MPEG-2

Не следует путать MPEG-2 с MPEG-1 Audio Layer II (MP2)

MPEG-2 — название группы стандартов цифрового кодирования видео- и аудиосигналов, организации транспортных потоков видео- и аудиоинформации, передачи сопутствующей информации. Стандарты MPEG выпускаются экспертной группой по движущемуся изображению (MPEG), входящей в состав ИСО/МЭК.

Общие сведения

Стандарт MPEG-2 получил распространение в цифровых видеодисках DVD, системах компрессии видеоизображений, цифровом телевидении DVB.

В случае использования в цифровом телевидении MPEG-2 активно применяется как стандарт, определяющий структуру транспортных потоков и способы передачи данных.

Стандарт содержит несколько подразделов (parts). Например, MPEG-2 part 1 определяет тип контейнера, например, может использоваться Transport Stream, который позволяет корректировать ошибки оборудования, принимающего сигнал. Part 2 — структуру компрессированного изображения (элементарный поток MPEG-2).

Стандарт MPEG-2 намеренно не определяет способы компрессии изображения (звука), он лишь указывает, как должно быть оформлено сжатое изображение (звук). Стандарт не определяет, каким образом должен быть реализован кодер или декодер MPEG-2, он определяет только структуру данных. Это даёт возможность участникам рынка конкурировать друг с другом за создание более качественных устройств и алгоритмов.

Использование стандартов MPEG-2 требует уплаты лицензионных отчислений держателям патентов через MPEG Licensing Association. Тексты стандартов MPEG-2 распространяются свободно, но не бесплатно (см. сайт ISO).

Все американские патенты MPEG-2 истекли 13 февраля 2019 года^[1].

Сжатие видео (упрощённо)

MPEG-2 используется для общего сжатия движущихся изображений и звука и определяет формат видеопотока, который может быть представлен как три типа кадра^[2]:

• независимо сжатые кадры (I-кадры),
• кадры, сжатые с использованием предсказания на основе предыдущих кадров (P-кадры) и
• кадры, сжатые с использованием предсказания на основе предыдущих и последующих (B-кадры).

Соответствующие группы кадров от одного I-кадра до другого образуют GOP (англ. Group Of Pictures) - группу кадров.

Обычно используются потоки в 30 или 29,97 кадра в секунду.

MPEG-2 поддерживает видео и в прогрессивной, и в чересстрочной развёртке.

Сжатие звука

MPEG-2 также определяет новые методы сжатия звука:

• сжатие на низких битрейтах с половинным семплированием (MPEG-1 Layer 1/2/3 LSF)
• многоканальное сжатие до 6 каналов
• новый стандарт MPEG-2 AAC

Профили и уровни стандарта

Профили MPEG-2

Аббр.	Имя	Кадры	YCrCb	Потоки	Комментарий
SP	Simple Profile	P, I	4:2:0	1	без интерлейсинга
MP	Main Profile	P, I, B	4:2:0	1
422P	4:2:2 Profile	P, I, B	4:2:2	1
SNR	SNR Profile	P, I, B	4:2:0	1-2	Отношение сигнал/шум
SP	Spatial Profile	P, I, B	4:2:0	1-3	низкое, нормальное и высокое качество декодирования
HP	High Profile	P, I, B	4:2:2	1-3

Уровни MPEG-2

Аббр.	Имя	Пикселей/строку	Строк	Кадров/c (Гц)	Битрейт (Мбит/с)
LL	Low Level	352	288	30	4
ML	Main Level	720	576	30	15
H-14	High 1280	1280	1024	30	60
HL	High Level	1920	1152	30	80

Профиль @ уровень	Разрешение (px)	Макс. кадровая частота (Гц)	Семплинг	Битрейт (Мбит/с)	Применение
SP@LL	176 × 144	15	4:2:0	0,096	беспроводные устройства
SP@ML	352 × 288	25	4:2:0	0,384	КПК
	352 × 240	30
MP@LL	320 × 288	25	4:2:0	4	Set-top boxes (STB)
MP@ML	720 × 480	30	4:2:0	15 (DVD: 9,8)	DVD, SD-DVB
	720 × 576	25
MP@H-14	1440 × 1080	30	4:2:0	60 (HDV: 25)	HDV
	1280 × 720	30
MP@HL	1920 × 1080	30	4:2:0	80	ATSC 1080i, 720p60, HD-DVB (HDTV)
	1280 × 720	60
422P@LL	1280 × 1080	30, 60	4:2:2
422P@ML	720 × 480	30	4:2:2	50	Только Sony IMX с I-frame, Broadcast «contribution» video (I&P only)
	720 × 576	25
422P@H-14	1440 × 1080	30	4:2:2	80	Будущие продукты Panasonic и Sony на основе MPEG-2 HD
	1280 × 720	60
422P@HL	1920 × 1080	30	4:2:2	300	Будущие продукты Panasonic на основе MPEG-2 HD
	1280 × 720	60

DVD

Стандарт DVD использует MPEG-2 видео, но определяет некоторые ограничения:

• Допустимые разрешения
  • 720 × 480, 640 × 480, 320 × 480, 320 × 240 пикселей (NTSC)
  • 720 × 576, 640 × 576, 320 × 576, 320 × 288 пикселей (PAL)
• Допустимые соотношения ширины к высоте Aspect ratio (Display AR)
  • 4:3
  • 16:9

• Допустимое число кадров в секунду
  • 29,97 к/с (NTSC)
  • 25 к/с (PAL)

Примечание: при выставлении флагов REPEAT_FIRST_FIELD в заголовках кодированных изображений эти изображения могут повторяться на протяжении двух или трёх полей. Таким образом, подобрав шаблон выставления флагов, можно добиться практически любой частоты смены кадров (не менее 2/3 от номинальной). Наиболее часто это используется для получения частоты в 23,976 кадра/сек (что приблизительно равно скорости смены кадров киноплёнки) при выводе сигнала в NTSC.

• Скорости аудио- и видеопотоков:
  • Максимальная средняя: 9,8 Mbit/s
  • Максимальная пиковая: 15 Mbit/s
  • Минимальная: 300 Kbit/s
• YUV 4:2:0
• Дополнительные субтитры
• Скрытые субтитры
• Аудио:
  • Линейная импульсно-кодовая модуляция (LPCM): 48 kHz или 96 kHz; 16- или 24-bit; до шести каналов (из-за ограничений пропускной способности доступны не все комбинации)
  • MPEG-1 Audio Layer 2 (MP2): 48 kHz, до 5.1 каналов (только в PAL)
  • Dolby Digital (DD, также известен как AC-3): 48 kHz, 32—448 kbit/s, до 6 (5+1) каналов
  • Digital Theater Systems (DTS): 754 kbit/s или 1510 kbit/s (поддержка плеерами DVD необязательна)
  • DVD в формате NTSC должны содержать хотя бы одну звуковую дорожку LPCM или Dolby Digital audio.
  • DVD в формате PAL должны содержать хотя бы одну звуковую дорожку MPEG Layer 2, LPCM или Dolby Digital audio.
  • Для плееров не обязательна поддержка вывода шестиканального звука, но обязательна возможность сведения его к двухканальному (стерео).
• Структура GOP (групп кадров):
  • В начале каждой GOP должен идти заголовок группы
  • Максимальное количество кадров на группу: 18 (NTSC) / 15 (PAL), то есть 0,6 секунды.
  • Для DVD с несколькими углами обзора или при задействовании плейлистов глав должны использоваться только закрытые GOP.

DVB

Ограничения на MPEG-2 в стандарте DVB:

Допустимые разрешения для SDTV:

• 720, 640, 544, 480 или 352 × 480 пикселей, 24/1,001, 24, 30/1,001 или 30 кадров/с
• 352 × 240 пикселей, 24/1,001, 24, 30/1,001 или 30 кадров/с
• 720, 704, 544, 480 или 352 × 576 пикселей, 25 кадров/с
• 352 × 288 пикселей, 25 кадров/с

Для HDTV:

• 720 x 576 x 50 кадров/c, прогрессивная развертка (576p50)
• 1280 x 720 x 25 или 50 кадров/c, прогрессивная развертка (720p25 или 720p50)
• 1440 или 1920 x 1080 x 25 кадров/c, прогрессивная развертка (1080p25 — «кинорежим»)
• 1440 или 1920 x 1080 x 25 кадров/c, чередование полей (1080i25)
• 1920 x 1080 x 50 кадров/c, прогрессивная развертка (1080p50), последующая замена форматом H.264/AVC

ATSC

Допустимые разрешения:

• 1920 x 1080 пикселей, 30 кадров/c (1080i)
• 1280 x 720 пикселей, 60 кадров/c (720p)
• 720 x 576 пикселей, 25 кадров/c (576i, 576p)
• 720 or 640 x 480 пикселей, 30 кадров/c (480i, 480p)

Примечание: 1080i кодируется как кадр 1920 x 1088, но последние 8 строк выбрасываются перед выводом на дисплей.

Содержание стандарта

Стандарт MPEG-2, обозначающийся также по каталогу ISO как стандарт ISO/IEC 13818, включает в себя следующие части:

Part 1

Systems — описывает синхронизацию и мультиплексирование видео и аудио.

Part 2

Video — сжатие чересстрочного и прогрессивного видео.

Part 3

Audio — сжатие аудио сигнала (многоканальное расширение для MPEG-1 audio).

Part 4

Описывает процедуру тестирования совместимости.

Part 5

Описывает систему программной эмуляции.

Part 6

Описывает расширение для DSM-CC (Digital Storage Media Command and Control.)

Part 7

Advanced Audio Coding (AAC) — стандарт сжатия аудио.

Part 8

Расширенное 10-битное представление цвета в видео. Изначально планировалось для профессиональных приложений, таких как студийная обработка видео. Разработка этой части стандарта была остановлена из-за отсутствия интереса в индустрии.

Part 9

Расширения для использования в реальном времени.

Part 10

Расширение для совместимости с DSM-CC.

Держатели патентов

Приблизительно 640 патентов получено в области MPEG-2. Всего ими владеют больше 20 корпораций; на разработку стандарта как такового было затрачено меньше времени, чем на достижение договорённостей по поводу патентов.

Список компаний:

Alcatel Canon Inc. Columbia University France Télécom (CNET) Fujitsu General Electric Capital Corporation General Instrument Corp. (ныне часть Motorola) GE Technology Development, Inc. Hitachi, Ltd. KDDI Corporation (KDDI) Lucent Technologies LG Electronics Inc. Matsushita

Mitsubishi Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) Nokia Philips Robert Bosch GmbH Samsung Sanyo Electric Co., Ltd. Scientific Atlanta Sharp Sony Thomson Licensing S.A. Toshiba Victor Company of Japan, Limited (JVC).

См. также

• JPEG
• JBIG
• MP1, MP2, MP3
• AAC
• DVD
• MPEG-1
• MPEG-4