Mały, mniejszy, odpowiedni

Oglądając filmy zapisane w postaci komputerowych plików, zwykle nie zdajemy sobie sprawy ze stopnia komplikacji algorytmów, które nam to umożliwiają. Prace nad formatami zapisu wideo trwają już wiele lat. I nie jest to ostatnie słowo projektantów

Pierwsze próby zmniejszenia objętości cyfrowo zapisanego obrazu zostały podjęte już w latach… 60., kiedy zaczęto budować systemy telekonferencyjne. Rezultaty owych prac nie były jednak zbyt obiecujące – wydajność dostępnych wtedy układów elektronicznych umożliwiała co najwyżej zbudowanie kalkulatora wielkości szafy, wykonującego kilka tysięcy mnożeń w ciągu sekundy. Do intensywnych prac nad metodami kompresji obrazu powrócono na początku lat osiemdziesiątych – wtedy to telekonferencjami zainteresowali się biznesmeni skłonni wydawać spore kwoty na potrzebny do tego celu sprzęt, a technologia produkcji układów scalonych pozwalała już na produkowanie dostatecznie szybkich procesorów. Wkrótce zatwierdzony został telekomunikacyjny standard H.261, umożliwiający wymianę obrazu między terminalami wideokonferencyjnymi połączonymi siecią komputerową. Dziś technologia H.261 może wzbudzać śmiech: przy przesyłaniu danych z maksymalną prędkością 2 Mbit/s (a więc około dwu-trzykrotnie szybciej niż w przypadku popularnych dziś filmów DivX) możliwe było uzyskanie nieco zniekształconego obrazu o rozdzielczości 352×288 punktów. O standardzie H.261 nikt by dziś nie pamiętał, gdyby nie to, że po raz pierwszy zastosowano w nim praktycznie tzw. dyskretną transformację kosinusową (patrz: $(LC85691:Kodeki obrazu: jak to działa)$), która do dzisiaj stanowi podstawę prawie wszystkich metod kompresji obrazu i dźwięku. Choć technika H.261 nigdy nie zdobyła dużej popularności, to doświadczenia uzyskane podczas jej opracowywania przyczyniły się do powstania dobrze nam dziś znanego standardu JPEG, który jest powszechnie wykorzystywany do zapisywania cyfrowych zdjęć.

Siły na zamiary

Ponieważ twórcy H.261 zdawali sobie doskonale sprawę ze słabości tego rozwiązania, wkrótce podjęto prace nad jego udoskonaleniem. W ten właśnie sposób w roku 1992 narodził się MPEG-1, czyli pierwszy standard kompresji filmów, który wytrzymał próbę czasu. Choć MPEG-1 jest stosowany nawet dzisiaj, początkowo nic nie wskazywało na jego sukces. Owszem, założenia, jakie narzucili sobie twórcy, czyli możliwość przesyłania obrazu o jakości odpowiadającej nagraniom VHS w strumieniu o przepływności 1,5 Mbit/s, udało się spełnić. Z praktycznym zastosowaniem tej techniki było już jednak znacznie gorzej. Pamiętajmy, że działo się to w czasach, gdy za wydajny komputer uchodziła jednostka wyposażona w procesor 386 pracujący z częstotliwością 40 MHz, a osoby żądające maksymalnej wydajności mogły nabyć kość Intel 486 DX 50 MHz, wydając 18 milionów ówczesnych złotych (1800 zł dziś). Tymczasem ze specyfikacji MPEG-1 jasno wynika, że z obliczeniami potrzebnymi do dekodowania filmu poradzić sobie może dopiero jednostka pracująca z częstotliwością co najmniej 150 MHz.

Tuż po swojej premierze technologia MPEG-1 stała się więc raczej ciekawostką, o której słyszeli wyłącznie naukowcy pracujący nad rozwojem kolejnych koderów obrazu. Ponieważ jednak multimedia zaczęły coraz śmielej wkraczać do świata pecetów, konieczne stało się znalezienie technik umożliwiających zapisywanie filmów w formatach, których dekodowanie byłoby możliwe za pomocą ówczesnych maszyn. W ten właśnie sposób na rynku pojawiły się dwa nowe kodeki: Intel Indeo oraz Cinepak. Z punktu widzenia jakości tak kompresowanych filmów, trudno je nazwać przełomowymi. Wręcz przeciwnie – oba ustępowały pod tym względem standardowi MPEG-1, lecz miały niepodważalną zaletę: działały płynnie nawet na komputerach klasy 486.

Ucieczka do przodu

Autorzy specyfikacji MPEG-1 byli jednak wizjonerami. W czasie, gdy nic nie zapowiadało sukcesu pierwszej generacji ich algorytmu, rozpoczęli prace nad jego nową wersją oraz przedstawiali coraz ambitniejsze plany zastosowania standardu. Telewizja cyfrowa wysokiej rozdzielczości HDTV, zapis pełnometrażowego filmu dobrej jakości na jednej płycie optycznej o średnicy 12 cm – na początku lat dziewięćdziesiątych realizacja owych pomysłów wydawała się bardzo odległa. Mimo tego w roku 1994 specyfikacja MPEG-2 została ukończona.

Pod względem efektywności kompresji filmów standard ten nie odbiegał daleko od MPEG-1 – przy zachowaniu takiej samej jakości obrazu pozwalał on zmniejszyć objętość plików tylko o ok. 15-20%. Nie powinno to zresztą dziwić: algorytmy w nim użyte zostały ulepszone w stosunkowo niewielkim zakresie. O sile specyfikacji MPEG-2 stanowiła jednak jej elastyczność. W MPEG-1 maksymalna rozdzielczość obrazu nie może przekraczać 352×240 punktów, a ilość danych opisujących sekundę filmu 1,5 Mbit. Z góry wyklucza to przetworzenie materiału o jakości, która mogłaby zadowolić większość użytkowników. Technologia MPEG-2 była tymczasem od początku przygotowywana z myślą o najróżniejszych zastosowaniach. W tym celu wprowadzone zostały tzw. profile (profiles) i poziomy (levels). Profil decyduje, jak zaawansowane techniki kompresji mogą być zastosowane w danym strumieniu, a poziom określa maksymalną rozdzielczość obrazu. Dzięki temu każdy, kto projektuje system służący do przesyłania bądź gromadzenia filmów, może wybrać taką wersję algorytmu, która najlepiej odpowiada potrzebom i jest wystarczająco szybka w stosunku do dostępnego sprzętu. Jeśli więc nie zależy nam na wysokiej rozdzielczości obrazu i dysponujemy niską mocą obliczeniową, możemy zdecydować się na tzw. tryb Main profile at low level (w skrócie [email protected]), podczas gdy do zarchiwizowania filmu o rozdzielczości HDTV należy raczej użyć mechanizmu High profile at High Level ([email protected]). Szczegółowe porównanie poszczególnych technik przedstawione jest w tabelkach (patrz: $(LC85683:Mały, mniejszy, odpowiedni)$).

Telewizja jutra

Opracowanie standardu MPEG-2 pozwoliło przystąpić do prac nad cyfrową telewizją o jakości przewyższającej klasyczne, analogowe transmisje TV oraz nad zapisem filmów na niewielkich płytach optycznych. Pod względem dostępnych technologii obie nowinki były już gotowe do wprowadzenia na rynek w połowie lat dziewięćdziesiątych. Niestety, kłopoty związane z uzgodnieniem technik szyfrowania nagrań i zapobiegania nielegalnemu ich kopiowaniu spowodowały, że ich debiut się przesunął. Mimo początkowych opóźnień standard MPEG-2 jest dziś powszechnie używany. Stanowi podstawę cyfrowej telewizji satelitarnej DVB, wykorzystywanej przez platformy cyfrowe Cyfra+ czy Polsat Cyfrowy. Algorytm MPEG-2 jest także obowiązującym standardem zapisu filmów na płytach DVD.

0
Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.