Концепция сжатия видео в MPEG очень проста - определить, какая именно информация в потоке повторяется хотя бы в течение какого-то отрезка времени и принять меры к избежанию дублирования этой информации. Наиболее ценное достоинство MPEG кодирования, особенно удобное для передачи по различным сетям - возможность гибкой настройки качества изображения в зависимости от пропускной способности сети. Это и сделало MPEG-2 фактическим стандартом для приема/передачи цифрового телевидения по различным сетям.

К сожалению, не существует возможности однозначно оценить качество кодирования некими приборами и измерениями. Единственный критерий здесь - человек и как он воспримет сжатую информацию. Поэтому правила сжатия видеоданных при MPEG кодировании вырабатывались на основе модели восприятия человеком видеоизображений (HVS - Human Visual Sense). Избыточность изображения согласно HVS определяется по трем основным критериям:

• Невидимые человеческим глазом детали изображения - места гашения по вертикали и горизонтали. Удаление этой информации вообще никак не сказывается на изображении;
• Статистическая избыточность. Подразделяется на пространственную и временную. Под пространственной избыточностью понимаются участки изображения, на которых смежные пиксели практически одинаковы. Под временной - не изменяемые во времени фрагменты изображения;
• Избыточность по цвету и яркости - рассчитывается исходя из ограниченной чувствительности человека к небольшим изменениям цветов и яркости деталей изображения.

Как реализуется формат MPEG.

Для удобства кодирования видеоданных весь видеопоток разбивается на группы, называемые GOP (Group of Pictures - Группа изображений). Такая группа строится, как показано на Рис. 1.3

Рис. 1.3. «Устройство» формата MPEG

На рисунке изображены следующие кадры:

• I - Intra-кадры, которые обычно называются опорными и содержат всю информацию об изображении. MPEG последовательности без этих кадров быть не может в принципе. При компрессии I-кадров происходит удаление только пространственной избыточности. Именно с этого кадра начинается декодирование изображения в последовательности;
• Р - Predictive кадры. «Предсказанные» кадры, при формировании которых используется метод предсказания изображения на следующем кадре с учетом компенсации движения от последнего I или Р-кадра перед формируемым. Р-кадр также служит для дальнейшего предсказания изображения. Р-кадр создается с помощью межкадровой компрессии, уменьшающей как пространственную, так и временную избыточность. Изображение Р-кадра вычитается из следующего изображения и эта разница кодируется и вместе с вектором движения добавляется к сжатым данным;
• В - Bi-directional, «двунаправленные» кадры. Они названы так потому, что хранят наиболее существенную информацию с окружающих их I и Р-кадров. В кадры имеют наивысшую степень компрессии, но требуют предыдущего и последующего изображения для компенсации движения объектов на изображении.

Такую структуру MPEG потока обычно описывают в виде дроби M/N, для которой М сообщает общее число кадров в GOP, a N - каким по счету будет очередной Р-кадр после предыдущего. Таким образом, GOP-последовательность, изображенная на рисунке выше, может быть записана как 12/3. Собственно поток данных MPEG состоит из 6 иерархических уровней:

• Блок - данные по яркости и цветности для блоков 8x8 пикселей изображения. Блоки анализируются по значениям Y (яркость), СВ и CR (цветоразностные сигналы);
• Макроблок — как следует из названия, состоит из 4 простых блоков в окне 16x16 пикселей соответственно. В формате 4:2:0 макроблок содержит 4 блока яркостных данных Y и по одному СВ и CR;
• Слой - содержит несколько смежных макроблоков;
• Кадр - состоит из группы слоев, содержащих изображение, которое, в свою очередь, может быть как I, так Р или В;
• Группа изображений (она же GOP) - содержит последовательность кадров. Может включать до 15 кадров и должна обязательно начинаться с I кадра;
• Видеопоследовательность — должна содержать минимум одну GOP, а также заголовок в начале последовательности и код конца последовательности.

Уровни и профили MPEG

Под профилем MPEG понимается подмножество структуры битового потока сжатого видеоизображения. В пределах такого подмножества возможен широкий разброс параметров потока и, соответственно, кодеров и декодеров для них.

Под уровнем понимается ряд ограничений, применяемых к параметрам MPEG-потока, например, разрешение выходного изображения, частота кадров и т.п.

Таблица ниже иллюстрирует максимальные значения ограничений, накладываемых на уровни и профили MPEG.

Эта таблица нужна в первую очередь для понимания часто встречающихся обозначений формата конкретной записи или описаний возможности какого-либо кодера. Например, вот так может характеризоваться запись в формате MPEG:

1) На самом деле здесь правильнее было бы написать: PAL - название аналогового стандарта телевидения, в котором был создан исходный видеофильм. Собственно MPEG фильм нельзя отнести к какой-либо системе цветного телевидения, так как кадры в MPEG являются просто цифровым представлением ранее аналогового изображения и не имеют никакого отношения даже к исходной для оригинала фильма системе телевидения.

Для видеолюбителя определяющую роль играют всего несколько наиболее важных параметров настройки MPEG-кодера (компрессора). Это:

• Bit Rate (Скорость потока) - измеряется в мегабитах (обратите внимание, в мегабитах, а не в мегабайтах) в секунду. Чем выше Bit Rate, тем выше качество изображения, но тем больше места занимает созданный кодером MPEG файл;
• Constant Bit Rate (Постоянная скорость потока) - параметр кодирования, указывающий на то, что скорость потока не должна зависеть от кодируемого изображения и быть постоянной величиной. Установка постоянной скорости позволяет точно определить размер итогового файла фильма, но не оказывает влияния на качество изображения только в случае одной и той же динамики фильма на всем его протяжении. Например, в течение фильма непрерывно показываются автомобильные гонки или медленно и плавно картины в музее;
• Variable Bit Rate (Переменная скорость потока) - параметр кодирования, указывающий на то, что скорость потока должна зависеть от динамики изображения - расти на динамичных сценах и уменьшаться на статичных. Variable Bit Rate применяется сейчас наиболее широко, так как позволяет в подавляющем большинстве случаев добиться лучшего качества видео по сравнению с Constant Bit Rate при том же размере файла результата;
• Average Bit Rate (Средняя скорость потока) - параметр, совпадающий по значению с Constant Bit Rate при постоянной скорости потока и оговаривающий среднюю скорость потока с Variable Bit Rate.

Используя MPEG или планируя его использовать, следует помнить, что MPEG ориентирован на хранение и передачу видеоданных, но не на их обработку. Редактировать, т.е. каким-либо образом изменять видео в любом из форматов MPEG крайне неудобно и приводит в подавляющем большинстве случаев к потере качества исходного видеоматериала, не говоря уже о больших по сравнению с любыми другими форматами временных затратах компьютера на редактирование.

С уважением, Igon

Статья подготовлена с использованием материалов из книги "Быстро и легко. Цифровые видеокамеры, видеомонтаж и фабрика видеодисков дома: Ulead MediaStudio Pro 6.5", С.М. Блохин, Ф.А. Резников, изд. Лучшие книги, Москва.