Sleutelen aan mpeg-2

Techniek - Encoderen

Geschreven door Rinie Hooijer

Inhoudsopgave
Sleutelen aan mpeg-2
Group of Pictures
Instellingen
Levels & Profiles
Officiële mpeg-familie
Alle pagina's

Pagina 1 van 5

Videosoftware voor consumenten en professionals zijn steeds meer uitgerust met een goede mpeg-2-encoder. Men kan er ook niet meer omheen. Standaarden als dvd, hdtv, maar ook de meeste televisie-uitzendingen in Hilversum worden uitgezonden in mpeg-2. Encoderen met mpeg-2 lijkt ingewikkeld, maar wie de werking van de encoder begrijpt komt een heel eind.

Een platformonafhankelijke standaard voor digitale compressie van audio- en videosignalen. Dat is waarop de wereld rond 1988 met smacht zat te wachten. Natuurlijk bestond er al videocompressie, maar net zoals met de internet-browsers, streden ook hier verschillende partijen om de hegemonie. Dat hierbij niet gekeken werd naar het algemeen belang, kwam voort uit de enorme winsten die met nieuwe ontwikkelingen en de licentieverkoop daarvan konden worden geboekt. In 1988 werd de MPEG (Moving Picture Expert Group) opgericht met als doel een standaard te ontwikkelen voor digitale compressie van video en audiosignalen. Vijf jaar later werd de eerste standaard, mpeg-1, werkelijkheid. Mpeg-1 beschrijft een codingsschema waardoor audio- en videosignalen kunnen worden gecodeerd en afgespeeld. De doorvoersnelheid van mpeg-1 is maximaal 1,5 Mbit per seconde met een resolutie van 352 x 288, afdoende om video af te spelen op een cd-rom. De kwaliteit is te vergelijken met een vhs-band, acceptabel maar verre van perfect. Een tweede mpeg-versie was noodzakelijk om ook video te kunnen encoderen voor standaard televisie-uitzendingen. In 1995 werd mpeg-2 officieel een feit en daarmee werd het startsein gegeven aan de industrie om aan de slag te gaan om applicaties, hardware en software te ontwikkelen die mpeg-2 zouden gebruiken.

HDTV

De ontwikkelaars van mpeg zagen hun dromen de volgende jaren boven verwachting uitkomen. Mpeg-2 werd door iedereen omarmd. Eindelijk was er een platform onafhankelijk compressie methode. Mpeg-2 is nu de standaard voor het encoderen van dvd's, het uitzenden van digitale televisie en is de compressie methode voor High Definition Television (HDTV). De kracht van mpeg is dat het een encoderingssysteem is dat gebruikt kan worden voor verschillende applicaties. Omdat de omvang van de encoder te groot wordt als alle functionaliteit wordt benut is deze op te delen in verschillen profielen (Profiles) en niveaus (Levels). (Zie kader.) De profielen geven aan welke algoritmes er moeten worden gebruikt en de niveaus specificeren de eigenschappen daarvan zoals bitrates en afmetingen. Afhankelijk van de apparatuur of de beschikbare bandbreedte kan men nu een keuze maken welke delen van de encoder men wil implementeren.

De mpeg-encoder van Mainconcept die in tal van video-applicaties wordt gebruikt, is ook als stand-alone verkrijgbaaren en levert een perfect resultaat af.

De werking van mpeg-2

Om de werking van mpeg-2 te kunnen begrijpen, moeten de basisbeginselen van televisie en video duidelijk zijn. Televisie maakt gebruikt van interlaced beelden. Dit betekent ieder beeld dat we zien is opgebouwd uit twee velden. Het eerste veld laat 25 oneven beeldlijnen zien. Als deze zijn getoond, wordt het tweede veld, met de 25 even beeldlijnen, tussen de oneven beeldlijnen gezet. Samen vormen ze dan één videoframe. Er gaan 25 frames in één seconden met een beeldresolutie van 720 x 576 pixels, de standaard voor het PAL-signaal.

Apparatuur als computermonitoren en handhelds laten geen interlaced beelden zien. Het beeld bestaat hier uit één frame zonder velden. Deze beelden worden progressive videobeelden genoemd. In tegenstelling tot mpeg-1 dat ontwikkeld is voor het encoderen van progressive videobeelden, kan mpeg-2 zowel interlaced als non-interlaced beelden encoderen. Televisies en monitoren geven videobeelden weer in een rgb-kleurruimte. Behalve de kleuren zit er in dit rgb-signaal ook de helderheidinformatie van het beeld verweven. In ongecomprimeerde vorm zou het rgb-signaal te omvangrijk zijn om te kunnen uitzenden. Een reductie van de video bitrate is eenvoudig te bewerkstelligen door de hoeveelheid kleuren in het rgb-signaal te verminderen. De keuze voor het verminderen van de hoeveelheid kleuren komt voort uit het feit dat het menselijk oog gevoeliger is voor helderheid- dan voor kleurverschillen.

Uitzendnorm

Om de helderheidinformatie los te koppelen van de kleuren wordt het rgb-signaal om gezet naar een Y, R-Y, B-Y signaal. Hierbij staat Y voor de helderheid en vormen de R-Y en B-Y de afzonderlijke kleurkanalen. Het groen uit rgb is verweven met het Y-signaal.
Na los koppeling kunnen de kleuren afzonderlijk van de helderheid worden verminderd. Dit proces wordt subsampling genoemd. De bekendste subsamples die worden gebruikt zijn 4:2:2 en 4:2:0.

De 4 staat voor de helderheidwaarde van het signaal of Y. Deze blijft onveranderd. De kleuren kunnen nu relatief ten opzicht van de helderheid worden verminderd. In een 4:2:2 subsample worden de kleuren met de helft verminderd. Dit betekent dat er op iedere horizontale beeldlijn 360 pixels van de 720 voorzien zijn van de componenten R-Y en B-Y. En dat dit verticaal op iedere beeldlijn wordt herhaald.

Het tweede veel gebruikte subsample is 4:2:0 en is tevens uitzendnorm voor PAL. In een 4:2:0 systeem worden zowel horizontaal als verticaal kleuren verwijderd. Horizontaal wordt er op iedere beeldlijn maar één kleurkanaal gebruikt dus of R-Y of B-Y. Deze wordt vervolgens op 360 pixels van de 720 getoond. Verticaal gebeurt dit om en om. De bitrate van de video is door deze conversie sterk gereduceerd, maar nog steeds zeer omvangrijk. Beelden met een 4:2:2 subsampling hebben een bitrate van 166 Mbit/s en beelden met een 4:2:0 subsampling 124 M/bit/s. Als we dit bijvoorbeeld vergelijken met de maximale bitrate van een dvd (9,8 Mbit/s) moet er nog heel wat gebeuren voordat die compressie is gerealiseerd.