MPEGとそのアプリケーション。ビデオアート

MPEGとその応用

ビデオアート

コンセプト

動画データはその性質上、非常に大容量です。この分野の専門家は、ビデオを可能な限り効率的に圧縮するという課題に長年取り組んできました。 XNUMX 年代の初め、さまざまなネットワーク上で大量のビデオを送信することが緊急に必要になったため、品質/容量比の観点から最適なビデオエンコード方法の課題がさらに緊急になりました。

MPEG におけるビデオ圧縮の概念は非常に単純です。ストリーム内のどの情報が少なくとも一定期間繰り返されるかを判断し、この情報の重複を避けるための措置を講じます。 MPEG エンコードの最も貴重な利点は、さまざまなネットワークでの送信に特に便利であり、ネットワーク帯域幅に応じて画質を柔軟に調整できることです。これにより、MPEG-2 はさまざまなネットワーク上でデジタルテレビを送受信するための事実上の標準になりました。

残念ながら、特定の機器や測定値を使用してエンコードの品質を明確に評価する方法はありません。ここでの唯一の基準は、その人、そしてその人が圧縮された情報をどのように認識するかです。したがって、MPEG エンコード中のビデオ圧縮のルールは、ビデオ画像の人間の知覚モデル (HVS - Human Visual Sense) に基づいて開発されました。

HVS によるイメージの冗長性は、次の XNUMX つの主な基準によって決定されます。

人間の目には見えない画像の詳細 - 垂直および水平のブランキング領域。この情報を削除しても画像にはまったく影響しません。
統計的な冗長性。それは空間的なものと時間的なものに分けられます。空間的冗長性とは、隣接するピクセルがほぼ同一である画像の領域を指します。一時的 - 時間が経っても変化しない画像の断片。
色と明るさの冗長性 - 画像の詳細の色と明るさの小さな変化に対する人間の限られた感度に基づいて計算されます。

どのように実装されていますか

ビデオデータのエンコードの便宜上、ビデオストリーム全体が GOP (Group of Pictures) と呼ばれるグループに分割されます。このようなグループは次のように構成されます。

MPEGとその応用

ここに：

I - イントラフレーム。通常は参照フレームと呼ばれ、画像に関するすべての情報が含まれます。原則として、これらのフレームがなければ MPEG シーケンスは存在できません。 I フレームを圧縮する場合、空間的な冗長性のみが削除されます。このフレームから、シーケンス内の画像のデコードが始まります。

P - 予測フレーム。「予測」フレーム。その形成には、形成される前の最後の I フレームまたは P フレームからの動き補償を考慮して、次のフレームの画像を予測する方法が使用されます。 P フレームは、さらなる画像予測にも役立ちます。 P フレームはフレーム間圧縮を使用して作成され、空間的および時間的冗長性の両方が削減されます。フレーム画像 P が次の画像から減算され、この差分が符号化され、動きベクトルとともに圧縮データに追加されます。

B - 双方向、「双方向」フレーム。周囲の I フレームと P フレームからの最も重要な情報を保存するため、このように名付けられました。 B フレームは最も高い圧縮度を持っていますが、画像内のオブジェクトの動きを補正するために前後の画像が必要です。

この MPEG ストリーム構造は通常、分数 M/N として記述されます。M は GOP 内のフレームの総数を示し、N は前の P フレームの後の次の P フレームを示します。したがって、上の図に示されている GOP シーケンスは 12/3 と書くことができます。

実際の MPEG データストリームは、次の 6 つの階層レベルで構成されています。

ブロック - 画像の 8x8 ブロックの明るさと色のデータ。ブロックは、Y (輝度)、CB、CR (色差) 値によって分析されます。
マクロブロック - 名前が示すように、それぞれ 4x16 ピクセルウィンドウ内の 16 つの単純なブロックで構成されます。 4:2:0 フォーマットでは、マクロブロックには 4 つの輝度データ Y と CB と CR が XNUMX つずつ含まれます。
レイヤー-いくつかの隣接するマクロブロックが含まれています。
フレーム - 画像を含むレイヤーのグループで構成され、I、P、B のいずれかになります。
Group of Pictures (別名 GOP) - 一連のフレームが含まれます。最大 15 フレームを含めることができ、フレーム I から始める必要があります。
ビデオシーケンス - 少なくとも XNUMX つの GOP に加えて、シーケンスの先頭とシーケンスコードの終わりにタイトルが含まれている必要があります。

MPEGレベルとプロファイル

MPEG プロファイルは、圧縮ビデオビットストリーム構造のサブセットです。このようなサブセット内では、ストリームパラメータの広範囲にわたる拡張が可能であり、それに応じてそれらのエンコーダとデコーダも可能です。

レベルとは、出力画像の解像度、フレームレートなど、MPEG ストリームのパラメータに適用されるいくつかの制限を指します。

次の表は、MPEG レベルとプロファイルに課せられる最大制限を示しています。

このテーブルは、まず、頻繁に発生する特定のレコードの形式の指定やエンコーダーの機能の説明を理解するために必要です。たとえば、MPEG 形式の録音は次のように特徴付けられます。

** 実際、ここでは次のように書くのがより正確です: PAL は、オリジナルのビデオフィルムが作成されたアナログテレビ規格の名前です。実際、MPEG フィルムはどのカラーテレビシステムにも帰属できません。MPEG のフレームは以前のアナログ画像を単にデジタル表現したものであり、元のフィルムのテレビシステムソースとは何の関係もないからです。

実用化

うるさい読者は、「この情報は私の仕事にどのように役立つのですか?」と尋ねるでしょう。もちろん、ビデオを扱っていない人にとって、この情報はあまり役に立たないかもしれませんが、他の人にとっては実際の作業に役立つ可能性があります。 DV ビデオカメラやノンリニアビデオ編集プログラムを使い始めた多くのユーザーは、自分の作品を数世紀ではないにしても、少なくとも今後数十年間は保存する方法を考え始めました。奇妙なことに、DV ビデオ編集の初心者のほとんどは、MPEG についてまだ十分に理解していないため、ユーザーがオリジナルの DV の品質を維持したい場合に、このタスクを解決することがどれほど難しいかを認識せずに、プロジェクトを MPEG 形式で CD ディスクに保存することを計画しています。 MPEG バージョンの映画。このトピックに関して最もよくある質問は次のとおりです。

ムービーを MPEG-2 形式で保存した後、品質が著しく低下したように見えるのはなぜですか?

ここにはいくつかの理由があります。

圧縮済みの圧縮画像がデジタルビデオカメラからコンピュータにダウンロードされます。 DV は本質的に JPEG 圧縮の特殊なケースであり、わずかに変更された JPEG アルゴリズムを使用して圧縮された JPEG フレームで構成されるストリームです。 DV の MPEG は、DV で圧縮するときに XNUMX つのフレームの XNUMX つのフィールドからの情報が考慮されるという考え (圧縮の原理ではありません) から、いわゆるフィールド内圧縮という事実のみを使用します。したがって、MPEG DV に圧縮するには、画像を最初に解凍してから再圧縮することになりますが、これによって品質が向上することはありません。
画質の観点から、圧縮パラメータが正しく設定されていませんでした。
高速ですが、それほど高品質ではないMPEGエンコーダが使用されます。

DVD ディスクも MPEG-2 であるにもかかわらず、画質が非常に高いのはなぜですか。家庭でも同様の画質を得ることができますか?

DVD のビデオ品質は非常に高いです。これは、2 つの主な要因によって説明されます。2 つは、映画の MPEG-XNUMX バージョンを作成するためのソースビデオ素材として、非圧縮のプロ品質のビデオが使用されることです。また、MPEG でのエンコードには、非常に高い画像エンコード品質を備えたハードウェアエンコーダが使用されます。 XNUMX. このようなエンコーダのコストは数万米ドルに達します。したがって、家庭で DV フィルムから同様の品質を得るのは不可能です。

ムービーを MPEG 形式にエンコードする前に指定するように求められるパラメータは何を意味しますか?

このようなパラメータは多数ある可能性がありますが、それらの中で最も重要なものに焦点を当てる必要があります。

プロファイルIDとレベルID-上記の表を参照してください。
フレーム間隔 - 意味を理解するには、I フレーム間の間隔が通常設定されることを考慮する必要があります。これは実際には GOP のサイズと、前の P フレームの後の次の P フレームを意味します。 I フレーム間の間隔が長くなるほど、画質は低下しますが、結果として得られるファイルのサイズは小さくなります。また、I フレーム間の間隔を 15 より長くすることはお勧めできません。
動き推定 - 動き補償。このパラメータは、オブジェクトの動きがどの程度正確に予測されるかを決定し、出力画像の品質とエンコード時間の推定の両方にとって非常に重要です。値が大きいほど品質は向上しますが、エンコーダーの実行時間は大幅に長くなります。このパラメータを設定するときは、最大値がコンピュータのプロセッサにとって「大きすぎる」可能性があり、目的のフィルムが作成されるまでに数日かかる可能性があることを理解しておく必要があります。
フレームシーケンスは、多くの点でフレーム間隔と同様のパラメータです。通常、エンコードのタイプ (I フレーム、I + P フレーム、I、P、B フレームのみ)、および P フレームと B フレームの間隔を選択するよう提案されます。エンコード方法については、最高の品質ですが、最大のボリュームは I フレームのみでエンコードすることによって得られ、それぞれ、I + P および I、P、B です。間隔値の古典的な証明された値は P です。 =3 および B=2。厳密に言えば、DVD の場合は 15/3 または IBBPBBPBBPBBPBB という構造を使用するのが一般的です。
ビデオデータレート - ビデオストリーム速度。一般ユーザー向けに設計された多くのエンコーダでは、これが主なパラメータであり、これに関連してエンコーダ自身が他のすべてのパラメータを設定します。通常はメガビット/秒で測定されます。この値を設定し、ムービーの長さ (秒単位) を掛けると、ファイル全体のサイズを簡単に取得できます。

プログレッシブスキャンモードで撮影できる DV ビデオカメラを持っています。次に、完成したムービーを MPEG 形式で保存したいと思います。通常のインターレースモードとプログレッシブモードのどちらで撮影したほうがよいでしょうか?

MPEG-1 の場合、答えは明らかです。プログレッシブスキャンで撮影する方が優れているため、MPEG-1 で圧縮する場合、テレビ画像の 2 フィールドが単純に破棄されます。 MPEG-2 の場合、この質問に対する答えは、生成された MPEG-2 クリップをどのように使用するかによって異なります。コンピュータのみで表示する場合、またはハードウェアデコーダがない場合は、プログレッシブスキャン撮影を使用することをお勧めします。画像はモーションアーティファクトがなく、より鮮明になります。ハードウェア MPEG-2 デコーダをお持ちで、映画をテレビで視聴する予定がある場合は、通常モードで撮影すると、映画内のオブジェクトの動きがよりスムーズで自然になります。最新の MPEG-XNUMX エンコーダの多くでは、ソースムービーのタイプ (プログレッシブまたはインターレース) を選択できます。インターレースを選択するとフィールドが使用され、ハードウェアデコーダからビデオ出力に出力されると、元のイメージが同じように復元されます。フィールドは圧縮前と同じになります。

すぐに映画を MPEG 形式で保存し、編集したいと考えています。これを行うことは可能であり、正しいのでしょうか?

もちろん保存することもできますが、MPEGビデオの編集は非常に難しく不便です。実際のところ、MPEG を編集する場合、実際のフレーム精度でフラグメントを切り取ることは不可能です。フラグメントは I フレームによってのみ互いに分離できるためです。そうでない場合、参照フレームが削除され、それに続くフレームが保存されると、画像が可読性が失われます。 MPEG をサポートするビデオエディタではフレーム精度で編集できますが、最初のフレーム以外に変更を加えると GOP 全体が再圧縮され、フィルムの品質に良い影響を与えないことを理解しておく必要があります。エフェクト、トランジション、フィルターの適用も実際のフレームの精度では実行できなくなり、芸術的なアイデアを高品質に実装できなくなる可能性があります。さらに、MPEG-2 の場合、画像の再圧縮には DV に比べてはるかに時間がかかり、より強力なプロセッサが必要になります。

MPEG-4 形式は現在ロシアで非常に人気があります。この形式でムービーを保存することに意味はありますか?

MPEG-4 形式は元々、低速チャネルでビデオを送信するために作成されたものであり、ビデオを保存することを目的としていませんでした。 MPEG-4 の画質は MPEG-2 よりは確かに劣りますが、MPEG-1 よりはわずかに優れています。 MPEG-4 の圧縮/解凍には大量の CPU 時間が必要となり、Celeron II 4 よりも低いプロセッサを搭載したコンピュータで MPEG-700 形式のビデオを作成することはもちろん、表示することも非常に困難です。 MPEG-4 は主に、DVD ディスクに記録されたオリジナルの MPEG-2 ムービーを再圧縮するために使用されます。 MPEG-4 を使用すると、通常の CD に XNUMX 時間のムービーを記録できます。次の XNUMX つの主な理由により、自分の映画をこの形式で保存しても意味がありません。

品質はオリジナルよりはるかに悪いです。
DVD規格のように、MPEG-4をディスクに記録するための規格はありません。

DV フォーマットをサポートし、高品質を提供する MPEG エンコーダはどれですか?

DV形式をサポートする一般的なMPEGエンコーダーがいくつかあります。

TMPEnc Encoder は、MPEG エンコーダ自体ではなく、MPEG ファイルの多重化、逆多重化、スプライス/カットを行うツールとして人気のあるプログラムです。
主要な概念 MPEG エンコーダは、人気のあるビデオエディタである Adobe Premiere、Ulead MSP、および Vegas Video に組み込まれている優れたエンコーダです。
Canopus ProCoderは、間違いなく最高のDVエンコーダーです。

著者: スプライン社; 出版物：pctuner.ru

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