Отличительной особенностью видеоданных является их чрезвычайно большой объем. Специалисты в области сжатия данных, уже на протяжение многих лет работают над улучшением эффективности алгоритмов компрессии видеоизображений. На рубеже 21 века, с появлением HDTV , назрела острая необходимость передавать большие объемы видеоинформации по спутниковым и кабельным сетям, и встала задача оптимизации способов кодирования видеоданных.
На сегодняшний день MPEG-2 - это стандарт цифрового кодирования аудио и видео сигналов, который используется большинством операторов спутникового телевидения для передачи сигналов абонентам. Данный стандарт был разработан рабочей группой Moving Pictures Experts Group и одобрен Международной Организацией по Стандартизации.
Рабочая группа MPEG описала общие принципы компрессии аудио и видео информации, а разработку деталей оставила для изготовителей кодеков. В основу алгоритма сжатия была положена модель восприятия человеческим глазом видеоизображений и особенности строения человеческого глаза - его способность воспринимать вариации цвета и градации яркости. Так, например, человеческий глаз способен лучше воспринимать градации яркости, чем цветности.
Задача сводится к определению на экране неподвижного фона и движущихся объектов, на основании этого можно выделить и передать информацию о базовом кадре, а потом уже передавать кадры с информацией о движущихся объектах. В процессе передачи данных происходит отбрасывание малозначимой информации, аналогичной принципам, которые используются в графическом формате JPEG. Реализуется процесс путем разбивки потока видеоинформации на группы видеоизображений, каждая группа состоит из 3-х типов видеокадров. Обычно используются потоки из 30 кадров в секунду.
Благодаря постоянному совершенствованию видео кодеков формата MPEG-2 операторы спутникового и кабельного вещания получили возможность передавать в 2 раза больший объем информации при той же пропускной способности канала, чем когда то, на заре эволюции цифрового вещания. Стало появляться все большее количество разных видео кодеков, но они уже не соответствовали существующему формату MPEG-2. Назрела необходимость дальнейшей унификации стандарта.
Цифровое спутниковое телевидение использует формат MPEG-2, где при разрешении кадра в 720x576 пикселей, скорость информационного потока при 30 кадрах/сек. составляет около 12 Мбит/сек, практически же используется скорость потока около 3 Мбит/сек. При стандартной ширине полосы в 54МГц на одном транспондере спутника обычно умещается 18 каналов. При вещании в HDTV разрешение изображения составляет 1920x1080 пикселей, что в 5 раз больше по сравнению с обычным SD телевидением, и для вещания одного HDTV канала в стандарте MPEG-2 оператору потребовалось бы арендовать чуть ли не треть транспондера.
Очередным витком в развитии алгоритмов видеокомпрессии стал стандарт MPEG-4. Изначально он предназначался для передачи потокового видео по низкоскоростным каналам, но так же нашел применение и в цифровом телевидении.
Компрессии видео в формате MPEG-4 осуществляется по той же схеме, что и в MPEG-2. При кодировании исходного видеоизображения кодек ищет и сохраняет более значимые кадры, как правило, те, на которых происходит смена сюжета. Вместо сохранения промежуточных кадров алгоритм обрабатывает и сохраняет данные об изменениях в текущем кадре по отношению к предыдущему, т.е дифференциально. При этом в процессе обработки изображения кодек оперирует с объектами произвольной формы, в отличии от формата MPEG-2, который мог оперировать только прямоугольными областями изображения. В результате этого, человек, передвигающийся по комнате, будет воспринят форматом MPEG-4, как отдельный объект, перемещающийся относительно неподвижного объекта - заднего плана.
Идея стандарта MPEG-4 заключается в объединении 22 подстандартов, из которых поставщики могут выбрать тот, который более точно отвечает их задачам.
Выделим из них наиболее важные подстандарты:
При переходе операторов спутникового телевидения на стандарт DVB-S2 и сжатие данных в MPEG-4 кодеком H.264 позволило в стволе одного транспондера разместить 8-10 HDTV каналов.
Это глобальный мультимедиа стандарт, позволяющий передавать аудио и видео потоки профессионального качества по каналам с различной пропускной способности - от сотовых телефонов до широкополосных сетей и дальше. Обеспечивает более высокую степень сжатия, чем MPEG 1 и MPEG 2, также поддерживает различные дополнительные возможности, например, защиту от несанкционированного копирования и создание интерактивных элементов.
Спецификации стандарта MPEG-4 были установлены рабочей группой Moving Picture Experts Group (MPEG), входящей в состав организации International Organization for Standardization (ISO), разработавшей широко принятые и отмеченные наградой Emmy Award стандарты MPEG-1 и MPEG-2. Сотни разработчиков по всему миру внесли свой вклад в стандарт MPEG-4, который был окончательно сформирован в 1998 году, принят в качестве международного стандарта в 2000 году и включен в состав архитектуры QuickTime в 2002 году.
MPEG-4 - это не просто часть программного обеспечения, а отдельный стандарт ISO/IEC-14496, который применяется в тех областях, где MPEG-1 и MPEG-2 уже не справляются. В отличие от MPEG-1 и MPEG-2, осуществлявших только сжатие и декомпрессию аудио и видео сигналов, MPEG-4 обеспечивает работу с интерактивным контентом - создание и доставку мультимедийного контента на экраны компьютеров, в Интернет и на мобильные устройства. О выпуске ряда продуктов, созданных на основе MPEG-4, уже было объявлено, но, несомненно, в ближайшем будущем их появится намного больше.
Формат файлов MPEG-4 называется MP4 и основывается на алгоритме Apple QuickTime, поэтому ряд структур последнего (например, треки для задания варианта передачи активного контента по сети) встречается и в MPEG-4. Только в MPEG-4 они расширены и для одного файла уже может быть задано несколько вариантов передачи в различные программные средства. В MPEG-4 были устранены и многие недостатки, присущие QuickTime. Так, например, встроен специальный набор инструментов для преодоления неспособности QuickTime динамично реагировать на скорость подсоединения клиента, приводящей к нарушениям в передаче у многих провайдеров.
Вся техническая документация видеокодека MPEG-4 открыта для изучения. Это очень важно, так как информация такого рода для большинства других кодеков является исключительной собственностью производителя и тщательно засекречивается. В кодеке MPEG-4 сохранены многие характерные особенности MPEG-1 и MPEG-2. В первую очередь это касается алгоритмов кодирования, среди которых можно назвать дискретное косинусное преобразование, используемое при компрессии (DCT - Discreet Cosine Transformation), сжатие видеоданных по ключевым кадрам с учетом избыточности внутрикадровой информации (I-кодирование), предиктивное кодирование или сжатие видеоданных с учетом избыточности для последовательных кадров (P- кодирование), кодирование видеоизображений с использованием промежуточных интерполированных кадров (B-кадровое кодирование). Последовательности I-, P-, B-изображений объединяются в фиксированные по длине и структуре группы GOP (Group of Pictures).
В отличие от большинства кодеков, применяемых для работы в Интернет, MPEG-4 обеспечивает полную поддержку контента с чересстрочной разверткой и разрешением до 4096 х 4096, а также скорость передачи данных в поражающем воображение диапазоне - от 5 кбит/с до 10 Мбит/с (версия 1). Теоретически MPEG-4 гарантирует стабильный прием для самых различных устройств (от мобильных с очень узкой пропускной способностью до HDTV), но, естественно, что для поддержки воспроизведения видео с различными характеристиками одних профилей MPEG-4 явно недостаточно.
В видеокодек MPEG-4 заложена поддержка альфа-каналов, что позволяет в реальном времени накладывать видео на задний план и отрывает новые возможности при создании высококачественных изображений. Такой прием будет полезен при сегментации или для разделения в базовом изображении элементов переднего и заднего планов при переходе от одной сцены к другой. В идеальном случае информация о сегментации передается по альфа-каналу вместе с исходным изображением, но ее также можно динамично сгенирировать, если кодирующая программа поддерживает такую функцию.
Стандарт MPEG-4 задает принципы работы с контентом (цифровым представлением медиа-данных) для трех областей: собственно интерактивного мультимедиа (включая продукты, распространяемые на оптических дисках и через Сеть), графических приложений (синтетического контента) и цифрового телевидения - DTV; фактически данный формат задает правила организации среды, причем среды объектно ориентированной. Он имеет дело не просто с потоками и массивами медиа-данных, а с медиа-объектами (ключевое понятие стандарта). В MPEG-4 определен двоичный язык описания объектов, классов и сцен - BIFS, который разработчики характеризуют как «расширение Си++».
Стандарт MPEG-4 представляет пользователям гибкие средства работы с мультимедийным контентом. Помимо работы с аудио и видео, формат позволяет работать с естественными и синтезированными компьютером 2D и 3D объектами, производить привязку их взаимного расположения и синхронизацию друг относительно друга, а также указывать их интерактивное взаимодействие с пользователем. Кроме того, формат обеспечивает доступ к мультимедийной информации через каналы различной пропускной способности.
Алгоритм компрессии видео в MPEG-4 работает по той же схеме, что и в предыдущих форматах. При кодировании исходного изображения кодек ищет и сохраняет ключевые кадры, на которых происходит смена сюжета. А вместо сохранения промежуточных кадров прогнозирует и сохраняет лишь информацию об изменениях в текущем кадре по отношению к предыдущему. Полученная таким образом информация сжимается по алгоритмам компрессии, аналогичным тем, что применяются в архиваторах. Компрессия звука чаще всего производится в формат MP3 или WMA. Однако возможно использование любого кодека, вплоть до применяемого в DVD шестиканального AC-3 потока (единственное требование - чтобы данный аудиокодек был установлен в системе).
Кардинальное нововведение при компрессии видео в MPEG-4 заключается в следующем. В отличие от предыдущих форматов, которые делили изображение на прямоугольники, при обработке изображений кодек оперирует объектами с произвольной формой. К примеру, человек, двигающийся по комнате, будет воспринят как отдельный объект, перемещающийся относительно неподвижного объекта - заднего плана. Естественно, алгоритмы поиска и обработки подобных объектов требуют гораздо больше вычислительных ресурсов, нежели в случае MPEG-1/2. Но с учетом быстродействия современных компьютеров последнее обстоятельство нельзя рассматривать сегодня как крупное препятствие на пути широкого распространения формата MPEG4. Для сравнения - во времена выхода MPEG-2, в 1995 году, частота процессора новых PC составляла около 100 МГц. Сегодня эта цифра возросла в десять раз!
Для нас как конечных пользователей наибольший интерес представляет именно хранение и воспроизведение видео на компьютере. Этот формат вполне можно назвать дешевой и как следствие более доступной альтернативой DVD в области развлечений.
Качество фильмов в формате MPEG-4 зависит от многих факторов, их можно условно разделить на три группы.
1. Качество исходного материала. К примеру, если фильм с двух VideoCD (MPEG-1) компакт-дисков c разрешением 352*288 сжимается до одного диска в MPEG-4 или, что того хуже, с пиратской видеокассеты, то ни о каком приемлемом качестве не может быть и речи.
2. Параметры сжатия исходного видеоматериала: битрейт (поток данных, который проходит через декодер), размер изображения и другие, менее существенные. Значение этих параметров определяет прежде всего продолжительность фильма. Так, на один CD можно вместить фильм продолжительностью полтора часа, а можно исхитриться впихнуть и трехчасовой. При этом понятно, что в первом случае поток данных оказывается шире, а требуемая степень компрессии меньше. Следовательно, фильм будет сжат и записан на CD с меньшими потерями в качестве изображения. Оптимальный выбор параметров кодирования в MPEG-4 является строго индивидуальным и зависит от конкретного фильма. Поэтому без достаточного опыта в этом деле трудно добиться хорошего результата. Не секрет, что все фильмы в MPEG-4 имеют кустарное изготовление. Зачастую качество изображения очень низкое, а впечатление от просмотра фильма может быть полностью испорчено артефактами и постоянными рывками изображения. В формате DVD, напротив, фактически все диски имеют изображение и звук превосходного студийного качества.
3. Параметры декомпрессии сжатого видео, настройки видеокарты, монитора/телевизора и быстродействие компьютера, используемого для просмотра. Чем меньше быстродействие, тем больше будут заметны рывки изображения, выпадение кадров (особенно в динамичных сценах).
На факторы первых двух групп по понятным причинам зритель никакого влияния оказать не может. Здесь остается только посоветовать тщательнее выбирать диски. Факторы третьей группы зависят всецело от пользователя и его компьютера.
Высокая степень сжатия информации
Требует сравнительно небольшие скорости каналов связи для передачи информации
Большие возможности управления контентом со стороны пользователя
Перспективность применяющейся модели кодирования в будущем для различных областей
применения аудио и видео информации
Возможность построения различных специализированных кодеков разной степени сложности для различных устройств
Требуются существенные вычислительные мощности для кодирования\декодирования потока информации
Качество изображения несколько хуже чем у MPEG2 (зависит от конкретного кодека и требуемой степени сжатия)
Наличие нескольких конкурирующих реализаций данного формата
На сегодняшний день невозможно представить ни одного пользователя Глобальной сети, который не сталкивался бы практически ежедневно с мультимедийным контентом. Самым привлекательным с точки зрения информативности и полезности среди такой информации является видео. Телевидение уже отошло на второй план и, работая или развлекаясь, пользователь все чаще обращает свое внимание на видеофайлы из интернета, разновидностей форматов которых на сегодняшний день существует большое количество.
Чаще всего, скачивая ролики или фильмы из интернета, пользователю приходится иметь дело с такими типами файлов, как Mpeg4 и Mp4 - это одно и тоже, считают многие. Разберемся, так ли это на самом деле.
В действительности разница между MP4 и MPEG4 есть и она довольно существенна. Главным отличием является тот факт, что MPEG4 является методом, по которому определяется сжатие аудио- и видеоданных. А MP4 представляет собой формат хранилища данных. То есть MP4 предназначен и используется в качестве контейнера, в котором хранятся аудио- и/или видеоданные. Таким образом, утверждение, что Mpeg4 и Mp4 - это одно и тоже, является несколько неверным. Разберемся с предназначением каждого формата.
Главным предназначением MPEG-4 является использование этого метода сжатия в эфире, интерактивных и разговорных средах. Применение стандарта делает возможным использование аудио- и/или видео контента не только на периодической основе. Кроме того, стандарт значительно облегчает интеграцию контента состоящего из двух каналов (аудио- и видео-) в одну и туже сцену мультимедиа. Все это привело к широкому распространению кодека в телевизионной и веб-средах.
Нельзя утверждать, что Mpeg4 и Mp4 - это одно и тоже еще по одной причине. MPEG-4 и MP4 - это два термина, которые легко спутать друг с другом, не только потому, что их наименования отличаются всего двумя буквами, но и по той причине, что они очень тесно смешались в мире огромного количества медиафайлов. Формат MPEG4 и MP4 в качестве контейнера для хранения данных, широко распространились не в последнюю очередь за счет приемлемого соотношения качества видео и размера итоговых файлов, содержащих данные.
Что касается этой характеристики MP4, можно сказать, что наилучшее соотношение среди других решений между качеством видео и его размером привело к тому, что MP4 стал одним из самых распространенных форматом файлов для хранения и передачи мультимедиа. MP4 применяется не только на компьютерах. Он завоевал огромную популярность на нескольких мобильных платформах, смартфонах, планшетных компьютерах, в том числе «умных телефонах» и «таблетках» от Apple.
На всех вышеперечисленных аппаратных решениях, позволяющих принимать, хранить и передавать мультимедиа-контент, MP4 в качестве используется по умолчанию. Пользователи, предпочитающие прямое и беспроблемное чтение, а также запись видеофайлов, всегда выберут MP4, хотя могут даже не знать отличий контейнера от MPEG-4 и считать, что Mpeg4 и Mp4 - это одно и тоже. Можно смело утверждать, что являясь стандартным форматом видео, MP4 используется практически повсеместно, а MPEG-4 является более специфическим решением.
