MPEG 及其应用。视频艺术

MPEG及其应用

视频艺术

概念

视频数据本质上是非常大的。多年来，该领域的专家一直致力于使视频压缩尽可能高效。在第三个千年之初，由于迫切需要通过各种网络传输大量视频，因此在质量/体积比方面寻找最佳视频编码方法的任务变得更加紧迫。

MPEG中视频压缩的概念非常简单——确定流中的哪种信息至少在某个时间段内重复，并采取措施避免这些信息的重复。 MPEG编码最有价值的优点是能够根据网络带宽灵活调整图像质量，特别方便在各种网络上传输。这使得 MPEG-2 成为通过各种网络接收/传输数字电视的事实上的标准。

不幸的是，没有办法使用某些仪器和测量来明确评估编码的质量。这里唯一的标准是人以及他如何感知压缩信息。因此，MPEG编码的视频数据压缩规则是在人类视频图像感知（HVS）的人类视觉感知模型的基础上制定的。

HVS 的图像冗余由三个主要标准定义：

人眼看不见的图像细节是垂直和水平消隐点。删除此信息根本不会影响图像。
统计冗余。它分为空间和时间。空间冗余是指图像中相邻像素几乎相同的区域。临时下——不随时间变化的图像片段。
颜色和亮度冗余 - 根据人类对图像细节颜色和亮度微小变化的有限敏感度计算。

它是如何实施的

为了方便对视频数据进行编码，整个视频流被分为称为GOP（图片组）的组。这样一个组的构建如下：

MPEG及其应用

在这里：

I - 帧内帧，通常称为锚点，包含有关图像的所有信息。没有这些帧的 MPEG 序列原则上不可能存在。当I帧被压缩时，仅去除空间冗余。正是从该帧开始对序列中的图像进行解码。

P - 预测帧。 “预测”帧，在其形成中使用预测下一帧上的图像的方法，同时考虑形成帧之前的最后一个I或P帧的运动补偿。 P帧还用于进一步预测图像。 P 帧是使用帧间压缩创建的，可减少空间和时间冗余。从下一图片中减去该帧的图片P，并且对该差值进行编码并与运动矢量一起添加到压缩数据中。

B - 双向，“双向”帧。它们之所以如此命名，是因为它们存储了周围 I 帧和 P 帧中最重要的信息。 B帧具有最高的压缩程度，但需要前后图像来补偿图像中物体的运动。

这种MPEG流结构通常被描述为分数M/N，其中M表示GOP中的帧总数，N表示前一帧之后的下一个P帧将是什么。所以上图所示的GOP序列可以写成12/3。

实际的 MPEG 数据流由 6 个层次结构组成：

块 - 8x8 图像块的亮度和颜色数据。分析块的 Y（亮度）、CB 和 CR（色差）值。
宏块 - 顾名思义，它分别由 4x16 像素窗口中的 16 个简单块组成。在4:2:0格式中，一个宏块包含4个Y亮度数据块以及CB和CR各一个。
层 - 包含几个相邻的宏块。
帧 - 由一组包含图像的图层组成，图像依次可以是 I、P 或 B。
图像组（又名 GOP）- 包含一系列帧。它最多可以包含 15 个帧，并且必须从 I 帧开始。
视频序列 - 必须至少包含一个 GOP，以及序列开头的标题和序列的结束代码。

MPEG 级别和配置文件

MPEG 配置文件是压缩视频比特流结构的子集。在这样的子集中，广泛分布的流参数以及相应的编码器和解码器是可能的。

级别是指对 MPEG 流参数施加的一些限制，例如输出图像分辨率、帧速率等。

下表说明了 MPEG 级别和配置文件的最大限制：

首先需要该表来了解特定记录格式的常见名称或任何编码器功能的描述。例如，MPEG 记录的特征如下：

** 事实上，这里写得更正确：PAL - 创建原始视频的模拟电视标准的名称。实际上，MPEG 电影不能归因于任何彩色电视系统，因为 MPEG 中的帧只是先前模拟图像的数字表示，甚至与原始电影的原始电视系统无关。

实际使用

挑剔的读者会问 - 这些信息对我的工作有何帮助？对于那些不从事视频工作的人来说，这些信息当然能提供的很少，但其余的可以对他们的实际工作有所帮助。许多开始使用 DV 摄像机和非线性视频编辑程序的用户开始考虑如何保存他们的创作，如果不是几个世纪，那么至少是接下来的几十年。看起来很奇怪，大多数初学者 DV 视频编辑器仍然不完全了解 MPEG，计划将他们的项目以 MPEG 格式存储在 CD 上，甚至没有意识到如果用户想要保留原始质量，解决此任务有多么困难MPEG 版本的 DV 电影。因此，有关此主题的最常见问题是：

为什么以 MPEG-2 格式保存电影后，我发现其质量明显下降？

这里有几个原因：

已经压缩的压缩图像从数码摄像机传输到计算机。 DV 本质上是 JPEG 压缩的一种特殊情况 - 它是由根据稍微修改的 JPEG 算法压缩的帧组成的流。从DV中MPEG的思想（但不是压缩原理）来看，唯一使用的是DV中压缩时，考虑一帧的两个场的信息——所谓的场内压缩。因此，在MPEG DV中压缩时，首先对图像进行解压缩，然后重新压缩，这永远不会提高质量。
就图像质量而言，压缩设置设置不正确。
使用了一个快速但不是非常高质量的 MPEG 编码器。

为什么 DVD 光盘上的图像质量非常高，尽管它也是 MPEG-2 - 在家里有可能获得类似的质量吗？

DVD 光盘上的视频质量确实非常高。它由两个主要因素来解释：使用未压缩的专业质量视频作为创建 MPEG-2 版本电影的源视频材料，此外，使用具有非常高图像编码质量的硬件编码器进行 MPEG 编码-2。这种编码器的成本达到数万美元。因此，在家中不可能从 DV 电影中获得这样的质量。

在将电影编码为 MPEG 之前要求您指定的参数是什么意思？

这样的参数可能有很多，但我们应该重点关注其中最重要的参数：

配置文件 ID 和级别 ID - 见上表。
帧间隔 - 要理解其含义，应该注意的是，通常会设置 I 帧之间的间隔，这实际上意味着 GOP 的大小，也意味着上一个 P 帧之后的下一个 P 帧将是什么。 I 帧之间的间隔越长，图像质量越差，但生成的文件的大小也会更小。另外，I帧之间的间隔不建议大于15。
运动估计-运动补偿。该参数决定了预测对象运动的正确程度，并且对于输出图像的质量和估计编码时间都非常重要。较大的值将提供更好的质量，但会显着增加编码器的运行时间。设置此参数时，您需要了解最大值对于计算机处理器来说可能是“无法忍受的”，并且可能需要几天时间才能创建所需的电影。
帧序列是一个在很多方面类似于帧间隔的参数。通常它提供选择编码类型 - 仅 I 帧、I + P 帧和 I、P、B 帧，以及 P 和 B 帧的间隔。至于如何编码——质量最好，但数量最大，只编码在I帧中，那么分别是I+P和I,P,B。间隔值的经典证明值为P= 3且B=2。严格来说，DVD 习惯上使用 15/3 结构，即 IBBBPBBBPBBPBBPBB。
视频数据速率 - 视频流速度。在许多为大众用户设计的编码器中，这是主要参数，编码器自己设置所有其他参数。它通常以每秒兆位来测量。通过设置该值并将其乘以电影的持续时间（以秒为单位），可以轻松获得总文件的大小。

我有一台具有逐行扫描功能的 DV 摄像机。然后我想以 MPEG 格式保存完成的电影。如何拍摄得更好，正常隔行扫描还是逐行扫描？

对于 MPEG-1，答案是明确的 - 使用逐行扫描拍摄效果更好，因此在以 MPEG-1 进行压缩时，电视图像的一场就被简单地丢弃了。对于 MPEG-2，此问题的答案取决于您计划如何使用生成的 MPEG-2 剪辑。如果您打算仅在计算机上查看和/或没有硬件解码器，那么最好使用逐行扫描拍摄 - 图像会更清晰，没有运动伪影。如果有硬件 MPEG-2 解码器，并且您打算在电视上观看电影，那么在正常模式下拍摄时，电影中物体的运动会更流畅、更自然。许多现代 MPEG-2 编码器允许您选择原始电影的类型（逐行或隔行），当您选择隔行扫描时，将使用场，并且当从硬件解码器输出到视频输出时，将恢复原始图像具有与压缩前相同的字段。

我想立即将电影保存为 MPEG 格式并在其中进行编辑。这样做可能并且正确吗？

当然，你可以保存，但是编辑MPEG视频非常困难且不方便。事实是，在编辑 MPEG 时，将片段真正精确地剪切到帧是不可能的，因为片段只能通过 I 帧彼此分开，否则，当删除参考帧并保存其后面的帧时，图像将失去可读性。支持 MPEG 的视频编辑器允许您以帧精度进行编辑，但您需要了解，除了第一帧之外的任何更改，整个 GOP 都将被重新压缩，这绝不会更好地影响影片的质量。效果、过渡、滤镜的施加也无法以真实帧的精度进行，这可能导致艺术思想无法高质量体现。此外，与 DV 相比，MPEG-2 的图像重新压缩将花费更多时间，并且需要更强大的处理器。

MPEG-4 格式现在在俄罗斯非常流行。以这种格式保存电影有意义吗？

MPEG-4 格式最初是为通过低速通道进行视频传输而创建的，并不是用于视频存储。 MPEG-4 的图像质量肯定比 MPEG-2 差，但比 MPEG-1 稍好。 MPEG-4 的压缩/解压缩需要大量的 CPU 时间和观看时间，更何况在处理器低于 Celeron II 4 的计算机上创建 MPEG-700 格式的视频非常困难。基本上，MPEG-4 用于将 DVD 光盘上记录的原始 MPEG-2 电影重新压缩到其中。 MPEG-4 允许您在普通 CD 上刻录长达一小时的电影。以这种格式保存自己的电影是没有意义的，主要原因有两个：

质量比原装差很多。
没有类似于 DVD 标准的将 MPEG-4 刻录到光盘的标准。

哪些 MPEG 编码器支持 DV 格式并同时提供良好的质量？

有几种流行的 MPEG 编码器支持 DV 格式：

TMPEnc Encoder 是一个程序，它的流行并不是因为它的 MPEG 编码器本身，而是因为它的复用、解复用和合并/剪切 MPEG 文件的工具。
主要概念 MPEG Encoder 是一款内置于流行视频编辑器 Adobe Premiere、Ulead MSP 和 Vegas Video 中的优秀编码器。
Canopus ProCoder 可以说是目前最好的 DV 编码器。

作者：样条公司；出版：pctuner.ru

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