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Mpeg-4/H.264 Technique

Mpeg-4/H.264 Technique. Cheng-Hung Li 李政宏. National Digital Archives Program, Taiwan / D igital A rchive A rchitecture L aboratory. Outline. ISO/MPEG MPEG-1 (ISO/IEC 11172) MEPG-2 (ISO/IEC 13818) MPEG-4 (ISO/IEC 14496) Mpeg-1,2,4 比較 Mpeg-4 常見應用 常見 Mpeg-4 應用設備 視訊壓縮標準演變. MPEG.

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Mpeg-4/H.264 Technique

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Presentation Transcript

  1. Mpeg-4/H.264 Technique Cheng-Hung Li 李政宏 National Digital Archives Program, Taiwan / Digital Archive Architecture Laboratory

  2. Outline • ISO/MPEG • MPEG-1 (ISO/IEC 11172) • MEPG-2 (ISO/IEC 13818) • MPEG-4 (ISO/IEC 14496) • Mpeg-1,2,4比較 • Mpeg-4常見應用 • 常見Mpeg-4應用設備 • 視訊壓縮標準演變

  3. MPEG • MPEG標準是由International Standards Organization (ISO) 的MPEG (Motion Pictures Expert Group) 所訂定公開的標準 • 該標準是用來將影片與聲音結合導入多媒體應用，並使得影音串流皆以該標準來記錄與傳播 • 自1988年成立以來，MPEG 已經公佈了數項重要的標準，包含Mpeg-1,2,4,7,21…等 • 雖然MPEG-1 、MPEG-2 和H.263非常適合在它們原來設計的目標環境下工作，但是面對正在大舉進入市場的各種多媒體應用，這些標準並未提供適當的彈性，無法有效滿足它們的需求。

  4. MPEG-1 (ISO/IEC 11172) • 主要工作是將動態畫面及聲音壓成每秒1.5Mbit的數位儲存媒體 • Part 1(系統)：提供多迴路傳輸和影音同步的功能 • Part 2(視訊)：提供非交錯式畫面壓縮成1.5Mbit/s的VHS品質 • Part 3(音訊)：音訊部分提供雙聲道壓縮(stereo) • Part 4：一致性測試，Part 5：軟體參照 • MPEG1的應用 • VCD, Video CD 是一項MPEG1完整應用，將電影壓縮到2片CD上 • MPEG-1 Audio Layer III，亦即 MP3

  5. MEPG2 (ISO/IEC 13818) • MPEG2首次在1990年七月Porto會議中被提出 • 全名為 Generic coding of Moving Pictures and Associated Audio,對動態圖片及聲音的基本壓縮方法 • Part 1(系統)：提供資訊可以在通訊不穩定的環境(error-prone delivery system)下傳輸，有助於數位儲存媒體 • Part 2(視訊)：提供對interlaced畫面以不同解析度方式壓縮 • Part 3(音訊)：提供多頻道音訊壓縮，與MPEG1類似 • Part 4：一致性測試，Part 5：軟體參照

  6. MEPG2 (ISO/IEC 13818) • Part 6(數位儲存媒體指令與控制,DSM-CC)：提供在不同網路下建立session的通訊協定，並進一步可以遙控MPEG2內容的伺服器 • Part 7(Advanced Audio Coding, AAC)：提供多頻道音訊壓縮，但與MPEG1音訊不相容 • Part 8：支援當取樣樣本高於8bits方式表現仍能壓縮 • Part 9：提供MPEG2傳輸流和解壓縮器之間的標準界面 • MPEG2的應用 • Part1,2,3已用在10億台數位機上盒與數億個DVD中 • DSM-CC被廣泛使用在數位機上盒的衛星與有線電纜部分 • AAC則被日本用在國家數位電視標準，並應用於數位音樂的保全 • 幾年內，MPEG2也有許多修正與擴充。其中最重要的項目之一是 4:2:2 profile的擴充，使得MPEG2可以應用在電視製作中

  7. MPEG-4 (ISO/IEC 14496) • MPEG-4的「影音物件壓縮」的標準起自於紐約1993年七月的會議 • MPEG4標準的前六個部分和MPEG2類似，前五項的標題和MPEG2一樣 • Part 6(多媒體整合傳輸架構)：這部分有許多內容方面重要的變革 • Part 7：最佳化軟體對Mpeg-4工具 • Part 8：於IP framework上運作 • Part 9：參照硬體描述 • Part 10：進階video編碼(AVC)

  8. MPEG-4 (ISO/IEC 14496) • Part 12：基於ISO的媒體文件格式，定義一個存儲媒體內容的文件格式 • Part 13：知識產權管理和保護(IPMP for Intellectual Property Management and Protection)拓展 • Part 14：定義基於part 12用於存儲MPEG-4內容的容器文件格式 • Part 15：定義基於part 12用於存儲part 10的視頻內容的文件格式 • Part 16：動畫框架擴展(AFX for Animation Framework eXtension) • Part 17：同步文本字幕格式 (尚未完成 - 2005年1月達成"最終委員會草案"(FCD for Final Committee Draft) • Part 18：字體壓縮和流式傳輸(針對公開字體格式) • Part 19：綜合用材質流(Synthesized Texture Stream) • Part 20：簡單場景表示(LASeR for Lightweight Scene Representation)(尚未完成 – 同Part 17) • Part 21：用於描繪(Rendering)的MPEG-J拓展(尚未完成 -同Part 17)

  9. MPEG-4 (ISO/IEC 14496) • MPEG-4與其他標準主要不同的地方在於其採用content-based的機制 • 每一場景在進行壓縮之前，會先訂定前景或背景物件，又稱AVOs (audio-visual objects)。每個AVO依次定義一個或多個影片或音訊物件，而每個影格會根據其內容物件被切割成數個VOPs (video object plane)，每個VOP則會對應到其相關的AVO，透過MPEG-4所提供之視訊編碼解碼器(video codec)可以去除空間和時間的冗餘性，達到壓縮視訊的目的。其中包括： • 1.Intra Coded VOPS (I-VOPs)會利用視訊物件平面包含的資訊進行編碼，這能移除部份的空間冗餘性(spatial redundancy) • 2.影格間編碼(inter coding)則會透過移動估算和補償來去從影格間的時間冗餘性(temporal redundancy)

  10. MPEG-4 (ISO/IEC 14496)

  11. MPEG-4 (ISO/IEC 14496) • MPEG4能對個別物件壓縮，表示影像資料可以不必是方形的。聲音部分也是一樣，有許多壓縮工具可以將語音speech和音樂audio以不同頻率與功能壓縮，包含AAC的擴充。 • 在系統部分，除了具有MPEG1和MPEG2的功能外，還包含了「組合功能」，並且可以對整合物件作額外的處理，也同時可以對3D物件作時間便化的處理。 • 檔案格式必須作標準化處理。 • Part 5完全在說明MPEG4壓縮與解壓縮的軟體開發方式。和MPEG1/MPEG2的軟體參照部分，有相同的規範。

  12. Mpeg-4應用 • 目前有許多產業已經著手開發MPEG4影片，做為下一代行動通訊的標準，並用來開發VOD及相關產品的解決方案 • 支援在MPEG2傳輸流中攜帶MPEG4物件，將多媒體應用在電視領域中 • XMT文字格式，包含SMIL，WEB3D等XML格式，可以被編譯成MPEG4格式(BIFS) • 多使用者的支援Multiuser • 動畫架構animation framework，支援3D環境 • IPMP（智慧財產權保護）將依據現有EPMP架構擴充，以提供使用者的互動性 • Studio Profile將影像壓縮的bitrate擴充到每秒1Gbits • FGS(影片粒子scalability)功能將影像壓縮原理支援到更高階層的擴充能力

  13. Mpeg-1,2,4比較

  14. Mpeg-4常見應用 (1) • Mac OS X Tiger 的 QuickTime 7 使用先進的視訊編解碼器，稱為 H.264，他可以利用超低資料傳輸速率提供令人驚豔的畫質。這項超高效率的技術被認可為 MPEG4 標準(MPEG4 Part 10)的一部份，可因應行動裝置 3G、iChat AV 視訊會議至廣播用 HD 等各種頻寬，提供絕佳的效果 • H.264 只要1/3至1/2的資料傳輸率，就可以提供與 MPEG2 一樣的畫質

  15. Mpeg-4常見應用 (2) • DivX & XviD • 數年前，在PC上能用的唯一MPEG-4 編碼器是由微軟開發的，包括MS MPEG4 V1、MS MPEG4 V2、MS MPEG4 V3系列編碼 • 不過 V1 和 V2 的編碼品質並不太好，直到 MS MPEG4 V3 開始，畫面質量有了顯著的進步 • 不過微軟卻決定僅將這個MS MPEG4 V3的視頻編碼核心封閉在 Windows Media 串流媒體技術，也就是我們熟知的ASF檔案中 • 電影駭客很快便有小組修改了微軟的 MS MPEG4 V3，解除了不能用於AVI檔案的限制，並開放了其中一些壓縮參數，也就誕生了我們今天所熟悉的MPEG4編碼器 DivX 3.11…DivX 4, DivX 5 • 歷經波折…. • 發展出了 XviD • 現在的 XviD 更可以說超越了 DivX 5, 以更好的質量, 更強的功能挑戰著新一代的 MPEG4 應用

  16. Mpeg-4常見應用 (4) • MP4：一種可包含大量多媒體的檔案容器格式 • MP4被定義於MPEG4 part 1系統部份，其可支援所有的多媒體內容(video, audio, subtitle, pictures)與進階內容(2D & 3D)、使用者互動、DVD-menu • MP4 內容可延伸至下列物件: • .mp4 • .mp4v, .m4v – 原始 mpeg-4 video streams • .m4a –儲存Apple iTunes audio only • .m4p - Apple for DRM protected files; • .3gp, .3g2 – 用於3G mobile phones • MP4 可包含之多媒體檔案 • 視訊：MPEG-4 (XviD, DivX5, 3ivx, ffmpeg/ffvfw, NeroDigital, H.264/AVC), MPEG-2, MPEG-1, ... 無法使用於 MS MPEG-4, MPEG-4 DivX3, WM9 (Windows Media 9), RV9 (Real Video 9)... • 音訊：MP3, AAC, MP2, MP1, TwinVQ, ...無法使用於 OGG Vorbis, Voxware Metasound, ... • 影像： JPEG, PNG

  17. 常見Mpeg-4應用設備 (1) • Video iPod • 音訊：AAC、Protected AAC（iTunes ）、MP3、MP3 VBR、Audible、Apple Lossless、WAV、AIFF • 照片：JPEG、BMP、GIF、TIFF、PSD（僅限 Mac）和 PNG格式 • 視訊支援：H.264(768 Kbps，320 x 240, 30fps) • 音訊格式：.m4v, .mp4 與 .mov • MPEG-4 視訊影片：最高可達 2.5 Mbps，480 x 480，每秒 30 影格 • MP4影音播放器 • 音樂格式：MP3, WMA, OGG, AC3 • 視頻格式：AVI, MPEG1, MPEG2, MPEG4, VOB,DAT 圖片格式：JPG,最大YUV 4800*3600 pixels,支援圖片流覽功能

  18. 常見Mpeg-4應用設備 (2) • DVD錄放影機 • 支援播放檔案格式： • 影片：MPEG 4、DivX、Mpeg-2、Mpeg-1 • 照片：JPEG、柯達相片光碟 • 音樂: CD、MP3檔案 • DV攝影機 • 影像檔案格式：ASF(MPEG-4相容)

  19. 常見Mpeg-4應用設備 (3) • 3G手機 • 音樂播放器：MP3, AAC • 鈴聲種類：MIDI, AAC, MP3 • 圖片支援格式：JPEG • 影片播放格式：3GP • 錄影格式：3GP

  20. 視訊壓縮標準演變 (1) • 數位通訊媒體包括 • 有線電視、衛星、網際網路、DVD等等 • 迅速發展，且容量在不斷地增加 • 傳輸/儲存未經壓縮的高品質視訊節目耗頻寬 • 更多頻道數、行動視訊、高品質視訊、高解析度視訊的需求愈來愈強烈 • 唯一的選擇就是採用更好的視訊壓縮 • 1980年就有了H.261視訊壓縮標準，它是為視訊會議應用而設計的，其位元率為64kbps

  21. 視訊壓縮標準演變 (2) • 在視訊壓縮演算法/壓縮標準上平行著兩個國際組織的開發過程： • H.標準:這是由ITU(國際電信聯盟)所開發的標準 • MPEG標準:這是由MPEG委員會、後來又經lSO(國際標準組織)所核准的標準

  22. 視訊壓縮標準演變 (3) • 就商業應用而言H.264/AVC超過了MPEG-4 • MPEG-4非常龐大又複雜的標準 • 單就MPEG-4lS014496-2(視訊)來說，某些部份在商業上如何實現便是個問題 • H.264/AVC是目前能夠應用最好最新壓縮方式 • 得到MPEG/lS0和ITU的支援，符合國際標準 • H.264/AVC只集中在視訊部份，因此其標準化較為容易 • H.264/AVC與現有系統的通用性較高

  23. Thanks for your attention!

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