Moving Pictures Experts Group
Giovanni Margarita
Rosario Savarese
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Sommario:
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Introduzione a MPEG
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MPEG Video
Introduzione
Formati video digitali:
• Vantaggi
Affidabilità di trasmissione
Alta qualità
flessibilità di applicazione
•
Svantaggi
bitrate
Sopperire allo svantaggio
Tecniche di compressione per sequenze
video permettono, di fatto, di ridurre la
mole di dati originaria a valori
ragionevoli.
MPEG
Motivo per il quale ISO (International Organization
for Standardization) si è assunto il compito di
sviluppare uno Standard generico per la
memorizzazione di video digitali, e dell’audio a essi
associato, su dispositivi come CD-ROM, dischi ottici,
etc., e per la trasmissione di questi video nei vari canali
di telecomunicazione; ha così creato il
Moving Pictures Experts Group (MPEG)
Attività dell’MPEG
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Compressione Video
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Compressione Audio
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Sincronizzazione Audio-Video
MPEG video:
1 Sistemi di codifica video
2 Specifiche per MPEG video
3 MPEG 1
4 MPEG 2
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1- Sistema di codifica Video
I codificatori video possono essere classificati in
base alle diverse tecniche di compressione che
possono essere o meno predittivi.
Sistema di codifica Video
Un esempio di codificatore attualmente utilizzato è il
Codificatore Ibrido
Basato sulla tecnica DPCM (Differential Pulse Code Modulation)
Schema di codifica sviluppato per
codificare sorgenti con memoria
ed è predittivo
Coincide con la
compensazione di moto del
frame precedente
Sistema di codifica Video: Compensazione di moto
Specifiche per MPEG
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Accesso casuale
– Richiede che i filmati compressi siano accessibili a loro interno …
Ricerca veloce Avanti/Indietro
– È una richiesta più restrittiva rispetto all’accesso casuale.
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Riproduzione all’indietro
Sincronizzazione Audio/Video
– Deve essere previsto un meccanismo tra i due segnali se provengono da
sorgenti (clock) diverse
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Montaggio
– Ogni immagine che costituisce il video viene codificata solo in riferimento
a se stessa
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Robustezza
– È necessaria una codifica di sorgente robusta, in modo da evitare errori
che non potranno mai più essere corretti
MPEG 1
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Ottimizzato per l’utilizzo tramite CD-ROM e
applicazioni con bitrate fino a 1,5 Mbit/s
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Il rate delle immagini assume valori dai 24 ai
30 Hz quindi l’algoritmo da risultati ottimali
per immagini con formato da 35228x8 a
352240
MPEG 2
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Il concetto che sta alla base di MPEG-2 è simile a quello di
MPEG-1, ma include estensioni anche per una più ampia varietà
di applicazioni. L'applicazione primaria è la trasmissione a
qualità televisiva CCIR 601 con un bitrate tra 3 e 10
Mbit/sec, ma successivamente è stato trovato che la sintassi di
MPEG-2 può essere efficiente anche per applicazioni che
richiedono un bitrate maggiore (come HDTV).
MPEG 2
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La CCIR 601 è una raccomandazione del Comitato
Consultivo Internazionale per le Radiocomunicazioni nella
quale vengono specificati il formato dell'immagine e le
modalità di acquisizione e di codifica per i segnali televisivi
digitali "standard", cioè PAL, NTSC, SECAM.
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In essa vengono inoltre specificate le modalità della
codifica 4:4:2 e 4:4:4, dove 4:4:2 significa che i segnali di
crominanza U e V sono campionati ad una frequenza che è la
metà della frequenza di campionamento del segnale di
luminanza Y (cioè 13.5 MHz per Y e 6.75 MHz per U e V).
MPEG 2
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Mentre MPEG-1 era stato progettato principalmente per la
codifica di audiovisivi per mezzi di memorizzazione
digitale, è stato interesse di una grande varietà di industrie
avere a disposizione uno standard con un campo di
applicabilità più ampio della sola memorizzazione.
MPEG 2: applicazioni di Mpeg2
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Quindi MPEG-2 è stato concepito come uno standard basato su MPEG-1,
ma adoperabile in una vasta gamma di applicazioni:
 CTV: distribuzione tv via cavo
 STV: trasmissione tv via satellite
 TTV: trasmissione tv via terrestre (ponti radio)
 ISM: mezzi di memorizzazione interattiva (dischi ottici o magnetici)
 SSM: mezzi di memorizzazione seriale (videoregistratori digitali)
 ENG: raccolta di notizie elettroniche
 NDB: servizi di database in rete (via ATM)
 IPC: comunicazioni interpersonali
MPEG 3
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Era indirizzato ad applicazione HDTV con bitrate tra
20 e 40 Mbit/s si è successivamente scoperto che,
con alcune regolazioni le sintassi di MPEG 2 davano
ottimi risultati anche con HDTV. Di conseguenza la
HDTV è ora inclusa nel livello HIGH-1440 di MPEG
2.
MPEG 4
Si tratta di una nuova iniziativa del gruppo MPEG per la
codifica di programmi audiovisivi a bitrate molto bassi.
Lo scopo primario di queste applicazioni è un bitrate tra
4800 e 64000 bit/s, con buona qualità visiva.
Queste nuove tecniche di codifica che permettano tassi di
compressione sensibilmente maggiori rispetto alle
tecniche tradizionali, saranno codifiche basate su modelli,
morfologia, frattali.
SCHEMA DI
COMPENSAZIONE
Quello che il gruppo MPEG ha Standardizzato
è la sintassi del bitstream (sequenza di bit
d’uscita) non l’algoritmo di compressione.
Infatti, l’algoritmo viene solo definito a grande
linee, dando libero arbitrio ai produttori.
CODEC
Il problema principale nella realizzazione
dell’algoritmo MPEG è il seguente:
• raggiungere un'elevata compressione
- immagini codificate ognuna in modo dipendente dalle altre
• garantire la possibilità di effettuare un accesso casuale
- cosa che si realizza meglio se si codificano le immagini in
modo indipendente
MPEG: Struttura stratificata
Schema di codifica
1° fase “Codifica video”
2° fase Codifica dell’immagine
1°fase: GOP
I: immagine Intra
P: immagine predetta
B: immagine interpolante
1°fase : GOP
La sequenza di visualizzazione è diversa
da quella trasmissiva, infatti:
La sequenza di visualizzazione sarà
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ….
Mentre quella trasmissiva
0 X X 3 1 2 6 4 5 9 7 8…..
1°fase:Compensazione del moto
Compensazione del moto
L'interpolazione è una delle principali caratteristiche
dell'algoritmo MPEG e che non è presente negli altri algoritmi di
compressione video.
I macroblocchi interpolati sono formati da una media tra la predizione
di un frame passato e la predizione di un frame futuro.
Le modalità di codifica di un macroblocco dipendono dal tipo di
immagine a cui esso appartiene (I, P, oppure B).
(segue)
Compensazione del moto
Infatti:
- in una immagine di tipo I i macroblocchi vengono codificati in
modo intra (poco compressi).
- in una immagine di tipo P i macroblocchi sono codificati in
modo predetto, cioè viene calcolata la differenza di
macroblocco spostata (errore di predizione sul macroblocco)
che viene poi codificata; in quanto al vettore di moto, questo
viene trasmesso solo nel caso in cui sia non nullo.
- in una immagine di tipo B un macroblocco può essere
codificato in diversi modi: in modo intra, con predizione in
avanti, con predizione all'indietro e con interpolazione; il
metodo scelto sarà quello che permette di ottenere la migliore
predizione.
2° fase: Codifica dell’immagine
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DCT (Trasformata Discreta del Coseno)
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Quantizzazione dei coefficienti trasformati
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Ordine Zig Zag
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Conversione dei coeff. {num.,Ampiezza}
DCT (Trasformata Coseno Discreto)
Dopo la compensazione di moto, per
ridurre ancor di più le dimensioni del
filmato, viene effettuata la Trasformata
Discreta del Coseno (DCT);
Operando su blocchi 8X8….
Quantizzazione
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La quantizzazione è il passo che può essere utilizzato per
adattare il bitrate di uscita del codificatore alla
capacità del canale. Lo standard specifica soltanto come
rappresentare nel bitstream le scelte fatte per la
quantizzazione e non il modo in cui queste scelte vengono
effettuate; quest'ultime vengono lasciate al produttore.
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Si deve tenere presente che i blocchi codificati intra sono
quantizzati in modo diverso rispetto ai blocchi
codificati con predizione in quanto, mentre i primi
contengono energia a tutte le frequenze, il segnale errore di
predizione contiene principalmente componenti in alta
frequenza.
Zig Zag - Coppia
Per Concludere
- Organizzazione a Zig Zag
- Creazione di una lista di coppie
{numero di zeri, valore del coefficiente}
Considerazioni
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Lo standard MPEG definisce il processo di codifica, non il
codificatore; per questo motivo esistono diversi modi possibili
per implementare il codificatore e lo standard non ne
suggerisce nessuno in particolare.
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Come viene fatta la compensazione di moto e
l'implementazione della quantizzazione adattativa, è l’ambito in
cui si svolge la competizione tra le maggiori aziende produttrici
di codificatori MPEG.
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Un codificatore MPEG produce un bitstream MPEG che può
essere decodificato da qualunque decodificatore con
caratteristiche analoghe.
Terminologia Utilizzata:
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Codec: Codificatore DECodificatore
Slice: è una parte (fetta) di un frame
Frame: In italiano “quadro”, ovvero una delle 25 immagini al secondo
che compongono un segnale video PAL
Pixel: Picture Element, indica un singolo punto di cui è composto
l’immagine video
Analogico: Tipo di informazione basato su un segnale continuo
Digitale: Tipo di informazione basato su un segnale discontinuo
GOP: Group Of Pictures indica una serie di immagini raggruppate
Riferimenti bibliografici
•
http://telemat.die.unifi.it/book/internet/sgml/idmpeg.htm
•
http://multimedia.polite.it/quaglia/tesi/binaries/cap3.htm
•
Rivista Programmi per il tuo PC _COMPUItaly 08/01/2002
•
SAMSUNG DIGITall catalog A / V 2003 www.samsung.it