Analiza MPEG formata

Mediji za pohranu malih memorija i niske brzine prijenosa mrežama potaknuli su razvoj algoritama kojima je omogućena određena kompresija podataka. Kompresijom podataka smanjuje se potrebni fizički prostor za pohranu podatka pomoću određenih metoda, čime se također dobiva brža distribucija mrežom. Ovaj rad opisuje postupke smanjivanja videosekvenci koristeći neke od MPEG standarda. Dan je kratki pregled MPEG-1, MPEG-2 i MPEG-4 normi koje se koriste za kodiranje MPEG video datoteke.

Ključne riječi: MPEG; kodiranje videosignala; kompresija videosignala

Računalne datoteke sastoje se od naziva datoteke, nakon kojeg slijedi ekstenzija te datoteke. Datoteke se razlikuju prema svojoj namjeni, sadržaju i vrsti programa koji njima upravlja. Ekstenzija datoteke je određena sadržajem datoteke. Operacijski sustav na osnovi sufiksa na naziv datoteke određuje program koji će pozvati i na koji način će otvoriti i upravljati tom datotekom. U ovom radu je opisan MPEG format datoteke koji se koristi kao ekstenzija za video zapise. Glavna karakteristika MPEG formata je kompresija audio i video podataka, čime je omogućeno njihovo brže prenošenje i skidanje. Opisano je na koji način rade najčešće korištene kompresije u MPEG datoteci i njihovu ulogu u ostalim područjima. Za kraj su dani par primjera softvera pomoću kojih otvaramo MPEG datoteke i pomoću kojih analiziramo i obnavljamo oštećene datoteke.

MPEG (Moving Picture Experts Group) je grupa stručnjaka formirana od strane ISO (International Organization for Standardization) i IEC (International Electrotechnical Commission) koja se bavi standardiziranjem i razvojem audio i video kompresije i prijenosa. Grupu su formirali Hiroshi Yasuda i Leonardo Chiariglione 1988. i od tada producirali niz standarda kao što su MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7, MPEG-21, MPEG-A, MPEG-B, MPEG-C, MPEG-D i ostale [1]. Njihova upotreba se pronalazi u audio i video aplikacijama, od prezentacija na računalu i računalnih igrica pa sve do satelitskih video sustava [2]. MPEG kao grupa stručnjaka je aktivna i danas, kao što u razvoju novih standarda tako i u održavanju susreta svake godine na kojem se u prosjeku skupi više od 400 stručnjaka iz 20 zemalja.

Prvi standard za kompresiju video zapisa od strane MPEG-a bio je MPEG-1, namijenjen za kompresiju VHS (video home system) videa. Nakon njega slijedio je MPEG-2 najpoznatiji kao standard za DVD. Standard koji obuhvaća velik broj značajki MPEG-1 i MPEG-2 uz ostale srodne standarde je MPEG-4, kojeg danas koriste neke od najvećih mrežnih pružatelja videozapisa kao što su Youtube, Netflix i iTunes Store, kao i za HD satelitsku televiziju [3][4]. U nastavku je opisan svaki od navedenih standarda.

MPEG-1 standard se temelji na kodiranju pokretnih slika i pratećih audio signala za digitalno pohranjivanje pri brzinama do 1,5Mbit/s i rezoluciju 352×254 za NTSC i 352×288 za PAL [5].

Izvorni format slike za MPEG-1 format je SIF(Source Input Format):

• 25 Hz
  • Luminantni signal: 360×288 elemenata slike
  • Komponente krominantnog signala: 180×144 elemenata slike
• 30 Hz
  • Luminantni signal: 360×240elemenata slike
  • Komponente krominantnog signala: 180×120elemenata slike

Kodiranje u MPEG normi organizirano je u šest slojeva:

• Blok
  • Najmanja jedinica kodiranja od 8×8 elemenata slike
• Makroblok
  • Osnovna jedinica za kodiranje s predviđanjem pokreta od 16×16 elemenata slike
• Isječak slike
  • Horizontalni niz makroblokova
• Slika
  • Osnovna jedinica u MPEG postupku kodiranja * I-slike (Intra Coded Pictures), P-slike (Predictive Coded Pictures), B-slike (Bidirectionally Coded Pictures)
• Grupa slika (GOP)
  • Niz od jedne ili više slika
• Sekvenca
  • Niz od određenog broja grupa slika

Slika 1.) Hijerarhijska struktura slike [7]

Tipična grupa slika u MPEG normi sastoji se od 12 ili 15 slika, a primjer stvarnog rasporeda slika u grupi slika koja se sastoji od 12 slika prikazan je na Slika 2.).

Slika 2.) Raspored slika pri kodiranju i prijenosu [7]

Sam postupak MPEG kodiranja provodi se u više faza. Prvi korak je da se slika podijeli u blokove veličine 8×8 elemenata slike. Nakon podjele slijedi postupak diskretne kosinusne transformacije (DCT) kojoj je uloga uklanjanje prostorne redundancije. DCT djeluje tako da se na svaki blok primjenjuje dvodimenzionalna DCT koja daje 64 DCT koeficijenta. DCT koeficijenti se dijele faktorom koji je funkcija položaja koeficijenata u bloku (faktor dijeljenja se povećava pri kretanju prema desno i prema dolje u tablici koeficijenata, pri čemu se istosmjerni (DC) koeficijent ne kvantizira). Uloga kvantizacije je odbacivanje informacije koje nisu bitne za ljudski vizualni sustav, a to su šumovi na visokim frekvencijama. U idućem koraku se provodi kodiranje s predviđanjem uz nadomještanje pokreta, čija je uloga uklanjanje vremenske redundancije. Za početak se DCT koeficijenti inverzno kvantiziraju, transformiraju i pohranjuju. Izvorna slika se uspoređuje s prethodnom I ili P slikom, a u sklopu za predviđanje pokreta se računaju vekori pokreta, koji se zatim primjenjuju na prethodnu sliku. Makroblok iz prethodne slike pomaknut vektorom pokreta postaje osnova za daljnje predviđanje. Predviđena slika se oduzima od trenutno procesirane, i ta razlika trenutne i predviđene slike se uz vektor pokreta prenose do dekodera. Na razliku trenutne i predviđene slike primjenjuje se kodiranje unutar slike [6][7].

Slika 3.) MPEG postupak kodiranja [8]

Zbog širokog opsega mogućih primjena, MPEG-2 predstavlja skupinu standarda s različitim profilima i razinama. Osnovni algoritam kodiranja predviđen MPEG-1 standardom je zadržan i u MPEG-2 standardu [7]. Osnovne razlike MPEG-1 i MPEG-2 standarda su da je MPEG-1 prilagođen isključivo videosignalu s progresivnim analiziranjem, dok je MPEG-2 standard namijenjen i videosignalima s progresivnim analiziranjem i videosignalima koji koriste analiziranje s proredom, što znači da se slika dijeli na dvije poluslike (jedna koja sadrži parne, a druga neparne linije). MPEG-2 još nudi u odnosu na MPEG-1 slojevitu strukturu profila i razina. Profil je podskup cjelokupne sintakse toka podataka i dijeli se na:

• Osnovni (SP, Simple Profile)
  • Daje najnižu kvalitetu signala, ne podržava slojevito kodiranje, ne uključuje dvosmjerno predviđanje, format slike je 4:2:0
• Glavni (MP, Main Profile)
  • Ne podržava slojevito kodiranje, postoji dvosmjerno predviđanje, format slike je 4:2:0
• 4:2:2
  • Format slike je 4:2:2, dopušta veće brzine nego glavni profil
• Profil sa slojevitošću u odnosu na omjer S/N (SNR Scalable)
  • Podržava različite kvalitete slike s obzirom na odnos signal/šum
• Profil s prostornom slojevitošću (Spatially Scalable Profile)
  • Podržava različite prostorne rezolucije
• Vršni profil (HP, High Profile)
  • Podržava potpunu slojevitost i najvišu kvalitetu slike

Razina određuje parametre koji su dopušteni unutar odabranog profila, a to su:

• Niska (LL, Low Level)
  • CIF/SIF format slike (352×280)
• Glavna (ML, Main Level)
  • Ne podržava slojevito kodiranje, postoji dvosmjerno predviđanje, format slike je 4:2:0
• Visoka razina 1440 (High-1440)
  • TV signal s 1440 uzoraka po liniji (1440×1152, 1440×1080)
• Visoka razina (HL, High Level)
  • TV signal s 1920 uzoraka po liniji (1920×1152, 1920×1080)

Na tabličnom prikazu na Slika 4.) možemo vidjeti da nisu moguće sve kombinacije profila i razina.

<font 12.0pt/inherit;;inherit;;inherit>Slika 4.) Moguće kombinacije profila i razina [9]</font>

Videosintaksa može biti podijeljena u dvije kategorije, a to su cjelovita i slojevita sintaksa[8]. Cjelovita sintaksa definira neophodne postupke za kompresiju izvornih formata videosignala uključujući analiziranje s proredom. Slojevita sintaksa pruža mogućnost rekonstrukcije slike iz dijelova ukupnog toka podataka, što je postignuto podelom ukupnog toka podataka na dva ili više slojeva počevši od osnovnog sloja koji može biti nadopunjen dodatnim slojevima. Slojevitost je ključni koncept, čijom je primjenom moguće postići kompatibilnost MPEG-2 postupka kodiranja s postojećim algoritmima kodiranja kao što su JPEG, H.261 i MPEG-1.

Uloga MPEG-4 standarda je kodiranje audiovizualnih objekata (Audio-Visual Objects)i trenutno se sastoji od 30 dijelova. MPEG-4 pokriva područja kodiranja audio-informacija i vizualnih informacija i povezivanja s komunikacijskim sustavima, što ju čini prikladnom za digitalnu televiziju, za različite interaktivne grafičke primjene(synthetic content) i interaktivne multimedijske primjene (www, distribucija i pristup sadržajima).

Na Slika 5.) je opisan način na koji MPEG-4 opisuje audiovizualnu scenu koja se sastoji od individualnih objekata. Objekti predstavljaju primitivne medijske objekte koji su povezani.

Slika 5.) Primjer MPEG-4 scene [10]

Generalno, MPEG-4 osigurava standardiziran način opisivanja scene, pa je tako moguće postaviti objekt nekog medija bilo gdje u danom koordinatnom sustavu, primijeniti transformacije kojima bi promijenili geometrijski ili akustički prikaz medijskih objekata, spojiti više medijskih objekata i formirati grupe, pa tako i interaktivno promijeniti točku promatranja i slušanja bilo gdje u sceni.

MPEG-4 standardni postupak se sastoji od četiri osnovna dijela, kao što je prikazano na Slika 6.), a to su [11]:

• MSDL (MPEG-4 Syntactic Description Language)
  • MSDL treba omogućiti odabir, opis i prijenos alata, algoritama i profila, te opisivati na koji se način analizira i procesira elementarni tok podataka
• Alati
  • Postupak putem MSDL-a ili opisan korištenjem MSDL-a
  • Može biti iskorišten kao dio hardvera ili softvera
  • Primjer alata su: nadomještanje pokreta (Motion Comprensation) ili prikazivanje kontura
• Algoritmi
  • Organizirana zbirka alata koja omogućava jednu ili više funkcija
  • Primjer algoritama su: MPEG-1, MPEG-2
• Profili
  • Algoritmi ili kombinacija algoritama povezanih na način da zadovolje određenoj grupi primjena
  • Primjer profila je MPEG-2 u kombinaciji Glavni profil - Glavna razina

MSDL mora osigurati:

• Mogućnost „pregovaranja“ s dekoderom, određivanja njegove građe i postavljanje odgovarajućeg profila
• Opisivanje profila – opis komponenata (alata i algoritama) i njihovih međusobnih veza
• Prijenos (učitavanje) komponenata koje nedostaju u strojno-nezavisni jezik
• Prijenos podataka sa sintaksom i semantikom usklađenom s odabiranim profilom

Slika 6.) Struktura MPEG-4 standardnog postupka [8]

MPEG video datoteke mogu pokrenuti razni media player-i. Neki od besplatnih su Windows Media Player, koji dolazi zajedno s operacijskim sustavom Windows, VLC media player, QuickTime namijenjen za Apple proizvode, Winamp i razni drugi. Primjer jednog sučelja prikazan je na Slika 7.).

Slika 7.) Windows Media Player

Do oštećenja MPEG datoteke može doći u slučaju naglog završetka procesa media playere-a, zbog nekakve vrste virusa, prilikom kopiranja datoteke s eksternog diska itd.

Postoje softveri za analizu oštećenih MPEG datoteka kao što su MPEG-VCR, MPEG Video Wizard, Stellar Video Repair Software. Stellar Video Repair Software je primjer novog softvera koji automatski obnavlja oštećene datoteke raznih ekstenzija, uključujući i MPEG(MP4,MOV, F4V, FLV, DIVX, WEBM).

Slika 8.) Stellar sučelje za učitavanje videa

Slika 9.) Stellar sučelje za pokretanje obnavljanja videa

Slika 10.) Stellar sučelje za spremanje uspješno obovljenog videa

Fokus ovog rada bio je dati kratki pregled što je to MPEG kao ekstenzija datoteke, koja je njena uloga i na koji način se vrši kodiranje i kompresija. Opisani su standardni postupci kodiranja u MPEG datoteci (MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4) i od kojeg tijela su razvijeni. Navedene su razlike i poboljšanja navedenih normi, kao i njihova upotreba. Na kraju su ugrubo opisani softveri koji se koriste za otvaranje MPEG datoteka i softveri za obnavljanje oštećenih datoteka.

[1] https://mpeg.chiariglione.org/about

[2] E. Izquierdo. Digital Media Processing for Multimedia Interactive Services, 2003.

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Video_coding_format

[4] https://www.sciencedirect.com/topics/computer-science/video-compression-standard

[5] Katedra za opću elektroniku BiH, Kompresija videa.

[6]http://www.vcl.fer.hr/dtv/mpeg/Data/3.htm

[7] S. Grgić, Norma MPEG-2 za kompresiju videosignala

[8] S. Grgić, B. Zovko-Cihlar, M. Grgić. Standardni postupci za kodiranje videosignala u multimedijskim komunikacijama

[9] D. Corrigan. A Brief Overview of MPEG2 Standard

[10] International Organisation for Standardisation ISO/IEC JTC1/SC29/WG11. Coding of Moving Pictures and Audio

[11] ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 Coding of Moving Pictures and Associated Audio Information, Requirements for the MPEG-4 Syntactic Description Language (SDL), 1995.