Всё, что вы хотели знать о MPEG-4/DivX, но стеснялись спросить

Своей известностью и плохой репутации DivX должен быть благодарен пиратам и Интернет. Благодаря этому революционному формату фильмы могут распространяться через Сеть, а двухчасовая видеопрограмма в хорошем качестве легко поместится на стандартный CD. Поэтому, когда речь заходит о DivX, редактора изданий хватаются за сердце и просят журналистов: «только не пишете о том, как перегнать DVD в DivX, а то у киностудий и правозащитных организаций начинается приступ изжоги». Однако, наша статья о том, что DivX используют отнюдь не только пираты.

Хотя само происхождение формата было историей хака, сегодня DivX справедливо называют «MP3 для видео». И также как в свое время MP3 нашел себе место в индустрии мобильных развлечений и устройствах домашней электроники, DivX начинает прокладывать свой не менее успешный путь в этом направлении.

DivX — это синоним мобильных и стационарных приложений будущего в области цифрового видео. Формат признали известные производители — технологические лидеры. Сейчас идет его активное внедрение в электронные устройства — от стационарных DVD-проигрывателей до мобильных телефонов, от устройств цифрового телевидения до карманных ПК.

Компании-лидеры в производстве бытовой электроники, такие как Sony, Philips, Matsushita, работают над созданием стандарта цифрового кино на базе MPEG-4. Ряд телекоммуникационных операторов используют стандарт MPEG-4 для передачи видео в мобильных сетях. На рынке уже доступны устройства на базе специализированных чипсетов для воспроизведения DivX.

Недоразумения с форматами и кодеками

Как показывает практика, вокруг MPEG-4 и DivX всегда образуется много путаницы. Наиболее часто встречающееся заблуждение — Avi, DivX и MPEG-4 — это одно и то же. AVI и MKV — это контейнеры (форматы файлов), или другими словами хранилище и упаковка данных. В то время как DivX или XviD — это кодеки, то есть способы и реализация кодирования для записи видеоданных в файл, и расшифровки информации, соответственно, для воспроизведения уже записанных файлов. MPEG в свою очередь описывает и кодеки и способы хранения.

Кодеки

Кодек (сoder-decoder) — это способ и реализация шифрования для записи видеоданных в файл, например в AVI, и расшифровки информации, соответственно, для воспроизведения уже записанных AVI файлов.

Наиболее популярны на сегодня коммерческий кодек DivX. Конкуренцию ему составляет некоммерческий XviD (соответственно, название получилось обратным написанием DivX).

Контейнеры

Со момента создания AVI прошло много времени, и сегодня это наиболее общеизвестный формат для представления видео. Росту его популярности во многом способствовало появление DivX.

MKV — менее популярен, чем AVI формат-контейнер. Свое название он получил при сокращении русского слова «Matryoshka», которое в символической форме отображает принципы его работы. Основным преимуществом MKV является его полная открытость. MKV имеет ряд преимуществ перед AVI, однако, по последней информации DivX Networks, являющаяся лидером в разработке и продвижения новых форматов, планирует использовать новый контейнер, который будет построен все же на основе AVI.

История MPEG

MPEG (Moving Pictures Experts Group) — это название экспертной группы ISO, которая работает над созданием стандартов кодирования и сжатия видео- и аудиоданных. Стандарты, подготовленные комитетом, получают такое же название.

Первым на рынке появился стандарт MPEG-1. Он был разработан в 1992 году для компрессии видео на CD-ROM и лег в основу Video-CD. Качественные параметры видеоданных, обработанных MPEG-1, во многом аналогичны обычному VHS-видео, поэтому этот формат применяется в первую очередь там, где неудобно или непрактично использовать стандартные аналоговые видеоносители. Формат получил большое распространение в Азии и серьезно потеснил VHS-устройства.

В стандарте MPEG-2 по сравнению с MPEG-1 добавлен многоканальный звук, увеличено разрешение изображения, улучшено качество кодирования. В результате, MPEG-2 получил широкое распространение в спутниковом телевещании и индустрии DVD.

MPEG-3 должен был стать новым стандартом, но в итоге всего лишь немного расширил возможности MPEG-2.

Поистине революционным является MPEG-4, разработка которого была официально завершена в 1998 году. Но так как MPEG-4 — это, по сути, набор инструментов, то они расширяются и дополняются. Последние подобные дополнения к стандарту были сделаны в мае этого года. Он стал расширением MPEG-1 и MPEG-2 и несет в себя много новаторских решений, далеко не все из которых пока нашли применение в устройствах и медиаконтенте.

MPEG-4

Стандарт MPEG-4 задумывался как способ передачи потоковых медиаданных, в первую очередь видео, по каналам с низкой пропускной способностью. Неожиданно он завоевал популярность у пользователей, благодаря тому, что позволил размещать полнометражные фильмы длительностью полтора-два часа в хорошем качестве всего на одном компакт-диске и осуществлять обмен видеофайлами в Интернет.

Стандарт MPEG-4 задает принципы работы с цифровым представлением медиаданных для трех областей: собственно интерактивного мультимедиа (включая продукты, распространяемые на оптических дисках и через Сеть), графических приложений (синтетического контента) и цифрового телевидения — DTV. Фактически формат задает правила организации среды, причем среды объектно-ориентированной. Он имеет дело не просто с потоками и массивами медиаданных, а с медиаобъектами.

При одном и том же битрейте и определённых условиях кодирования, качество изображения фильма в MPEG-4 может быть сравнимо или даже лучше, чем в случае применения MPEG-1 или MPEG-2. Алгоритм компрессии видео в MPEG-4 работает по той же схеме, что и в предыдущих форматах. При кодировании исходного изображения кодек сохраняет ключевые кадры, а вместо сохранения промежуточных — прогнозирует и сохраняет лишь информацию об изменениях в текущем кадре по отношению к предыдущему. Полученная таким образом информация помещается в файл. Компрессия звука чаще всего производится в формат MP3, Ogg Vorbis, WMA. Однако возможно использование любого кодека, вплоть до применяемого в DVD шестиканального AC-3.

История появления DivX

Оригинальный кодек DivX;-) 3.11 Alpha является взломанной версией MPEG-4 Version 3 (MP43c32.dll). Авторы патча, известные под прозвищами MaxMorice и Gej, опубликовали его в сентябре 1999 года на своем Web-сайте. Смайлик в названии появился неслучайно. В то время американская компания Circuit City пыталась продвигать на рынке видеосистемы Digital Video Express (DIVX) на основе Pay-per-View (оплата за просмотр). Бизнес-идея — продажа фильмов на компакт-дисках, стоимость которых была бы невысока, но для повторного просмотра необходимо было вносить плату. Тогда взломать систему защиты Digital Video Express было целью многих американских хакеров. До того как это удалось сделать, DivX исчезла с рынка по экономическим соображением, а французские программисты MaxMorice и Jerome «Gej» Rota увековечили ее в названии нового формата.

В январе 2000 года была создана следующая версия DivX — 3.22 или 3.11 VKI (Variable Keyframe Interval). В ней были улучшены алгоритмы декодирования и надежность. В мае на свет появляется компания DivX Networks, которую основал Gej вместе с бывшим директором MP3.COM Джорданом Гринхоллом и Джо Бездеком. В июле DivX Networks запускает проект Majo, в рамках которого в январе 2001 г. появляется OpenDivX. OpenDivX несовместим с 3.11 и не имеет с ним ничего общего кроме названия. В августе 2001 г. DivX Networks выпускают собственный DivX 4.0 и замораживают Open Source. До кодека версии 4.12 все предыдущие версии были хуже, чем DivX;-).

В марте 2002 г. появляется первая коммерческая версия DivX 5.0x. Бесплатный базовый вариант создает видеопоток, соответствующий сертифицированной ISO версии формата MPEG-4. В то время как коммерческая версия Pro в полном объеме поддерживает Global Motion Compensation, B-Frames (кадры, закодированные с опорой на два кадра, B = Bi-directional) и QPel (обозначение способа восстановления движения, Q = 1/4).

Летом 2003 года DivX Networks объявила о выходе кодека 5.1, который благодаря реализованной технологии оценки визуальных кадров позволяет при меньших битрейтах получать лучшие результаты, чем при использовании предыдущих версий. Этот кодек улучшит качество воспроизведения фильмов на «слабых» компьютерах и на бытовых устройствах.

В 2004 г. ожидается выход версии DivX Q, которая по заявлению разработчиков должна быть вдвое эффективнее текущей 5.1x.

Кроме того, DivX Networks планирует создать решение «из одних рук». В качестве контейнера для видео и звуковой дорожки (основные причины несовместимости) планируется использовать собственную разработку. По мнению DivX Networks, формат AVI предоставляет оптимальный вариант для хранилища, но требует небольших доработок. Ведутся переговоры по лицензированию и звукового формата.

Параллельно независимой командой на основе OpenDivX был создан формат XviD, который менее популярен.

Форматы звука в MPEG-4

Звуковая дорожка в MPEG-4 может быть моно, стерео и даже многоканальной AC3, аналогично используемый в DVD. Поддерживаются форматы звука: MP3, Ogg Vorbis, WMA, ACC, VGF, AC3 и другие.

Наиболее популярен MP3 (комментарий от Очень Злого Редактора: правильнее было бы сказать MPEG-1 Layer3, но нельзя не признать, что установившееся на сегодня название всё же MP3). В настоящее время в чистом виде MP3 поддерживают акустические системы и все современные DVD-проигрыватели, налажен выпуск карманных устройств и магнитол автомобилей, проигрывающих MP3. Таким образом, MP3 стал первым массово признанным форматом хранения аудио после CD-Audio. Несмотря на то, что MP3 появился достаточно давно, более новые форматы, претендующие на его место, пока не смогли достичь такого же уровня популярности. Это касается и разработки WMA (Windows Media Audio) от Microsoft, и VGF — совместного детища японских фирм NNT и Yamaha, и MPEG-2 AAC (Advanced Audio Coding — передовое кодирование звука) — одной из попыток совершенствовать MP3.

Единственная по настоящему реальная «угроза» MP3 исходит сегодня от нового формата Ogg Vorbis. Эта разработка изначально полностью открытая и бесплатная и обладает большим потенциалом. По сравнению с MP3 формат Ogg Vorbis имеет лучшее качество звучания при том же размере файла. О его популярности говорит и тот факт, что Ogg Vorbis также как и MP3 вышел за пределы компьютера и поддерживается некоторыми бытовыми аудиосистемами.

Устройства для проигрывания MPEG-4

Безусловным лидером был и остается компьютер. Неудобства, связанные с таким способом просмотра фильмов очевидны. Нельзя удобно расположившись на диване с пультом в руках и наслаждаться просмотром. Нужно ждать загрузки, поле зрения ограничено дисплеем, звук 5.1 доступен далеко не каждому и так далее и тому подобное. Каждый может найти в своей конфигурации множество причин, почему неплохо было бы иметь для себя специализированное устройство.

Напрашивается резонный вопрос: почему бы, например, обычный DVD-проигрыватель, не оснастить возможностью проигрывания DivX? Однако, как можно убедиться, прочитав историю DivX единства в форматах и решениях нет. Это основная сложность и главное препятствие для выхода DivX за пределы компьютерной индустрии. Нет равных ПК в вопросе гибкости решения. ПК ограничен только мощностью процессора и совершенством конфигурации в возможности найти способ для воспроизведения любой комбинации видео и аудио форматов, а также для любых установок кодирования найти решение в виде кодека или настроек программы просмотра.

Пользователи мобильных приложений или стационарных решений на базе специализированных чипов не имеют такой роскоши, им приходится уповать на прозорливость производителей и на возможность обновления программного обеспечения для новых версий кодеков. Естественно, пока нет ни одного решения вне ПК, которое могло бы читать абсолютно все форматы.

Поэтому желающие смотреть на экране ТВ «пиратскую» коллекцию с помощью стационарного плеера вряд ли когда-нибудь получат идеальное решение. Ответ производителя будет таким: используйте те или иные установки программы кодирования для приемлемого результата. Как правило, это отказ от расширенных возможностей MPEG4 таких как QPEL, GMC при записи фильмов, а также некоторые ограничения на форматы звука.

В любом случае это не должно стать помехой при выборе DVD-проигрывателя для энтузиастов домашнего видео, а также тех, кто хочет иметь технику по последнему слову с максимальными возможностями.

DivX фильмы не уступают по качеству DVD, но в производстве значительно дешевле и компактны. Многие современные камкордеры и цифровые камеры предлагают возможность создания DivX видео, а также существует огромное количество программ для обработки и записи видео в этом формате.

Для проигрывания DivX сейчас можно найти и мобильные устройства. Например, мобильный плеер на основе компактного жесткого диска с 3,8 дюймовым экраном фирмы Archos, обзор которого есть на iXBT.com. Или MP3 проигрыватель со встроенным экраном Thomson Lyra. Xoro также планирует представить подобный плеер с широкоформатным экраном с диагональю 5.8 дюйма.

Но локомотивом рынка все же будут стационарные DVD-проигрыватели с расширенными функциональными возможностями.

DVD-проигрыватели с функцией MPEG-4 DivX

Мы говорим о широко доступных DVD-плеерах по цене до 250 долл., которые сегодня можно найти на полках магазинов электроники, а в Западной Европе уже и в обычных супермаркетах. Возможность воспроизведения на таких проигрывателях файлов MP3 и JPEG является стандартом. Но так было не всегда. Первые DVD-проигрыватели работали только с DVD-форматом, VCD и Audio CD. У нас есть все основания полагать, что в ближайший год, функция воспроизведения DivX станет стандартной для всех широкодоступных плееров на рынке.

Рынок повернулся в сторону DivX. В прессе было опубликована масса статей, посвященных перспективам MPEG-4 и DivX в бытовой технике. Разгорелись жаркие дискуссии. В результате сегодня на рынке доступы DVD/MPEG-плееры от нескольких производителей, спрос на них настолько высок, что они являются дефицитом как в Европе, так и в России.

На сегодня три производителя предлагают чипсеты для производства DivX-плееров: Mediatek, ESS Technology и Sigma Design. Sigma исторически была первой и снимала сливки около года. Однако, на сегодня ESS является безусловным лидером на этом рынке. ESS Vibratto предлагает мощное доступное решению для воспроизведения всех популярных форматов и кодеков (в том числе и старого 3.11). Кроме этого, на базе чипа от ESS, в отличие от Sigma, может быть реализовано 6-канальное декодирование звука Dolby Digital.

Современные популярные плееры, реализованные на микроконтроллерах ESS с поддержкой DivX

На форумах часто упоминается DVD плеер JVC XV NP1. Однако, к сожалению, этот плеер воспроизводит MPEG-4 фильмы только на картах памяти.

Резюме

DivX — это прогрессивная реализация формата MPEG-4. Он предлагает значительно более высокую степень сжатия видео и несет ряд революционных нововведений. Области применения MPEG-4 включают мультимедийные приложения для мобильного использования и Интернет, цифровое телевидение, домашнее видео и мобильную связь. С появлением специализированных процессоров стало возможным создание недорогих универсальных стационарных и мобильных проигрывателей, которые помимо DVD-фильмов и известных форматов проигрывают также и файлы на основе формата MPEG-4. На сегоднящний день цена, характеристики и совместимость плееров с форматами достигли того уровня, при котором покупка имеет смысл для всех энтузиастов домашнего видео.

Комментарии от Очень Злого Редактора:

У меня, как и у многих моих коллег, есть мнение, что DivX не был вовремя оценён производителями DVD-плееров и, в результате их медлительности и выжидательной позиции, опоздал с выходом на массовый рынок и, по ситуации на сегодня, начисто проиграл сражение DVD-формату в лице недорогих DVD-плееров начального уровня ($80-100).

В данный момент двухдисковый MPEG4-фильм с 5.1-звуком стоит в рознице в России столько же, сколько и однослойный DVD-Video фильм ($5-6). При этом у DVD-дисков нет проблем со сменой диска при просмотре, сырыми прошивками плееров, несовместимостью версий кодеков, торможений и артефактов при просмотре.

Моё резюме таково: бытовые MPEG4/DivX-плееры и диски с фильмами в этом формате безусловно укрепят позицию и займут свою нишу на рынке, но вот станут ли такими же массовым в бытовой сфере, как бытовые DVD-Video плееры и диски (основанные на MPEG-2 видео, плюс звук DolbyDigital 5.1) — это очень большой вопрос, ответить на который сможет лишь время.

Источник

MPEG: Общая информация

Стандарт сжатия MPEG разработан Экспертной группой кинематографии (Moving Picture Experts Group — MPEG). MPEG это стандарт на сжатие звуковых и видео файлов в более удобный для загрузки или пересылки, например через интернет, формат.

Существуют разные стандарты MPEG (как их еще иногда называют фазы — phase): MPEG-1, MPEG-2, MPEG-3, MPEG-4, MPEG-7.

MPEG состоит из трех частей: Audio, Video, System (объединение и синхронизация двух других).

MPEG-1

MPEG-1 был разработан и оптимизирован для работы с разрешением 352 ppl (point per line — точек на линии) * 240 (line per frame — линий в кадре) * 30 fps (frame per second — кадров в секунду), что соответствует скорости передачи CD звука высокого качества. Используется цветовая схема — YCbCr (где Y — яркостная плоскость, Cb и Cr — цветовые плоскости).

Как MPEG работает:

Последовательность кадров может быть например такая: IBBPBBPBBPBBIBBPBBPB …

Последовательность декодирования: 0312645…

Нужно заметить, что прежде чем декодировать B кадр требуется декодировать два I или P кадра. Существуют разные стандарты на частоту, с которой должны следовать I кадры, приблизительно 1-2 в секунду, соответствуюшие стандарты есть и для P кадров (каждый 3 кадр должен быть P кадром). Существуют разные относительные разрешения Y, Cb, Cr плоскостей (Таблица 1), обычно Cb и Cr кодируются с меньшим разрешением чем Y.

Таблица 1

Для применения алгоритмов кодировки происходит разбивка кадров на макроблоки каждый из которых состоит из определенного количества блоков (размер блока — 8*8 пикселей). Количество блоков в макроблоке в разных плоскостях разное и зависит от используемого формата (Рис. 2):

Техника кодирования:

Так как не любой блок можно предсказать на основании информации о предыдущих, то в P и B кадрах могут находиться I блоки (блоки без предсказания движения).

Таблица 2

DCT использует тот факт, что пиксели в блоке и сами блоки связаны между собой (т.е. коррелированны), поэтому происходит разбивка на частотные фурье компоненты (в итоге получается quantization matrix — матрица преобразований данных из непрерывной в дискретную форму, числа в которой являются величиной амплитуды соответствующей частоты), затем алгоритм Quantization разбивает частотные коэффициенты на определенное количество значений. Encoder (кодировщик) выбирает quantization matrix которая определяет то, как каждый частотный коэффициент в блоке будет разбит (человек более чувствителен к дискретности разбивки для малых частот чем для больших). Так как в процессе quantization многие коэффициенты получаются нулевыми то применяется алгоритм зигзага для получения длинных последовательностей нулей (Рис.3)

Звук в MPEG:

Форматы кодирования звука деляться на три части: Layer I, Layer II, Layer III (прообразом для Layer I и Layer II стал стандарт MUSICAM, этим именем сейчас иногда называют Layer II). Layer III достигает самого большого сжатия, но, соответственно, требует больше ресурсов на кодирование.

Принципы кодирования основаны на том факте, что человеческое ухо не совершенно и на самом деле в несжатом звуке (CD-audio) передается много избыточной информации. Принцип сжатия работает на эффектах маскировки некоторых звуков для человека (например, если идет сильный звук на частоте 1000 Гц, то более слабый звук на частоте 1100 Гц уже не будет слышен человеку, также будет ослаблена чувствительность человеческого уха на период в 100 мс после и 5 мс до возникновения сильного звука). Psycoacustic (психоакустическая) модель используемая в MPEG разбивает весь частотный спектр на части, в которых уровень звука считается одинаковым, а затем удаляет звуки не воспринимаемые человеком, благодаря описанным выше эффектам.

В Layer III части разбитого спектра самые маленькие, что обеспечивает самое хорошее сжатие. MPEG Audio поддерживает совместимость Layer’ов снизу вверх, т.е. decoder (декодировщик) для Layer II будет также распознавать Layer I.

Видео поток (Рис. 5) содержит заголовок, затем несколько групп картинок (заголовок и несколько картинок необходимы для того, что бы обеспечить произвольный доступ к картинкам в группе в независимости от их порядка).

Звуковой поток состоит из пакетов каждый из которых состоит из заголовка и нескольких звуковых кадров (audio-frame).

Для синхронизации аудио и видео потоков в системный поток встраивается таймер, работающий с частотой 90 КГц (System Clock Reference — SCR, метка по которой происходит увеличения временного счетчика в декодере) и Presentation Data Stamp (PDS, метка насала воспроизведения, вставляются в картинку или в звуковой кадр, чтобы объяснить декодеру, когда их воспроизводить. Размер PDS сотавляет 33 бита, что обеспечивает возможность представления любого временного цикла длинной до 24 часов).

Параметры MPEG-1 (Утверждены в 1992)

Параметры Аудио: 48, 44.1, 32 КГц, mono, dual (два моно канала), стерео, интенсивное стерео (объединяются сигналы с частотой выше 2000 Гц.), m/s stereo (один канал переносит сумму — другой разницу). Сжатие и скорость передачи звука для одного канала, для частоты 32 КГц представлены в Таблице 3.

Таблица 3

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

Таблица 4, Уровни

Таблица 5, Профили

Таблица 6, Допустимые комбинации Профилей и Уровней

Таблица 7, Наиболее популярные стандарты.

MPEG-3 — ненужный формат

Был разработан для HDTV приложений с параметрами — максимальное разрешение (1920*1080*30), скорость 20 — 40 Mbps. Так как он не давал принципиальных улучшений по сравнению с MPEG-2 (да и к тому же MPEG-2 стал широко использоваться в разных вариантах, в том числе и для HDTV), то он благополучно вымер.

MPEG-4 — очень мощный формат

MPEG-4 — стандарт для низкоскоростной передачи (64 kbps), находящийся еще в стадии разработки. Первую версию планируется закончить в 1999 году.

MPEG-J

MPEG-J — стандартное расширение MPEG-4 в котором используются Java — элементы.

MPEG-7

MPEG-7 — не является продолжение MPEG как такового — стал разрабатываться сравнительно недавно, планируется его закончить к 2001 г. MPEG — 7 будет обеспечивать стандарт для описания различных типов мультимедийной информации (а не для ее кодирования), чтобы обсепечивать эффективный

MHEG — (Multimedia & Hypermedia Expert Group — экспертная группа по мультимедиа и гипермедиа) — определяет стандарт для обмена мультимедийными объектами (видео, звук, текст и другие произвольные данные) между приложениями и передачи их разными способами (локальная сеть, сети телекоммуникаций и вещания) с использованием MHEG object classes. Он позволяет программным объектам включать в себя любую систему кодирования (например MPEG), которая определена в базовом приложении. MHEG был принят DAVIC (Digital Audio-Visual Council — совет по цифровому видео и звуку). MHEG объекты делаются мультимедиа приложениями используя multimedia scripting languages.

Утверждается, что MHEG — будущий международный стандарт для интерактивного TV, так как он работает на любых платформах и его документация свободно распространяема.

Источник