MPEG-2 - MPEG-2

MPEG-2 (znany również jako H.222/H.262 zgodnie z definicją ITU ) jest standardem „ogólnego kodowania ruchomych obrazów i powiązanych informacji audio”. Opisuje kombinację stratnej kompresji wideo i stratnej kompresji danych dźwiękowych , które umożliwiają przechowywanie i przesyłanie filmów przy użyciu aktualnie dostępnych nośników pamięci i przepustowości transmisji. Chociaż MPEG-2 nie jest tak wydajny, jak nowsze standardy, takie jak H.264/AVC i H.265/HEVC , wsteczna kompatybilność z istniejącym sprzętem i oprogramowaniem oznacza, że ​​jest nadal szeroko stosowany, na przykład w nadawania telewizji cyfrowej. oraz w standardzie DVD-Video .

Główna charakterystyka

MPEG-2 jest szeroko stosowany jako format cyfrowych sygnałów telewizyjnych , które są nadawane przez systemy telewizji naziemnej (over-the-air), kablowej i bezpośredniej telewizji satelitarnej . Określa również format filmów i innych programów rozpowszechnianych na płytach DVD i podobnych. Stacje telewizyjne , odbiorniki TV , odtwarzacze DVD i inne urządzenia są często zaprojektowane do tego standardu. MPEG-2 był drugim z kilku standardów opracowanych przez Moving Pictures Expert Group ( MPEG ) i jest standardem międzynarodowym ( ISO / IEC 13818). Części 1 i 2 MPEG-2 zostały opracowane we współpracy z ITU-T i mają odpowiedni numer katalogowy w serii rekomendacji ITU-T.

Chociaż MPEG-2 jest rdzeniem większości formatów telewizji cyfrowej i DVD, nie określa ich całkowicie. Instytucje regionalne mogą dostosować go do swoich potrzeb, ograniczając i rozszerzając aspekty normy. Zobacz Profile i poziomy wideo .

Systemy

MPEG-2 zawiera sekcję Systems, część 1, która definiuje dwa różne, ale powiązane ze sobą formaty kontenerów . Jednym z nich jest strumień transportowy , format pakietu danych przeznaczony do przesyłania jednego pakietu danych w czterech pakietach danych ATM w celu strumieniowego przesyłania cyfrowego obrazu i dźwięku przez stałe lub mobilne media transmisyjne, gdzie początek i koniec strumienia mogą nie zostać zidentyfikowane, na przykład na częstotliwościach radiowych , kablowych i liniowych nośnikach zapisu, których przykładami są transmisje ATSC / DVB / ISDB / SBTVD oraz zapis HDV na taśmie. Drugi to strumień programu , rozszerzona wersja formatu kontenera MPEG-1 z mniejszym obciążeniem niż strumień transportowy . Strumień Program przeznaczony jest do losowego dostępu do przechowywania nośników, takich jak dyski twarde , dyski optyczne i pamięci flash .

Formaty plików strumienia transportowego obejmują M2TS , który jest używany na płytach Blu-ray , AVCHD na płytach DVD wielokrotnego zapisu i HDV na kartach Compact Flash . Pliki strumieniowe programu obejmują VOB na płytach DVD i Enhanced VOB na krótkotrwałym dysku HD DVD . Standardowy strumień transportowy MPEG-2 zawiera pakiety o długości 188 bajtów. M2TS poprzedza każdy pakiet 4 bajtami zawierającymi 2-bitowy wskaźnik uprawnień do kopiowania i 30-bitowy znacznik czasu.

Systemy MPEG-2 są formalnie znane jako ISO/IEC 13818-1 oraz jako ITU-T Rec. H.222.0. ISO upoważniło „ SMPTE Registration Authority, LLC” jako urząd rejestracji identyfikatorów formatu MPEG-2. Deskryptor rejestracji transportu MPEG-2 jest dostarczany przez ISO/IEC 13818-1 w celu umożliwienia użytkownikom standardu jednoznacznego przenoszenia danych, których format niekoniecznie jest uznanym standardem międzynarodowym. Przepis ten umożliwi standardowi transportowemu MPEG-2 przenoszenie wszystkich rodzajów danych, zapewniając jednocześnie metodę jednoznacznej identyfikacji cech leżących u ich podstaw danych prywatnych.

Wideo

Sekcja Wideo, część 2 MPEG-2, jest podobna do poprzedniego standardu MPEG-1 , ale zapewnia również obsługę wideo z przeplotem , formatu używanego przez analogowe systemy telewizyjne. Wideo MPEG-2 nie jest zoptymalizowane pod kątem niskich przepływności , zwłaszcza poniżej 1 Mbit/s przy rozdzielczościach standardowej rozdzielczości. Wszystkie dekodery zgodne ze standardami MPEG-2 Video są w pełni zdolne do odtwarzania strumieni MPEG-1 Video zgodnie ze składnią Constrained Parameters Bitstream. MPEG-2/Video jest formalnie znany jako ISO/IEC 13818-2 oraz jako ITU-T Rec. H.262 .

Z pewnymi ulepszeniami, MPEG-2 Video and Systems są również używane w niektórych systemach transmisji HDTV i jest standardowym formatem dla naziemnej telewizji cyfrowej ATSC .

Audio

MPEG-2 wprowadza nowe metody kodowania dźwięku w porównaniu do MPEG-1:

MPEG-2 część 3

Sekcja MPEG-2 Audio, zdefiniowana w Części 3 (ISO/IEC 13818-3) standardu, ulepsza dźwięk MPEG-1 , umożliwiając kodowanie programów audio z więcej niż dwoma kanałami , do wielokanałowego 5.1. Ta metoda jest zgodna z poprzednimi wersjami (znana również jako MPEG-2 BC), umożliwiając dekoderom audio MPEG-1 dekodowanie dwóch głównych komponentów stereo prezentacji. W części 3 MPEG-2 zdefiniowano również dodatkowe szybkości transmisji i częstotliwości próbkowania dla MPEG-1 Audio Layer I , II i III .

MPEG-2 BC (wstecznie kompatybilny z formatami audio MPEG-1)

• Kodowanie niskiej przepływności z o połowę częstotliwości próbkowania (MPEG-1 warstwy 1 / 2 / 3 LSF - aka MPEG-2 LSF - "niskiej częstotliwości próbkowania")
• kodowanie wielokanałowe z maksymalnie 5.1 kanałami, czyli MPEG Multichannel

MPEG-2 część 7

Część 7 (ISO/IEC 13818-7) standardu MPEG-2 określa raczej inny, niezgodny wstecznie format audio (znany również jako MPEG-2 NBC). Część 7 jest określana jako MPEG-2 AAC . AAC jest bardziej wydajny niż poprzednie standardy audio MPEG i pod pewnymi względami mniej skomplikowany niż jego poprzednik, MPEG-1 Audio, Layer 3, ponieważ nie ma hybrydowego banku filtrów. Obsługuje od 1 do 48 kanałów z częstotliwością próbkowania od 8 do 96 kHz, z funkcjami wielokanałowymi, wielojęzycznymi i wieloprogramowymi. Zaawansowany dźwięk jest również zdefiniowany w części 3 standardu MPEG-4 .

MPEG-2 NBC (niekompatybilny wstecz)

• MPEG-2 AAC
• kodowanie wielokanałowe z maksymalnie 48 kanałami

ISO/IEC 13818

Standardy MPEG-2 są publikowane jako części ISO/IEC 13818. Każda część obejmuje pewien aspekt całej specyfikacji.

Część 1

Systemy – opisuje synchronizację i multipleksację obrazu i dźwięku. (Znany również jako ITU-T Rec. H.222.0.) Zobacz Strumień transportowy MPEG i Strumień programu MPEG .

Część 2

Wideo – format kodowania wideo dla sygnałów wideo z przeplotem i bez przeplotu (znany również jako ITU-T Rec. H.262 ).

Część 3

Audio – format kodowania audio do percepcyjnego kodowania sygnałów audio. Wielokanałowe rozszerzenie i rozszerzenie szybkości transmisji i częstotliwości próbkowania dla MPEG-1 Audio Layer I, II i III.

Część 4

Opisuje procedury testowania zgodności.

Część 5

Opisuje systemy do symulacji oprogramowania.

Część 6

Opisuje rozszerzenia dla DSM-CC (Digital Storage Media Command and Control).

Część 7

Zaawansowane kodowanie dźwięku (AAC).

Część 8

10-bitowe rozszerzenie wideo. Podstawowym zastosowaniem było wideo studyjne, pozwalające na przetwarzanie bez artefaktów bez rezygnacji z kompresji. Część 8 została wycofana z powodu braku zainteresowania ze strony przemysłu.

Część 9

Rozszerzenie dla interfejsów czasu rzeczywistego.

Część 10

Rozszerzenia zgodności dla DSM-CC.

Część 11

Zarządzanie własnością intelektualną (IPMP)

Części MPEG-2

Część	Numer	Data pierwszego publicznego wydania (Pierwsze wydanie)	Data ostatniej publikacji (wydanie)	Ostatnia zmiana	Identyczne zalecenia ITU-T	Tytuł	Opis
Część 1	ISO/IEC 13818-1	1996	2015	2016	H.222,0	Systemy
Część 2	ISO/IEC 13818-2	1996	2013		H.262	Wideo
Część 3	ISO/IEC 13818-3	1995	1998			Audio	MPEG-2 BC - wstecznie kompatybilny z MPEG-1 Audio
Część 4	ISO/IEC 13818-4	1998	2004	2009		Testy zgodności
Część 5	ISO/IEC TR 13818-5	1997	2005			Symulacja oprogramowania
Część 6	ISO/IEC 13818-6	1998	1998	2001		Rozszerzenia dla DSM-CC	rozszerzenia do sterowania i kontroli cyfrowych nośników danych
Część 7	ISO/IEC 13818-7	1997	2006	2007		Zaawansowane kodowanie dźwięku (AAC)	MPEG-2 NBC Audio — niezgodny wstecznie z dźwiękiem MPEG-1
Część 8	porzucone					10-bitowe wideo	Prace rozpoczęły się w 1995 r., ale zostały zakończone w 2007 r. z powodu niskiego zainteresowania przemysłu.
Część 9	ISO/IEC 13818-9	1996	1996			Rozszerzenie interfejsu czasu rzeczywistego dla dekoderów systemowych
Część 10	ISO/IEC 13818-10	1999	1999			Rozszerzenia zgodności dla Digital Storage Media Command and Control (DSM-CC)
Część 11	ISO/IEC 13818-11	2004	2004			IPMP w systemach MPEG-2	Zarządzanie i ochrona własności intelektualnej w systemie MPEG-2 (komunikaty XML IPMP są również zdefiniowane w ISO/IEC 23001-3)

Historia

MPEG-2 wyewoluował z niedociągnięć MPEG-1.

Znane słabości MPEG-1:

• System kompresji dźwięku ograniczony do dwóch kanałów (stereo).
• Brak standardowej obsługi wideo z przeplotem ze słabą kompresją w przypadku wideo z przeplotem
• Tylko jeden ustandaryzowany „profil” (strumień bitów o ograniczonych parametrach), który nie był odpowiedni dla wideo o wyższej rozdzielczości. MPEG-1 mógł obsługiwać wideo 4k, ale nie było łatwego sposobu kodowania wideo w wyższych rozdzielczościach i identyfikowania sprzętu, który może go obsługiwać, ponieważ ograniczenia takiego sprzętu nie zostały zdefiniowane.
• Obsługa tylko jednego podpróbkowania chrominancji 4:2:0.

Sakae Okubo z NTT był koordynatorem ITU-T w zakresie opracowania standardu kodowania wideo H.262/MPEG-2 Part 2 oraz przewodniczącym wymagań w MPEG dla zestawu standardów MPEG-2. Większość patentów leżących u podstaw technologii MPEG-2 należy do trzech firm: Sony (311 patentów), Thomson (198 patentów) i Mitsubishi Electric (119 patentów). Firma Hyundai Electronics (obecnie SK Hynix ) opracowała pierwszy dekoder MPEG-2 SAVI (System/Audio/Video) w 1995 roku.

Rozszerzenia nazw plików

.mpg, .mpeg, .m2v, .mp2, .mp3 to tylko niektóre z wielu rozszerzeń nazw plików używanych w formatach plików audio i wideo MPEG-1 lub MPEG-2.

Aplikacje

DVD-Video

Standard DVD-Video wykorzystuje wideo MPEG-2, ale nakłada pewne ograniczenia:

• Dozwolone wymiary
  • 720 × 480, 704 × 480, 352 × 480, 352 × 240 pikseli (NTSC)
  • 720 × 576, 704 × 576, 352 × 576, 352 × 288 pikseli (PAL)
• Dozwolone proporcje (ekran AR)
  • 4:3 (dla ramek w formacie letterbox, szerokoekranowych i niepanoramicznych)
  • 16:9 (dla anamorficznego ekranu panoramicznego )

• Dozwolone liczby klatek na sekundę
  • 29,97 klatek z przeplotem (NTSC)
  • 23.978 klatek progresywnych (dla NTSC 2:3 pull-down do 29.97)
  • 25 klatek z przeplotem/s (PAL)

• Szybkość transmisji audio + wideo
  • Szczytowy sygnał wideo 9,8 Mb/s
  • Całkowity szczyt 10,08 Mbit/s
  • Minimum 300 kb/s
• JUW 4:2:0
• Możliwe dodatkowe napisy
• Napisy (tylko NTSC)
• Audio
  • Modulacja liniowego kodu impulsowego (LPCM): 48 kHz lub 96 kHz; 16- lub 24-bitowy; do sześciu kanałów (nie wszystkie kombinacje są możliwe ze względu na ograniczenia przepływności)
  • MPEG Layer 2 (MP2): 48 kHz, do 5.1 kanałów (wymagane tylko w odtwarzaczach PAL)
  • Dolby Digital (DD, znany również jako AC-3): 48 kHz, 32–448 kbit/s, do 5.1 kanałów
  • Digital Theater Systems (DTS): 754 kb/s lub 1510 kb/s (niewymagane dla zgodności odtwarzacza DVD)
  • Dyski NTSC DVD muszą zawierać co najmniej jedną ścieżkę dźwiękową LPCM lub Dolby Digital.
  • Płyty DVD PAL muszą zawierać co najmniej jedną ścieżkę dźwiękową MPEG Layer 2, LPCM lub Dolby Digital.
  • Odtwarzacze nie muszą odtwarzać dźwięku na więcej niż dwóch kanałach, ale muszą mieć możliwość miksowania dźwięku wielokanałowego do dwóch kanałów.
• Struktura GOP (grupa zdjęć)
  • Nagłówek sekwencji musi być obecny na początku każdego GOP
  • Maksymalna liczba klatek na GOP: 18 (NTSC) / 15 (PAL), tj. po 0,6 sekundy w obu przypadkach
  • W przypadku płyt DVD pod różnymi kątami wymagana jest zamknięta grupa GOP

HDV

HDV to format do nagrywania i odtwarzania wideo MPEG-2 w wysokiej rozdzielczości na taśmie DV.

MOD i TOD

MOD i TOD to formaty nagrywania do użytku w konsumenckich kamerach cyfrowych opartych na plikach.

XDCAM

XDCAM to profesjonalny format nagrywania wideo oparty na plikach.

DVB

Specyficzne ograniczenia aplikacji dotyczące wideo MPEG-2 w standardzie DVB :

Dozwolone rozdzielczości dla SDTV :

• 720, 640, 544, 528, 480 lub 352 × 480 pikseli, 24/1.001, 24, 30/1.001 lub 30 klatek/s
• 352 × 240 pikseli, 24/1.001, 24, 30/1.001 lub 30 klatek/s
• 720, 704, 544, 528, 480 lub 352 × 576 pikseli, 25 klatek/s
• 352 × 288 pikseli, 25 klatek/s

Telewizor HD:

• 720 x 576 x 50 klatek/s progresywny (576p50)
• 1280 x 720 x 25 lub 50 klatek/s progresywny (720p50)
• 1440 lub 1920 x 1080 x 25 klatek/s progresywny (1080p25 = tryb filmowy)
• 1440 lub 1920 x 1080 x 25 klatek/s z przeplotem (1080i50)

ATSC

Standard ATSC A/53 stosowany w Stanach Zjednoczonych wykorzystuje wideo MPEG-2 w Main Profile @ High Level (MP@HL), z dodatkowymi ograniczeniami, takimi jak maksymalna przepływność 19,39 Mbit/s dla telewizji nadawczej i 38,8 Mbit/ s dla telewizji kablowej, format podpróbkowania kolorów 4:2:0 i obowiązkowe informacje dotyczące kolorymetrii.

ATSC umożliwia następujące rozdzielczości wideo, proporcje i szybkości klatek/pola:

• 1920 × 1080 pikseli (16:9, kwadratowe piksele), przy 30p, 29,97p, 24p, 23,976p, 60i, 59,94i.
• 1280 × 720 pikseli (16:9, kwadratowe piksele), przy 60p, 59,94p, 30p, 29,97p, 24p lub 23,976p
• 704 × 480 pikseli (4:3 lub 16:9, piksele inne niż kwadratowe), przy 60p, 59,94p, 30p, 29,97p, 24p, 23,976p, 60i lub 59,94i
• 640 × 480 pikseli (4:3, kwadratowe piksele), przy 60p, 59,94p, 30p, 29,97p, 24p, 23,976p, 60i lub 59,94i

Standard ATSC A/63 definiuje dodatkowe rozdzielczości i współczynniki kształtu dla sygnału 50 Hz (PAL).

Specyfikacja ATSC i MPEG-2 pozwalają na użycie ramek progresywnych, nawet w sekwencji wideo z przeplotem. Na przykład stacja, która transmituje sekwencję wideo 1080i60, może użyć metody kodowania, w której te 60 pól jest zakodowanych z 24 progresywnymi ramkami, a metadane instruują dekoder, aby przeplatał je i wykonywał rozwijanie 3:2 przed wyświetleniem. Pozwala to nadawcom na przełączanie między treściami z przeplotem 60 Hz (wiadomości, opery mydlane) i progresywnymi 24 Hz (w czasie największej oglądalności) bez kończenia sekwencji MPEG-2 i wprowadzania kilkusekundowego opóźnienia podczas zmiany formatu przez telewizor. Z tego powodu w praktyce nie stosuje się sekwencji 1080p30 i 1080p24 dopuszczonych przez specyfikację ATSC.

Formaty 1080-liniowe są zakodowane z matrycami luma 1920 × 1088 pikseli i macierzami chromatycznymi 960 × 540, ale ostatnie 8 linii jest odrzucanych przez proces dekodowania i wyświetlania MPEG-2.

ATSC A/72 to najnowsza wersja standardów ATSC dla telewizji cyfrowej, która pozwala na użycie formatu kodowania wideo H.264/AVC i sygnału 1080p60.

Dźwięk MPEG-2 był pretendentem do standardu ATSC podczas strzelaniny DTV „ Grand Alliance ”, ale przegrał z Dolby AC-3 .

ISDB-T

Cechy techniczne MPEG-2 w ATSC obowiązują również dla ISDB-T , z wyjątkiem tego, że w głównym TS zagregowano drugi program dla urządzeń mobilnych skompresowany w MPEG-4 H.264 AVC dla wideo i AAC- LC dla audio, głównie znany jak 1seg .

Blu-ray

MPEG-2 to jeden z trzech obsługiwanych formatów kodowania wideo obsługiwanych przez Blu-ray Disc. Wczesne wydania Blu-ray zazwyczaj wykorzystywały wideo MPEG-2, ale najnowsze wersje są prawie zawsze w H.264 lub czasami VC-1 . Obsługiwane jest tylko wideo MPEG-2 (MPEG-2 część 2), Blu-ray nie obsługuje dźwięku MPEG-2 (części 3 i 7). Ponadto format kontenera używany na płytach Blu-ray to strumień transportowy MPEG-2, niezależnie od używanych kodeków audio i wideo.

Pula patentów

Na dzień 14 lutego 2020, MPEG-2 Patenty mają ważność na całym świecie, z wyjątkiem tylko Malezji. Ostatni patent amerykański wygasł 23 lutego 2018 r.

MPEG LA , prywatna organizacja licencjonująca patenty, nabyła prawa od ponad 20 korporacji i jednego uniwersytetu do licencjonowania puli około 640 patentów na całym świecie, które według niej były „niezbędne” do wykorzystania technologii MPEG-2. Właścicielami patentów byli m.in. Sony , Mitsubishi Electric , Fujitsu , Panasonic , Scientific Atlanta , Columbia University , Philips , General Instrument , Canon , Hitachi , JVC Kenwood , LG Electronics , NTT , Samsung , Sanyo , Sharp i Toshiba . Tam, gdzie zdolność patentowa oprogramowania jest utrzymana, a patenty nie wygasły (tylko Malezja), użycie MPEG-2 wymaga uiszczenia opłat licencyjnych na rzecz posiadaczy patentu. Inne patenty były licencjonowane przez Audio MPEG, Inc. Opracowanie samego standardu zajęło mniej czasu niż negocjacje patentowe. Pula patentów pomiędzy głównymi i peryferyjnymi posiadaczami patentów w puli MPEG-2 była przedmiotem badania przeprowadzonego przez University of Wisconsin.

Zgodnie z umową licencyjną MPEG-2 każde użycie technologii MPEG-2 w krajach z aktywnymi patentami (Malezja) podlega opłatom licencyjnym . Kodery i dekodery MPEG-2 podlegają cenie 0,35 USD za sztukę. Ponadto każdy nośnik w pakiecie (DVD/strumienie danych) podlega opłatom licencyjnym w zależności od długości nagrania/emisji. Tantiemy były wcześniej wyceniane wyżej, ale zostały obniżone w kilku punktach, ostatnio 1 stycznia 2018 r. Wcześniejsza krytyka puli patentów MPEG-2 była taka, że ​​chociaż liczba patentów spadła z 1048 do 416 do czerwca 2013 r., opłata licencyjna nie zmniejszył się wraz z wygaśnięciem patentów MPEG-2.

Posiadacze patentów

Następujące organizacje posiadają patenty na MPEG-2, wymienione w MPEG LA . Zobacz także Lista patentów MPEG-2 w Stanach Zjednoczonych .

Organizacja	Patenty
Sony Corporation	311
Licencjonowanie firmy Thomson	198
Mitsubishi Electric	119
Philips	99
GE Technology Development, Inc.	75
Panasonic Corporation	55
Licencjonowanie CIF, LLC	44
JVC Kenwood	39
Elektronika Samsung	38
Alcatel Lucent (w tym Multimedia Patent Trust)	33
Cisco Technology, Inc.	13
Toshiba Corporation	9
Uniwersytet Columbia	9
LG Electronics	8
Hitachi	7
Pomarańczowy SA	7
Fujitsu	6
Robert Bosch GmbH	5
Instrument ogólny	4
Telekomunikacja brytyjska	3
Canon Inc.	2
Korporacja KDDI	2
Telegraf i telefon Nippon (NTT)	2
ARRIS Technology, Inc.	2
Sanyo elektryczne	1
Sharp Corporation	1
Firma Hewlett Packard Enterprise	1

Zobacz też

• Kodowanie MPEG
• MPEG-1 Audio Layer II (MP2)
• MPEG-1 Audio Layer III (MP3)
• płyta DVD
• DVB-S2
• ISO/IEC JTC 1/SC 29

Bibliografia

Linki zewnętrzne

• Przewodnik dla początkujących dotyczący standardu MPEG-2
• Przegląd MPEG-2 (dane zostały utracone)
• Kompresja wideo MPEG-2
• MIT 6.344 – Slajdy z wykładów na temat kompresji wideo na MIT.
• Samouczek dyskretnej transformacji kosinusowej
• IPTV MPEG i testowanie jakości doświadczenia
• OpenIPMP: Projekt Open Source DRM dla MPEG-2
• ISO/IEC 13818 – MPEG-2 w sklepie ISO.
• Książki MPEG — lista książek referencyjnych MPEG.
• [1] - Zalecana praktyka: Przewodnik po stosowaniu standardu telewizji cyfrowej ATSC, w tym sprostowanie nr 1