MPEG-2

MPEG-2 — название группы стандартов цифрового кодирования видео- и аудиосигналов, организации транспортных потоков видео- и аудиоинформации, передачи сопутствующей информации. Стандарты MPEG выпускаются экспертной группой по движущемуся изображению (MPEG), входящей в состав ИСО/МЭК.

Стандарт MPEG-2 получил распространение в цифровых видеодисках DVD, системах компрессии видеоизображений, цифровом телевидении DVB.

В случае использования в цифровом телевидении MPEG-2 активно применяется как стандарт, определяющий структуру транспортных потоков и способы передачи данных.

Стандарт содержит несколько подразделов (parts). Например, MPEG-2 part 1 определяет тип контейнера, например, может использоваться Transport Stream, который позволяет корректировать ошибки оборудования, принимающего сигнал. Part 2 — структуру компрессированного изображения (элементарный поток MPEG-2).

Стандарт MPEG-2 намеренно не определяет способы компрессии изображения (звука), он лишь указывает, как должно быть оформлено сжатое изображение (звук). Стандарт не определяет, каким образом должен быть реализован кодер или декодер MPEG-2, он определяет только структуру данных. Это даёт возможность участникам рынка конкурировать друг с другом за создание более качественных устройств и алгоритмов.

Использование стандартов MPEG-2 требует уплаты лицензионных отчислений держателям патентов через MPEG Licensing Association. Тексты стандартов MPEG-2 распространяются свободно, но не бесплатно (см. сайт ISO).

Все американские патенты MPEG-2 истекли 13 февраля 2019 года^[1].

MPEG-2 используется для общего сжатия движущихся изображений и звука и определяет формат видеопотока, который может быть представлен как три типа кадра^[2]:

• независимо сжатые кадры (I-кадры),
• кадры, сжатые с использованием предсказания на основе предыдущих кадров (P-кадры) и
• кадры, сжатые с использованием предсказания на основе предыдущих и последующих (B-кадры).

Соответствующие группы кадров от одного I-кадра до другого образуют GOP (англ. Group Of Pictures) - группу кадров.

Обычно используются потоки в 30 или 29,97 кадра в секунду.

MPEG-2 поддерживает видео и в прогрессивной, и в чересстрочной развёртке.

MPEG-2 также определяет новые методы сжатия звука:

• сжатие на низких битрейтах с половинным семплированием (MPEG-1 Layer 1/2/3 LSF)
• многоканальное сжатие до 6 каналов
• новый стандарт MPEG-2 AAC

Стандарт DVD использует MPEG-2 видео, но определяет некоторые ограничения:

• Допустимые разрешения
  • 720 × 480, 704 × 480, 352 × 480, 352 × 240 пикселей (NTSC)
  • 720 × 576, 704 × 576, 352 × 576, 352 × 288 пикселей (PAL)
• Допустимые соотношения ширины к высоте Aspect ratio (Display AR)
  • 4:3
  • 16:9

• Допустимое число кадров в секунду
  • 29,97 к/с (NTSC)
  • 25 к/с (PAL)

Примечание: при выставлении флагов REPEAT_FIRST_FIELD в заголовках кодированных изображений эти изображения могут повторяться на протяжении двух или трёх полей. Таким образом, подобрав шаблон выставления флагов, можно добиться практически любой частоты смены кадров (не менее 2/3 от номинальной). Наиболее часто это используется для получения частоты в 23,976 кадра/сек (что приблизительно равно скорости смены кадров киноплёнки) при выводе сигнала в NTSC.

• Скорости аудио- и видеопотоков:
  • Максимальная средняя: 9,8 Mbit/s
  • Максимальная пиковая: 15 Mbit/s
  • Минимальная: 300 Kbit/s
• YUV 4:2:0
• Дополнительные субтитры
• Скрытые субтитры
• Аудио:
  • Линейная импульсно-кодовая модуляция (LPCM): 48 kHz или 96 kHz; 16- или 24-bit; до шести каналов (из-за ограничений пропускной способности доступны не все комбинации)
  • MPEG-1 Audio Layer 2 (MP2): 48 kHz, до 5.1 каналов (только в PAL)
  • Dolby Digital (DD, также известен как AC-3): 48 kHz, 32—448 kbit/s, до 6 (5+1) каналов
  • Digital Theater Systems (DTS): 754 kbit/s или 1510 kbit/s (поддержка плеерами DVD необязательна)
  • DVD в формате NTSC должны содержать хотя бы одну звуковую дорожку LPCM или Dolby Digital audio.
  • DVD в формате PAL должны содержать хотя бы одну звуковую дорожку MPEG Layer 2, LPCM или Dolby Digital audio.
  • Для плееров не обязательна поддержка вывода шестиканального звука, но обязательна возможность сведения его к двухканальному (стерео).
• Структура GOP (групп кадров):
  • В начале каждой GOP должен идти заголовок группы
  • Максимальное количество кадров на группу: 18 (NTSC) / 15 (PAL), то есть 0,6 секунды.
  • Для DVD с несколькими углами обзора или при задействовании плейлистов глав должны использоваться только закрытые GOP.

Ограничения на MPEG-2 в стандарте DVB:

Допустимые разрешения для SDTV:

• 720, 640, 544, 480 или 352 × 480 пикселей, 24/1,001, 24, 30/1,001 или 30 кадров/с
• 352 × 240 пикселей, 24/1,001, 24, 30/1,001 или 30 кадров/с
• 720, 704, 544, 480 или 352 × 576 пикселей, 25 кадров/с
• 352 × 288 пикселей, 25 кадров/с

Для HDTV:

• 720 x 576 x 50 кадров/c, прогрессивная развертка (576p50)
• 1280 x 720 x 25 или 50 кадров/c, прогрессивная развертка (720p25 или 720p50)
• 1440 или 1920 x 1080 x 25 кадров/c, прогрессивная развертка (1080p25 — «кинорежим»)
• 1440 или 1920 x 1080 x 25 кадров/c, чередование полей (1080i25)
• 1920 x 1080 x 50 кадров/c, прогрессивная развертка (1080p50), последующая замена форматом H.264/AVC

Допустимые разрешения:

• 1920 x 1080 пикселей, 30 кадров/c (1080i)
• 1280 x 720 пикселей, 60 кадров/c (720p)
• 720 x 576 пикселей, 25 кадров/c (576i, 576p)
• 720 or 640 x 480 пикселей, 30 кадров/c (480i, 480p)

Примечание: 1080i кодируется как кадр 1920 x 1088, но последние 8 строк выбрасываются перед выводом на дисплей.

Стандарт MPEG-2, обозначающийся также по каталогу ISO как стандарт ISO/IEC 13818, включает в себя следующие части:

Part 1

Systems — описывает синхронизацию и мультиплексирование видео и аудио.

Part 2

Video — сжатие чересстрочного и прогрессивного видео.

Part 3

Audio — сжатие аудио сигнала (многоканальное расширение для MPEG-1 audio).

Part 4

Описывает процедуру тестирования совместимости.

Part 5

Описывает систему программной эмуляции.

Part 6

Описывает расширение для DSM-CC (Digital Storage Media Command and Control.)

Part 7

Advanced Audio Coding (AAC) — стандарт сжатия аудио.

Part 8

Расширенное 10-битное представление цвета в видео. Изначально планировалось для профессиональных приложений, таких как студийная обработка видео. Разработка этой части стандарта была остановлена из-за отсутствия интереса в индустрии.

Part 9

Расширения для использования в реальном времени.

Part 10

Расширение для совместимости с DSM-CC.

Приблизительно 640 патентов получено в области MPEG-2. Всего ими владеют больше 20 корпораций; на разработку стандарта как такового было затрачено меньше времени, чем на достижение договорённостей по поводу патентов.

Список компаний:

• JPEG
• JBIG
• MP1, MP2, MP3
• AAC
• DVD
• MPEG-1
• MPEG-4

• Лапин Евгений Васильевич. Подготовка и запись DVD всех типов. Краткое руководство. — М.: «Вильямс», 2006. — С. 320. — ISBN 5-8459-1064-1.

• MPEG-2 Overview
• Список MPEG сайтов
• Сравнение MPEG-2 видеокодеков
• MPEG: Вопросы и ответы