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Mpeg-4/H. 264 Technique Cheng-Hung Li 李政宏 National Digital Archives Program, Taiwan / Digital Archive Architecture Laboratory
Outline • • ISO/MPEG-1 (ISO/IEC 11172) MEPG-2 (ISO/IEC 13818) MPEG-4 (ISO/IEC 14496) Mpeg-1, 2, 4比較 Mpeg-4常見應用 常見Mpeg-4應用設備 視訊壓縮標準演變 2
MPEG • MPEG標準是由International Standards Organization (ISO) 的MPEG (Motion Pictures Expert Group) 所訂定公開的標準 – 該標準是用來將影片與聲音結合導入多媒體應用,並使 得影音串流皆以該標準來記錄與傳播 – 自 1988年成立以來,MPEG 已經公佈了數項重要的標 準,包含Mpeg-1, 2, 4, 7, 21…等 • 雖然MPEG-1 、MPEG-2 和H. 263非常適合在它們 原來設計的目標環境下 作,但是面對正在大舉 進入市場的各種多媒體應用,這些標準並未提供 適當的彈性,無法有效滿足它們的需求。 3
MPEG-1 (ISO/IEC 11172) • 主要 作是將動態畫面及聲音壓成每秒 1. 5 Mbit的數位儲存媒體 – Part 1(系統):提供多迴路傳輸和影音同步的功能 – Part 2(視訊):提供非交錯式畫面壓縮成 1. 5 Mbit/s的 VHS品質 – Part 3(音訊):音訊部分提供雙聲道壓縮(stereo) – Part 4:一致性測試,Part 5:軟體參照 • MPEG 1的應用 – VCD, Video CD 是一項MPEG 1完整應用,將電影壓縮 到 2片CD上 – MPEG-1 Audio Layer III,亦即 MP 3 4
MEPG 2 (ISO/IEC 13818) • MPEG 2首次在 1990年七月Porto會議中被提出 • 全名為 Generic coding of Moving Pictures and Associated Audio, 對動態圖片及聲音的基本壓縮 方法 – Part 1(系統):提供資訊可以在通訊不穩定的環境(errorprone delivery system)下傳輸,有助於數位儲存媒體 – Part 2(視訊):提供對interlaced畫面以不同解析度方式 壓縮 – Part 3(音訊):提供多頻道音訊壓縮,與MPEG 1類似 – Part 4:一致性測試,Part 5:軟體參照 5
MEPG 2 (ISO/IEC 13818) – Part 6(數位儲存媒體指令與控制, DSM-CC):提供在不 同網路下建立session的通訊協定,並進一步可以遙控 MPEG 2內容的伺服器 – Part 7(Advanced Audio Coding, AAC) :提供多頻道音訊壓縮,但與MPEG 1音訊不相容 – Part 8:支援當取樣樣本高於 8 bits方式表現仍能壓縮 – Part 9:提供MPEG 2傳輸流和解壓縮器之間的標準界面 • MPEG 2的應用 – – Part 1, 2, 3已用在 10億台數位機上盒與數億個DVD中 DSM-CC被廣泛使用在數位機上盒的衛星與有線電纜部分 AAC則被日本用在國家數位電視標準,並應用於數位音樂的保全 幾年內,MPEG 2也有許多修正與擴充。其中最重要的項目之一是 4: 2: 2 profile的擴充,使得MPEG 2可以應用在電視製作中 6
MPEG-4 (ISO/IEC 14496) • MPEG-4的「影音物件壓縮」的標準起自於 紐約1993年七月的會議 • MPEG 4標準的前六個部分和MPEG 2類似, 前五項的標題和MPEG 2一樣 – Part 6(多媒體整合傳輸架構):這部分有許多內 容方面重要的變革 – Part 7:最佳化軟體對Mpeg-4 具 – Part 8:於IP framework上運作 – Part 9:參照硬體描述 – Part 10:進階video編碼(AVC) 7
MPEG-4 (ISO/IEC 14496) • Part 12:基於ISO的媒體文件格式,定義一個存儲媒體內容的文件格 式 • Part 13:知識產權管理和保護(IPMP for Intellectual Property Management and Protection)拓展 • Part 14:定義基於part 12用於存儲MPEG-4內容的容器文件格式 • Part 15:定義基於part 12用於存儲part 10的視頻內容的文件格式 • Part 16:動畫框架擴展(AFX for Animation Framework e. Xtension) • Part 17:同步文本字幕格式 (尚未完成 - 2005年 1月達成"最終委員會 草案"(FCD for Final Committee Draft) • Part 18:字體壓縮和流式傳輸(針對公開字體格式) • Part 19:綜合用材質流(Synthesized Texture Stream) • Part 20:簡單場景表示(LASe. R for Lightweight Scene Representation)(尚未完成 – 同Part 17) • Part 21:用於描繪(Rendering)的MPEG-J拓展(尚未完成 -同Part 17) 8
MPEG-4 (ISO/IEC 14496) • MPEG-4與其他標準主要不同的地方在於其採用 content-based的機制 – 每一場景在進行壓縮之前,會先訂定前景或背景物件, 又稱AVOs (audio-visual objects)。每個AVO依次定義 一個或多個影片或音訊物件,而每個影格會根據其內容 物件被切割成數個VOPs (video object plane),每個 VOP則會對應到其相關的AVO,透過MPEG-4所提供之 視訊編碼解碼器(video codec)可以去除空間和時間的冗 餘性,達到壓縮視訊的目的。其中包括: • 1. Intra Coded VOPS (I-VOPs)會利用視訊物件平面包含的資訊 進行編碼,這能移除部份的空間冗餘性(spatial redundancy) • 2. 影格間編碼(inter coding)則會透過移動估算和補償來去從影 9 格間的時間冗餘性(temporal redundancy)
MPEG-4 (ISO/IEC 14496) 10
MPEG-4 (ISO/IEC 14496) • MPEG 4能對個別物件壓縮,表示影像資料可以不 必是方形的。聲音部分也是一樣,有許多壓縮 具可以將語音speech和音樂audio以不同頻率與功 能壓縮,包含AAC的擴充。 • 在系統部分,除了具有MPEG 1和MPEG 2的功能 外,還包含了「組合功能」,並且可以對整合物 件作額外的處理,也同時可以對3 D物件作時間便 化的處理。 • 檔案格式必須作標準化處理。 • Part 5完全在說明MPEG 4壓縮與解壓縮的軟體開 發方式。和MPEG 1/MPEG 2的軟體參照部分,有 相同的規範。 11
Mpeg-4應用 • 目前有許多產業已經著手開發MPEG 4影片,做為下一代行 動通訊的標準,並用來開發VOD及相關產品的解決方案 • 支援在MPEG 2傳輸流中攜帶MPEG 4物件,將多媒體應用 在電視領域中 • XMT文字格式,包含SMIL,WEB 3 D等XML格式,可以被 編譯成MPEG 4格式(BIFS) • 多使用者的支援Multiuser • 動畫架構animation framework,支援 3 D環境 • IPMP(智慧財產權保護)將依據現有EPMP架構擴充,以 提供使用者的互動性 • Studio Profile將影像壓縮的bitrate擴充到每秒 1 Gbits • FGS(影片粒子scalability)功能將影像壓縮原理支援到更高 階層的擴充能力 12
Mpeg-1, 2, 4比較 MPEG-1 MPEG-2 MPEG-4 開始成為標準的年份 1992 1995 1999 最大影像解析度 352 x 288 1920 x 1152 720 x 576 預設影像解析度(PAL) 352 x 288 720 x 576 預設影像解析度(NTSC) 352 x 288 640 x 480 最大音頻範圍 48 k. Hz 96 k. Hz 最多聲道數目 2 8 8 最大資料速率 3 Mbit/秒 80 Mbit/秒 5至 10 Mbit/秒。 一般使用的資料速率 1380 kbit/s (352 x 288) 6500 kbit/s (720 x 576) 880 kbit/s (720 x 576) 每秒畫面張數(PAL) 25 25 25 每秒畫面張數(NTSC) 30 30 30 影像品質 滿意 很好 好至很好 進行壓縮的硬體要求 低 高 很高 進行解壓縮的硬體要求 很低 中等 高 13
Mpeg-4常見應用 (1) • Mac OS X Tiger 的 Quick. Time 7 使用先進的視訊編 解碼器,稱為 H. 264,他可以利用超低資料傳輸速率 提供令人驚豔的畫質。這項超高效率的技術被認可為 MPEG 4 標準(MPEG 4 Part 10)的一部份,可因應行 動裝置 3 G、i. Chat AV 視訊會議至廣播用 HD 等各種 頻寬,提供絕佳的效果 • H. 264 只要1/3至 1/2的資料傳輸率,就可以提供與 MPEG 2 一樣的畫質 使用情況 解析度與影格速率 取樣資料率 行動內容 176 x 144, 10 -24 fps 50 -60 Kbps Internet∕標準解析度 640 x 480, 24 fps 1 -2 Mbps 高解析度 1280 x 720, 24 p 5 -6 Mbps 最大解析度 1920 x 1080, 24 p 7 -8 Mbps 14
Mpeg-4常見應用 (2) • Div. X & Xvi. D – 數年前,在PC上能用的唯一MPEG-4 編碼器是由微軟開發的,包 括MS MPEG 4 V 1、MS MPEG 4 V 2、MS MPEG 4 V 3系列編碼 – 不過 V 1 和 V 2 的編碼品質並不太好,直到 MS MPEG 4 V 3 開始, 畫面質量有了顯著的進步 – 不過微軟卻決定僅將這個MS MPEG 4 V 3的視頻編碼核心封閉在 Windows Media 串流媒體技術,也就是我們熟知的ASF檔案中 – 電影駭客很快便有小組修改了微軟的 MS MPEG 4 V 3,解除了不能 用於AVI檔案的限制,並開放了其中一些壓縮參數,也就誕生了我 們今天所熟悉的MPEG 4編碼器 Div. X 3. 11…Div. X 4, Div. X 5 – 歷經波折…. – 發展出了 Xvi. D – 現在的 Xvi. D 更可以說超越了 Div. X 5, 以更好的質量, 更強的功能挑 15 戰著新一代的 MPEG 4 應用
Mpeg-4常見應用 (4) • MP 4:一種可包含大量多媒體的檔案容器格式 • MP 4被定義於MPEG 4 part 1系統部份,其可支援所有的多媒體內容 (video, audio, subtitle, pictures)與進階內容(2 D & 3 D)、使用者互動、 DVD-menu • MP 4 內容可延伸至下列物件: – – – . mp 4 v, . m 4 v – 原始 mpeg-4 video streams. m 4 a –儲存Apple i. Tunes audio only. m 4 p - Apple for DRM protected files; . 3 gp, . 3 g 2 – 用於 3 G mobile phones • MP 4 可包含之多媒體檔案 – 視訊:MPEG-4 (Xvi. D, Div. X 5, 3 ivx, ffmpeg/ffvfw, Nero. Digital, H. 264/AVC), MPEG-2, MPEG-1, . . . 無法使用於 MS MPEG-4, MPEG-4 Div. X 3, WM 9 (Windows Media 9), RV 9 (Real Video 9). . . – 音訊:MP 3, AAC, MP 2, MP 1, Twin. VQ, . . . 無法使用於 OGG Vorbis, Voxware Metasound, . . . – 影像: JPEG, PNG 16
常見Mpeg-4應用設備 (1) • Video i. Pod – 音訊:AAC、Protected AAC(i. Tunes )、MP 3 VBR、 Audible、Apple Lossless、WAV、AIFF – 照片:JPEG、BMP、GIF、TIFF、PSD(僅限 Mac)和 PNG格式 – 視訊支援:H. 264(768 Kbps,320 x 240, 30 fps) – 音訊格式:. m 4 v, . mp 4 與. mov – MPEG-4 視訊影片:最高可達 2. 5 Mbps,480 x 480,每秒 30 影格 • MP 4影音播放器 – 音樂格式:MP 3, WMA, OGG, AC 3 – 視頻格式:AVI, MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, VOB, DAT 圖片格式:JPG, 最大YUV 4800*3600 pixels, 支援圖片 流覽功能 17
常見Mpeg-4應用設備 (2) • DVD錄放影機 – 支援播放檔案格式: – 影片:MPEG 4、Div. X、Mpeg-2、 Mpeg-1 – 照片:JPEG、柯達相片光碟 – 音樂: CD、MP 3檔案 • DV攝影機 – 影像檔案格式:ASF(MPEG-4相容) 18
常見Mpeg-4應用設備 (3) • 3 G手機 – – – 音樂播放器:MP 3, AAC 鈴聲種類:MIDI, AAC, MP 3 圖片支援格式:JPEG 影片播放格式: 3 GP 錄影格式: 3 GP 19
視訊壓縮標準演變 (1) • 數位通訊媒體包括 – 有線電視、衛星、網際網路、DVD等等 – 迅速發展,且容量在不斷地增加 – 傳輸/儲存未經壓縮的高品質視訊節目耗頻寬 • 更多頻道數、行動視訊、高品質視訊、高解 析度視訊的需求愈來愈強烈 – 唯一的選擇就是採用更好的視訊壓縮 – 1980年就有了H. 261視訊壓縮標準,它是為視 訊會議應用而設計的,其位元率為 64 kbps 20
視訊壓縮標準演變 (2) • 在視訊壓縮演算法/壓縮標準上平行著兩個國際組 織的開發過程: – H. 標準: 這是由ITU(國際電信聯盟)所開發的標準 – MPEG標準: 這是由MPEG委員會、後來又經l. SO(國際標 21 準組織)所核准的標準
視訊壓縮標準演變 (3) • 就商業應用而言H. 264/AVC超過了MPEG-4 – MPEG-4非常龐大又複雜的標準 – 單就MPEG-4 l. S 014496 -2(視訊)來說,某些部 份在商業上如何實現便是個問題 – H. 264/AVC是目前能夠應用最好最新壓縮方式 – 得到MPEG/l. S 0和ITU的支援,符合國際標準 – H. 264/AVC只集中在視訊部份,因此其標準化 較為容易 – H. 264/AVC與現有系統的通用性較高 22
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