MPEG-2

MPEG-2 הוא תקן פופולרי לדחיסה וקידוד דיגיטלי של וידאו ואותות שמע (Audio) שפותח על ידי Moving Picture Experts Group (ראשי התיבות של MPEG). התקן מבוסס על שיטות דחיסה מאבדת נתונים (lossy). התקן נוצר כשדרוג ל-MPEG-1 שקדם לו והוא מבוסס עליו. הוא בעל תאימות לאחור ומכיל את כל התכונות של MPEG-1, אך עולה עליו באיכות התמונה והשמע, באיכות הדחיסה, ובגמישותו הרבה. הוא נועד להחליף את ישומי הווידאו האנלוגי ונפוץ כיום ברוב ישומי הטלוויזיה הדיגיטלית כמו שידורים בלוויין ובכבלים, נגני DVD ועוד. במרבית היישומים יהיו מאפייני התצוגה כמו גודל התמונה ותדר התצוגה זהים לאלו ששימשו בטלוויזיה בעלת הפרדה סטנדרטית (SD). ישומי טלוויזיה בהפרדה גבוהה (HDTV) מבוססים בדרך כלל על תקן MPEG-4 המתקדם יותר. התקן מחולק לפרקים בהתאם לסוגי המידע בהם הוא מטפל. העיקריים שבהם מתייחסים למערכת (system), לווידאו ולשמע. חלק 1 - המערכת, מתאר אפשרויות לפורמט מכל עבור המדיה: transport stream אשר מותאם לשידור זורם, כגון שידורי טלוויזיה, ו - program stream אשר מותאם לקובץ בהתקן אחסון כגון DVD. חלק 2 - הווידאו, מתאר את מבנה הנתונים והאלגוריתמים לדחיסת הווידאו. חלק 3 ו-7 - השמע, מתאר את מבנה הנתונים והאלגוריתמים לדחיסת שמע. חלקים נוספים מכילים הנחיות לבדיקה ותוספות שונות. השימוש בקוד MPEG-2 דורש מקודד, אשר הופך את המידע המקורי (תמונה וקול) לרצף של קוד דיגיטלי שיקרא זרם MPEG, ומפענח אשר קורא את הרצף ומשחזר את המידע המקורי. זרם של קוד MPEG מכיל כמה זרמים בסיסיים (Elementary Stream) שונים ונבדלים. במקרה הפשוט יהיו אלה זרם השמע וזרם הווידאו. כל אחד מהזרמים נקצץ לחבילות בסיסיות (Packet) בגודל קבוע והחבילות "נארזות" מחדש, לסירוגין, בלווית תקורה מתאימה (Header) כך שהמפענח יוכל לזהות את מקורן ולבנות מחדש את הרצף. רמת המערכת מכילה גם נתונים שאינם שמע או וידאו כגון כתוביות, תאריך, מידע על הסרט ועוד. בגלל השוני בישומים וצורת השימוש מבחינים בין מערכת שנועדה לשידורים, Transport Stream ובין זו שמיועדת לקובצי אחסון כמו ב-DVD שנקראת Program Stream. קובץ ב-DVD למשל יכול להכיל כמה זרמי שמע לתמיכה בשפות שונות. לעומת זאת, זרם משודר יכיל בדרך כלל כמה ערוצי טלוויזיה שונים ואת לוח השידורים. כל אחת מהמערכות משתמשת בחלק מהאפשרויות הרבות שמציע MPEG-2. תצוגת וידאו מורכבת מרצף של תמונות. זרם הווידאו של MPEG-2 מורכב מרצף של נתונים דחוסים המאפשרים לשחזר ולהציג את התמונות בזו אחר זו. בשידור של זרם וידאו או בקריאה מנגן DVD, חייב קצב התמונות בקוד להתאים לקצב התצוגה, כלומר 25 או 30 תמונות בשנייה, תלוי בשיטת התצוגה, PAL או NTSC. כל תמונה יכולה להופיע כיחידה אחת, תמונת מסגרת (Frame), או כשתי תמונות שדה (Fields) עוקבות המכילות לסירוגין את קווי התצוגה האי-זוגיים והזוגיים. שידור ותצוגה בשיטה זו נקראים סריקה שלובה (Interlaced). תקן MPEG-2 תומך בשני סוגי התמונות. במקרה של תמונות שדה, התמונות ישודרו ויוצגו בתדר כפול. התמיכה בתמונות שדה (Field Picture) היא אחד השיפורים בהשוואה ל-MPEG-1. המידע המשמעותי מבחינה כמותית בזרם MPEG הוא אות החוזי (התמונה). יש שתי רמות בהן דוחסים את המידע: דחיסה מרחבית - כלומר דחיסת המידע שבמרחב התמונה. דחיסה זאת נעשית ברמת התמונה הבודדת. כל מסגרת וידאו היא למעשה תמונה דיגיטלית והיא נדחסת בשיטות המקובלות לדחיסת תמונות, באופן דומה לדחיסת JPEG, תוך ניצול העובדה שהעין האנושית מתעלמת מחלק משמעותי מהמידע שבתמונה (למשל, הרגישות לצבע נמוכה יותר מהרגישות לערכי בהירות). בנוסף מנצלת הדחיסה את העובדה שחלק מהמידע בתמונה חוזר על עצמו (למשל, פיקסלים סמוכים דומים זה לזה). דחיסה טמפורלית (בציר הזמן). דחיסה זו מנצלת את העובדה שבדרך כלל בצילום וידאו יהיו שתי תמונות עוקבות כמעט זהות זו לזו. לפיכך, אם תמונה אחד קודדה במלואה, מספיק לקודד את ההבדלים כדי לקבל את התמונה הבאה. קוד ה-MPEG-2 של התמונה מאפשר למפענח לשחזר את התמונה שתוצג. מכיוון שחלק מהתמונות נשמרות במלואן בעוד שרוב התמונות שומרות רק את ההבדלים, קיימים ב-MPEG-2 כמה סוגי תמונות (אף על פי שתמונה יכולה להיות מסוג מסגרת (Frame) או שדה (Field), המונח הנפוץ הוא Frame והוא מתייחס רק לשיטת הקידוד שלהלן). I-Frame - מהמילה Intra. הקוד מאפשר לשחזר את התמונה המלאה באופן עצמאי, ללא תלות בתמונה אחרת. (מסומנת באות I). P-Frame - מהמילה Predictive. התמונה המקודדת, שתוצג רק בהמשך, מכילה את השינוי מתמונת ה-I או ה-P שקדמה לה ומבוססת עליה (מסומנת באות P). B-Frame - מהמילה Bidirectional. מכילה את ההבדל מתמונת I או P שקדמה לה וגם מזאת שבאה אחריה, כלומר השחזור הוא לשני הכיוונים וזה מקור השם. כמות המידע המקודד בתמונה זו היא הקטנה ביותר. איכות התמונה פחותה ואילו הדחיסה מקסימלית. אינה משמשת כפריים התייחסות. (מסומנת באות B). מכיוון שפיענוח תמונת B מבוסס על תמונת P שתוצג אחריה, יש צורך לפענח את תמונת ה-P לפני תמונת ה-B. על כן, בקוד שבזרם ה-MPEG-2 חייבת תמונת P להופיע לפני תמונת ה-B שתלויה בה. כלומר, סדר הופעת התמונות בקוד אינו זהה לסדר התצוגה. כדי לפענח תמונת B יש צורך בזיכרון שישמור את שתי התמונות האחרות. כל רצף תמונות לפיענוח חייב להתחיל בתמונה מסוג I. רצף תמונות נקרא GOP (ראשי תיבות של Group Of Pictures). רצף התמונות הוא לרוב (...IBBPBBP(IBBP אך ניתן להגדיר רצף אחר. ככל שיהיה הרצף ארוך תושג דחיסה רבה יותר, שכן כמות המידע בתמונת I גבוהה בסדרי גודל. מצד שני, כאשר מתחילים בפיענוח זרם וידאו, למשל אחרי החלפת ערוץ בממיר, יש להמתין להופעה של תמונת I כדי להתחיל את פענוח התמונות, שכן יתר התמונות מתבססות עליה. לכן תופיע תמונת I בדרך כלל בכל חצי שנייה. MPEG-2 תומך בשני תקנים לקידוד ודחיסה של אותות שמע. MP3, שהופיע כבר ב-MPEG1, שופר ושודרג כדי לאפשר שמע ב-5 ערוצים, כמו במערכת קולנוע ביתי. כן נוספה שיטה חדשה ועדיפה - AAC. זרמי השמע והווידאו שהם כאמור זרמים נפרדים מכילים אותות תזמון כדי לסנכרן בין הסרט לפס הקול. H.264 MP3 JPEG MPEG-2 באתר MPEG סקירה על MPEG-2 בדף בית הספר להנדסה של אוניברסיטת אברדין מדריך MPEG-2 למתחילים (אורכב 18.10.2019 בארכיון Wayback Machine) באתר סדנאות התכנה של האוניברסיטה הנורווגית למע וטכנולוגיה