Premium

Získejte všechny články mimořádně
jen za 49 Kč/3 měsíce

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

KVÍZ: Zapomenuté funkce domácí techniky, po kterých se už nikomu nestýská

v diskusi je 19 příspěvků

13. května 2024

Byly běžnou součástí životů vás, vašich rodičů nebo prarodičů. Většinu z nich dnes však nikdo...

Sověti neuměli zkonstruovat těžký tank. Pomohl jim až německý inženýr

v diskusi je 49 příspěvků

19. května 2024

Když je řeč o sovětských těžkých tancích, výčet zpravidla začíná pětivěžovým typem T-35. Jenže...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

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

Pět věcí, které byste s Windows měli dělat, ale možná neděláte, a naopak

v diskusi je 10 příspěvků

15. května 2024

Možná prakticky ihned po instalaci, při prvním spuštění nového PC nebo později deaktivujete některé...

Umělá inteligence od OpenAI má nový pohon. A rovnou ho dává zadarmo

v diskusi je 9 příspěvků

13. května 2024  20:34

Společnost OpenAI vůbec poprvé pořádala živé představení svých pokroků. Hlavní novinkou se stala...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

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

Panasonic překvapil, jeden opuštěný operační systém nahradily dva nové

v diskusi je 15 příspěvků

17. května 2024

Düsseldorf (Od zpravodaje Technet.cz) Když odhlédneme od kvality zobrazovacího panelu a obvodů zpracovávajících obraz, je operační systém...

Věci, které by ve Windows 11 měli ihned opravit

v diskusi je 18 příspěvků

20. května 2024

Windows 11 z uživatelského pohledu nastavuje zrcadlo budoucnosti. Nacházejí se v něm věci uživateli...

Beneš se Mussoliniho neštítil. Před 100 lety s ním vyjednal mezistátní smlouvu

v diskusi je 34 příspěvků

19. května 2024  10:30

V polovině května 1924 jednal československý ministr zahraničí Edvard Beneš v Římě s italským...

Sověti neuměli zkonstruovat těžký tank. Pomohl jim až německý inženýr

v diskusi je 49 příspěvků

19. května 2024

Když je řeč o sovětských těžkých tancích, výčet zpravidla začíná pětivěžovým typem T-35. Jenže...

Jak Muskova firma vyřešila problém prvního čipu v mozku člověka

v diskusi je 5 příspěvků

18. května 2024

Neuralink je jedna z firem Elona Muska, o které se mnoho mluví. V lednu totiž zavedli její...

Rozdáváme samoopalovací fluid ZDARMA
Rozdáváme samoopalovací fluid ZDARMA

Toužíte po dokonalé letní barvičce bez rizika spálení? Vyzkoušejte lehký přírodní samoopalovací krém na obličej i tělo od Manufaktury. Zapojte se...

Bohužel nám to nevyšlo, oznámili manželé Pagáčovi rozchod po šesti letech

Herečka Patricie Pagáčová (35) a dramaturg Tibor Pagáč (32) se rozešli po pěti letech manželství. Žádost o rozvod zatím...

Zemřel Vlastimil Harapes. Baletní mistr Národního divadla i českých filmů

Ve věku 77 let zemřel tanečník a herec Vlastimil Harapes. Dlouhá léta byl sólistou baletu Národního divadla. Zahrál si...

Anální sex je výzva. Nejvíc tabu je však v Česku jiná praktika, říká průzkum

Erotické hračky nepředstavují podezřelou exotiku, v ložnicích jsou jako doma. Ostatně jako masturbace. I orální sex....

Svěrák se na mě nedíval jen jako na hezkou buchtu, říká Radka Pavlovčinová

Jan Svěrák ji vidí jako robotku. Radka Pavlovčinová v nové hře filmového a teď už i divadelního režiséra hraje umělou...

Plné divadlo i bazilika. Nad rakví Postlerové mluvila dcera, Töpfer i Šťastný

S herečkou Simonou Postlerovou se v prostorách Divadla na Vinohradech rozloučili kolegové i veřejnost. Nad rakví...