MPEG-1, MPEG-2 und MPEG-4. Projekt KlaVid

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Roland Schreiber
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1 MPEG-1, MPEG-2 und MPEG-4 Projekt KlaVid

2 Inhalt 1. Was ist MPEG? 2. MPEG-1 Grundsätzliches Verfahren Einsatzgebiete von MPEG-1 3. MPEG-2 Neue Kodierungsmethoden in MPEG-2 Komprimierungsmethoden Zusätzliche Funktionen 4. MPEG-4 5. Diskussion

3 Was ist MPEG? MPEG Motion Pictures Expert Group Wurde Ende der 80er gegründet, um einen Standard zur Komprimierung und Speicherung von Bewegtbildern zu entwickeln

4 MPEG wurde ein internationaler Standard (ISO 11172) mit dem übersetzten Titel ''Kodierung von Bewegtbildern und assoziiertem Audio für digitale Speichermedien mit bis zu 1,5 Mbit/s'' verabschiedet Dieser internationale Standard ist in drei Einzelstandards unterteilt: Video: beschreibt die Videokodierungs- und Kompressionstechniken Audio: beschreibt die Audiokomprimierung mit Hilfe des so genannten psychoakustischen Modells System: dieser Teil behandelt die Synchronisation und das Multiplexing von Video- und Audiodatenströmen

5 Ein Video Datenstrom ist in mehrere aneinander gereihte Sequenzen aufgeteilt Eine Sequenz wiederum besteht aus mehreren GOP s (Group of Pictures) Jedes Bild wird in Makroblöcke (je 4 Blöcke mit 8 8 Bildpunkte) zerlegt

6 Struktur von GOP Intraframe: Ein Bild, welches zur Darstellung nur die in sich kodierten Daten benötigt Predicted Frame: Werden von Intraframes oder vorlaufendem Predicted Frame abgeleitet Bidirectional Predicted Frame: Werden vom jeweils nächsten vor- und nachlaufenden Intra- oder Predicted Frame abgeleitet und werden selbst nicht mehr als Referenzen herangezogen

7 Übliche Reihenfolge

8 Block-based motion compensation Die Bilder werden durch die Differenz des Bildinhaltes zum vorherig kodiertem Bild beschrieben Bewegung von Bildteilen können in Form von zweidimensionalen Verschiebungsvektoren ausgedrückt werden

9 Es werden: 2. eine statische mittlere Abweichung zum Alten Makroblock 3. die größte enthaltende Abweichung ausgerechnet Die Fehler sind gering: übertragen des Verschiebunsvektores Die Fehler liegen in Grenzen: die Differenz des Makroblockes wird mitkodiert und übertragen Eine der Fehler ist sehr groß: das Makroblock wird als Ganzes kodiert

10 Es werden zusätzlich mathematische Verfahren, wie bei JPEG, zur Datenreduktion genutzt: Diskrete-Cosinus-Transformation Huffmankodierung

11 Einsatzgebiete von MPEG-1 MPEG-1 wurde auf asymmetrische Anwendungen wie Fernseh-Technik, Multimedia-Mail zugeschnitten Die Einzelbildzugriffe, schnelles Suchen (Positionierung auf I- frames) und die Editierbarkeit des Datenstroms sind gegeben Die Bildgröße ist variabel (in 16-Pixel-Schritten) und kann maximal horizontal 720 pels und vertikal 576 pels betragen, dies ist die Auflösung eines normalen S-VHS Signals Die symmetrische Verfahren können mit größerem Hardware-Aufwand implementiert werden. Die Dekodierung im Computerbereich benötigt kaum Hardwareunterstützung

12 MPEG-2 Im Herbst 1994 wurde der internationale Standard MPEG-2 (ISO 13818) mit dem übersetzten Titel "Generische Kodierung von Bewegtbildern und synchronisiertem Audio" vorgelegt MPEG-2 ist keine Weiterentwicklung des MPEG-1 Standards im technischen Sinne Die verwendeten Kodiermechanismen von MPEG-2 sind sehr ähnlich zu MPEG-1

13 Neue Kodierungsmethoden in MPEG-2 : Profiles und Levels: verschiedene Stufen der Bildqualität Scalability (Skalierbarkeit): Streams verschiedener Komplexität Security: robust gegenüber Bitfehlern und Zellenverlusten Sichere Satellitenübertragung

Profiles und Levels Low benutzt keine B-Frames Anwendungen mit niedrige Verzögerungsrate, wie Videokonferenz Main meist benutzte MPEG-2 Modell Findet seine

14 Profiles und Levels Low benutzt keine B-Frames Anwendungen mit niedrige Verzögerungsrate, wie Videokonferenz Main meist benutzte MPEG-2 Modell Findet seine Anwendung im Bereich des digitalen Fernsehens und der DVD High-1440 und High sind für den Einsatz im Bereich des HDTV (zukünftiges hochauflösendes Fernsehen) gedacht

15 Scalability Möglichkeit von unterschiedlicher Endnutzung bei ein- und derselben feststehenden Kodierung zeitliche Scalability erhöht die Bildrate indem in den normalen Ablauf des "Base Layers" zusätzliche B-frames des "Enhancement Layers" dekodiert werden Qualitäts-Scalability anstelle der ungenaueren B-frames des "Base Layers" werden P-frames des "Enhancement Layers" dekodiert und angezeigt, dadurch wird das Bildqualität erhöht

16 zeitliche Scalability Qualitäts-Scalability

17 Komprimierungsmethoden: Eine erweiterte Block-based Motion Compression Prediction, ermöglicht: Frame Motion Prediction (das Auffinden von ganzen, gleichen Frames innerhalb des Datenstroms) Field Motion Prediction (das Auffinden von gleichen, wie auch immer geformten Teilen in verschiedenen Bildern und auch innerhalb des aktuellen Bildes) das zeitliche Vorhersehen von Kodierungsfehlern Backward Motion Vectors Bewegungsvektoren können genau bis auf einen halben Bildpunkt innerhalb des Bildes bestimmt werden (dies ermöglicht das Auffinden von langsamen Verschiebungen)

18 Zusätzliche Funktionen des MPEG-2 Kodierung von 3-dimensionalen Bildern Wurde Makroblock-Scalability definiert: zusätzlichen Eintrag in jedem Makroblock, der auf den nächsten "wichtigen" (mit vielen Änderungen gegenüber dem letzten Bild) Makroblock verweist Pan-Scan-Scalability: ermöglicht die Definition von Ausschnitten im aktuellen Bild

19 MPEG-4 Anfang 1999 wurde der internationaler Standard MPEG-4 (ISO 14496) vorgelegt. Die Grundelemente des MPEG-4 Standards setzen sich aus folgenden Teilgebieten der Multimediaindustrie zusammen : Digitalfernsehen Interaktiven Grafikanwendungen (synthetischer Inhalt) Interaktiver Multimedia (World Wide Web, Verbreitung und Zugriff auf inhaltbasierte Daten)

20 Eine MPEG-4 Szene besteht aus einer Kombination mehrere Typen von Mediendateien

21 Anwendungsgebiete Videos Mobilfunk Internettelefonie Interaktive Videospiele Videokonferenzen

22 Diskussion

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