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Edición de video MPEG-2 y no lineal. Casi complejo

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Recientemente, entre los profesionales del vídeo se escucha cada vez más hablar de codificación MPEG-2. La atención que se le presta hoy está creciendo casi más rápido que la expansión real del alcance de su aplicación práctica. De hecho, ¿estamos interesados ​​en un algoritmo de compresión eficaz en tareas de edición no lineal y producción de vídeo, estamos pensando en crear nuestras propias películas en DVD o archivos de vídeo digital, estamos analizando los principios de grabación Betacam SX o los estándares de almacenamiento de datos en servidores de vídeo? Y, finalmente, estamos discutiendo las características de la transmisión digital de programas por televisión por cable y satélite, en todas partes nos topamos con la mención de MPEG-2. De la enumeración anterior queda claro que este algoritmo tiene muchas caras y muchas facetas, por lo que los especialistas en diferentes campos, cuando hablan de MPEG, a veces piensan en cosas diferentes. Pero, de hecho, no es tan complicado como para que no puedas entender sus principios básicos. Así que averigüémoslo.

Permítanme recordarles que MPEG es la abreviatura de Moving Pictures Experts Group, el nombre del comité para estandarizar métodos de compresión digital de flujos de datos de video de la organización internacional ISO/IEC (Organización Internacional de Estándares/Comisión Electrotécnica Internacional). Inicialmente, la tarea del comité era desarrollar un formato para almacenar y reproducir datos de audio/vídeo desde CD-ROM. Como resultado, se creó el estándar MPEG-1, destinado a canales de transmisión de información de baja velocidad (aproximadamente 1 Mbit/s) y limitado a una resolución de cuadro de 352 x 288 (para una señal PAL). Luego, a medida que se ampliaron las tareas de transmisión de vídeo, aumentó la capacidad del canal y aumentaron los requisitos de calidad visual de las imágenes resultantes, aparecieron MPEG-2, MPEG-4 e incluso MPEG-7, optimizados para condiciones especiales.

Por lo tanto, MPEG-4 está destinado principalmente a la transmisión digital de datos de video a través de líneas telefónicas (Internet, videoconferencias) en condiciones de ancho de banda muy limitado (generalmente 28,8 Kbps) y, por lo tanto, reduce la resolución cuatro veces más: a 176 x 144. pero utiliza el esquema de codificación más avanzado con la división de la imagen en objetos independientes como fondo, texto, gráficos 2D/3D, rostros humanos "parlantes", cuerpos en movimiento, etc. Pero debido a la complejidad obvia, este estándar aún no se ha implementado. recibió implementación práctica.

En cuanto a MPEG-2, inicialmente tenía como objetivo resolver el problema de la transmisión de imágenes de televisión. Cada uno de nosotros sabe por experiencia propia que la calidad de la imagen que se ve en la televisión varía mucho. Una cosa es ver una película reproducida en la videograbadora de su hogar o en la televisión por cable local, pero otra muy distinta es disfrutar de un video de un DVD o un canal satelital. MPEG-2, tal como se define en ISO/IEC 13818-2, comprende una familia de estándares de compresión de televisión digital mutuamente acordados y compatibles de arriba hacia abajo. Más precisamente, permite Nivel 4 (Niveles) resolución de fotogramas y 5 perfiles básicos (Perfiles) codificación de señales de luminancia y crominancia.

Niveles: bajo LL (Nivel bajo) con resolución de cuadro 352 x 288 (corresponde a MPEG-1), principal ML (Nivel principal) 720 x 576, alto HL-1440 (Nivel alto) 1440 x 1152 y alto HL-1920 1920 x x 1152. Tenga en cuenta que si, según la Recomendación ITU-R BT.601 (Unión Internacional de Telecomunicaciones - Recomendación), el nivel principal determina la resolución de un cuadro de televisión estándar, entonces los niveles altos se centran en la televisión de alta definición.

Perfiles: simple SP (Perfil Simple), básico MP (Perfil principal), dos escalables: relación señal-ruido Perfil escalable SNR y con permiso Perfil escalable espacialmente y finalmente alto HP (De alto perfil). Un lugar importante también lo ocupa el llamado perfil principal profesional, o, en otras palabras, MPEG 422, que no está establecido por el estándar, pero se utiliza activamente en la práctica. Se designa como 422P. Si todo es bastante sencillo con los niveles, para comprender las diferencias entre los perfiles se requieren algunas explicaciones preliminares.

Un poco de teoría

La compresión eficaz de la información de vídeo se basa en dos ideas principales: la supresión de pequeños detalles de la distribución espacial de fotogramas individuales que no son importantes para la percepción visual y la eliminación de la redundancia temporal en la secuencia de estos fotogramas. De ahí el concepto de compresión espacial y temporal.

El primero de ellos utiliza la baja sensibilidad de la percepción humana, establecida experimentalmente, a la distorsión de pequeños detalles de la imagen. El ojo nota la heterogeneidad de un fondo uniforme más rápidamente que la curvatura de un borde fino o un cambio en el brillo y el color de un área pequeña. En matemáticas se conocen dos representaciones equivalentes de una imagen: la conocida distribución espacial de brillo y color y la llamada distribución de frecuencia asociada con la transformada espacial discreta del coseno (DCT). En teoría, son equivalentes y reversibles, pero almacenan información sobre la estructura de la imagen de formas completamente diferentes: la transmisión de cambios suaves en el fondo es proporcionada por valores de baja frecuencia (centrales) de la distribución de frecuencia, y Los coeficientes de alta frecuencia son responsables de pequeños detalles de la distribución espacial.

Esto permite utilizar el siguiente algoritmo de compresión. La trama se divide en bloques de tamaño 16 x 16 (el tamaño 720 x x 576 corresponde a 45 x 36 bloques), cada uno de los cuales es convertido al dominio de frecuencia por el DCT. Luego, los coeficientes de frecuencia correspondientes se cuantifican (redondeo de valores en un intervalo específico). Si la DCT por sí misma no conduce a la pérdida de datos, entonces la cuantificación de coeficientes inevitablemente causa un engrosamiento de la imagen. La operación de cuantificación se realiza en un intervalo variable: la información de baja frecuencia se transmite con mayor precisión, mientras que muchos coeficientes de alta frecuencia toman valores cero. Esto proporciona una compresión significativa del flujo de datos, pero da como resultado una resolución efectiva reducida y la posible aparición de detalles falsos menores (particularmente en los límites de los bloques). Evidentemente, cuanto más basta sea la cuantificación utilizada, mayor será la relación de compresión, pero menor será la calidad de la señal resultante.

Permítanme recordarles que este algoritmo proviene de la fotografía digital, donde se desarrolló con el nombre de JPEG para la compresión eficiente de fotogramas individuales (JPEG es una abreviatura del nombre de la asociación internacional Joint Photographic Experts Group que lo aprobó). Luego se aplicó con éxito a secuencias de fotogramas de vídeo (cada uno de ellos procesados ​​de forma totalmente independiente) y recibió el nuevo nombre M-JPEG (Motion-JPEG). También cabe señalar que la codificación DV de los estándares digitales DV/DVCAM/DVCPRO se basa fundamentalmente en el mismo algoritmo, pero utiliza un esquema más flexible con selección adaptativa de tablas de cuantificación. A diferencia de M-JPEG, la relación de compresión para diferentes bloques varía a lo largo de la imagen: para bloques sin información (por ejemplo, en los bordes de la imagen) aumenta y para bloques con una gran cantidad de pequeños detalles disminuye en relación con el nivel promedio. para la imagen. Como resultado, con la misma calidad, se logra una reducción en el volumen de datos en aproximadamente un 15% (o viceversa, con el mismo flujo, la calidad de la señal de salida es mayor).

La compresión de tiempo MPEG aprovecha la alta redundancia de información en imágenes separadas por un pequeño intervalo. De hecho, entre imágenes adyacentes normalmente sólo cambia una pequeña parte de la escena; por ejemplo, un objeto pequeño se mueve suavemente sobre un fondo fijo. En este caso, la información completa sobre la escena solo debe guardarse de forma selectiva, como imágenes de referencia. Para otros, basta con transmitir sólo información diferencial: sobre la posición del objeto, la dirección y magnitud de su desplazamiento, nuevos elementos de fondo (que se abren detrás del objeto a medida que se mueve). Además, estas diferencias pueden formarse no solo en comparación con las imágenes anteriores, sino también con las posteriores (ya que es en ellas donde, a medida que el objeto se mueve, se revela parte del fondo, previamente oculto detrás del objeto). El elemento matemáticamente más complejo es la búsqueda de bloques que se desplazan pero cambian poco en estructura (16 x 16) y determinar los vectores correspondientes de su desplazamiento. Sin embargo, este elemento es el más importante, ya que permite reducir significativamente la cantidad de información requerida. Es la eficiencia de realizar este elemento "inteligente" en tiempo real lo que distingue a los distintos codificadores MPEG.

Así, en la codificación MPEG se forman fundamentalmente tres tipos de fotogramas: I (Intra), que actúan como fotogramas de referencia y conservan toda la información sobre la estructura de la imagen; P (Predictivo): transporta información sobre cambios en la estructura de la imagen en comparación con el cuadro anterior (tipos I o P); B (bidireccional): guarda solo la parte más esencial de la información sobre las diferencias con las imágenes anteriores y posteriores (solo I o P). El concepto de compresión posterior de fotogramas I, así como de fotogramas P y B diferentes, es similar a M-JPEG, pero, como DV, con ajuste adaptativo de las tablas de cuantificación. En particular, esto nos permite caracterizar una señal DV como un caso especial de una secuencia MPEG de fotogramas I con un flujo fijo determinado (relación de compresión). Las secuencias de fotogramas I, P, B se combinan en grupos de fotogramas de longitud y estructura fijas: GOP (Grupo de imágenes). Cada GOP comienza necesariamente con I y contiene cuadros P en ciertos intervalos. Su estructura se describe como M/N, donde M es el número total de cuadros en el grupo y N es el intervalo entre P-cuadros. Así, el grupo 15/3, típico de Vídeo-CD y DVD IPB, tiene la siguiente forma: IBBPBBPBBPBBPBB. Aquí, cada cuadro B se reconstruye a partir de los cuadros P circundantes (al principio y al final del grupo, de I y P) y, a su vez, cada cuadro P se reconstruye a partir del P- (o I-) anterior. marco. Al mismo tiempo, los marcos I son autosuficientes y pueden restaurarse independientemente de otros, pero son la referencia para todos los marcos P y especialmente B del grupo. En consecuencia, I y P tienen el grado de compresión más bajo, B tiene el más alto. Se ha establecido que el tamaño de un marco P típico es 1/3 y el B es 1/8 de I.

Como resultado, la secuencia MPEG IPPP (GOP 4/1) proporciona una reducción del doble en el flujo de datos requerido (con la misma calidad) en comparación con una secuencia de fotogramas I únicamente, y el uso de GOP 15/3 permite lograr cuatro veces la compresión.

Ahora podemos volver a la descripción de los distintos perfiles. Un perfil SP simple solo realiza compensación y predicción de movimiento en una dirección (cuadros P). En el perfil principal, la predicción MP se realiza en dos direcciones, es decir, se permiten fotogramas B. En los perfiles escalables, el flujo de datos de vídeo digital original se divide en varias partes según diversos criterios. En el perfil escalable SNR, la transmisión se divide en dos partes. El primero de ellos, la señal principal, transporta información con una relación señal-ruido reducida (muestreo más grueso). Pero esta parte está protegida por un algoritmo que es más resistente a las interferencias de transmisión (y, en consecuencia, requiere más bits), se recibe con mucho ruido y permite restaurar la imagen del televisor incluso en condiciones desfavorables (aunque con una señal reducida). -proporción de ruido). La segunda parte menos protegida, la llamada señal adicional, simplemente se descarta en caso de recepción inestable. Con una recepción estable, le permite complementar la señal principal y aumentar la relación señal-ruido al valor original.

El perfil espacialmente escalable mejora aún más la complejidad del esquema de codificación. En él, el flujo se dividirá en tres partes, según el criterio de resolución. La primera parte, la señal principal, proporciona información resistente al ruido sobre la imagen en resolución estándar (625 líneas, de las cuales 576 están activas). La segunda parte amplía la información a una imagen de alta definición (1250 líneas, 1152 activas). Bueno, decodificar la tercera señal te permite aumentar la relación señal-ruido.

El quinto perfil HP, el más alto, incluye todas las funciones de los anteriores, pero utiliza la representación YUV no 4:2:0, sino 4:2:2, es decir, transmite señales de diferencia de color con el doble de frecuencia (en cada línea, en cada elemento de línea).

Aquí también es necesario hacer algunas aclaraciones. Se sabe que una señal de televisión es una combinación de una señal de brillo Y y dos señales de diferencia de color U y V. Las variaciones en sus valores permiten 256 gradaciones (de 0 a 255 para Y y de -128 a 127 para U/V ), que en términos binarios corresponde a 8 bits o 1 byte. En teoría, cada elemento del marco tiene sus propios valores YUV, es decir, requiere 3 bytes. Esta representación, en la que tanto las señales de luminancia como de crominancia tienen el mismo número de valores independientes, suele denominarse 4:4:4. Pero el sistema visual humano es menos sensible a los cambios espaciales de color que a los de brillo. Y sin ninguna pérdida visible de calidad, el número de recuentos de colores en cada línea se puede reducir a la mitad. Es esta representación, denominada 4:2:2, la que se adoptó en la televisión abierta. En este caso, para transmitir el valor completo de la señal de televisión en cada muestra de cuadro, son suficientes 2 bytes (alternando valores independientes U y V a lo largo de la muestra). Además, a efectos de vídeo de consumo, se considera aceptable reducir a la mitad la resolución de color vertical, es decir, pasar a una presentación 4:2:0. Esto reduce el número informado de bytes por muestra a 1,5. Tenga en cuenta que este es exactamente el concepto que se incluyó en el formato DV de las cámaras digitales, así como en el formato de vídeo DVD.

Sin embargo, en tareas profesionales de edición digital y edición de vídeo, cuando es posible el uso múltiple y en múltiples capas de fragmentos de metraje y la inclusión de gráficos por computadora, inicialmente se requiere un vídeo digital de mayor calidad para evitar la consiguiente acumulación de errores. Por lo tanto, aquí se considera obligatoria la representación 4:2:2. Esto es lo que distingue el perfil 422P del principal. En mesa 1 resume las diferencias entre todos los perfiles descritos.

Tabla 1

Compresión de audio

Hasta ahora sólo hemos hablado de compresión de imágenes. Pero un vídeo completo también incluye un componente de audio. Se considera que el audio con calidad de CD requiere un muestreo de 44,1 kHz a 16 bits por canal, lo que equivale a 706 kbps por canal (1,4 Mbps para estéreo). La calidad de la señal DAT especifica una frecuencia de muestreo de 48 kHz (banda de frecuencia 4-24 000 Hz) y aumenta la velocidad de bits a 768 Kbps por canal. El enfoque para comprimir información es el mismo: descartar partes que no son muy importantes para la percepción del oído humano. El estándar MPEG permite tres niveles (Capa) de compresión de audio. La capa 1 utiliza el algoritmo más simple con una compresión mínima, lo que implica 192 Kbps por canal. El algoritmo de Capa 2 es más complejo, pero el grado de compresión es mayor: 128 Kbps por canal. Un potente algoritmo para comprimir audio digital con calidad de CD (11 veces sin pérdidas perceptibles para el oído humano), Layer 3 proporciona la mayor calidad de sonido posible con estrictas restricciones de flujo: no más de 64 Kbps por canal. Está destinado principalmente a Internet. Su importancia es tan grande que recibió una abreviatura especial MP3, que significa MPEG Layer 3.

Han surgido muchos sitios de Internet que contienen cientos de miles de archivos MP3 de música popular. Con la ayuda de programas de reproducción especiales (Real Audio), la música MP3 se puede escuchar en tiempo real a través de Internet, se puede copiar indefinidamente (atención: una canción típica ocupa de 2 a 8 MB) y distribuirse ilegalmente. Ya han aparecido reproductores MP3 portátiles que cuestan unos 200 dólares (por ejemplo, Diamond Rio). La industria de la música, que sufrió pérdidas importantes, inició una lucha activa contra los sitios de MP3 (la Recording Industry Association of America encontró y logró el cierre de la mayoría de ellos). Pero el genio ha sido liberado, no se puede encerrar a todo el mundo. Adaptec predice que se descargarán miles de millones de canciones a través de Internet en los próximos años y afirma que admitirá MP3 en la próxima versión de EasyCD Creator. Sin embargo, en las tareas de edición digital, no se utiliza la compresión de señales de audio, por lo que al calcular los flujos permitidos, se deben asignar hasta 1,5 Mbit/s al componente de audio.

El término “edición no lineal” no corresponde a la esencia del proceso, sino que sólo refleja una de sus características. De hecho, estamos hablando de edición de vídeo realizada digitalmente en ordenadores. En este caso, los fragmentos de vídeo originales están sujetos a digitalización obligatoria y grabación en el disco duro en forma de archivos adecuados. A diferencia de las unidades de cinta magnética, el acceso a cualquiera de estos archivos fragmentados no requiere un tedioso rebobinado (y este proceso es lineal), es decir, todos los fotogramas de vídeo están disponibles en orden aleatorio. Esta importante propiedad dio lugar a que se denomine a la edición digital como no lineal, aunque, evidentemente, las posibilidades del procesamiento digital son mucho más amplias y ricas.

Recordemos que según la Recomendación UIT-R BT.601, un cuadro de televisión es una matriz de 720 x 576. Teniendo en cuenta la velocidad de cuadro de televisión de 25 Hz, llegamos a la conclusión de que un segundo de vídeo digital en formato 4:2 La representación :2 requiere 20 bytes (736 x 000 x 25 x 2), es decir, el flujo de datos es de 720 MB/s. Grabar estos flujos es técnicamente factible, pero es complejo, costoso e ineficiente para el posprocesamiento. En la práctica, teniendo en cuenta las posibilidades reales, se requiere una reducción significativa de los flujos. Hay muchos algoritmos conocidos que realizan la compresión sin pérdida de información, pero incluso los más efectivos no proporcionan más que el doble de compresión en imágenes típicas.

Hasta hace poco, M-JPEG reinaba en el mundo de los sistemas de edición de vídeo no lineales. Las diferentes soluciones se diferenciaban en el grado de compresión, que correspondía a diferentes niveles de calidad del vídeo resultante. A grandes rasgos, se pueden distinguir cuatro niveles: vídeo estándar (VHS, C-VHS, Video8), súper vídeo (SVHS, C-SVHS, Hi8), vídeo digital (Betacam SP, DV/DVCAM/DVCPRO, miniDV, Digital8). y vídeo de estudio (Digital S, DVCPRO50). Para simplificar, los designaremos como Video, S-Video, DV y Studio-TV. Cuantitativamente, generalmente se caracterizan por una resolución horizontal (el número de elementos distinguidos en una línea: líneas de televisión). Se cree que el vídeo proporciona una resolución de hasta 280 líneas y corresponde a un flujo M-JPEG de aproximadamente 2 MB/s, S-Video - 400 líneas y 4 MB/s, DV - 500 líneas y 3,1 MB/s, y Studio-TV - resolución de al menos 600 líneas con flujos de 7 MB/s. Las relaciones de compresión son 10:1, 5:1, 5:1 y 3:1, respectivamente (recuerde que el algoritmo DV es más eficiente que M-JPEG). Pero incluso esa compresión requiere cantidades significativas de espacio en disco para almacenar y procesar archivos de vídeo. Por ejemplo, un minuto de vídeo M-JPEG requiere 120 MB de calidad de vídeo y unos 500 MB de calidad de Studio-TV. ¡Pero quieres trabajar con vídeos que duren decenas de minutos!

Y aquí es donde MPEG-2 entra en escena. Incluso cambiar a I-frames le permite ahorrar un 15% del volumen, y si usa P-frames, la ganancia puede duplicarse (para grupos IPPP), y esto ya es significativo. Es cierto que existe la opinión de que en este último caso se pierde una de las principales ventajas de la edición no lineal: su precisión fotograma a fotograma. En realidad, esto es un concepto erróneo. Utilizando fotogramas P diferentes, la estructura original de las imágenes se restaura fácil y rápidamente (para los procesadores modernos, esta tarea no es difícil y se realiza en tiempo real). En cuanto a la precisión de la reconstrucción, disminuye notablemente en grupos largos y/o en presencia de fotogramas B. Por lo tanto, por ejemplo, no se puede editar un DVD-Vídeo (GOP 15/3). Al mismo tiempo, para grupos cortos de sólo fotogramas I y P, la restauración se produce prácticamente sin acumulación de errores. Por lo tanto, con codificación MPEG-2 422P@ML, un flujo de 50 Mbit/s con fotogramas I (solo fotogramas I) y 25 Mbit/s con un grupo IPPP es suficiente para garantizar la calidad de estudio (consulte la Tabla 2).

Tabla 2

Es en esta dirección que se están desarrollando los modernos sistemas de edición no lineal. Hasta ahora hay pocos ejemplos. Se trata de FAST 601 [six-o-one], Pinnacle miroVideo DC1000 y Matrox DigiSuite DTV. Pero las ventajas de este enfoque son tan obvias que seguramente aparecerán otras soluciones en un futuro próximo.

Autor: Andrey Ryakhin, basado en digitalvideo.ru

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