5.2.2. Mpeg кодирование
В отличие от стандарта H.261, который оптимизирован только для видеоконференций, где движение ограничено, MPEG стандарт разработан для кодирования широкого спектра видео и движущихся изображений.
Стандарт определяет структуру битового потока (представляющего закодированное видеоизображение), который поступает на декодер, и определяет архитектуру построения самого декодера. Стандарт не накладывает никаких требований на построение кодера, что приводит к тому, что одни кодеры могут давать более высокое качество, другие могут быть реализованы в реальном режиме времени, третьи - требовать ручной настройки параметров. Алгоритмы обработки потоков данных в стандарте MPEG являются несимметричными алгоритмами и алгоритмами компрессии с потерями. При этом, кодирование является существенно более трудоемким процессом, чем декодирование.
MPEG использует как interframe, так и intraframe технику кодирования для обработки. В стандарте существует три типа кодированных фреймов:
I-фрейм (Intraframe);
P-фрейм (Predicted);
B-фрейм (Bidirectional).
Каждый из I-фреймов содержит всю необходимою информацию для своего воспроизведения, поэтому он не зависит от других фреймов в видеопоследовательности. Для его обработки используется JPEG алгоритм с дискретным косинусным преобразованием.
P-фрейм предсказывается на основе изменений в последовательности предыдущих I или P-фреймов. B-фрейм интерполируется на основе I и P-фреймов. Межфреймовая зависимость между P и B-фреймами влият на то, что текущий P-фрейм может быть декодирован только в том случае, если предыдущие I или P-фреймы были успешно декодированны. Иначе говоря, без получения I и P-фреймов не возможно получить B-фрейм.
Рисунок 4. Чередование фреймов
Для примера, если нормальным порядком воспроизведения фреймов для вывода на экран, является последовательность IBBPBBOBBI…, то входная последовательность фреймов для декодера должна быть IPBBPBBIBB. Таким образом, хранящаяся последовательность фреймов и последовательность для воспроизведения - различаются. Основные шаги алгоритма можно представить следующим образом:
Выполнить предобработку для предотвращения потерь цветовой информации.
Для I-фрейма пропустить этот шаг; для P-фрейма и для B-фрейма применить схему компенсации движения.
Преобразовать изображение в последовательность 8x8 блоков.
Применить дискретное косинусное преобразование для всех типов блоков.
Применить зигзагообразную сортировку для упорядочивания элементов.
Применить run-length кодирование для уменьшения числа нулей в полученной последовательности.
Применить variable-length кодирование.
На данный момент существуют несколько версий MPEG кодеров, обозначаемых MPEG-x. MPEG-1 (т.е. первая версия) ориентирована для воспроизведение данных с CD-ROM и обеспечивает скорость воспроизведения порядка 1.5 МБ/с. Данный стандарт обеспечивает стандартное качество VHS. MPEG-2 разработан для поддержки высококачественного кодирования и передачи изображения с телевизионным качеством. При этом, обеспечиваются скорости в диапазоне 2-15 МБ/с. Основные области применения данного стандарта включают в себя хранение информации, цифровое телевидение (включая телевидение высокой четкости), кабельное телевидение, спутниковую передачу данных и т.п.
В стандарте MPEG-2 включена поддержка LP видео, так же улучшена схема кодирования. Совместимость между стандартами обеспечивается снизу вверх, т.е. MPEG-2 может поддерживать MPEG-1, но не наоборот.
К настоящему моменту разработана спецификация стандарта MPEG-4. Его основная область применения - передача видеоинформации с низкими скоростями (видеофоны и сотовая связь). При этом поддерживаются скорости доя 4.8-64 КБ/c.