De kunst van het encoderen - De werking van mpeg

De werking van mpeg

Veel parameters van de mpeg- videocodecs zijn makkelijker te begrijpen als u bekend bent met de werking van mpeg. Het totale encodeerproces vindt grofweg in drie stappen plaats. In de eerste stap wordt door de converter de originele RGB-video data omgezet naar YUV-data om op die manier de helderheidswaarde (Y) te kunnen scheiden van de kleurwaarden (UV). Omdat het menselijk ook gevoeliger is voor helderheid dan voor kleuren kan voor iedere pixel in de video de UV-waarde worden verminderd, waardoor een enorme reductie in bestandsomvang wordt bewerktstelligd.

In de tweede stap wordt ieder videoframe opgedeeld in macroblokken van 16 x 16 pixels. Elk macroblok wordt vervolgens weer opgedeeld in kleinere blokken. Bij mpeg-2 zijn deze kleinere blokken altijd 8 x 8 pixels terwijl mpeg-4/avc blokken van zowel 8 x8 als 4 x 4 pixels kent, waardoor het beeld nauwkeuriger kan worden weergegeven. Per blok wordt de gemiddelde helderheid en kleurwaarden via een wiskundige berekening opgeslagen in een matrix, waarbij er onderscheidt wordt gemaakt tussen belangrijke en minder belangrijke data van het macroblok. Minder belangrijke data worden weggelaten, waardoor de bestandsomvang weer kleiner wordt. Om de videogrootte nog verder te reduceren worden de gegevens in de matrix gekwantificeerd.

Op deze eerste twee stappen in het encodeerproces kunt u doorgaans weinig invloed uitoefenen en moet u volledig vertrouwen op de kwaliteit van de encoder. Anders is dat met de laatste stap van de mpeg-compressie, waarin de videogrootte nog verder wordt gereduceerd door middel van bewegingsvoorspellingen.

Om die voorspellingen te kunnen maken wordt de video opgedeeld in drie verschillende frames, te weten I, P en B frames. Een I-frame (intra frame of key frame) wordt geëncodeerd zonder naar andere frames te kijken. Met andere woorden het bevat de volledige videodata om het frame goed te kunnen weergeven en is daardoor wat betreft omvang ook de minst efficiëntste. Bij het afspelen wordt de video altijd gestart vanaf een I-frame.

Een P-frame (predictive frame) wordt opgebouwd uit een voorwaartse voorspelling. De videodata van een P-frame wordt verkregen uit een eerdere I-frame of P-frame. De data van een P-frame bestaat uit vectoren die beschrijven welke macroblokken uit eerdere I- of P frames moeten worden hergebruikt, aangevuld met nieuwe data voor veranderingen in het beeld en data om fouten te corrigeren. De omvang van een P-frame is ongeveer de helft van een I-frame omdat alleen de verschillen worden opgeslagen.

Een B-frame (bidirectional frame) wordt opgebouwd door naar eerdere of later I-frames en P-frames te kijken. De data in een B-frame bestaat uit vectoren die beschrijven welke macroblokken uit eerdere of latere I- en P-frames er moet worden gebruikt, aangevuld met correctie data. Het is niet noodzakelijk dat een B-frame gebruikt maakt van zowel een voorwaartse als achterwaartse bewegingsvoorspelling.

In tegenstelling tot in mpeg-2 kunnen in mpeg-4/avc B-frames nu ook dienen als referentieframes voor andere B-frames. Door gebruik te maken van deze zogenaamde B-frame piramide kunt u de kwaliteit van uw video flink verbeteren.

Tevens kunt u bij mpeg-4/avc gebruik maken van Variable Block Size Motion Compensation (VBSMC). Bewegingen in mpeg-2 van het ene frame naar het andere werden berekend aan de hand van de 16 x 16 macroblokken. Een kleine verandering in het beeld betekende gelijk het opnieuw encoderen van het hele blok. Door VBSMC  kunnen bij het encoderen blokken worden gekozen van 16 x 16 tot 4 x 4 om bewegingen in het beeld zo precies mogelijk te segmenteren. Daarnaast kunnen nu in tegenstelling tot bij MPEG-2 ook de B-frames op deze manier worden geëncodeerd.