROM disků. MPEG-1 standard
dosahuje rozlišení (kvality obrazu) srovnatelného pouze s VHS videonahrávkou
(okolo 220 horizontálních řádek při výstupu na televizní monitor). Daleko lépe
je na tom mladší bratr MPEG-1 standardu MPEG-2, který již dosahuje vysílací
(broadcast) obrazové kvality. Jinak řečeno, jeho horizontální rozlišení při
výstupu na televizní monitor přesahuje 500 řádků. Proto je tento datový
videostandard využíván pro digitální satelitní vysílání (DVB nebo také D-BOX),
jsou v něm vyráběny DVD videodisky přehratelné i na PC, v profesionální oblasti
na principu MPEG-2 komprese pracuje záznamový videosystém Betacam SX a MPEG-2
standard vstoupil i na spotřební trh digitálních záznamových videosystémů v
podobě Digital VHS (D-VHS) videorekordérů (viz CW 49/99).
Rozdíl mezi M-JPEG a MPEG
Srovnejme si nyní standardy M-JPEG a MPEG-2 z hlediska amatérského využití
nelineárního střihu vlastních videopořadů na PC. V minulosti většina
digitálních nelineárních systémů využívala M-JPEG metody a PC karet pro
kompresi digitálních videodat (nyní je postupně nahrazují DV karty s rozhraním
IEEE 1394 pracující na zcela jiném principu). JPEG technologie byla původně
navržena pro statické snímky, proto M-JPEG (neboli Movie-JPEG) komprimuje každý
snímek (frame) zvlášť. Protože je každý snímek komprimován zvlášť (v PAL normě
25x za vteřinu), jsou data jednotlivých snímků dostupná odděleně bez potřeby
dalších snímků. Tato vlastnost umožňuje snadné zpracování a střih M-JPEG
sekvencí (viz CW 33/99).
Největší rozdíl MPEG-2 oproti M-JPEG je tedy ve způsobu analýzy a komprese
signálu: v MPEG-2 nejsou zpracovávány jednotlivé snímky odděleně, nýbrž jsou
komprimovány celé sekvence. Data několika po sobě jdoucích snímků jsou
zpracovávána zároveň v přímé souvislosti s následujícími. Vychází se přitom ze
skutečnosti, že obsah následujících snímků se velmi často jen málo změní např.
pokud na záběru dívka přechází ulici, je ulice stále stejná a mění se jen
informace o pohybu dívky.
Výhody technologie MPEG-2 jsou ve výrazně efektivnější kompresi: potřebujete
mnohem menší množství dat, a tudíž i záznamového prostoru pro dosažení
kvalitního videa, než u M-JPEG. Kvalita je dokonce mnohem lepší než u M-JPEG.
Základní nevýhodou MPEG-2 je však vyšší technická náročnost střihu, o čemž se
zmíním podrobněji dále.
Struktura MPEG-2 komprese
V MPEG-2 se videosekvence skládá z tzv. I, B, a P-snímků. I-snímky jsou
indexové obrázky komprimované obdobným způsobem jako jednotlivé snímky v
M-JPEG. MPEG-2 však navíc poskytuje dodatečnou možnost komprimovat různé
obrazové části vlastního snímku dle obsahu různou velikostí komprese (např.
jednolitá a jednobarevná plocha nemusí být definována bod po bodu, ale jako
barevné pole ohraničené několika body), což snižuje množství dat o 10-15 %
oproti M-JPEG. V MPEG-2 datové sekvenci obsahují I-snímky všechna data potřebná
pro dekompresi a zobrazení snímku. B-snímky jsou obousměrně zkomprimované
obrázky. Obsahují pouze data popisující rozdíly mezi předchozím a následujícím
snímkem. B-snímky proto logicky obsahují mnohem méně dat nežli I-snímky.
P-snímky jsou tzv. předpovězené obrázky. Jsou odhadnuty na základě sekvence
snímků ve videu. Jsou dopočítávány a obsahují ještě méně informací než B-snímky.
MPEG-2 standard popisuje sekvence I, B, a P-snímků jako skupiny obrázků (Group
of Pictures GOP). Zde je důležité připomenout, že každý výrobce systému si může
vytvořit GOP jakékoliv délky a struktury za podmínky, že každá skupina obrázků
(GOP) obsahuje alespoň jeden I-snímek. To zaručuje kompatibilitu MPEG-2
datového toku s libovolným MPEG-2 dekodérem (DVD přehrávač, PC systém vybavený
softwarovou nebo hardwarovou podporou MPEG-2, DVB satelit atd.).
Komplikace pro amatérské využití
Protože si výrobce MPEG-2 datového toku může vytvořit svoji vlastní strukturu
GOP, je pochopitelné, že snahou výrobců vždy bude omezit datový tok a množství
dat na minimum. Pro zopakování uveďme, že nejvíce informací (ale i datového
prostoru) obsahuje I-snímek následován B-snímkem, který je ve svých datových
nárocích mnohem skromnější, a nakonec P-snímek obsahující jen minimum dat. Tato
struktura datového toku je s výhodou akceptovatelná u DVD videodisků a v DVB
satelitním vysílání, kde datový tok činí 14,1 Mb/s (srovnej s DV datovým tokem
25 Mb/s). Jak již bylo naznačeno výše, je takováto struktura dat málo vhodná k
přesnému střihu. Ten lze totiž provádět pouze v místě I-snímků, takže pozice
proveditelného střihu může být dosti vzdálena od požadované pozice střihu
směrem vpřed i vzad v obrazovém ději. Pro zajištění opravdu přesného střihu v
každém snímku (frame) by bylo nutno vytvořit MPEG-2 datový videosoubor
obsahující pouze Isnímky, což s sebou ovšem nese značný nárůst datového toku a
objemu dat. Např. v případě DVD videodisku by byly objem i tok více než
trojnásobné (50 Mb/s). S obdobnou strukturou GOP pracuje v podstatě jen
profesionální Betacam SX (horizontální rozlišení kolem 700 řádků).
Problém velikosti potřebného datového toku pro stříhatelný MPEG-2 bude
pravděpodobně jednou z brzd rozvoje komerčních a cenově přijatelných verzí
střihových systémů (např. PC karet vybavených MPEG-2 kodekem a IEEE 1394
rozhraním) na bázi MPEG-2. Velikost datového toku lze sice při zachování
možnosti plného střihu omezit např. využitím modifikovaných (tzv. obousměrných)
B-snímků a dalšími způsoby, je ale otázkou, zda se bude výrobcům chtít touto
cestou jít. Každopádně by takto modifikovaný MPEG-2 mohl pracovat s datovým
tokem okolo 20 Mb/s, což by umožňovalo při zpracování na PC používat současné
rychlé E-IDE disky a na dnes prodávaná PC by přitom nebyly kladeny nijak
extrémní nároky. Rovněž není pro oblast amatérské výroby a zpracování MPEG-2
datastreamu vytvořena potřebná softwarová podpora ta je orientována spíše na DV
systémy.
Variantnost MPEG-2
MPEG-2 obsahuje různé profily a úrovně. Kombinací různých parametrů, jakými
jsou např. rozlišení znamenající počet řádek a pixelů, vzorkovací frekvence,
různé úrovně, profily a počet snímků/s, pokrývá MPEG-2 všechny aplikace v
broadcast sektoru od postprodukce přes distribuci až k vysílání. Data dle
MPEG-2 standardu lze jednoduše přehrát jakýmkoli MPEG-2 dekodérem, a to jak
softwarovým, tak hardwarovým. MPEG-2 navíc dává výrobcům volnost v kódování
obrazu a zvuku za předpokladu, že výsledná data odpovídají standardu, a jsou
tudíž zobrazitelná na jakémkoli MPEG-2 dekódovacím (zobrazovacím) systému. Při
MPEG-2 kódování se každý výrobce snaží pomocí vlastních filtrů a algoritmů co
nejefektivněji zkomprimovat obraz při zachování maximální obrazové kvality. To
znamená, že různé MPEG-2 systémy mohou vykazovat (a skutečně vykazují) znatelné
rozdíly v kvalitě obrazu.
Quo vadis, MPEG-2?
Budoucí vývoj MPEG-2 standardu lze jen těžko odhadovat. Po technologické
stránce se standard jeví být velice výhodnou a univerzální platformou pro
záznam a distribuci velmi kvalitního videosignálu pocházejícího z DVD disku,
DVB satelitního vysílání nebo z vaší digitální videokamery (ovšem zatím
pracující v DV záznamovém formátu). Již nyní jsou k dispozici hardwarové MPEG-2
kodeky (PC karty) pro převod videosignálu na MPEG-2 datový tok, ovšem se
zaměřením spíše na tzv. DVD mastering. Lze též zakoupit i celé MPEG-2 systémy
(dosti drahé, a tím předurčené pro profesionální oblast) postavené na PC
platformě. Rovněž existují DV/MPEG-2 softwarové kodeky pro převod DV datového
toku (s příponou *.avi) na MPEG--2 datastream (s příponou *.m2p, převod ovšem
neprobíhá v reálném čase). Ze zkušeností se spotřebním videoprůmyslem lze zatím
o snaze výrobců sjednotit všechny digitální audio/video datové toky pod MPEG-2
jen pochybovat. Protože však byl nedávno uveden na evropský trh systém D-VHS (o
kterém jsme psali v CW 49/99), založený na záznamu MPEG-2 datového toku (zatím
pouze s rychlostí 14,1 Mb/s), lze jen doufat, že se tato skutečnost projeví i
na dalším přístupu výrobců spotřební digitální techniky k celé problematice.
9 3373 / ija









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.