MPEG2 - upgrade для MPEG1

Компрессия по стандарту MPEG-2 кардинально меняет положение вещей. Более 97% цифровых данных, представляющих видео сигнал дублируются, т.е. являются избыточными и могут быть сжаты без ущерба качеству изображения. Алгоритм MPEG-2 анализирует видеоизображение в поисках повторений, называемых избыточностью. В результате процесса удаления избыточности, обеспечивается превосходное видеоизображение в формате MPEG-2 при более низкой скорости передачи данных. По этой причине, современные средства поставки видеопрограмм, такие как цифровые спутниковые системы и DVD, используют именно стандарт MPEG-2.

Изменения в Audio:

· Появились новые виды частот 16, 22.05, 24 КГц.

· Поддержка многоканальности - возможность иметь 5 полноценных каналов (left, center, right, left surround, right surround) + 1 низкочастотный (subwoofer).

· Появился AAC (Advanced Audio Coding - прогрессивное кодирование звука) стандарт - обеспечивает очень высокое качество звука со скоростью 64 kbps per channel (килобит в сек. на канал), возможно использовать 48 основных каналов, 16 низкочастотных каналов для звуковых эффектов, 16 многоязыковых каналов и 16 каналов данных. До 16 программ может быть описано используя любое количество элементов звуковых и других данных. Для AAC существуют три вида профиля - Main (используется когда нет лишней памяти), Low Complexity (LC), Scalable Sampling Rate (SSR, требуется декодер с изменяемой скоростью приема данных).

Декодеры должны быть:

1. "forwards compatible" (вперед совместимыми) - MPEG-2 Audio Decoder понимает любые MPEG-1 аудио каналы.

2. "backward compatible" (обратно совместимыми) - MPEG-1 Audio Decoder должен понимать ядро MPEG-2 Audio (L-канал, R-канал)

3. "matrixing" (матрицируемыми) - MPEG1 Audio Decoder должен понимать 5-ти канальный MPEG-2 (L = left signal + a * center signal + b * left surround signal, R = right signal + a * center signal + b * right surround signal)

4. MPEG-1 Звуковой декодер не обязан понимать MPEG-2 AAC.

В следствии этого совершенно спокойно можно использовать MPEG-1 Video + MPEG-2 Audio или наоборот MPEG-2 Audio + MPEG-1 Video.

Изменения в Видео:

· Требуется чтобы разрешение по вертикали и горизонтали было кратно 16 в кодировщике кадров (frame-encoder) стандартах (покадровое кодирование), и 32 по вертикали в кодировщике полей (field-encoder, каждое поле состоит из двух кадров) стандартах (interlaced video).

· Возможность форматов 4:4:4, 4:2:2 (Next profile).

· Введены понятия Profile (форма, профиль) и Levels (уровни).

· Размер frame до 16383*16383.

· Возможность кодировать interlaced video.

· Наличие режимов масштабирования (Scalable Modes)

· Pan&Scanning вектор (вектор панорамирования и масштабирования), который говорит декодеру как преобразовывать, например 16:9 в 4:3.

Изменения, связанные с алгоритмами кодирования:

· Точность частотных коэффициентов выбирается пользователем (8, 9, 10, 11 бит на одно значение -- в MPEG-1 только 8 бит).

· Нелинейный quantization процесс (разбиение непрерывных данных в дискретные).

· Возможность загрузить quantization matrix (матрица преобразований непрерывных данных в дискретные) перед каждым кадром.

· Новые режимы предсказания движения (16x8 MC, field MC, Dual Prime)

Scalable Modes (доступно только в Next и Main+ Profile) делят MPEG-2 на три слоя (base, middle, high) для того чтобы организовать уровни приоритета в видеоданных (на пример более приоритетный канал кодируется с большим количеством информации по коррекции ошибок чем менее):

1. Spatial scalability (пространственное масштабирование) - основной слой кодируется с меньшим разрешением и затем он используется как предсказание для более приоритетных.

2. Data Partitioning (дробление данных) - разбивает блок из 64 quantization коэффициентов в два потока из которых более приоритетный переносит низкочастотные (наиболее критичные к качеству), а менее приоритетный (высокочастотные).

3. SNR (Signal to Noise Ratio) Scalability (масштабирование соотношения сигна/шум) - каналы кодируются с одинаковой скоростью, но с разным качеством (менее приоритетный слой содержит плохую картинку - более дискретные шаги, а высокоприоритетный слой содержит довесок позволяющий построить качественную картинку)

4. Temporal Scalability (временное масштабирование) - менее приоритетный слой содержит канал с низкой скоростью передачи кадров, а высокоприоритетный содержит информацию позволяющую восстановить промежуточные кадры используя для предсказания менее приоритетные.

Таблица 4, Уровни

Уровень	Максимальное разрешение	Максимальная скорость	Примечание
Low	352*240*30	4 Mbps	CIF, кассеты
Main	720*480*30	15 Mbps	CCIR 601, студийное TV
High 1440	1440*1152*30	60 Mbps	4x601, бытовое HDTV
High	1920*1080*30	80 Mbps	Продукция SMPTE 240M std

Таблица 5, Профили

Профиль	Комментарии
Simple	Такой же как и Main только без B - картинок. Используется в программах и CATV (кабельное ТВ)
Main	Стандартный MPEG-1, 95% пользователей, CATV, спутники
Main+	Main со Spatial и SNR Scalability
Next	Main+ c форматом 4:2:2

Таблица 6, Допустимые комбинации Профилей и Уровней

Simple	Main	Main+	Next
High	No	No	4:2:2
High 1440	No	Main c Spatial Scalability	4:2:2
Main	90% от всех	Main c SNR Scalability	4:2:2
Low	No	Main c SNR Scalability	No

Таблица 7, Наиболее популярные стандарты.

Разрешение	Комментарии
352*480*24 (progressive)	VHS, хорош для фильмов
544*480*30 (interlaced)	Laserdisc (LD), D-2, Качество как у PAL
704*480*30 (interlaced)	Качество CCIR 601.Studio D-1

Рис. 6

Системный уровень MPEG-2, обеспечивает два уровня объединения данных:

1. Packetized Elementary Stream (PES) - разбивает звук и видео на пакеты.

2. Второй уровень делится на:

o MPEG-2 Program Stream (совместим с MPEG-1 System) - для локальная передача в среде с маленьким уровнем ошибок

o MPEG-2 Transport Stream (Рис. 6) - внешнее вещание в среде с высоким уровнем ошибок - передает транспортные пакеты (длиной 188 либо 188+16 бит) двух типов (сжатые данные -- PES -- и сигнальную таблицу Program Specific Information -- PSI).