Standardizacija in kakovost informacijskih sistemov

1. Standardizacija in kakovost informacijskih sistemov Multimedijski standardi

2. “Vsebovalniki” (containers) • Vsebujejo prepletene podatke v več formatih - zvok, slika (video), podnapisi, meta-podatki • Način kodiranja vsebine (“kodek”) ni nujno določen z izbiro vsebovalnika • Audio Video Interleave (.avi) • zastarel Microsoftov format iz 1992 • veliko “overheada” pri popularnih kodekih (dveurni AVI je 10MB daljši od Matroške) • težave z B-framei, zvokom z VBR • v osnovi ne podpira podnapisov • ni primeren za točenje (streaming) • vendar: najbolj razširjen, podpirajo ga vsi samostojni predvajalniki • .divx • le nekoliko izboljšan .avi, brez posebnih prednosti

3. “Vsebovalniki” (containers) • Advanced Systems Format (.asf) • Microsoftov format podoben .aviju, primeren za točenje • Načelno vsebuje poljuben kodek, pogosto wmv/wma • Patentiran; patent uporabljen proti VirtualDub • Podpira Digital Rights Management (juhej!) • Povzetek: format, ki se ga je izogibati • QuickTime (.mov) • Appleov format, podoben AVIju • prva različica 1991 • format se še razvija • danes podpira različne kodeke, B-frame, podnapise, efekte... • osnova za MPEG-4

4. “Vsebovalniki” (containers) • Matroška (.mkv) • odprt standard • poljubni kodeki • točenje • podnapisi, poglavja... • OGG (.ogg) • odprt • kodek poljuben, vendar navadno Vorbis (zvok) in Theora (video) • omogoča podnapise

5. “Vsebovalniki” (containers) • vsebovalnik MPEG-4 (.mp4) • Video • MPEG-4 Part 10 (H.264, AVC) • MPEG-4 Part 2 (XViD, DivX... ...) • MPEG-2, MPEG-1 (DVD, satelitska TV) • AAC, MP3, MP2 • .mpg • načelno: MPEG-1 za sliko, MP1-MP3 za zvok • Transport Stream (.ts) • Eden ali več tokov (torej: več filmov) v MPEG-2 • več tokov uporabljajo za satelitsko TV in TV prek interneta • en sam tok se uporablja pri točenju posnetka s spleta • tok je razdeljen na paketke (Packetized Elementary Stream, PES), ki vsebujejo meta-informacije: čas (potreben za sinhronizacijo), program, dodatne informacije (EPG...) • format za prenos po nezanesljivih zvezah • gledati lahko začnemo kadarkoli (ne potrebujemo “headerja” z začetka datoteke) • po prekinitvi (zaradi napak ali izpada zveze) se prenos nadaljuje

6. MPEG-2 Elementary Encoder Video Source Packetizer MPEG encoded stream Systems Layer MUX Transport Stream MPEG-2 Elementary Encoder Audio Source Packetizer Data Source Packetizer “Vsebovalniki” (containers) Transport Stream (.ts)

7. Vsebovalniki (“Containers”) • DVD Video-object (.vob) • Določeni kodeki: • Video: MPEG-2 • Zvok: AC3, MPA (MP2), PCM • Podnapisi: .sup (subpicture) • Če ga preimenujemo v .mpg, dobimo .mpg :-) (V bistvu gre za MPEG-2 Program Stream.)

8. Stiskanje zvoka • Principi stiskanja z izgubo: psihoakustični model • rezanje visokih frekvenc • rezanje tišjih/preglasnih zvokov • časovno maskiranje (tišji zvoki tik pred/po glasnejšem) • maskiranje istočasnih bližnjih frekvenc • Tako delujejo MP3, Ogg, AAC, AC3, ... • MP3 (alias MPEG-1 Layer 3): • kodirnik pobira po 576 ali 192 časovnih vzorcev in glede na stopnjo stiskanje (bit-rate) izbere, katere frekvence bo kodiral in kaj zanemaril • standard opisuje samo dekoder, ne pa kodirnika • kvaliteta zvoka je pri enakih nastavitvah odvisna od kvalitete kodirnika (Lame, Fraunhofer...) (več na: http://www.oreilly.com/catalog/mp3/chapter/ch02.html) • AAC je podoben, vendar 1024 ali 128 vzorcev, več kanalov... • AC3 (Dolby Digital) je nekje vmes

9. Kodeki – MPEG-1 – MPEG-3 • MPEG-1 (1992) • uporabljen v Video CDjih in Super Video CDjih • samo neprepleten (non-interlaced) video (progressive scan) • prvotno 1.5 Mbit/s, kasneje do 4 Mbit/s • v glavnem ga je zamenjal MPEG-2 • ima tri nivoje zvočne kompresije: • znani “mp3” je pravzaprav “MPEG-1 Audio Layer 3” • mp2 je mp3, ki ne zna izkoriščati redundance med kanali in deli na manj frekvenčnih pasov, zato je potratnejši, a zvestejši • MPEG-2 (ali H.262, 1994) • uporabljen v DVD, satelitski in internetni televiziji • dovolj preprost, da omogoča kvalitetno sprotno kodiranje • podpira prepletanje (interlace) • poljubno hiter (npr. 300 Mbit/s); boljši od MPEG-1 nad 3 Mbit/s • pokrit s 640 patenti 20 podjetij • MPEG-3 • opuščen, ko so ugotovili, da je mogoče učinek izboljšav doseči z malo modifikacijo MPEG-2

10. Kodeki: MPEG-4 • Zbirka standardov (Behemot!) • Part 1: sinhronizacija in multipleksiranje • Part 2: video (najpomembnejša: Simple Profile, Advanced Simple Profile) • Part 3: avdio • ... • Part 10: video (Advanced Video Coding) • Part 14: vsebovalnik • ... • Part 22: Open Format Font Specification • Ker je tega preveč (vsak del ima kup možnosti), so uvedli “profile”; če predvajalnik podpira Simple Profile, mora imeti te in te funkcije • Patenti: nočna mora MPEG-4 • patenti 26 podjetij, predvsem Applea • obstaja posredniško podjetje, kjer lahko plačaš vse patente vsem podjetjem hkrati... • patenti so glavna cokla pri prodoru MPEG-4 • Večina običajno uporabljanih kodekov (Div 3, DivX, XVid...) je v okviru MPEG-4

11. Delovanje kodekov MPEG-4 • Slika se obravnava v prostoru YCbCr (osvetljenost/modra/rdeča) – ta barvni prostor sicer izvira iz začetkov barvne televizije, ki je morala biti združljiva s črno belo • Slika je razdeljena na makrobloke velikosti 16x16 točk za barve in 8x8 za svetlobo(profil 4:2:0 – za osvetljenost uporabimo dvakrat toliko bitov kot za barvno informacijo) • Na teh makroblokih se potem izvaja matematika (diskretna fourierova transformacija, kvantizacija, Huffmanovo kodiranje) • Trije tipi okvirov (frameov), I, P in B: • I (intraframe): cela slika, stisnjena (z izgubnim algoritmom) • P (forward predictive): slika samo pove, kaj se je spremenilo od prejšnje slike (denimo 10% velikosti I) • B (bi-directional predictive): pove spremembe v primerjavi s prejšnjo in/ali naslednjo sliko (npr. 1 %) • I odstranjuje prostorsko redundanco (redundanco znotraj slike, intraframe),P in B pa časovno redundanco (redundanco med slikame, interframe) • GOP (Group of Pictures), npr. IBBPBBPBBPBBPBB (tipični DVD) • Framei morajo biti shranjeni v datoteko v takem vrstnem redu, da so framei, na katerih temelji B-frame, pred B frameom • I framei so koristni, ker tam lahko začnemo gledati (oz. je pri montaži tam lahko začetek sekvence) • na B frameu pri montaži ne moremo končati sekvence (ne da bi na novo kodirali) Vse to izvira že iz H.261, ki je osnova MPEG-1

13. Dodatni triki MPEG-4 • Motion Compensation: pogosto se nek del slike ne spremeni, temveč premakne (skrajni primer: napisi na koncu filma). “Motion Compensation” priredi vsakemu bloku vektor premika • Global Motion Compensation (GMC): upošteva premike kamere • Quarter-Pixel (QPel): kompenzacija premikov se računa z natančnostjo ¼ točke • Običajno samostojni predvajalniki (DVD-predvajalniki, ki znajo brati “DivX/XVix”) ne podpirajo GMC in QPel – bolj ali manj vsi temeljijo na istem Sigminem chipsetu • Vse našteto je del kodiranja H.263 (ali MPEG-4 ASP) • H.263 je v osnovi standard za video prek telefona • H.263 v bistvu opisuje dekompresijo, ne pa kompresije • DivX3, DivX, XviD, 3ivx, navi, angelpotion..., ..., naredijo datoteko, stisnjeno po H.263, razlikujejo pa se v postopku stiskanja • Zato je mogoče film, stisnjen z DivX, načelno gledati z XviD in obratno • Samostojni predvajalniki v resnici ne podpirajo XviD, DivX ipd, temveč samo H.263

14. Zgodovina DivXa • DivX 3.11alpha je Microsoftov kodek, namenjen samo .asf • Jerome Rota “popravi” to napako; Microsoft je hud • Taisti Rota ustanovi DivXNetworks, začne tržiti DivX4.0 in pozabi omeniti, da je bil to odprtokodni projekt z mnogimi avtorji;ostali sodelavci so hudi • “Užaloščeni ostali” sestavijo XVid • Rotov DivX (takrat že 5.0) se dokončno zagabi z AdWareom (in to najhujšim: Gator) • Danes: • DivX je v verziji 6.0 in nima več SpyWarea (pa tudi uporabnikov ne) • XVid je odprtokodni in da pri isti dolžini datoteke boljšo kvaliteto slike

15. H.264 in VC-1 • H.264 (ali AVC) je izboljšani H.263 • dovoli, da kodek pri stiskanju razbija 16x16-bloke na še manjše bloke, do 4x4 • cena: • približno dvakrat počasnejše kodiranje • samostojni predvajalniki tega standarda (še) ne podpirajo • tudi Pentium < 1 GHz ima lahko težave pri predvajanju • H.264 je del standardov HD DVD in BluRay ter HDTV,torej se bodo kmalu pojavili in pocenili predvajalniki • VC-1 (Windows Media Video 9) • Alternativa H.264 • Microsoftov kodek (v sodelovanju s 15 drugimi, ki si bodo delili zaslužek od patentov) • Tudi VC-1 je (poleg H.264 in Mpeg-2) kodek v BluRay in HD DVD

16. DV • Kodek iz 1996, ki ga uporabljajo digitalne video kamere • Precej podoben MPEG-2 s samimi I-framei: • podvzorčevanje barv 4:1:1 • vsaka slika je stisnjena z diskretno Fourierovo transformacijo • ni odpravljanja časovnih redundanc • cca 36 MB/s • v računalnik navadno prenesemo s FireWire in shranimo kot AVI (preden kodiramo naprej)

17. Original DivX

18. Original XviD

19. Original Ateme (AVC)

20. Original XviD AVC

21. Original x.264

22. ASP XviD DivX LMP4 NeroDigital ASP HDX4 AVC 1-2. Ateme, x264 3. Elecard 4-5. XviD AVC, VP7 Primerjava kodekov (po kvaliteti slike) http://www.doom9.org/index.html?/codecs-main-105-1.htm