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MPEG e la sua applicazione

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Concetto

I dati video, per loro natura, sono estremamente grandi. Gli esperti in questo campo hanno lottato per molti anni con il compito di rendere la compressione video il più efficiente possibile. All'inizio del terzo millennio, a causa dell'urgente necessità di trasmettere grandi volumi di video su varie reti, il compito di un metodo di codifica video ottimale in termini di rapporto qualità/volume divenne ancora più urgente.

Il concetto di compressione video in MPEG è molto semplice: determinare quale tipo di informazioni nel flusso viene ripetuto almeno per un certo periodo di tempo e adottare misure per evitare la duplicazione di queste informazioni. Il vantaggio più prezioso della codifica MPEG, particolarmente conveniente per la trasmissione su varie reti, è la capacità di regolare in modo flessibile la qualità dell'immagine in base alla larghezza di banda della rete. Ciò ha reso MPEG-2 lo standard de facto per ricevere / trasmettere la televisione digitale su varie reti.

Sfortunatamente, non c'è modo di valutare in modo inequivocabile la qualità della codifica utilizzando determinati strumenti e misurazioni. L'unico criterio qui è la persona e come percepisce le informazioni compresse. Pertanto, le regole di compressione dei dati video per la codifica MPEG sono state sviluppate sulla base del modello di percezione visiva umana (HVS - Human Visual Sense).

La ridondanza delle immagini secondo HVS è definita da tre criteri principali:

I dettagli dell'immagine invisibili all'occhio umano sono punti di oscuramento verticali e orizzontali. La rimozione di queste informazioni non influisce affatto sull'immagine.
Ridondanza statistica. Si distingue in spaziale e temporale. La ridondanza spaziale si riferisce alle aree dell'immagine in cui i pixel adiacenti sono quasi uguali. Sotto il temporaneo - non cambiando nel tempo frammenti dell'immagine.
Ridondanza di colore e luminosità - calcolata in base alla limitata sensibilità umana a piccoli cambiamenti nei colori e nella luminosità dei dettagli dell'immagine.

Come viene implementato

Per facilitare la codifica dei dati video, l'intero flusso video è suddiviso in gruppi chiamati GOP (Group of Pictures). Tale gruppo è costruito come segue:

MPEG e la sua applicazione

Qui:

I - Intra frame, che di solito sono chiamati ancora e contengono tutte le informazioni sull'immagine. Le sequenze MPEG senza questi frame non possono esistere in linea di principio. Quando i frame vengono compressi, viene rimossa solo la ridondanza spaziale. È da questo fotogramma che inizia la decodifica dell'immagine nella sequenza.

P - Frame predittivi. Fotogrammi "predetti", nella cui formazione viene utilizzato il metodo di previsione dell'immagine sul fotogramma successivo, tenendo conto della compensazione del movimento dall'ultimo fotogramma I o P prima di quello che si sta formando. Il fotogramma P serve anche per prevedere ulteriormente l'immagine. Il fotogramma P viene creato utilizzando la compressione interframe, che riduce la ridondanza sia spaziale che temporale. L'immagine P del fotogramma viene sottratta dall'immagine successiva e questa differenza viene codificata e aggiunta ai dati compressi insieme al vettore di movimento.

B - Telai bidirezionali, "bidirezionali". Sono così chiamati perché memorizzano le informazioni più essenziali dai frame I e P circostanti. I fotogrammi B hanno il più alto grado di compressione, ma richiedono un'immagine precedente e successiva per compensare il movimento degli oggetti nell'immagine.

Tale struttura di flusso MPEG è solitamente descritta come una frazione M/N, per la quale M indica il numero totale di fotogrammi nel GOP, e N indica quale sarà il P fotogramma successivo al precedente. Quindi la sequenza GOP mostrata nella figura sopra può essere scritta come 12/3.

Il flusso di dati MPEG effettivo è costituito da 6 livelli gerarchici:

Blocco: dati di luminosità e colore per blocchi di immagini 8x8. I blocchi vengono analizzati per i valori Y (luminosità), CB e CR (differenza cromatica).
Macroblocco - come suggerisce il nome, consiste rispettivamente di 4 semplici blocchi in una finestra di 16x16 pixel. Nel formato 4:2:0, un macroblocco contiene 4 blocchi di dati di luminanza Y e uno ciascuno di CB e CR.
Layer - contiene diversi macroblocchi adiacenti.
Frame - consiste in un gruppo di livelli contenenti un'immagine, che a sua volta può essere I, P o B.
Gruppo di immagini (noto anche come GOP): contiene una sequenza di fotogrammi. Può comprendere fino a 15 fotogrammi e deve necessariamente iniziare con il fotogramma I.
Sequenza video - deve contenere almeno un GOP, nonché un titolo all'inizio della sequenza e un codice di fine sequenza.

Livelli e profili MPEG

Un profilo MPEG è un sottoinsieme della struttura bitstream video compressa. All'interno di tale sottoinsieme, è possibile un'ampia diffusione di parametri di flusso e, di conseguenza, codificatori e decodificatori per essi.

Il livello si riferisce a una serie di restrizioni applicate ai parametri del flusso MPEG, ad esempio, risoluzione dell'immagine di output, frame rate, ecc.

La tabella seguente illustra i limiti massimi per i livelli e i profili MPEG:

Questa tabella è necessaria in primo luogo per comprendere le designazioni incontrate di frequente del formato di un particolare record o le descrizioni delle capacità di qualsiasi codificatore. Ad esempio, ecco come si può caratterizzare una registrazione MPEG:

** In effetti, sarebbe più corretto scrivere qui: PAL - il nome dello standard televisivo analogico in cui è stato creato il video originale. In realtà, il film MPEG non può essere attribuito a nessun sistema televisivo a colori, poiché i fotogrammi in MPEG sono semplicemente una rappresentazione digitale di un'immagine precedentemente analogica e non hanno nulla a che fare nemmeno con il sistema televisivo originale per il film originale.

Uso pratico

Un lettore esigente chiederà: in che modo queste informazioni mi aiuteranno nel mio lavoro? Per coloro che non lavorano con i video, ovviamente, queste informazioni possono dare poco, ma il resto può aiutare nel loro lavoro pratico. Molti utenti che hanno iniziato a lavorare con videocamere DV e programmi di editing video non lineare hanno iniziato a pensare a modi per salvare le proprie creazioni, se non per secoli, almeno per i decenni successivi. Per quanto strano possa sembrare, la maggior parte degli editor di video DV principianti, che ancora non conoscono a fondo MPEG, pianificano di archiviare i propri progetti su CD in formato MPEG, senza nemmeno rendersi conto di quanto sia difficile risolvere questo compito se l'utente desidera preservare la qualità dell'originale Film DV in versione MPEG. Quindi, le domande più frequenti su questo argomento sono:

Perché, dopo aver salvato il mio filmato in formato MPEG-2, vedo che la sua qualità è notevolmente peggiorata?

Ci sono diversi motivi qui:

Un'immagine già compressa e compressa viene rilasciata da una videocamera digitale a un computer. DV è essenzialmente un caso speciale di compressione JPEG: è un flusso costituito da fotogrammi compressi secondo un algoritmo JPEG leggermente modificato. Dall'idea (ma non dai principi di compressione) di MPEG in DV, l'unica cosa usata è che durante la compressione in DV, vengono prese in considerazione le informazioni da due campi di un fotogramma - la cosiddetta compressione intrafield. Pertanto, per comprimere in MPEG DV, l'immagine viene prima decompressa e poi ricompressa, il che non migliorerà mai la qualità.
Le impostazioni di compressione sono state impostate in modo errato in termini di qualità dell'immagine.
Viene utilizzato un codificatore MPEG veloce, ma di qualità non molto elevata.

Perché la qualità dell'immagine sui dischi DVD è molto alta, sebbene sia anche MPEG-2: è possibile ottenere una qualità simile a casa?

La qualità video sui dischi DVD è davvero molto alta. È spiegato da due fattori principali: il video di qualità professionale non compresso viene utilizzato come materiale video di origine per creare una versione MPEG-2 del film e, inoltre, vengono utilizzati codificatori hardware con una qualità di codifica dell'immagine molto elevata per codificare in MPEG -2. Il costo di tali codificatori raggiunge diverse decine di migliaia di dollari USA. Pertanto, è impossibile ottenere una tale qualità da un film DV a casa.

Cosa significano i parametri che ti viene chiesto di specificare prima di codificare un film in MPEG?

Possono esserci molti di questi parametri, ma dovremmo soffermarci sul più importante di essi:

ID profilo e ID livello: vedere la tabella sopra.
Frame Intervals - per capire cosa si intende, va notato che di solito viene impostato l'intervallo tra I frame, che in realtà significa la dimensione del GOP, e anche quale sarà il prossimo P frame dopo il precedente. Più lungo è l'intervallo tra i frame, peggiore sarà la qualità dell'immagine, ma la dimensione del file risultante sarà inferiore. Inoltre, si raccomanda che l'intervallo tra i fotogrammi non sia maggiore di 15.
Stima del movimento - compensazione del movimento. Il parametro determina quanto correttamente verrà previsto il movimento dell'oggetto ed è molto importante sia per la qualità dell'immagine in uscita che per la stima del tempo di codifica. Un valore maggiore darà una migliore qualità, ma aumenterà significativamente il tempo di esecuzione dell'encoder. Quando si imposta questo parametro, è necessario comprendere che il valore massimo può essere "insopportabile" per il processore del computer e il film desiderato può essere creato per diversi giorni.
La sequenza dei fotogrammi è un parametro simile agli intervalli dei fotogrammi sotto molti aspetti. Di solito offre di scegliere il tipo di codifica: solo fotogrammi I, fotogrammi I + P e fotogrammi I, P, B, nonché intervalli per fotogrammi P e B. Per quanto riguarda la codifica: la migliore qualità, ma la quantità massima è codificata solo in I frame, quindi, rispettivamente, I + P e I, P, B. I classici valori comprovati per i valori di intervallo sono P=3 e B=2. A rigor di termini, è consuetudine che i DVD utilizzino la struttura 15/3, o IBBBPBBPBBPBBPBB.
Velocità dati video: velocità del flusso video. In molti encoder progettati per l'utenza massiva, questo è il parametro principale, rispetto al quale l'encoder stesso imposta tutti gli altri. Di solito è misurato in megabit al secondo. Impostando questo valore e moltiplicandolo per la durata del filmato in secondi, è facile ottenere la dimensione del file totale.

Ho una videocamera DV con funzionalità di scansione progressiva. Quindi voglio salvare il film finito in formato MPEG. Come faccio a scattare meglio, normale interlacciato o progressivo?

Per MPEG-1, la risposta è inequivocabile: la ripresa con la scansione progressiva è migliore, quindi durante la compressione in MPEG-1, un campo dell'immagine televisiva viene semplicemente scartato. Per MPEG-2, la risposta a questa domanda dipende da come intendi utilizzare la clip MPEG-2 generata. Se prevedi di visualizzarlo solo su un computer e / o non è presente un decoder hardware, è meglio utilizzare lo scatto a scansione progressiva: l'immagine sarà più chiara, senza artefatti da movimento. Se è presente un decodificatore MPEG-2 hardware e prevedi di guardare un film su un televisore, i movimenti degli oggetti nel film saranno più fluidi e naturali durante le riprese in modalità normale. Molti codificatori MPEG-2 moderni consentono di selezionare il tipo di film originale (progressivo o interlacciato), quando si seleziona la scansione interlacciata, vengono utilizzati i campi e quando viene emesso da un decodificatore hardware sull'uscita video, l'immagine originale verrà ripristinata con gli stessi campi di prima della compressione.

Voglio salvare immediatamente i filmati in formato MPEG e modificarli. È possibile e giusto farlo?

Certo, puoi salvare, ma l'editing di video MPEG è molto difficile e scomodo. Il fatto è che durante la modifica di MPEG, è impossibile tagliare in modo accurato i frammenti al fotogramma, poiché i frammenti possono essere separati l'uno dall'altro solo da fotogrammi I, altrimenti, quando il fotogramma di riferimento viene eliminato e i fotogrammi successivi vengono salvati, l'immagine perderà la leggibilità. Gli editor video abilitati per MPEG ti consentono di modificare in qualche modo la precisione del fotogramma, ma devi capire che con qualsiasi modifica non al primo fotogramma, l'intero GOP verrà ricompresso, il che influirà in alcun modo sulla qualità del film per il Meglio. Anche l'imposizione di effetti, transizioni, filtri sarà impossibile da eseguire con l'accuratezza di una cornice reale, il che potrebbe portare all'impossibilità di un'incarnazione di alta qualità di idee artistiche. Inoltre, la ricompressione dell'immagine nel caso di MPEG-2 richiederà molto più tempo rispetto a DV e richiede processori più potenti per questo.

Ora il formato MPEG-4 è molto popolare in Russia. Ha senso salvare i tuoi filmati in questo formato?

Il formato MPEG-4 è stato originariamente creato per la trasmissione video su canali a bassa velocità e non era destinato all'archiviazione video. La qualità dell'immagine in MPEG-4 è decisamente peggiore di MPEG-2, ma leggermente migliore di MPEG-1. La compressione/decompressione in MPEG-4 richiede molto tempo di CPU e visualizzazione, e ancora di più la creazione di video in formato MPEG-4 su un computer con un processore inferiore al Celeron II 700 è molto difficile. Fondamentalmente, MPEG-4 viene utilizzato per ricomprimere i filmati MPEG-2 originali registrati su dischi DVD. MPEG-4 ti consente di masterizzare un film di un'ora su un normale CD. Non ha senso salvare i propri film in questo formato per due motivi principali:

La qualità è molto peggiore dell'originale.
Non esiste uno standard per la registrazione di MPEG-4 su disco, simile allo standard DVD.

Quali codificatori MPEG supportano il formato DV e forniscono una buona qualità allo stesso tempo?

Esistono diversi codificatori MPEG popolari che supportano il formato DV:

TMPEnc Encoder è un programma popolare non tanto per il suo codificatore MPEG in sé, ma per i suoi strumenti per il multiplexing, il demultiplexing e l'unione/taglio di file MPEG.
Main Concept MPEG Encoder è un buon codificatore integrato nei popolari editor video Adobe Premiere, Ulead MSP e Vegas Video.
Canopus ProCoder è probabilmente il miglior codificatore DV in circolazione.

Autore: Spline Company; Pubblicazione: pctuner.ru

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La depressione delle donne e degli uomini differisce nei geni 21.03.2018

È noto che la depressione clinica si manifesta in modo diverso nelle donne e negli uomini: le donne ne soffrono più spesso, ma negli uomini i suoi sintomi sono più vari e più forti. Allo stesso tempo, quando si tratta di cambiamenti cellulari e molecolari nel cervello durante la depressione, di solito vengono studiati nel cervello maschile, anche se è probabile che le caratteristiche molecolari e cellulari della malattia nelle donne abbiano un aspetto diverso rispetto agli uomini.

Gli scienziati dell'Università di Pittsburgh hanno deciso di confrontare l'attività dei geni nel cervello maschile e femminile durante la depressione. Hanno trovato studi standard che misuravano l'attività genica nel cervello di entrambi i sessi e confrontavano i dati "femminili" con i dati "maschili". Tutti gli studi hanno utilizzato campioni prelevati post mortem da pazienti con depressione clinica (o, più correttamente, con disturbo depressivo maggiore). In generale, le statistiche riguardavano 50 persone, quasi in egual misura uomini e donne; campioni di pazienti sono stati anche confrontati con lo stesso numero di campioni prelevati da persone sane.

Nella depressione, molti neuroni, circuiti nervosi e centri nervosi funzionano in modo diverso rispetto a un cervello sano e i cambiamenti depressivi nella funzione cerebrale sono spesso dovuti a cambiamenti nel funzionamento dei geni nelle cellule nervose. Tuttavia, molti dei geni la cui attività cambia durante la depressione non corrispondevano negli uomini e nelle donne. Cioè, negli uomini durante la depressione, l'attività di alcuni geni è cambiata e nelle donne altri. Inoltre, anche se prendiamo qualche gene che inizia a funzionare in modo diverso sia nel cervello maschile che in quello femminile durante la depressione, vedremo che funziona in modo diverso, ma in modi diversi. In altre parole, nel cervello femminile la sua attività cambia in un modo, e anche nel maschio cambia, ma in modo diverso, e non solo in modo diverso, ma in direzione esattamente opposta che in una donna.

Ad esempio, nelle donne, i geni che influenzano l'attività dei contatti interneuronali-sinapsi hanno funzionato più attivamente del solito durante la depressione, mentre negli uomini gli stessi geni, al contrario, si sono addormentati. Nelle donne depresse, invece, l'attività dei geni immunitari è diminuita, mentre negli uomini i geni immunitari, al contrario, sono stati notevolmente attivati. Inoltre, tali cambiamenti reciprocamente opposti dipendevano spesso da un'area specifica del cervello.

I ricercatori hanno analizzato l'attività genetica in tre zone associate all'umore - nell'amigdala, nella corteccia cingolata anteriore e nella corteccia prefrontale dorsolaterale - e se una donna aveva un gene che lavorava più attivamente in una zona e si addormentava in un'altra, allora negli uomini nelle stesse regioni cerebrali e con lo stesso gene, l'immagine era invertita, cioè nella prima regione "si addormentava" e nell'altra veniva attivata.

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