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MPEG et son application

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Concept

Les données vidéo, de par leur nature, sont extrêmement volumineuses. Les experts dans ce domaine travaillent depuis de nombreuses années à compresser la vidéo aussi efficacement que possible. Au début du troisième millénaire, en raison du besoin urgent de transmettre de grands volumes de vidéo sur différents réseaux, la tâche d'une méthode de codage vidéo optimale en termes de rapport qualité/volume est devenue encore plus urgente.

Le concept de compression vidéo en MPEG est très simple : déterminez quelles informations du flux sont répétées au moins pendant un certain temps et prenez des mesures pour éviter la duplication de ces informations. L'avantage le plus précieux du codage MPEG, particulièrement pratique pour la transmission sur divers réseaux, est la possibilité d'ajuster de manière flexible la qualité de l'image en fonction de la bande passante du réseau. Cela a fait de MPEG-2 la norme de facto pour la réception/transmission de télévision numérique sur divers réseaux.

Malheureusement, il n'existe aucun moyen d'évaluer sans ambiguïté la qualité du codage à l'aide de certains instruments et mesures. Le seul critère ici est la personne et la manière dont elle percevra les informations compressées. Par conséquent, les règles de compression vidéo lors de l'encodage MPEG ont été développées sur la base du modèle de perception humaine des images vidéo (HVS - Human Visual Sense).

La redondance des images selon HVS est déterminée par trois critères principaux :

• Détails de l'image invisibles à l'œil humain - zones de masquage verticales et horizontales. La suppression de ces informations n’a aucun effet sur l’image.
• Redondance statistique. Il est divisé en spatial et temporel. La redondance spatiale fait référence aux zones d'une image dans lesquelles les pixels adjacents sont presque identiques. Sous temporaire - fragments de l'image qui ne changent pas avec le temps.
• Redondance de couleur et de luminosité - calculée sur la base de la sensibilité limitée d'une personne aux petits changements de couleur et de luminosité des détails de l'image.

Comment est-il mis en œuvre

Pour faciliter l'encodage des données vidéo, l'ensemble du flux vidéo est divisé en groupes appelés GOP (Group of Pictures). Un tel groupe est structuré comme suit :

Ici:

I - Les trames intra, généralement appelées trames de référence et contiennent toutes les informations sur l'image. En principe, il ne peut y avoir de séquence MPEG sans ces trames. Lors de la compression des images I, seule la redondance spatiale est supprimée. C'est à partir de cette trame que commence le décodage de l'image dans la séquence.

P - Trames prédictives. Trames « prédites », dont la formation utilise la méthode de prédiction de l'image sur la trame suivante, en prenant en compte la compensation de mouvement de la dernière trame I ou P avant celle en cours de formation. La trame P sert également à d’autres prédictions d’images. La trame P est créée à l'aide d'une compression inter-trame, ce qui réduit la redondance spatiale et temporelle. L'image trame P est soustraite de l'image suivante et cette différence est codée et ajoutée aux données compressées avec le vecteur de mouvement.

B - Trames bidirectionnelles, "bidirectionnelles". Ils sont ainsi nommés car ils stockent les informations les plus pertinentes provenant des trames I et P environnantes. Les images B ont le degré de compression le plus élevé, mais nécessitent une image précédente et suivante pour compenser le mouvement des objets dans l'image.

Cette structure de flux MPEG est généralement décrite comme une fraction M/N, pour laquelle M indique le nombre total d'images dans le GOP, et N indique quelle sera la prochaine image P après la précédente. Ainsi, la séquence GOP montrée dans la figure ci-dessus peut être écrite sous la forme 12/3.

Le flux de données MPEG réel se compose de 6 niveaux hiérarchiques :

• Bloc - données de luminosité et de couleur pour les blocs 8x8 de l'image. Les blocs sont analysés par les valeurs Y (luminance), CB et CR (différence de couleur).
• Macrobloc - comme son nom l'indique, se compose respectivement de 4 blocs simples dans une fenêtre de 16x16 pixels. Au format 4:2:0, un macrobloc contient 4 blocs de données de luminance Y et un de chacun CB et CR.
• Couche - contient plusieurs macroblocs adjacents.
• Cadre - consiste en un groupe de calques contenant une image qui, à son tour, peut être I, P ou B.
• Groupe d'images (alias GOP) - contient une séquence d'images. Peut inclure jusqu’à 15 images et doit commencer par l’image I.
• Séquence vidéo - doit contenir au moins un GOP, ainsi qu'un titre au début de la séquence et un code de fin de séquence.

Niveaux et profils MPEG

Un profil MPEG est un sous-ensemble de la structure du flux binaire vidéo compressé. Au sein d'un tel sous-ensemble, une large gamme de paramètres de flux et, par conséquent, de codeurs et de décodeurs pour ceux-ci est possible.

Le niveau fait référence à un certain nombre de restrictions appliquées aux paramètres du flux MPEG, par exemple la résolution de l'image de sortie, la fréquence d'images, etc.

Le tableau ci-dessous illustre les limites maximales imposées aux niveaux et profils MPEG :

Ce tableau est nécessaire, tout d'abord, pour comprendre les désignations fréquemment rencontrées du format d'un enregistrement particulier ou les descriptions des capacités de tout encodeur. Par exemple, voici comment peut être caractérisé un enregistrement au format MPEG :

** En fait, il serait plus correct d'écrire ici : PAL est le nom de la norme de télévision analogique dans laquelle le film vidéo original a été créé. En fait, un film MPEG ne peut être attribué à aucun système de télévision couleur, puisque les images en MPEG sont simplement une représentation numérique d'une image auparavant analogique et n'ont rien à voir même avec la source du système de télévision pour le film original.

Utilisation pratique

Un lecteur pointilleux se demandera : en quoi ces informations m'aideront-elles dans mon travail ? Pour ceux qui ne travaillent pas avec la vidéo, bien sûr, ces informations ne seront peut-être pas d'une grande utilité, mais pour d'autres, elles peuvent les aider dans leur travail pratique. De nombreux utilisateurs qui ont commencé à travailler avec des caméras vidéo DV et des programmes de montage vidéo non linéaire ont commencé à réfléchir aux moyens de préserver leurs créations, sinon pendant des siècles, du moins pendant les prochaines décennies. Curieusement, la plupart des éditeurs vidéo DV débutants, ne connaissant pas encore parfaitement MPEG, envisagent de stocker leurs projets sur des disques CD au format MPEG, sans même se rendre compte à quel point cette tâche est difficile à résoudre si l'utilisateur souhaite préserver la qualité du DV original. film en version MPEG. Ainsi, les questions les plus fréquemment posées sur ce sujet :

Pourquoi est-ce que, après avoir enregistré mon film au format MPEG-2, je constate que sa qualité s'est sensiblement détériorée ?

Il y a plusieurs raisons ici :

• Une image déjà compressée et compressée est téléchargée d'une caméra vidéo numérique vers un ordinateur. DV est essentiellement un cas particulier de compression JPEG : il s'agit d'un flux composé d'images JPEG compressées à l'aide d'un algorithme JPEG légèrement modifié. De l'idée (mais pas des principes de compression) MPEG en DV utilise uniquement le fait que lors de la compression en DV, les informations de deux champs d'une image sont prises en compte - ce qu'on appelle la compression intra-champ. Par conséquent, pour compresser en MPEG DV, l'image est d'abord décompressée puis recompressée, ce qui n'améliorera jamais la qualité.
• Les paramètres de compression ont été mal définis en termes de qualité d'image.
• Un encodeur MPEG rapide mais de qualité médiocre est utilisé.

Pourquoi la qualité d'image sur les disques DVD est-elle très élevée, bien qu'il s'agisse également de MPEG-2 - est-il possible d'obtenir une qualité similaire à la maison ?

La qualité vidéo sur les DVD est vraiment très élevée. Cela s'explique par deux facteurs principaux : une vidéo non compressée de qualité professionnelle est utilisée comme matériel vidéo source pour créer une version MPEG-2 du film et, en outre, des encodeurs matériels avec une très haute qualité d'encodage d'image sont utilisés pour l'encodage en MPEG-2. XNUMX. Le coût de tels codeurs atteint plusieurs dizaines de milliers de dollars américains. Il est donc impossible d’obtenir une qualité similaire à partir d’un film DV à la maison.

Que signifient les paramètres qu'il vous est demandé de préciser avant d'encoder un film au format MPEG ?

Il peut y avoir de nombreux paramètres de ce type, mais nous devons nous concentrer sur les plus importants d'entre eux :

• ID de profil et ID de niveau - voir le tableau ci-dessus.
• Intervalles de trame - pour comprendre ce que cela signifie, il faut tenir compte du fait que l'intervalle entre les images I est généralement défini, ce qui signifie en fait la taille du GOP, ainsi que ce que sera la prochaine image P après la précédente. Plus l'intervalle entre les images I est long, plus la qualité de l'image sera mauvaise, mais plus la taille du fichier résultant sera petite. De plus, il n'est pas recommandé de faire en sorte que l'intervalle entre les images I soit supérieur à 15.
• Estimation de mouvement - compensation de mouvement. Le paramètre détermine avec quelle précision le mouvement de l'objet sera prédit et est très important à la fois pour la qualité de l'image de sortie et pour l'estimation du temps de codage. Une valeur plus élevée donnera une meilleure qualité, mais augmentera considérablement le temps d'exécution de l'encodeur. Lors du réglage de ce paramètre, vous devez comprendre que la valeur maximale peut être « trop élevée » pour le processeur de l'ordinateur et que la création du film souhaité peut prendre plusieurs jours.
• La séquence d’images est un paramètre similaire à bien des égards aux intervalles d’images. Habituellement, il propose de sélectionner le type de codage - uniquement les images I, les images I + P et les images I, P, B, ainsi que les intervalles pour les images P et B. Quant à la façon d'encoder - la meilleure qualité, mais le volume maximum est obtenu en encodant uniquement en images I, puis respectivement I + P et I, P, B. Les valeurs classiques éprouvées pour les valeurs d'intervalle sont P =3 et B=2. À proprement parler, pour les DVD, il est courant d'utiliser la structure 15/3 ou IBBPBBPBBPBBPBB.
• Débit de données vidéo - vitesse du flux vidéo. Dans de nombreux encodeurs conçus pour l'utilisateur de masse, il s'agit du paramètre principal par rapport auquel l'encodeur définit lui-même tous les autres. Généralement mesuré en mégabits par seconde. En définissant cette valeur et en la multipliant par la durée du film en secondes, vous pouvez facilement obtenir la taille du fichier total.

J'ai une caméra vidéo DV avec la possibilité de filmer en mode balayage progressif. Ensuite, je souhaite enregistrer le film terminé au format MPEG. Dois-je mieux photographier, en mode entrelacé normal ou en mode progressif ?

Pour MPEG-1, la réponse est claire : la prise de vue avec balayage progressif est meilleure, donc lors de la compression en MPEG-1, un champ de l'image télévisée est simplement supprimé. Pour MPEG-2, la réponse à cette question dépend de la manière dont vous envisagez d'utiliser le clip MPEG-2 généré. Si vous envisagez de le visualiser uniquement sur un ordinateur et/ou s'il n'y a pas de décodeur matériel, il est préférable d'utiliser la prise de vue à balayage progressif - l'image sera plus claire, sans artefacts de mouvement. Si vous disposez d'un décodeur matériel MPEG-2 et prévoyez de regarder le film à la télévision, les mouvements des objets dans le film seront plus fluides et plus naturels lors de la prise de vue en mode normal. De nombreux encodeurs MPEG-2 modernes vous permettent de sélectionner le type de film source (progressif ou entrelacé), lors du choix entrelacé, ils utilisent des champs et lors de la sortie d'un décodeur matériel vers la sortie vidéo, l'image originale sera restaurée avec le même champs comme avant la compression.

Je souhaite immédiatement enregistrer des films au format MPEG et les éditer. Est-ce possible et correct de faire cela ?

Bien sûr, vous pouvez la sauvegarder, mais éditer une vidéo MPEG est très difficile et peu pratique. Le fait est que lors de l'édition MPEG, une véritable découpe de fragments à l'image près est impossible, car les fragments ne peuvent être séparés les uns des autres que par des images I, sinon, lorsque l'image de référence est supprimée et que les images qui la suivent sont enregistrées, l'image sera perdre en lisibilité. Les éditeurs vidéo prenant en charge MPEG vous permettent de monter avec une précision d'image, mais vous devez comprendre qu'en cas de modification non apportée à la première image, l'intégralité du GOP sera recompressée, ce qui n'aura pas d'effet positif sur la qualité du film. L'application d'effets, de transitions et de filtres ne sera pas non plus possible avec la précision d'un cadre réel, ce qui peut conduire à l'impossibilité d'une mise en œuvre de haute qualité des idées artistiques. De plus, la recompression d'images dans le cas du MPEG-2 prendra beaucoup plus de temps que dans le cas du DV et nécessitera pour cela des processeurs plus puissants.

Le format MPEG-4 est désormais très populaire en Russie. Est-il judicieux de sauvegarder vos films dans ce format ?

Le format MPEG-4 a été créé à l'origine pour transmettre de la vidéo sur des canaux à faible vitesse et n'était pas destiné au stockage de vidéo. La qualité d'image MPEG-4 est certes moins bonne que celle du MPEG-2, mais légèrement meilleure que celle du MPEG-1. La compression/décompression au format MPEG-4 nécessite une quantité importante de temps CPU et visualiser, sans parler de créer, une vidéo au format MPEG-4 sur un ordinateur doté d'un processeur inférieur à un Celeron II 700 est très difficile. MPEG-4 est principalement utilisé pour recompresser les films MPEG-2 originaux enregistrés sur des disques DVD. MPEG-4 vous permet d'enregistrer un film d'une heure sur un CD ordinaire. Cela ne sert à rien de sauvegarder ses propres films dans ce format pour deux raisons principales :

• La qualité est bien moins bonne que l'original.
• Il n'y a pas de norme pour l'enregistrement de MPEG-4 sur disque, similaire à la norme DVD.

Quels encodeurs MPEG prennent en charge le format DV et offrent une bonne qualité ?

Il existe plusieurs encodeurs MPEG populaires prenant en charge le format DV :

• TMPEnc Encoder est un programme qui est populaire non pas tant pour l'encodeur MPEG lui-même, mais pour ses outils de multiplexage, démultiplexage et épissage/coupage de fichiers MPEG.
• Concept principal MPEG Encoder est un bon encodeur intégré aux éditeurs vidéo populaires Adobe Premiere, Ulead MSP et Vegas Video.
• Canopus ProCoder est sans doute le meilleur encodeur DV qui existe.

Auteur : Spline Company ; Publication : pctuner.ru

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