5.1. Сімейство форматів MPEG

У січні 1992 р. експертною групою по кінематографії Moving Picture Expert Group (MPEG) була представлена перша версія стандарту для стиснення відео- і звукових файлів, що отримала назву MPEG phase 1, чи просто MPEG 1 (ISO 11172). Даний стандарт визначав методи компресії, що дають змогу довести швидкості передачі відео- і аудіоданих до 1, 5 Мбіт/с, що відповідає швидкостям обміну звичайних приводів CD-ROM і стримерів. За відправну точку відліку прийняте зображення розміром 352Х288 пікселів (для PAL-сигналу) із частотою 30 кадрів (фреймів) у секунду. За допомогою MPEG-стиснення обсяг відеоінформації можна помітно знизити і годинна відеопрограма вміститься в 2 Гбайт.

MPEG-1. Стандарт MPEG-1 був прийнятий як стандарт ISO наприкінці 1992 р. і офіційно опублікований у 1993 р. Він призначений для стиснення відеофайлів середніх розмірів і аудіофайлів з частотою дискретизації 32, 44, 1 і 48 кГц і використовувався в основному для запису на диски Video-CD. Цей стандарт забезпечував якість зображення на рівні відеокасети VHS і дозволяв записати на один компакт-диск більше години відеоінформації і відтворювати його на двошвидкісному пристрої.

В області аудіо існують три рівні MPEG -1 (перший - від 32 до 448 Кбіт/с, другий - від 32 до 384 Кбіт/с, третій - від 32 до 320 Кбіт/с).

MPEG-2. Робота над цим форматом була завершена в 1997 р. Він розроблений для кодування відеофайлів великих розмірів, що відповідають розмірам телевізійного екрана і вище, із можливістю стиснення від 2 Мбіт/с і для високоякісного аудіо.

Використовується в технологіях цифрового відео- і телебачення, у цифровому супутниковому віщанні, телебаченні високої чіткості і дисках DVD. MPEG-2, як визначено в документі ISO/IEC 13818-2, поєднує сімейство взаємно узгоджених і сумісних зверху вниз цифрових стандартів стиснення телевізійних сигналів. Точніше, він допускає чотири рівні (Levels) роздільної здатності кадру і п'ять базових профілів (Profiles) кодування сигналів яскравості і кольоровості. Формат підтримує п'ять аудіотреків (плюс один низькочастотний) із можливістю стиснення до 1 Мбіт/с.

MPEG-3. Був розроблений для використання в системах телебачення високої чіткості (HDTV- high-definition television) з параметрами: максимальна роздільна здатність 1920Х1080Х30, швидкість потоку даних 20-40 Мбіт/с. Пізніше цей формат став частиною стандарту MPEG-2 і окремо не згадується. Зауважимо, що відомий формат MP3 іноді плутають з MPEG-3. Він призначений тільки для стиснення аудіоінформації (повна назва - MPEG Audio Layer III).

MPEG-4. Цей формат задає принципи роботи з цифровим представленням медіаданих для трьох областей: інтерактивного мультимедіа, графічних додатків і цифрового телебачення. MPEG-4 в основному призначений для цифрової передачі відеоданих по телефонних лініях (Internet, відеоконференції) в умовах жорстко обмеженої пропускної здатності (до 28, 8 Кбіт/с). Він використовує схему кодування з поділом зображення на такі незалежні об'єкти, як фон, текст, 2D/3D-графіка, “людські обличчя, що розмовляють”, тіла, що рухаються і т. д. Через визначену складність цей стандарт поки не одержав широкого поширення.

MPEG-7. Це стандарт для опису різних типів мультимедійної інформації. Він покликаний забезпечити ефективний і швидкий пошук мультимедійних даних по заданому довільному фрагменті чи обмеженому наборі елементів.

MPEG-J. Стандартне розширення формату MPEG-4, у якому використовуються Java-елементи.

MPEG складається з трьох частин: Audio, Video, System (об'єднання і синхронізація двох інших).

Таким чином, MPEG - це сімейство стандартів на стиснення відео- і звукових файлів у процесі завантаження чи пересилання інформації.

Алгоритми перетворення відеоданих можуть бути реалізовані апаратно чи програмно. Довгий час MPEG використовувався для побудови апаратних засобів.

Виробники процесорів для графічних контролерів пропонували мікросхеми співпроцесорів, що допомагають центральному процесорові ефективніше декодувати стиснуту відеоінформацію.

У 1997 р. було розпочато спроби забезпечити комп'ютери класу Pentium програмними засобами декодування MPEG-даних. Однак програмна реалізація стандарту MPEG, на думку фахівців, погіршує якість отриманого зображення. Тому сьогодні широко використовується комбінована апаратно-програмна реалізація.

Алгоритми стиснення відеоданих орієнтовані на наступні носії інформації:

1. CD-ROM. Диски характеризуються високою щільністю запису інформації, що робить їх перспективними для збереження цифрової відеоінформації. Має низьке співвідношення вартості диска до його обсягу. Як недолік слід зазначити низьку швидкість зчитування інформації (для одношвидкісних пристроїв - 1, 5 Мбіт/с) і великий час пошуку інформації (порядку 0, 3 с).

2. Стример DAT (Digital Audio Тарі). У цьому носії запис інформації і зчитування здійснюються за допомогою послідовного доступу. Характеризується досить великими розмірами і відносно низкою швидкістю зчитування відеоінформації.

3. Нагромаджувач на жорстких магнітних дисках (НЖМД). Це найбільш швидкодіючий пристрій, що володіє малим часом пошуку, який необхідний для деяких додатків. Однак він має дуже високе співвідношення вартості диска до обсягу, що накладає визначені обмеження на його використання.

4. Реверсивні оптичні диски. Це один із найбільш перспективних пристроїв, здатний сполучити в собі переваги CD-ROM (низька собівартість збереження інформації, великий обсяг) і нагромаджувачів на жорстких магнітних дисках (можливість перезапису).

5. Комп'ютерні мережі (як глобальні, так і локальні). Характеризуються можливістю отримання великих обсягів відеоінформації, швидкість передачі якої обмежується лише пропускною здатністю мережних каналів. На думку фахівців, їхній швидкий розвиток може сприяти появі зовсім нових додатків до цифрової відеоінформації.

Можна виділити дві групи додатків, що використовують відеокомпресію, - симетричні і несиметричні: несиметричні додатки висувають серйозні вимоги до декодеру (як правило, за часом і пам'яттю), але для них не важливі витрати ресурсів при кодуванні. Прикладом є різні мультимедійні енциклопедії, путівники, довідники й інші електронні видання. При такій постановці задачі відкривається можливість застосувати складні алгоритми компресії, що дають змогу отримати велику степінь стиснення даних.

Симетричні додатки пред'являють однаково тверді вимоги до часу, пам'яті й інших ресурсів, як при кодуванні, так і при декодуванні. Прикладами такого роду додатків можуть служити відеопошта, відеотелефон, відеоконференції, редагування і підготовка відеоматеріалів.