Кіріспе

Видеоны компрессиялау форматы, MPEG 1-ге жаңадан келген.

H.262 немесе MPEG 2 Part 2 (ресми түрде ITU-T Recommendation H.262 және ISO/IEC 13818-2, сондай-ақ MPEG 2 Video деп белгілі) – ITU-T Study Group 16 Video Coding Experts Group (VCEG) және ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG) бірлесіп стандарттаған және қолдауды жалғастырып жатқан бейне кодтау форматы. Ол көптеген компаниялардың қатысуымен әзірленді. Бұл ISO/IEC MPEG 2 стандартының екінші бөлігі. ITU-T Recommendation H.262 және ISO/IEC 13818-2 құжаттары толық сәйкес келеді. Стандартты ITU-дан ақы төлеп алуға болады.

Суреттерден үлгі алу

8 биттік дискретизацияны қолданатын HDTV камерасы 25 кадр/секундық бейне үшін 25 × 1920 × 1080 × 3 = 155,520,000 байт/секундық шикі бейне ағынын жасайды (4:4:4 дискретизация форматын пайдалана отырып). Бұл дерек ағыны цифрлық теледидарды қолданыстағы телеарналардың еніне және фильмдерді DVD-ге сыйдыру үшін қысылуы тиіс. Бейнені қысу ыңғайлы, өйткені суреттердегі деректер көбінесе кеңістікте де, уақытта да артық болады. Мысалы, суреттің жоғарғы бөлігінде аспан көк болуы мүмкін, ал сол көк аспан кадрдан кадрға жалғаса береді. Сонымен қатар, көздің жұмыс істеу принципіне сәйкес, бейне суреттерінен кейбір деректерді жою немесе жуықтау мүмкін, бұл сурет сапасының айтарлықтай нашарлауына әкелмейді. Дерек көлемін азайтудың кең таралған (және ескі) тәсілі – әрбір толық бейне "кадрын" хабар тарату/кодирование кезінде екі "өріске" бөлу: "жоғарғы өріс" – тақ нөмірленген көлденең жолдар және "төменгі өріс" – жұп нөмірленген жолдар. Қабылдау/декодирование кезінде екі өріс кезекпен көрсетіледі, бір өрістің жолдары алдыңғы өрістің жолдары арасында өріледі; бұл формат интерлейс видео деп аталады. Типтік өріс жылдамдығы 50 (Еуропа/PAL) немесе 59,94 (АҚШ/NTSC) өріс/секунд, бұл 25 (Еуропа/PAL) немесе 29,97 (Солтүстік Америка/NTSC) толық кадр/секундқа сәйкес келеді. Егер бейне интерлейс болмаса, онда ол прогрессивті сканерлеу бейнесі деп аталады және әрбір сурет толық кадр болып табылады. MPEG 2 екі опцияны да қолдайды. Цифрлық теледидар осы суреттерді компьютерлік жабдықпен өңдеу үшін цифрлық форматқа келтіруді талап етеді. Әрбір сурет элементі (пиксель) бір жарықтық санымен және екі түс санымен бейнеленеді. Бұл пикселдің жарықтығы мен түсін сипаттайды (YCbCr қараңыз). Осылайша, әрбір цифрлық сурет бастапқыда үш тіктөртбұрышты сандар массивімен бейнеленеді. Өңделетін дерек көлемін азайту үшін тағы бір кең таралған тәсіл – екі түстік жазықтықты қосалқы дискретизациялау (алиасингтің алдын алу үшін төмен өткізгіш сүзгіден өткеннен кейін). Бұл жұмыс істейді, өйткені адамның көру жүйесі түстердің тоны мен қанықтығына қарағанда жарықтықтың егжей-тегжейін жақсырақ анықтайды. 4:2:2 термині түстік жазықтықтың көлденең бағытта 2:1 қатынасымен қосалқы дискретизацияланған бейне үшін қолданылады, ал 4:2:0 термині түстік жазықтықтың көлденең және тік бағытта 2:1 қатынасымен қосалқы дискретизацияланған бейне үшін қолданылады. Жарықтық пен түстің бірдей ажыратымдылығы бар бейне 4:4:4 деп аталады. MPEG 2 бейне құжаты барлық үш дискретизация түрін қарастырады, бірақ 4:2:0 тұтынушылық бейне үшін ең көп таралған, ал MPEG 2 4:4:4 бейнесі үшін анықталған "профильдер" жоқ (профильдер туралы толық ақпарат алу үшін төменде қараңыз). Бұл бөлімдегі талқылау негізінен MPEG 2 бейне қысылуын сипаттайды, бірақ өрістер, түстік форматтар, көрініс өзгерістеріне жауаптар, бит ағынының бөліктерін белгілейтін арнайы кодтар және басқа да ақпараттар сияқты талқыланбаған көптеген егжей-тегжейлі мәліметтер бар. Интерлейс кодтау үшін өрістерді өңдеу мүмкіндіктерін қоспағанда, MPEG 2 бейнесі MPEG 1 бейнесіне (тіпті бұрынғы H.261 стандартына да) өте ұқсас, сондықтан төмендегі сипаттама MPEG 1-ге де бірдей қолданылады.

I-каркастар, P-каркастар және B-каркастар

MPEG 2 кодталған кадрлардың үш негізгі түрін қамтиды: ішкі кодталған кадрлар (I кадрлар), болжамды кодталған кадрлар (P кадрлар) және екі жақты болжамды кодталған кадрлар (B кадрлар). I кадр – бұл бір ғана сығымдалмаған (шыкі) кадрдың жеке сығымдалған нұсқасы. I кадрды кодтау кеңістіктік артықшылықты және көзге кескіндегі кейбір өзгерістерді байқау мүмкін еместігін пайдаланады. P және B кадрларынан айырмашылығы, I кадрлар алдыңғы немесе келесі кадрлардағы деректерге тәуелді емес, сондықтан олардың кодтамасы тұрақты суретті кодтауға өте ұқсас (JPEG суреттік кодтамасына ұқсас). Қысқаша айтқанда, шикі кадр 8 пикселге 8 пикселдік блоктарға бөлінеді. Әр блоктан алынған деректер дискретті косинус түрлендіруімен (DCT) түрлендіріледі. Нәтижесінде 8×8 матрица пайда болады, онда нақты сандық мәндер болады. Түрлендіру кеңістіктік өзгерістерді жиіліктік өзгерістерге айналдырады, бірақ блоктан алынған ақпаратты өзгертпейді; егер түрлендіру өте дәл есептелсе, бастапқы блок кері косинус түрлендіруін қолдану арқылы дәл қайта жаңартылуы мүмкін (сондай-ақ өте дәлдікпен). 8 биттік бүтін сандарды нақты бағаланған түрлендіру коэффициенттеріне түрлендіру осы өңдеу кезеңінде қолданылатын деректердің көлемін ұлғайтады, бірақ түрлендірудің артықшылығы – сурет деректерін коэффициенттерді кванттау арқылы жуықтауға болады. Кванттаудан кейін көптеген түрлендіру коэффициенттері, әдетте жоғары жиілікті компоненттер, нөлге тең болады, бұл негізінен дөңгелектеу операциясы. Бұл қадамның кемшілігі – жарықтық пен түстің кейбір ең ұсақ айырмашылықтарының жоғалуы. Кванттау енгізуші таңдағанша, ол дөңгелек немесе ұсақ болуы мүмкін. Егер кванттау тым дөңгелек болмаса және кванттаудан кейін матрицаға кері түрлендіру қолданса, бастапқы суретке өте ұқсас, бірақ толыққанды бірдей емес сурет алынады. Содан кейін квантталған коэффициенттер матрицасы өзі сығылады. Әдетте, 8×8 коэффициенттер массивінің бір бұрышында кванттау қолданғаннан кейін тек нөлдер болады. Матрицаның қарама-қарсы бұрышынан бастап, содан кейін матрицаны зигзаг тәрізді кесіп, коэффициенттерді тізбекке біріктіріп, содан кейін тізбектегі қатарынан келетін нөлдерді орындалу ұзындығы кодтарымен алмастырып, содан кейін осы нәтижеге Хаффман кодтамасын қолдану арқылы матрица кішірек көлемдегі деректерге дейін азайтылады. Осылайша алынған энтропиялық кодталған деректер таратылады немесу DVD дискісіне жазылады. Қабылдағышта немесе ойнатқышта бүкіл процесс кері қайтарылады, бұл қабылдағышқа бастапқы кадрды шамамен қалпына келтіруге мүмкіндік береді. B кадрларын өңдеу P кадрларын өңдеуге ұқсас, бірақ B кадрлары келесі анықтамалық кадрдағы суретті, сондай-ақ алдыңғы анықтамалық кадрдағы суретті пайдаланады. Нәтижесінде, B кадрлары әдетте P кадрларына қарағанда көбірек сығылуды қамтамасыз етеді. B кадрлары MPEG 2 бейнесінде сілтеме кадрлары болып табылмайды. Әдетте, әрбір 15-ші кадр немесе одан да көп I кадрға айналады. P және B кадрлары I кадрдан кейін осындай тізбекпен келе алады: IBBPBBPBBPBB(I), суреттер тобын (GOP) құру үшін; алайда стандарт мұнда икемді. Кодтаушы I, P және B кадрлары ретінде қай суреттерді кодтау керектігін таңдайды.

Макроблоктар

P-кадрлар I-кадрлардан көбірек қысуды қамтамасыз етеді, себебі олар алдыңғы I-кадрдың немесе P-кадрдың деректерін пайдаланады – эталондық кадр. P-кадрды жасау үшін алдыңғы эталондық кадр қайта құрылады, дәл теледидар қабылдағышында немесе DVD ойнатқышында болатындай. Қысылатын кадр 16 пикселге 16 пикселдік макроблоктарға бөлінеді. Содан кейін, әрбір макроблок үшін қайта құрылған эталондық кадрда, қысылатын макроблоктың мазмұнына ең жақын келетін 16х16 аймақ ізделеді. Бұл қадамның өзгеруі "қозғалыс векторы" ретінде кодталады. Көбінесе, өзгеру нөлге тең болады, бірақ егер суретте қозғалыс болса, өзгеру оңға 23 пиксел және жоғарыға 4,5 пиксел болуы мүмкін. MPEG 1 және MPEG 2 стандартында қозғалыс векторлары толық сан немесе жарты сан түрінде болуы мүмкін. Екі аймақ арасындағы сәйкестік көбінесе толық болмайды. Бұл қателікті түзету үшін, кодтаушы екі аймақтың барлық сәйкес пикселдерінің айырмасын есептейді, содан кейін осы макроблок айырмасы бойынша жоғарыда сипатталғандай, 16х16 макроблоктағы төрт 8х8 аймақ үшін DCT және коэффициенттер тізбегін есептейді. Бұл "қалдық" қозғалыс векторына қосылады және нәтиже қабылдағышқа жіберіледі немесе әрбір қысылған макроблок үшін DVD-ге сақталады. Кейде қолайлы сәйкестік табылмайды. Онда макроблок I-кадр макроблогы сияқты қарастырылады.

Патент иелері

MPEG LA тізімінде көрсетілгендей, MPEG 2 бейне технологиясына патенттерге ие болған ұйымдар төменде келтірілген. Бұл патенттердің бәрі АҚШ-та және көптеген басқа елдерде енді қолданылмайды.