Neděle 14. srpna 2022, svátek má Alan
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet
  • Neděle 14. srpna 2022 Alan

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

KOMENTÁŘ: Obrana kupuje bezpilotního dědečka. Zda umí bojovat, nikdo neví

Po několika týdnech spekulací o tom, jaké bojové drony česká armáda nakoupí, ministerstvo obrany zveřejnilo, že půjde o...

ANALÝZA: Tchaj-wan v ohrožení. Neptejme se zda, ale kdy bude válka

Premium Uprostřed obav o budoucnost míru ve světě, na pozadí války probíhající mezi dvěma největšími armádami Evropy...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

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

Expert: Rusy předběhla ve vesmírném programu už i Čína a Evropa. O NASA nemluvě

Rozstřel Rusové chtějí po roce 2024 ukončit svou účast na Mezinárodní vesmírné stanici. V Rozstřelu se nad důsledky tohoto...

Německý tank Leopard 2. Ušlechtilý potomek rodu Tigerů se stal legendou

Leopard 2 je bezpochyby nejdůležitějším evropským tankem konce studené války. Spolu s americkým Abramsem tvoří dodnes...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

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

Jak si vedli Češi na Jadranu a ve Středomoří. Řada se jich nevrátila

Ve druhé polovině 19. století rostla rakousko-uherská válečná flotila a také se postupně zvyšoval podíl námořníků z...

Neklidné nohy či noční děs. Poruchy spánku předcházejí nemocem, říká neurolog

Premium Říká se, že dobrý spánek je sladší než med. Což naznačuje jeho hlavní funkci: nechat tělo odpočinout. A působí i coby...

Oktagon bez Rusů, zájem o ostrovy i kdo s kým o titul. Co chystá Novotný

Premium Letní turnaj na pražské Štvanici zaujal i uznávané zámořské experty, kteří se jinak výhradně věnují nejlepší soutěži...

Dnes se bavím líp i bez drog a alkoholu, říká terapeut a bývalý narkoman

Premium Jeho příběh je drsný, ale má happy end. Čtrnáctileté balancování na hraně s pervitinem, závislost, lži, prostitutky,...

  • Další z rubriky

Nový superpočítač chladí 22 000 litrů vody, elektřiny odebírá jako město

Nový nejvýkonnější superpočítač na světě se jmenuje Frontier a spustili jej v laboratořích v USA, oproti dnešní...

Nový Boeing 777-9 má skládací křídla a velký problém s FAA

Na aerosalonu ve Farnborough měl evropskou premiéru nový letoun Boeing 777-9. Podle původních plánů měl již dva roky...

Acer v herním notebooku oprášil mrtvou technologii, nejspíš přišel její čas

Deset let je ve vývoji displejů, nanotechnologií a procesorů dlouhá doba. Zdá se proto, že dřív neúspěšné tažení 3D...

„Windows PC“ ujel vlak. MacBook s novým čipem M2 má působivou výdrž i výkon

Premium Přes dvacet hodin na jedno nabití nám v testu vydržel nový MacBook Air s procesorem M2. A jak se v testu ukázalo,...

Češka vyhrála soutěž krásy v Africe. Všichni si na mě chtěli sáhnout, říká

Sarah Horáková (18) odletěla do Afriky reprezentovat Česko na světovou soutěž krásy. Když první vicemiss České...

Stav herečky Anne Heche je téměř beznadějný. Má vážně poškozený mozek

Herečka Anne Heche (53) s největší pravděpodobností nepřežije nehodu, při níž autem narazila do dvoupodlažní budovy v...

Herečka Anne Heche zemřela, nepřežila následky zranění po autonehodě

Třiapadesátiletá herečka Anne Heche zemřela. Uvedla to její přítelkyně Nancy Davisová. Herečka skončila v nemocnici v...

Rýn během pátku přestane být splavný. Ekonomické dopady pocítí celá Evropa

Hladina řeky Rýn v německé oblasti Rheingau podle úřadů v pátek klesne na kritickou úroveň, na klíčovém místě naměří už...

Neklidné nohy či noční děs. Poruchy spánku předcházejí nemocem, říká neurolog

Premium Říká se, že dobrý spánek je sladší než med. Což naznačuje jeho hlavní funkci: nechat tělo odpočinout. A působí i coby...