3Přehled a základní charakteristika standardů MPEG

Jak již bylo řečeno, digitální televize vysílá digitální signál, ale multimediální obsah, tj. videosignály a audiosignály, přichází ze zdrojů v podobě analogových signálů, a proto musí být převeden do digitální podoby (pomocí analogově-digitálního převodníku).

Televizní analogový videosignál, který potřebuje šířku pásma 5 MHz v případě standardního evropského televizního signálu se 625 řádky, má 720 bodů (pixelů) na řádek, což představuje 414720 pixelů (576 x 720) na jeden snímek. Po digitalizaci by takovýto černobílý videosignál (s obnovovací frekvencí 25 snímků za sekundu) vyžadoval přenosovou rychlost přibližně 83 Mbit/s (v případě barevného obrazu pak až 250 Mbit/s). Tyto přenosové rychlosti jsou příliš velké a v reálných (např. satelitních) komunikačních systémech téměř nepoužitelné. Naštěstí videosignály i audiosignály obsahují velký objem nadbytečné informace, kterou je možno odstranit pomocí vhodných kompresních metod. Použitím komprese je možno uvedené přenosové rychlosti snížit (podle požadavků na výslednou kvalitu obrazu / rozlišení) až na několik Mbit/s.

Nadbytečná (redundantní) informace představuje např. informaci, kterou je možno předpovídat, a proto není nutné ji přenášet, zvláště když ji přijímač dokáže doplnit. Kompresní techniky též využívají omezení daná lidským vnímáním akustické i vizuální informace. Audiosignály např. obsahují určité tóny, které nelze vnímat lidským uchem, a proto mohou být z audiosignálu odstraněny. Videosignály zase např. obsahují množství informací, které se opakují v po sobě jdoucích snímcích, a na základě toho je možno vhodnými algoritmy snížit objem obrazových dat přenášených z vysílače k přijímačům.

Pro kompresi digitálních fotografií (obrázků) byl definován formát JPEG, který využívá diskrétní kosinovou transformaci. Pro zpracování pohyblivých obrázků (videa) byla založena skupina MPEG (Moving Picture Experts Group) s úkolem vyvinout efektivní kompresní techniky pro práci s videoklipy na počítačích a pro jejich přenos mezi počítačem a jinými zařízeními.

Technologie DVB přejala kompresní standardy skupiny MPEG [2].

První standard definovaný touto skupinou byl MPEG-1. Tento standard poskytuje střední kvalitu videa při nízkých konstantních přenosových rychlostech do 1,5 Mbit/s pro interaktivní systémy s uložením videa na média CD-ROM. Taktéž se stal populárním pro distribuci videoklipů přes Internet. MPEG-1 ale nebyl schopen plně nahradit analogovou televizi. Na základě principů použitých pro MPEG-1 byla vyvinut nový standard MPEG-2. Jeho definice byla ovlivněna potřebou zakódovat standardní televizní signál pro následné šíření pomocí kabelů i pozemních a satelitních televizních vysílačů.

Standard MPEG-2 je optimalizován pro vysílání (broadcasting), a také pro vyšší přenosové rychlosti (2 Mbit/s a vyšší), podle požadavku na výslednou kvalitu videa / rozlišení. Hodí se též pro záznam filmů, např. na média DVD. Přitom standard MPEG-2 je kompatibilní se standardem MPEG-1, což znamená, že dekodér MPEG-2 dokáže dekódovat všechny elementární datové toky zakódované podle MPEG-1.

Standard MPEG-4, publikovaný v roce 1998, přináší kódování audiovizuálních objektů.

Tento standard využívá komplexnější algoritmy, díky nimž lze uživatelům poskytnout video ve stejné kvalitě jako MPEG-2, ale při nižších přenosových rychlostech. MPEG-4 podporuje mnoho různých přenosových rychlostí, a může být využit pro IPTV s nízkými rychlostmi, jakož i pro distribuci televize s vysokým rozlišením. ITU přijala tento standard jako doporučení H.264.

Standard MPEG-2 (stejně jako MPEG-1) definuje tři hlavní části:

- MPEG-2 systém – specifikuje, jak se vytváří finální tok MPEG-2,
- MPEG-2 video – specifikuje, jak se zakódují jednotlivé elementární video toky,
- MPEG-2 audio – specifikuje, jak se zakódují jednotlivé elementární audio toky.

MPEG-2 videokodér zakóduje nekomprimované snímky videa, čímž se stejně velké snímky přemění na komprimované snímky (přístupové jednotky, Obr. 3) o různé velikosti. Jejich velikost závisí na složitosti původního obrazu a typu každého snímku, přičemž existují tři typy snímků – I, P a B [2]:

- I (Intra) snímky – jsou kódovány stejným způsobem jako obrázky typu JPEG bez vazby na jiné snímky; obsahují kompletní informaci potřebnou k rekonstrukci původních snímků.
- P (Predicted) snímky – jsou kódovány s vazbou na předchozí snímek (typu I nebo P); tyto snímky nesou pouze informaci o změně obrazu mezi předcházejícím a aktuálním snímkem.
- B (Bi-directional) snímky – jsou podobné snímkům typu P, ale jsou kódovány s vazbou nejen na předcházející snímek, ale také na snímek následující.

MPEG-2 videokodér vytvoří posloupnosti I, P a B snímků zformované do skupin snímků (GOP, Groups of Pictures). Každá skupina GOP začíná snímkem I, který je následován snímkem P nebo B (Obr. 4). Přítomnost a počet P a B snímků v jedné GOP ovlivňuje výslednou míru komprese, zpoždění způsobené kódováním, možnost editace videa a šíření chyb ve video toku.

Složka MPEG-1 audio definuje tři audio vrstvy: Vrstva I (Layer I; kodek se nejčastěji používal pro záznam na digitální audiokazety firmy Philips), Vrstva II (Layer II; efektivnější kodek pro audio s konstantní přenosovou rychlostí od 32 do 192 kbit/s na kanál), Vrstva III (Layer III; populární formát MP3). MPEG-2 rozšiřuje tyto audio kodeky o možnost kódovat více než dva audiokanály (až do 5 kanálů) a o další audiokodeky (MPEG-2 AAC).

S nástupem UHD (Ultra High Definition) televizních systémů o rozlišení 4K (tj. 3840x2160) či 8K (tj. 7680x4320) vznikl požadavek na ještě efektivnější videokodeky. Kodek H.264/MPEG-4 AVC byl rozšířen, aby podporoval i tato rozlišení. Dále byla v roce 2013 definována a standardizována nová kompresní norma – H.265/MPEG-H, která se označuje jako HEVC (High Efficiency Video Coding). V porovnání s předcházejícím kodekem dokáže HEVC zdvojnásobit úroveň komprese při stejné kvalitě videa.

Obr. 3 – Činnost MPEG-2 kodéru
Obr. 4 – Struktura GOP pro kodér videa MPEG