Moving Pictures Experts GroupMoving Pictures Experts Group

Giovanni Margarita 50/193Rosario Savarese 50/377

Sommario:Sommario:

Introduzione a MPEG

MPEG Video

IntroduzioneIntroduzione

Formati video digitali:• Vantaggi

Affidabilità di trasmissioneAlta qualitàflessibilità di applicazione

• Svantaggibitrate

Sopperire allo svantaggioSopperire allo svantaggio

Tecniche di compressione per sequenze video permettono, di fatto, di ridurre la mole di dati originaria a valori ragionevoli.

MPEGMPEG

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’MPEGAttività dell’MPEG

Compressione Video

Compressione Audio

Sincronizzazione Audio-Video

MPEG video:MPEG video:

1 Sistemi di codifica video

2 Specifiche per MPEG video

3 MPEG 1

4 MPEG 2

1- Sistema di codifica Video1- 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 VideoSistema di codifica Video

Un esempio di codificatore attualmente utilizzato è ilCodificatore 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 VideoSistema di codifica Video: : Compensazione di motoCompensazione di moto

Specifiche per MPEGSpecifiche per MPEG 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. Riproduzione all’indietro Sincronizzazione Audio/Video

– Deve essere previsto un meccanismo tra i due segnali se provengono da sorgenti (clock) diverse

Montaggio– Ogni immagine che costituisce il video viene codificata solo in riferimento

a se stessa Robustezza

– È necessaria una codifica di sorgente robusta, in modo da evitare errori che non potranno mai più essere corretti

Ottimizzato per l’utilizzo tramite CD-ROM e applicazioni con bitrate fino a 1,5 Mbit/s

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 1MPEG 1

MPEG 2MPEG 2

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 2MPEG 2

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.

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 2MPEG 2

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 Mpeg2MPEG 2: applicazioni di Mpeg2

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 MPEG 3

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 4MPEG 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 COMPENSAZIONESCHEMA 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: MPEG: Struttura stratificataStruttura stratificata

Schema di codificaSchema di codifica

1° fase “Codifica video”

2° fase Codifica dell’immagine

1°fase: 1°fase: GOPGOP

I: immagine Intra

P: immagine predetta

B: immagine interpolante

1°fase : 1°fase : GOPGOP

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 moto1°fase:Compensazione del moto

Compensazione del motoCompensazione 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 motoCompensazione 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’immagine2° fase: Codifica dell’immagine

DCT (Trasformata Discreta del Coseno)

Quantizzazione dei coefficienti trasformati

Ordine Zig Zag

Conversione dei coeff. {num.,Ampiezza}

DCT (Trasformata Coseno Discreto)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….

QQuantizzazioneuantizzazione

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.

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 - CoppiaZig Zag - Coppia

Per Concludere

- Organizzazione a Zig Zag

- Creazione di una lista di coppie

{numero di zeri, valore del coefficiente}

ConsiderazioniConsiderazioni

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.

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.

Un codificatore MPEG produce un bitstream MPEG che può essere decodificato da qualunque decodificatore con caratteristiche analoghe.

Terminologia Utilizzata: Terminologia Utilizzata:

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 bibliograficiRiferimenti 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