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MPEG-2 e editing video non lineare. Quasi complesso

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Recentemente tra i professionisti del video si sente sempre più spesso parlare di codifica MPEG-2. L'attenzione ad esso oggi sta crescendo quasi più velocemente della reale espansione della portata della sua applicazione pratica. In effetti, siamo interessati a un algoritmo di compressione efficace nelle attività di editing non lineare e di produzione video, stiamo pensando di creare i nostri film in DVD o archivi video digitali, stiamo analizzando i principi degli standard di registrazione o archiviazione dei dati di Betacam SX sui server video e infine, stiamo discutendo delle caratteristiche della trasmissione digitale dei programmi sulla televisione via cavo e via satellite, ovunque incontriamo la menzione di MPEG-2. Dall'enumerazione precedente è chiaro che questo algoritmo ha molti volti e molte sfaccettature, tanto che specialisti in diversi campi, quando parlano di MPEG, a volte pensano a cose diverse. Ma, in realtà, non è così complicato da non poterne comprendere i principi di base. Quindi scopriamolo.

Ti ricordo che MPEG è l'abbreviazione di Moving Pictures Experts Group, il nome del comitato per la standardizzazione dei metodi di compressione digitale dei flussi di dati video dell'organizzazione internazionale ISO/IEC (International Standards Organization/International Electrotechnical Commission). Inizialmente, il compito del comitato era quello di sviluppare un formato per archiviare e riprodurre dati audio/video da CD-ROM. Di conseguenza, è stato creato lo standard MPEG-1, destinato ai canali di trasmissione di informazioni a bassa velocità (circa 1 Mbit/s) e limitato a una risoluzione di fotogramma di 352 x 288 (per un segnale PAL). Poi, con l'espansione delle attività di trasmissione video, l'aumento della capacità del canale e l'aumento dei requisiti per la qualità visiva delle immagini risultanti, sono comparsi MPEG-2, MPEG-4 e persino MPEG-7, ottimizzati per condizioni speciali.

Pertanto, MPEG-4 è destinato principalmente alla trasmissione digitale di dati video su linee telefoniche (Internet, videoconferenze) in condizioni di larghezza di banda fortemente limitata (tipicamente 28,8 Kbps), e quindi riduce la risoluzione di altre quattro volte - a 176 x 144 , ma utilizza lo schema di codifica più avanzato con la divisione dell'immagine in oggetti indipendenti come sfondo, testo, grafica 2D/3D, volti umani "parlanti", corpi in movimento, ecc. Ma a causa dell'ovvia complessità, questo standard non è ancora stato adottato hanno ricevuto attuazione pratica.

Per quanto riguarda MPEG-2, inizialmente mirava a risolvere il problema della trasmissione di immagini televisive. Ognuno di noi sa per esperienza personale che la qualità dell'immagine vista in TV varia notevolmente. Una cosa è guardare un film riprodotto sul videoregistratore di casa o sulla televisione via cavo locale, un'altra è godersi il video da un DVD o da un canale satellitare. MPEG-2, come definito nella norma ISO/IEC 13818-2, comprende una famiglia di standard di compressione televisiva digitale reciprocamente concordati e compatibili dall'alto verso il basso. Più precisamente, lo consente Livello 4 (Livelli) risoluzione dei fotogrammi e 5 profili di base (Profili) codifica dei segnali di luminanza e crominanza.

livelli: basso LL (Low Level) con risoluzione fotogramma 352 x 288 (corrisponde a MPEG-1), principale ML (Livello principale) 720 x 576, alto HL-1440 (Livello alto) 1440 x 1152 e alto HL-1920 1920 x x 1152. Si noti che se, secondo la Raccomandazione ITU-R BT.601 (International Telecommunications Union - Recommendation), il livello principale determina la risoluzione di un frame televisivo standard, allora i livelli alti si concentrano sulla televisione ad alta definizione.

Profili: semplice SP (Profilo semplice), base MP (Profilo principale), due rapporti segnale-rumore scalabili Profilo scalabile SNR e con permesso Profilo spazialmente scalabile e infine alto HP (Alto profilo). Un posto importante è occupato anche dal cosiddetto profilo principale-professionale, o, in altre parole, MPEG 422, che non è stabilito dallo standard, ma viene utilizzato attivamente nella pratica. È designato come 422R. Se tutto è abbastanza semplice con i livelli, per comprendere le differenze tra i profili sono necessarie alcune spiegazioni preliminari.

Un po 'di teoria

La compressione efficace delle informazioni video si basa su due idee principali: soppressione di piccoli dettagli della distribuzione spaziale dei singoli fotogrammi che non sono importanti per la percezione visiva ed eliminazione della ridondanza temporale nella sequenza di questi fotogrammi. Da qui il concetto di compressione spaziale e temporale.

Il primo utilizza la bassa sensibilità sperimentalmente stabilita della percezione umana alle distorsioni di piccoli dettagli dell'immagine. L'occhio nota l'eterogeneità di uno sfondo uniforme più velocemente della curvatura di un bordo sottile o del cambiamento di luminosità e colore di una piccola area. In matematica sono note due rappresentazioni equivalenti di un'immagine: la familiare distribuzione spaziale della luminosità e del colore e la cosiddetta distribuzione di frequenza associata alla trasformata spaziale discreta del coseno (DCT). In teoria, sono equivalenti e reversibili, ma memorizzano le informazioni sulla struttura dell'immagine in modi completamente diversi: la trasmissione di cambiamenti uniformi sullo sfondo è fornita da valori a bassa frequenza (centrali) della distribuzione di frequenza e i coefficienti ad alta frequenza sono responsabili di piccoli dettagli della distribuzione spaziale.

Ciò consente di utilizzare il seguente algoritmo di compressione. La trama è divisa in blocchi di dimensione 16 x 16 (la dimensione 720 x x 576 corrisponde a 45 x 36 blocchi), ciascuno dei quali viene convertito nel dominio della frequenza dal DCT. Quindi i coefficienti di frequenza corrispondenti vengono sottoposti a quantizzazione (arrotondamento dei valori a un intervallo specificato). Se il DCT stesso non porta alla perdita di dati, la quantizzazione dei coefficienti provoca inevitabilmente un ingrossamento dell'immagine. L'operazione di quantizzazione viene eseguita a un intervallo variabile: le informazioni a bassa frequenza vengono trasmesse in modo più accurato, mentre molti coefficienti ad alta frequenza assumono valori zero. Ciò fornisce una compressione significativa del flusso di dati, ma si traduce in una risoluzione effettiva ridotta e nella possibile comparsa di dettagli spuri minori (in particolare ai confini dei blocchi). Ovviamente, più grossolana è la quantizzazione utilizzata, maggiore è il rapporto di compressione, ma minore è la qualità del segnale risultante.

Permettetemi di ricordarvi che questo algoritmo deriva dalla fotografia digitale, dove è stato sviluppato con il nome JPEG per una compressione efficiente dei singoli fotogrammi (JPEG è l'abbreviazione del nome dell'associazione internazionale Joint Photographic Experts Group che lo ha approvato). Successivamente è stato applicato con successo a sequenze video di fotogrammi (ognuno dei quali è stato elaborato in modo completamente indipendente) e ha ricevuto il nuovo nome M-JPEG (Motion-JPEG). Va inoltre notato che la codifica DV degli standard digitali DV/DVCAM/DVCPRO si basa fondamentalmente sullo stesso algoritmo, ma utilizza uno schema più flessibile con selezione adattiva delle tabelle di quantizzazione. A differenza di M-JPEG, il rapporto di compressione per diversi blocchi varia nell'immagine: per i blocchi non informativi (ad esempio, ai bordi dell'immagine) aumenta e per i blocchi con un gran numero di piccoli dettagli diminuisce rispetto al livello medio per l'immagine. Di conseguenza, con la stessa qualità, si ottiene una riduzione del volume dei dati di circa il 15% (o viceversa - con lo stesso flusso, la qualità del segnale di uscita è maggiore).

La compressione temporale MPEG sfrutta l'elevata ridondanza delle informazioni nelle immagini separate da un piccolo intervallo. Infatti, tra le immagini adiacenti di solito cambia solo una piccola parte della scena: ad esempio, un piccolo oggetto si muove dolcemente su uno sfondo fisso. In questo caso, le informazioni complete sulla scena devono essere salvate solo in modo selettivo, per immagini di riferimento. Per altri è sufficiente trasmettere solo informazioni differenziali: sulla posizione dell'oggetto, la direzione e l'entità del suo spostamento, nuovi elementi di sfondo (apertura dietro l'oggetto mentre si muove). Inoltre, queste differenze possono formarsi non solo rispetto alle immagini precedenti, ma anche a quelle successive (poiché è in esse che, mentre l'oggetto si muove, viene rivelata parte dello sfondo, precedentemente nascosto dietro l'oggetto). L'elemento matematicamente più complesso è la ricerca di blocchi che vengono spostati ma che cambiano poco nella struttura (16 x 16) e determinano i corrispondenti vettori del loro spostamento. Tuttavia, questo elemento è il più significativo, poiché consente di ridurre notevolmente la quantità di informazioni richieste. È l'efficienza nell'eseguire questo elemento “intelligente” in tempo reale che distingue i vari codificatori MPEG.

Pertanto, nella codifica MPEG, si formano fondamentalmente tre tipi di fotogrammi: I (Intra) - che funge da fotogramma di riferimento e preserva l'intera quantità di informazioni sulla struttura dell'immagine; P (Predittivo) - trasporta informazioni sui cambiamenti nella struttura dell'immagine rispetto al fotogramma precedente (tipi I o P); B (Bidirezionale) - salva solo la parte più essenziale delle informazioni sulle differenze tra l'immagine precedente e quella successiva (solo I o P). Il concetto di compressione successiva dei fotogrammi I, così come della differenza dei fotogrammi P e B, è simile a M-JPEG, ma, come DV, con regolazione adattiva delle tabelle di quantizzazione. In particolare, questo ci permette di caratterizzare un segnale DV come un caso speciale di una sequenza MPEG di I-frame con un dato flusso fisso (rapporto di compressione). Le sequenze di fotogrammi I, P e B vengono combinate in gruppi di fotogrammi fissati in lunghezza e struttura - GOP (Gruppo di immagini). Ogni GOP inizia necessariamente con I e contiene P frame a determinati intervalli. La sua struttura è descritta come M/N, dove M è il numero totale di fotogrammi nel gruppo e N è l'intervallo tra i fotogrammi P. Pertanto, il gruppo 15/3, tipico per Video-CD e DVD IPB, ha la seguente forma: IBBPBBPBBPBBPBB. Qui, ciascun fotogramma B viene ricostruito dai fotogrammi P circostanti (all'inizio e alla fine del gruppo - da I e P) e, a sua volta, ciascun fotogramma P viene ricostruito dal precedente P- (o I-) telaio. Allo stesso tempo, i fotogrammi I sono autosufficienti e possono essere ripristinati indipendentemente dagli altri, ma sono il riferimento per tutti i fotogrammi P e soprattutto B del gruppo. Di conseguenza, I e P hanno il grado di compressione più basso, B quello più alto. È stato stabilito che la dimensione di un tipico fotogramma P è 1/3 e B - 1/8 di I.

Di conseguenza, la sequenza MPEG IPPP (GOP 4/1) fornisce una riduzione doppia del flusso di dati richiesto (a parità di qualità) rispetto a una sequenza di soli fotogrammi I, e l'uso di GOP 15/3 consente di ottenere quattro volte la compressione.

Ora possiamo tornare alla descrizione dei vari profili. Un semplice profilo SP esegue solo la compensazione e la previsione del movimento in una direzione (fotogrammi P). Nel profilo principale, la previsione MP viene eseguita in due direzioni, ovvero sono consentiti i fotogrammi B. Nei profili scalabili, il flusso di dati video digitali originali viene suddiviso in più parti in base a vari criteri. Nel Profilo Scalabile SNR, il flusso è diviso in due parti. Il primo di essi, il segnale principale, trasporta informazioni con un rapporto segnale-rumore ridotto (campionamento più grossolano). Ma questa parte è protetta da un algoritmo che è più resistente alle interferenze di trasmissione (e, di conseguenza, richiede più bit), viene ricevuta con forte rumore e consente di ripristinare l'immagine televisiva anche in condizioni sfavorevoli (anche se con un segnale ridotto -rapporto di rumore). La seconda parte meno protetta, il cosiddetto segnale aggiuntivo, viene semplicemente scartata in caso di ricezione instabile. Con una ricezione stabile, consente di integrare il segnale principale e aumentare il rapporto segnale-rumore riportandolo al valore originale.

Il profilo spazialmente scalabile migliora ulteriormente la complessità dello schema di codifica. In esso, il flusso sarà diviso in tre parti, secondo il criterio di risoluzione. La prima parte, il segnale principale, fornisce informazioni resistenti al rumore sull'immagine a risoluzione standard (625 linee, di cui 576 attive). La seconda parte espande le informazioni in un'immagine ad alta definizione (1250 linee, 1152 attive). Bene, decodificare il terzo segnale ti consente di aumentare il rapporto segnale-rumore.

Il quinto profilo HP - il più alto - comprende tutte le funzioni dei precedenti, ma utilizza la rappresentazione YUV non 4:2:0, ma 4:2:2, cioè trasmette segnali di differenza cromatica due volte più spesso (in ogni riga, in ciascun elemento della linea).

Anche qui sono necessari alcuni chiarimenti. È noto che un segnale televisivo è una combinazione di un segnale di luminosità Y e di due segnali di differenza di colore U e V. Le variazioni dei loro valori consentono 256 gradazioni (da 0 a 255 per Y e da -128 a 127 per U/V ), che in termini binari corrisponde a 8 bit, ovvero 1 byte. In teoria, ogni elemento del frame ha i propri valori YUV, ovvero richiede 3 byte. Questa rappresentazione, in cui sia il segnale di luminanza che quello di crominanza hanno un numero uguale di valori indipendenti, viene solitamente definita 4:4:4. Ma il sistema visivo umano è meno sensibile ai cambiamenti spaziali del colore che a quelli della luminosità. E senza alcuna perdita visibile di qualità, il numero di conteggi di colore in ciascuna riga può essere dimezzato. È questa rappresentazione, denominata 4:2:2, che è stata adottata nelle trasmissioni televisive. In questo caso, per trasmettere l'intero valore del segnale televisivo in ogni frame campione, sono sufficienti 2 byte (alternando valori indipendenti U e V attraverso il campione). Inoltre, ai fini dei video consumer, è considerato accettabile dimezzare la risoluzione verticale del colore, ovvero passare a una presentazione 4:2:0. Ciò riduce il numero riportato di byte per conteggio a 1,5. Tieni presente che questo è esattamente il concetto incluso nel formato DV delle fotocamere digitali, nonché nel formato video DVD.

Tuttavia, nelle attività professionali di editing digitale e video editing, quando è possibile l'uso multiplo e multistrato di frammenti di riprese e l'inclusione di grafica computerizzata, è inizialmente necessario un video digitale di qualità superiore per evitare il conseguente accumulo di errori. Pertanto, la rappresentazione 4:2:2 è qui considerata obbligatoria. Questo è ciò che distingue il profilo 422P da quello principale. Nella tabella 1 riassume le differenze tra tutti i profili descritti.

Tabella 1

Compressione audio

Finora abbiamo parlato solo della compressione delle immagini. Ma un video completo include anche una componente audio. Si ritiene che l'audio di qualità CD richieda un campionamento a 44,1 kHz a 16 bit per canale, che equivale a 706 kbps per canale (1,4 Mbps per stereo). La qualità del segnale DAT specifica una frequenza di campionamento di 48 kHz (banda di frequenza 4-24 Hz) e aumenta il bit rate a 000 Kbps per canale. L'approccio alla compressione delle informazioni è lo stesso: scartare parti che non sono molto significative per la percezione dell'orecchio umano. Lo standard MPEG consente tre livelli (Layer) di compressione audio. Il livello 768 utilizza l'algoritmo più semplice con una compressione minima, che implica 1 Kbps per canale. L'algoritmo Layer 192 è più complesso, ma il grado di compressione è maggiore: 2 Kbps per canale. Un potente algoritmo per comprimere l'audio digitale di qualità CD (128 volte senza perdite percepibili dall'orecchio umano), Layer 11 fornisce la massima qualità del suono possibile con rigorose restrizioni di flusso: non più di 3 Kbps per canale. È destinato principalmente a Internet. La sua importanza è così grande che gli è stata assegnata la speciale abbreviazione MP64, che sta per MPEG Layer 3.

Sono emersi molti siti Internet contenenti centinaia di migliaia di file MP3 di musica popolare. Con l'aiuto di speciali programmi di riproduzione (Real Audio) è possibile ascoltare musica MP3 in tempo reale su Internet, copiarla all'infinito (attenzione: una canzone tipica occupa dai 2 agli 8 MB) e distribuirla illegalmente. Sono già apparsi lettori MP3 portatili che costano circa 200 dollari (ad esempio, Diamond Rio). L'industria musicale, subendo perdite significative, ha iniziato una lotta attiva contro i siti MP3 (la Recording Industry Association of America ha trovato e ottenuto la chiusura della maggior parte di essi). Ma il genio è stato liberato, non puoi rinchiudere tutti. Adaptec prevede che nei prossimi anni verranno scaricati miliardi di brani da Internet e afferma che supporterà il formato MP3 nella prossima versione di EasyCD Creator. Tuttavia, nelle attività di editing digitale, la compressione dei segnali audio non viene utilizzata, quindi quando si calcolano i flussi consentiti, è necessario assegnare fino a 1,5 Mbit/s al componente audio.

Il termine “editing non lineare” non corrisponde all’essenza del processo, ma riflette solo una delle sue caratteristiche. Parliamo infatti di editing video effettuato in digitale su computer. In questo caso, i frammenti video originali sono soggetti a digitalizzazione obbligatoria e registrazione sul disco rigido sotto forma di file appropriati. A differenza delle unità a nastro magnetico, l'accesso a uno qualsiasi di questi file frammentati non richiede un noioso riavvolgimento (e questo processo è lineare), ovvero tutti i fotogrammi video sono disponibili in ordine casuale. Questa importante proprietà ha portato a definire l'editing digitale non lineare, anche se, ovviamente, le possibilità dell'elaborazione digitale sono molto più ampie e ricche.

Ricordiamo che secondo la raccomandazione ITU-R BT.601, un frame televisivo è una matrice 720 x 576. Tenendo conto del frame rate televisivo di 25 Hz, arriviamo alla conclusione che un secondo di video digitale in 4:2. :2 la rappresentazione richiede 20 byte (736 x 000 x 25 x 2), ovvero il flusso di dati è di 720 MB/s. La registrazione di tali flussi è tecnicamente fattibile, ma è complessa, costosa e inefficiente per la post-elaborazione. In pratica, tenendo conto delle reali possibilità, è necessaria una significativa riduzione dei flussi. Sono noti molti algoritmi che eseguono la compressione senza perdita di informazioni, ma anche i più efficaci non forniscono più della doppia compressione sulle immagini tipiche.

Fino a poco tempo fa, M-JPEG regnava sovrano nel mondo dei sistemi di editing video non lineare. Diverse soluzioni differivano nel grado di compressione, che corrispondeva a diversi livelli di qualità del video risultante. Molto approssimativamente si possono distinguere quattro livelli: video standard (VHS, C-VHS, Video8), super video (SVHS, C-SVHS, Hi8), video digitale (Betacam SP, DV/DVCAM/DVCPRO, miniDV, Digital8) e video in studio (Digital S, DVCPRO50). Per semplicità li denomineremo ulteriormente come Video, S-Video, DV e Studio-TV. Quantitativamente sono solitamente caratterizzati dalla risoluzione orizzontale (il numero di elementi distinti in una linea - linee televisive). Si ritiene che il Video fornisca una risoluzione fino a 280 linee e corrisponda a un flusso M-JPEG di circa 2 MB/s, S-Video - 400 linee e 4 MB/s, DV - 500 linee e 3,1 MB/s, e Studio-TV - risoluzione di almeno 600 linee con flussi di 7 MB/s. I rapporti di compressione sono rispettivamente 10:1, 5:1, 5:1 e 3:1 (ricordate che l'algoritmo DV è più efficiente di M-JPEG). Ma anche tale compressione richiede quantità significative di spazio su disco per archiviare ed elaborare i file video. Ad esempio, un minuto di video M-JPEG richiede 120 MB per la qualità video e circa 500 MB per la qualità Studio-TV. Ma tu vuoi lavorare con video della durata di decine di minuti!

Ed è qui che entra in gioco MPEG-2. Anche il passaggio agli I-frame consente di risparmiare il 15% del volume e, se si utilizzano i P-frame, il guadagno può raddoppiare (per i gruppi IPPP), e questo è già significativo. È vero, si ritiene che in quest'ultimo caso si perda uno dei principali vantaggi del montaggio non lineare, vale a dire la sua precisione fotogramma per fotogramma. Questo è in realtà un malinteso. Utilizzando i fotogrammi P diversi, la struttura originale delle immagini viene ripristinata facilmente e rapidamente (per i processori moderni, tale compito non è difficile e viene eseguito in tempo reale). Per quanto riguarda la precisione della ricostruzione, diminuisce notevolmente in gruppi lunghi e/o in presenza di B-frame. Pertanto, ad esempio, i DVD-Video (GOP 15/3) non possono essere modificati. Allo stesso tempo, per gruppi brevi di soli fotogrammi I e P, il ripristino avviene praticamente senza accumulo di errori. Pertanto, con la codifica MPEG-2 422P@ML, un flusso di 50 Mbit/s con I-frame (solo I-frame) e 25 Mbit/s con un gruppo IPPP è sufficiente per garantire la qualità da studio (vedere Tabella 2).

Tabella 2

È in questa direzione che si stanno sviluppando i moderni sistemi di editing non lineare. Finora ci sono pochi esempi. Si tratta di FAST 601 [sei-o-uno], Pinnacle miroVideo DC1000 e Matrox DigiSuite DTV. Ma i vantaggi di questo approccio sono così evidenti che altre soluzioni appariranno sicuramente nel prossimo futuro.

Autore: Andrey Ryakhin, basato su digitalvideo.ru

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