MPEG-4 - Multimediální technologie (UMT)

Datové formáty videa a jejich využití
Pavel Čejka, Michaela Koucká
Obsah
>
>
>
>
>
>
Úvod
Základní vlastnosti
Komprese
Kontejnery
Analogové video
Kodeky
Úvod
Video:
> technologie zaznamenávající a přehrávající sérii po sobě
jdoucích snímků
> 3 definovatelné vlastnosti- formát kontejneru, komprese
videa a obrazu
> uchovává se na paměťových médiích
> generace
> digitální a analogové
Snímek
> obrazy (frames) se dělí na klíčové (keyframe)
nebo neklíčové ( deltaframe)
Základní vlastnosti
>
>
>
>
>
>
snímková frekvence
prokládání
datový tok
rozlišení
poměr stran
komprese
Základní vlastnosti
> snímková frekvence
> udává počet snímků za jednotku času, důležitá pro
plynulost videa
> dle normy používané v ČR 25 snímků za vteřinu
> prokládání
> způsob, kterým běžné televize vykreslují obraz
(rozdělení na sudé a liché řádky)
> problém s displeji, pouze CRT obrazovka správně
zobrazuje – jinak bez prokládání
Základní vlastnosti
Prokládání - interlacing
Základní vlastnosti
Porovnání – interlaced x progressive scan
Základní vlastnosti
>
>
datový tok
>
počet dat, která se přenesou za jednotku času
(kbps, Mbit/s)
>
určující prvek kvality ( ale záleží na kompresi,
rozlišení a snímkové frekvenci)
>
konstantní vs variabilní
rozlišení
>
>
závisí na druhu videa
>
digitální – v pixelech na výšku a šířku
>
analogové- dle řádků ( 576)
poměr stran
>
poměr stran vodorovné a svislé čáry ( 4:3 a 16:9)
Rozlišení
Komprese
> zmenšení velikosti pro ukládání díky snížení objemu dat
nebo datového toku při co nejnižší viditelné degradaci
obrazu
dělení I. - intraframe a interframe
> v rámci snímku- komprese provedena na aktuálním
snímku, vlastně obrázková komprese (Prores 422, 4444),
větší velikost
> DCT= diskrétní kosínová transformace (JPEG)komprimovaní po blocích 8x8 pixelů, 6 bloků=
makroblok)
Komprese
> mezi snímky- zjišťování a ukládání rozdílů mezi snímky
(MPEG-4, H.264)
> GOP= group of pictures- začíná a končí itraframe snímky
> P- snímky- předpověď pohybu objektů, B- snímky- rozdíl
mezi intraframe a P-snímky
> wavelet- komprimuje pomocí překrývání, menší
degradace, náročnější
Komprese
Klíčové a neklíčové snímky
Bezztrátová komprese
> výsledekem je identický obraz ( omezené snížení
dat, max. ¼ původní velikosti)
> umožňuje zpětnou obnovu původních dat
> nejpoužívanější : HuffYUV, Lagarith, FFV1,
CorePNG nebo MSU Lossless, také Snow a MPEG4 AVC
Ztrátová komprese
 zmenšování objemu dat, kdy se některé méně důležité informace
ztrácejí a již nejdou obnovit (nedokonalost lidských smyslů)
 MJPEG – sekvence JPEG obrázků, každý samostatný záběr (zaručená
kvalita a určená úroveň komprese- větší video ve výsledku), digitální a IP
kamery, snadnost střihu
 H.263 – zmodernizovanější verze H.261, původně navrženo pro
videokonference díky regulovatelnému toku dat v závislosti na síti, snížená
kvalita u pohybujících se objektů
 THEORA- součást projektu Ogg, používaný příznivci opensource a
Linuxu, problém uživatelům způsobuje shodnost videa se stejnou
koncovkou hudby ve formátu Ogg Vorbis
 VC-1/ WMV3 – produkt společnosti Microsoft, možnost použití na BD a
HDD DVD, ale není zdaleka tak rozšířený, i když pracuje na stejném
principu jako MPEG-4
 DV – na vývoji se podílelo 10 firem, postupně další , pracuje na velmi
podobném principu jako MJPEG, u DV formátu nelze nastavit kompresní
poměr, je konstantní přibližně 1:10, datový tok je 25 Mbps, základní formát
pro střih videa, podporují jej všechny video editory
Ztrátová komprese
 MPEG-1
 od 1993 na CD, kódování pohyblivého obrazu a
přidruženého zvuku, zachovává rozumnou kvalitu videa
 MPEG-2
 od 1995 použití na DVD, vyšší přenosová rychlost od 1,5
Mbitu/s až do 15 Mbitů/s, používá se pro televizní vysílání (
6Mbitů/s)
 MPEG-3 – sloučen s MPEG 2, původně pro HDTV
 MPEG-4
 od 1998, rozšíření původních MPEGů, kódování
audiovizuálního obsahu s velmi nízkým bitratem, především
na webu
 MPEG-7
 pro popis dat s multimediálním obsahem (neříká, jak data
kódovat), možnost vyhledání multimediálních dat dle klíče
Kontejnery
 umožňují ukládat video a zvuk do jednoho souboru
(jednotlivé druhy dat v souboru jsou streamy),
synchronizace
 neříká nic o vnitřní kompresi uložených dat, ta je
určena kodekem
 pro přehrání kontejneru používáme příslušný splitter
 liší se podle schopnosti pojmout různá multimediální
data
 FourCC – kód 32 bitů
- slouží k identifikaci audio a video stop
- široce podporován
Kontejnery
MKV soubor:
Kontejnery
>
AVI- Audio Video Interleave
> nejrozšířenější kontejner pro video, od Microsoftu z
roku 1992 (poněkud zastaralý)
> původně bez komprese v rozlišení 160× 120 bodů
při 15 snímcích/ s, max. 2 GB velikosti výsledného
souboru – padlo s FAT32
> postupné rozšiřování a modernizování (Xvid, Dix)
> soubor se nedá přehrát pokud není úplný
> není možné vkládat titulky ani kapitoly
> kompatibilta přehrávání pod rúznými OS
> přípony .avi
Kontejnery
>
MPEG PS- Program Stream
> využívá video komprese MPEG-1 a MPEG-2, široce podporován
> neobsahuje indexovou tabulku ( na rozdíl od AVI),
synchronizován časově
> využíván jako hlavní formát pro DVD ( díky bezchybnosti dat)
> přípony .mpg, .vob, .evob
> MPEG TS- Transport Stream
> primárně určen pro digitální vysílání, ale i pro BD, využívá MPEG2 a MPEG-4 kompresi
> nezaručena bezchybnost dat
> Video lze přehrávat, aniž by byl stažen celý soubor
> přípony .ts, .m2ts, .MTS
Kontejnery
 MP4
 součástí MPEG-4 standardu, postaven na kontejneru
MOV od Apple
 různé video komprese
 využívá se v mobilních telefonech, fotoaparátech i
kamerách
 přípona .mp4
 MKV- Matroška
 nejnovější druh platformě otevřeného kontejneru,
hlavně pro HD video
 popis vnitřní struktury je založen na popularitě jazyka
XML, dělení na segmenty a sekce ( každá nese jiný
druh dat), propracovaný
 zatím chybí podpora SW pro editaci
 přípona .mkv
Kontejnery
 ASF- Advanced Systems Format
 produkt firmy Microsoft, hlavně pro internetové vysílání
 pracuje s daty jako s objekty
 nevýhodou je uzavřenost, systémové rozhraní
DirectShow
 přípony .asf, .wmv
 QuickTime
 konkurence od Apple z začátku 90. let
 pracuje s daty jako s atomy ( rozdělení na dále
nedělitelné bloky dat)
 přípony .mov, .qt
 RealMedia
 pracuje s objekty ( internetové vysílání)
 procuje s proměnným tokem a v případě poškození či
nedodání některého z objektů jej přeskočí a přehrává dál
 přípona .rm
Analogové vysílání
PAL
>PAL = Phase Alternating Line
>Počet řádků v obraze 625, 30 frames/sec,
obrazová frekvence 50 Hz
>“střídání fáze” - přepínání fáze jedné ze dvou
barvonosných informací ve dvou po sobě
jdoucích řádcích
>Úplný signál rozdělen na jasovou složku a
dva rozdílové signály barvy a jasu, určující
sytost a tón barvy
NTSC
>NTSC = National Television System
Committee
>První americká soustava pro přenos
barevného televizního signálu
>455 řádků, 30 frames/sec, frek. 60 Hz
>Funguje na podobném principu jako PAL
>Barvonosná frekvence vzdálena od signálu
jasu méně, zkreslení signálu během přenosu
→ zkreslení barevného tónu a sytosti barvy
SECAM
>
>
>
>
SECAM = Séquentiel couleur à mémoire
625 řádků, 25 frames/sec, frek. 50 Hz
Informace o barvách se přenášejí postupně
Úplný signál je rozdělen na jasovou složku, dvě
barevné informace a jeden rozdílový barvonosný
signál, který určuje sytost a tón barvy
> Další podstatné rozdíly oproti ostatním TV
normám jsou v potřebné šířce přenosového
kanálu, nosných kmitočtech, způsobu modulace
atd.
Kodeky
>“kodér a dekodér”
>Slouží ke kódování nebo dekódování
datového proudu
>Především za účelem zmenšení objemu dat
>Lze nakonfigurovat datový tok, kvalitu,
rychlost komprese
>Dělíme na ztrátové a bezztrátové
Kodeky
Bezztrátové – vhodné pro následné zpracování videa
Snížení velikosti nekomprimovaného videa
bez znatelné degradace obrazu
>
>
nižší kompresní poměr (většinou 1:2)
Ztrátové – ideální pro finální kompresi
>
Snaha o co největší kompresi
Lidské oko není dokonalé a zkreslení obrazu
v určité míře nepostřehne
>
Bezztrátové kodeky
HUFFYUV
>GPL licence
>ke kompresi videa využívá Huffmanova kódování
>výhodou je rychlá komprese i dekomprese, menší
paměťové nároky a volné používání
>nevýhoda: nízký kompresní poměr
>od roku 2002 nevyvíjen
>FFV1 – oproti HUFFYUV vyšší kompresní poměr
Bezztrátové kodeky
LAGARITH
>GPL licence, nástupce kodeku HUFFYUV
>oproti HUFFYUV lepší komprese, ale nižší rychlost
>podpora paralelního (multivláknového) zpracování
>podpora mnoha barevných modelů (RGB24,
RGB32, RGBA, YUY2 a YV12)
>nepoužívá predikci mezi jednotlivými snímky –
každý snímek je zakódován odděleně (tzv. klíčové
snímky), což ulehčuje střih, spojování a posouvání
ve videu
Bezztrátové kodeky
LCL
>Lossless codec library
>dva freewarové kodeky - AVIzlib a AVImszh
>pracují s barevnými modely RGB a YUV
>AVIzlib umožňuje volbu kompresního
algoritmu (komprese vs. rychlost)
>AVImszh je určený ke kompresi digitální
animace
Ztrátové kodeky
DivX
>používá standardní kompresi MPEG-4 ASP
>kvalitní komprese filmů na výrazně menší velikost
>velmi oblíben, díky čemuž je i podporován většinou
DVD přehrávačů
>aktuální verze dostupná zdarma obsahuje: DivX
Player, DivX comunity codec, DivXweb player
>placená navíc: DivX conventor a možnosti využití
více vlastností ze základního balíku
Ztrátové kodeky
Xvid
> dříve XviD
> používá standardní kompresi MPEG-4 ASP
>navázal na OpenDivX
>multiplatformní
>široká konfigurovatelnost kodeku
>soubory zakódované Xvid mohou být přehrány DivX
>kodek podporuje libovolné rozlišení až do velikosti
obrazu 1920×1088 bodů
Ztrátové kodeky
FFmpeg MPEG-4
>zahrnuje libavcodec -nejdůležitější knihovna pro
kompresi videa
>vyvíjen pro Linux, ale může být zkompilován i do
jiných OS
>MPEG-4 ASP kodek FFmpegu plně podporuje
dekódování videa kódovaného všemi běžnými
MPEG-4 kodeky jako je DivX nebo Xvid
Ztrátové kodeky
Windows Media Video
>kodeky WMV vyvinula firma Microsoft jako odpověď na
úspěch formátů QuickTime a RealVideo
>při kompresi udržuje datový tok (některé snímky může
zahazovat, a nebo tok vyplňovat nadbytečnými
informacemi)
>aktuální verze umí pracovat s videem standardu VC-1
(alternativa k MPEG-4)
Streaming
>Stream
>Základní část multimediálního souboru (video,
zvuk, titulky,...)
>V jednom souboru může být více streamů
stejného typu (např. vícejazyčné titulky)
>Streaming
>Technologie kontinuálního přenosu
audiovizuálního materiálu mezi zdrojem a
koncovým uživatelem
Streaming
>Webcasting
>Streamování prostřednictvím internetu
>V reálném čase (internetové televize a
rádia)
>Video On Demand (YouTube)
>Provozovatel musí mít k dispozici kromě
obsahu také streamovací server, který
zajišťuje komunikaci s cílovými počítači a
plynulé vysílání dat
Převody mezi formáty videa
> Časově a výpočetně
náročný proces
> Převádí se při potřebě
snížení velikosti, nebo
podpoře jiného formátu
> Existuje řada programů
> Format Factory
> Freeware
> 3gp, mpg, mkv, flv, swf,
mp4,
> avi, wmv, rmvb,vob,mov
> Velmi široké spektrum
možností nastavení
Děkujeme Vám za pozornost.