Dept. of Electronics and Telecom. Eng. Kocaeli University, TR MEH430 Video Processing Class4: MPEG-1 Prof. Dr. Sarp ERTÜRK Dept. of Electronics and Telecom. Eng.

MPEG-1 Standardı MPEG-1, 1.5 Mbps civarında video ve audio depolaması (CD-ROM, DAT, optik disk gibi ortamlarda) için geliştirilmiş bir ISO standardıdır. 1.2 Mbps’de MPEG kalitesi VHS olarak kaydedilmiş analog video kalitesine yakın (veya daha iyi) bulunmuştur. MPEG komitesi 1988 yılında çalışmalarına başlamış ve 1990’da tamamlamıştır. MPEG-1’i, 20 Mbps oranına kadar veri hızlarını hedef alan MPEG-2 ve çok düşük (8-32kbps) hızlarını hedef alan MPEG-4 çalışmalarını izlemiştir. 4/19/2017

Özellikleri MPEG-1, kodlanmış bit-dizininin şekli ve çözümleme için bir sentaks (biçim) standardı koyan genel bir standarttır. MPEG-1 biçimi, -Hareket tahmini (motion estimation) -Hareket karşılamalı tahmin ( motion compensated prediction) -DCT -Kuantalama -Değişken uzunluklu kodlama (VLC) desteklemektedir.

Özellikleri JPEG’in aksine MPEG-1 kodlama için standart bir algoritma sunmamakta, kodlama için esneklik bırakılmaktadır. MPEG-1 şu uygulamaya özgü özellikleri sunmaktadır: Rasgele erişim (Her çerçeve sınırlı bir süre içerisinde çözümlenmelidir) Hızlı ileri/geri arama Yaklaşık 1 saniye civarında kabul edilebilir bir kodlama ve çözümleme gecikmesi

MPEG-1 video formatı MPEG-1 sadece binişimsiz (noninterlaced) video kabul etmektedir. Hedeflenen 1.5 Mbps hedefine ulaşmak için video genelde MPEG-1 standart giriş formatı (standard input format: SIF) SIF: 352 piksel x 240 satır x 30 fr/s (Y,Cr,Cb) renk formatı kullanılmaktadır. Işıklılık ve renk değerleri 8 bit ile gösterilmekte ve renk bileşenleri yatay ve düşey düzlemde yarı boyuta azaltılmıştır.

MPEG-1 video formatı Birçok video parametresi tanımlanabilir olmakla beraber, donanım göz önünde bulundurularak aşağıdaki sınırlamalar getirilmiştir: -Azami piksel/satır: 720 -Azami satır/resim: 576 -Azami resim/saniye:30 -Azami Makroblok/resim:396 -Azami Makroblok/saniye:9900 -Azami veri hızı: 1.86Mbps -Azami çözücü tampon boyutu: 376,832 bit

Veri Yapısı ve Sıkıştırma Modu 1) Birkaç resim grubundan diziler (sequences) oluşmaktadır 2) Birkaç resimden resim grubu (group of pictures, GOP) oluşmaktadır 3) Resimler,dilimlerden (slices)oluşmaktadır. Sıkıştırma moduna göre farklı yapılarda resim tipleri mevcuttur: I- resimleri, P-resimleri, B- resimleri ve D-resimleri.

Veri Yapısı ve Sıkıştırma Modu I-resimleri: JPEG algoritmasında olduğu gibi tek başlarına (intra-frame) DCT kodlanmıştır. P- ve B- resimleri çerçeveler arası (interframe) kodlanmıştır. Bu resimlerde sadece hareketi karşılanmış tahmin hatası DCT kodlanmaktadır. P-resimlerinde sadece ileri yönde tahmin (önceki I- veya P- resimlerinden), B- resimlerinde ise ileri, geri veya çift yönlü tahmin (I- ve P- resimlerinden) kullanılmaktadır. D-resimleri her bloğun sadece DC bileşenini barındırmaktadır ve düşük veri hızlarında arama için kullanılmaktadır. Bir GOP’taki I-,P-, ve B- resimleri uygulamaya bağlıdır (erişim hızı ve veri hızı ihtiyaçlarına).

GOP: ÖRNEK Kodlama, 0,4,1,2,3,8,5,6,7 veya 0,1,4,2,3,8,5,6,7 sırasıyla yapılabilir.

Veri Yapısı ve Sıkıştırma Modu 4) Dilimler, Makrobloklardan oluşmaktadır. Hata düzeltmesi için kullanılırlar. 5) Makroblok (MB): blokların birleşiminden oluşmaktadır. MPEG-1’de bazı sıkıştırma parametreleri makrobloklar bazında değiştirilebilmektedir ve bunun neticesinde MPEG-1’in makroblok tipleri I-resimleri: Intra, Intra-A P-resimleri: Intra, Intra-A, Inter-D, Inter-DA, Inter-F, Inter-FD, Inter-FDA, boşgeç (skipped) B-resimleri:Intra, Intra-A, Inter-F, Inter-FD, Inter-FDA, Inter-B, Inter-BD, Inter-BDA, Inter-I, Inter-ID, Inter- IDA, boşgeç (skipped)

Veri Yapısı ve Sıkıştırma Modu 6) Bloklar: 8 x 8 piksel dizinleridir. Bloklar en küçük DCT birimidir. Diziler, GOP’lar, dilimler ve MB’ler için takip eden veriyi tanımlayan başlıklar (header) kullanılmaktadır.

Intraframe sıkıştırma modu Pixel değerleri JPEG gibi DCT kodlanmaktadır. Kuantalama ve sıfır katsayılarının yürütüm-uzunluğu kodlaması ( zig-zag tarama + (run,level) kodlama) sayesinde sıkıştırma sağlanmaktadır.

Intraframe sıkıştırma modu: Kuantalama 8 bitlik görüntüler ele alındığında DC katsayıları [0,2040], AC katsayıları [-1024,1023] aralığında değer alabilmektedir. Bu katsayılar birbiçimli bir kuantalayıcı ile kuantalanmaktadır. Kuantalanmış katsayısı DCT katsayısının kuantalayıcı adım aralığına bölünmesi ve en yakın tamsayıya yuvarlanması ile bulunmaktadır. Kuantalayıcı adım aralığı kuantalama matrisi taraından belirlenmektedir. Intra MB’ler o anki matris ile kuantalanmaktadır. Intra-A MB’lerde kuantalama matrisi başlıkta belirtilen değerde ölçeklenmektedir.

Interframe sıkıştırma modu: P-resimleri P-resimleri bir önceki I- veya P-resmine göre hareket karşılanmış tahmin kodlamasına izin vermektedir. Her MB için sıkıştırma kodlayıcı tarafından izin verilen modlar arasından seçilmektedir. Intra ve Intra-A MB’leri hiçbir referans verisi kullanılmadan kodlanmaktadır. Inter olarak sınıflandırılmış MB’lerde D: tahmin hatası DCT kodlanmaktadır F: ileri (forward) hareket tahmini var A: Adaptif kuantalama kullanılıyor Eğer blok bir önceki çerçevedeki blok İle aynı ise boşgeç (skip)

Interframe sıkıştırma modu: B-resimleri B-resimleri çift yönlü tahmin yapılmasına imkan tanımaktadır. B-resimlerinde önceki ve sonraki resimden yapılan tahminler, toplam ağırlık 1 olacak şekilde, ağırlandırılmaktadır. Her MB için sıkıştırma kodlayıcı tarafından izin verilen modlar arasından seçilmektedir. Intra ve Intra-A MB’leri hiçbir referans verisi kullanılmadan kodlanmaktadır. Inter olarak sınıflandırılmış MB’lerde D: tahmin hatası DCT kodlanmaktadır F: ileri (forward) hareket tahmini var B: geri (backward) hareket tahmini var I: Hareket tahminli aradeğerleme (interpolation) A: Adaptif kuantalama kullanılıyor Eğer blok bir önceki çerçevedeki blok İle aynı ise boşgeç (skip)

DSP