MPEG2 - upgrade для MPEG1

Компрессия по стандарту MPEG-2 кардинально меняет положение вещей. Более 97% цифровых данных, представляющих видео сигнал дублируются, т.е. являются избыточными и могут быть сжаты без ущерба качеству изображения. Алгоритм MPEG-2 анализирует видеоизображение в поисках повторений, называемых избыточностью. В результате процесса удаления избыточности, обеспечивается превосходное видеоизображение в формате MPEG-2 при более низкой скорости передачи данных. По этой причине, современные средства поставки видеопрограмм, такие как цифровые спутниковые системы и DVD, используют именно стандарт MPEG-2.

Изменения в Audio:

Появились новые виды частот 16, 22.05, 24 КГц.
Поддержка многоканальности - возможность иметь 5 полноценных каналов (left, center, right, left surround, right surround) + 1 низкочастотный (subwoofer).
Появился AAC (Advanced Audio Coding - прогрессивное кодирование звука) стандарт - обеспечивает очень высокое качество звука со скоростью 64 kbps per channel (килобит в сек. на канал), возможно использовать 48 основных каналов, 16 низкочастотных каналов для звуковых эффектов, 16 многоязыковых каналов и 16 каналов данных. До 16 программ может быть описано используя любое количество элементов звуковых и других данных. Для AAC существуют три вида профиля - Main (используется когда нет лишней памяти), Low Complexity (LC), Scalable Sampling Rate (SSR, требуется декодер с изменяемой скоростью приема данных).

Декодеры должны быть:

"forwards compatible" (вперед совместимыми) - MPEG-2 Audio Decoder понимает любые MPEG-1 аудио каналы.
"backward compatible" (обратно совместимыми) - MPEG-1 Audio Decoder должен понимать ядро MPEG-2 Audio (L-канал, R-канал)
"matrixing" (матрицируемыми) - MPEG1 Audio Decoder должен понимать 5-ти канальный MPEG-2 (L = left signal + a * center signal + b * left surround signal, R = right signal + a * center signal + b * right surround signal)
MPEG-1 Звуковой декодер не обязан понимать MPEG-2 AAC.

В следствии зтого совершенно спокойно можно использовать MPEG-1 Vidio + MPEG-2 Audio или наоборот MPEG-2 Audio + MPEG-1 Video.

Изменения в Видео:

Требуется чтобы разрешение по вертикали и горизонтали было кратно 16 в кодировщике кадров (frame-encoder) стандартах (покадровое кодирование), и 32 по вертикали в кодировщике полей (field-encoder, каждое поле состоит из двух кадров) стандартах (interlaced video).
Возможность форматов 4:4:4, 4:2:2 (Next profile).
Введены понятия Profile (форма, профиль) и Levels (уровни).
Размер frame до 16383*16383.
Возможность кодировать interlaced video.
Наличие режимов масштабирования (Scalable Modes)
Pan&Scanning вектор (вектор панорамировани и масштабирования), который говорит декодеру как преобразовывать, например 16:9 в 4:3.

Изменения связаные с алгоритмами кодирования:

Точность частотных коэффициентов выбирается пользователем (8, 9, 10, 11 бит на одно значение -- в MPEG-1 только 8 бит).
Нелинейный quantization процесс (разбиение непрерыных данных в дискретные).
Возможность загрузить quantization matrix (матрица преобразований непрерыных данных в дискретные) перед каждым кадром.
Новые режимы предсказания движения (16x8 MC, field MC, Dual Prime)

Scalable Modes (доступно только в Next и Main+ Profile) делят MPEG-2 на три слоя (base, middle, high) для того чтобы организовать уровни приоритета в видеоданных (на пример более приоритетный канал кодируется с большим количеством информации по коррекции ошибок чем менее):

Spatial scalability (пространственное масштабирование) - основной слой кодируется с меньшим разрешением и затем он используется как предсказание для более приоритетных.
Data Partitioning (дробление данных) - разбивает блок из 64 quantization коэффициентов в два потока из которых более приоритетный переносит низкочастотные (наиболее критичные к качеству), а менее приоритетный (высокочастотные).
SNR (Signal to Noise Ratio) Scalability (масштабировние соотношения сигна/шум) - каналы кодируются с одинаковой скоростью, но с разным качеством (менее приоритетный слой содержит плохую картинку - более дискретные шаги, а высокоприоритетный слой содержит довесок позволяющий построить качественную картинку)
Temporal Scalability (временное масштабирование) - менее приоритетный слой содержит канал с низкой скоростью передачи кадров, а высокоприоритетный содержит информацию позволяющую восстановить промежуточные кадры используя для предсказания менее приоритетные.

Таблица 4, Уровни

Уровень	Максимальное разрешение	Максимальная скорость	Примечание
Low	35224030	4 Mbps	CIF, кассеты
Main	72048030	15 Mbps	CCIR 601, студийное TV
High 1440	1440115230	60 Mbps	4x601, бытовое HDTV
High	1920108030	80 Mbps	Продукция SMPTE 240M std

Таблица 5, Профили

Профиль	Комментарии
Simple	Такой же как и Main только без B - картинок. Используется в программах и CATV (кабельное ТВ)
Main	Стандартный MPEG-1, 95% пользователей, CATV, спутники
Main+	Main со Spatial и SNR Scalability
Next	Main+ c форматом 4:2:2

Таблица 6, Допустимые комбинации Профилей и Уровней

Simple	Main	Main+	Next
High	No	No	4:2:2
High 1440	No	Main c Spatial Scalability	4:2:2
Main	90% от всех	Main c SNR Scalability	4:2:2
Low	No	Main c SNR Scalability	No

Таблица 7, Наиболее популярные стандарты.

Разрешение	Комментарии
35248024 (progressive)	VHS, хорош для фильмов
54448030 (interlaced)	Laserdisc (LD), D-2, Качество как у PAL
70448030 (interlaced)	Качество CCIR 601.Studio D-1

Рис. 6

Системный уровень MPEG-2, обеспечивает два уровня объединения данных:

Packetized Elementary Stream (PES) - разбивает звук и видео на пакеты.
Второй уровень делится на:

MPEG-2 Program Stream (совместим с MPEG-1 System) - для локальная передача в среде с маленьким уровнем ошибок
MPEG-2 Transport Stream (Рис. 6) - внешнее вещание в среде с высоким уровнем ошибок - передает транспортные пакеты (длиной 188 либо 188+16 бит) двух типов (сжатые данные -- PES -- и сигнальную таблицу Program Specific Information -- PSI).