עמוד הבית -> דחיסת תמונה - תקן לוידאו בידורי - MPEG

תקן זה נקרא MPEG על שם קבוצת המומחים שגיבשה אותו. התקן מיועד לדחיסת רצף תמונות וידאו לשימושים בידוריים ואחרים. הגדרה זו היא רחבה וכוללת שידורי טלוויזיה, הקלטת וידאו דיגיטלית (אופטית או מגנטית), וידאו ממוחשב לשימושי מולטימדיה וכו'. בכל השימושים הללו מדובר בתמונת בעלות מידע רב יחסית. כיום תמונה טיפוסית מכילה 512 * 512 פיקסלים צבעוניים, ובעתיד מדובר בערך על פי 4 מכך. כמות מידע זו גדולה בהרבה מזו של תמונות וידאו טלפוני. מאידך, בשימושים לא טלפוניים אין מגבלה כה חריפה על רוחב הפס של האות הדחוס: שידורי טלוויזיה מתבצעים כיום ברוחב פס של כמה MHz, תקשורת מחשבים בקצב של 1.5Mb/s היא דבר מקובל, וזהו גם הקצב המקובל לקריאה מזיכרון אופטי דיגיטלי (CD-ROM).
יחס הדחיסה הנדרש לתקן של וידאו בידורי דומה לזה הנדרש בתקן הוידאו הטלפוני CCITT H.261. בכל זאת קיים הבדל בסיסי בין שני סוגי השימושים המצריך קביעת תקן שונה. כשמדובר בוידאו טלפוני קיים אמנם מגוון רחב של קצבי שידור אפשריים (ולכן גם רמות דחיסה), אולם ביסודו של דבר מדובר ביישום אחד מוגדר היטב: התמונות מופיעות בזו אחר זו, נדחסות בזמן אמיתי (עד כדי השהיה), זמן הפריסה בהכרח דומה לזמן הדחיסה, והתקשורת היא דו-כיוונית (כלומר כל מכשיר טלפון משמש לדחיסה ולפריסה כאחד).
לעומת זאת, בתחום הוידאו הבידורי ישנם הבדלים מהותיים בין סוגים שונים של יישומים. אם רוצים להגדיר תקן שיתאים לכל היישומים, יש לקחת בחשבון את התכונות הייחודיות הדרושות לדחיסה ביישומים שונים.

קיימות חמש דרישות עיקריות מתקן MPEG:

1. אפשרות גישה אקראית לתמונה הדחוסה - ברצף מוקלט של תמונות, לעיתים קרובות יש צורך לגשת במהירות לנקודה כלשהי על הסרט ולשפר ממנה והלאה. כמו כן, יש צורך לבצע חיפושים מהירים ברצף (קדימה או אחורה), לערוך בו קטעים ולעיתים גם לבצע שיפור אחורה. בכל המקרים הללו אין כל קושי, אם כל מסגרת דחוסה לכשעצמה - ללא קשר למסגרות שסביבה. אולם יחס הדחיסה המתקבל בדחיסה פנים-מסגרתית בלבד אינו מספיק (עד 25:1 לערך - כמו JPEG, בעוד שנחוץ יחס של 100:1 לפחות). לכן חובה להשתמש גם בדחיסה בין מסגרתית, כמו בתקן CCITT. אולם, במקרה זה לא ניתן לגשת לכל נקודה ברצף, כי כדי לפרוס מסגרת יש לדעת את אלו שקדמו לה.
   כדי לפתור את הבעיה ניתן לפזר לאורך הרצף תמונות שלמות - דחוסות באופן פנים-מסגרתי בלבד - כך שיהוו מעין נקודות גישה לרצף, שפריסתן לא תחייב ידיעת תמונות קודמות. כפי שצוין קודם, פיזור מסגרות שלמות מגדיל גם את חסינות הרצף הדחוס להופעת שגיאות המתפשטות לאורכו. אולם, ככל שמפוזרות יותר תמונות שלמות, קטן יחס הדחיסה הממוצע ברצף. לכן, לכל שימוש יש מינון אופטימלי שונה של מסגרות "שלמות" לאורך הרצף. בתקן MPEG נעשה מאמץ לשמור על גמישות מרבית בעניין זה.
2. אפשרות לאסימטרייה בין זמני הדחיסה והפריסה - עד עכשיו ראינו דוגמאות לתהליכי דחיסה / פריסה סימטריים, שבהם זמן הדחיסה שווה בערך לזמן הפריסה, ושניהם מוגבלים ע"י קצב מסגרות הוידאו. סימטרייה זו הכרחית ביישומי זמן אמת, כדוגמת דחיסת וידאו טלפוני. אולם הזמן הקצר המוקצה לדחיסה מגביל בהכרח את איכותה, כלומר את יחס הדחיסה ואת איכות התמונה המתקבלת.
   ביישומים מסוימים ניתן להאריך את זמן הדחיסה הרבה מעבר לזמן הפריסה (אשר בכל מקרה חייב להישאר קטן מזמן המסגרת). במקרה כזה, מדובר בתהליך דחיסה / פריסה אסימטרי.
   אסימטרייה כזו אפשרית, משום שממילא עיקר המאמץ החישובי מושקע בדחיסה. דבר זה נכון, בעיקר לדחיסה הבין מסגרתית: ככל שהזמן המוקצה לחישוב התנועה בין מסגרות וידאו עוקבות יהי ארוך יותר, ניתן יהיה להרחיב את אזור החיפוש, והדחיסה תשתפר. מצד שני, מבחינת המערכת הפורסת - שמקבלת רק את התוצאה הסופית של החישוב (כלומר וקטור התנועה), אין חשיבות למשך הזמן שנדרש לחישוב.
   עיקר השימוש בדחיסה אסימטרית הוא בהקלטה: תקליטור הוידאו מוקלט במפעל, תוך שימוש במחשב חזק (בד"כ עם חומרה ייעודית יקרה) ובזמן חישוב בלתי מוגבל כמעט. לעומת זאת, הפריסה חייבת להתבצע במכשיר ביתי (בעל כושר חישוב מוגבל) ובזמן אמיתי. מבחינת תקן הדחיסה, באופן שבו בוצעה וביישום שלו היא מיועדת (שידור טלוויזיה, הקלטה בתקליטור וכו').
3. גמישות מרבית של מבנה התמונה - רצף תמונות וידאו מאופיין ביקר ע"י גודל המסגרת (מספר הפיקסלים בכל כיוון) וקצב המסגרת. מגוון השימושים הרחב שמיועד לתקן MPEG מכתיב גמישות מרבית של מבנה התמונה, בעיקר בגלל הרצון להכניס רצף תמונות וידאו למחשב; כללית, הכוונה לאפשר מצב של וידאו בחלון, כאשר גודל החלון וקצב החלונות ניתנים לבחירה חופשית - על פי רצון המשתמש, מגבלות המחשב וכיו"ב. לשם השוואה, בתקן CCITT דובר על שני סוגי תמונה בלבד (CIF ו-QCIF), אם כי במגוון רחב של קצבים אפשריים.
4. כיסוי מלוא תחום רמות האיכות של רצף תמונות הוידאו - באופן כללי, ניתן להבחין בין 4 רמות של רצף תמונות וידאו (מן הנמוכה לגבוהה): איכות וידאו טלפוני, איכות הקלטה ביתית (VHS), איכות שידור טלוויזיה והקלטה מעולה, ואיכות HDTV. מעשית, רמת האיכות נקבעת ע"י קצב סיביות האות הדחוס, שנע בין כמה עשרות kb/s (בוידאו טלפוני) לכמה עשרות MHDTV). מדובר אם כן בתחום רחב מאד של קצבי מידע. באופן מעשי, לא ניתן לכשות אותו באמצעות תקן יחיד, ולכן מדובר כיום על מספר דורות של תקני MPEG:

א. MPEG-1 - תקן MPEG המקורי, שהופעל בשנת 1990, ומיועד לדחיסת וידאו לקצב של עד 1.8 Mb/s.
ב. MPEG-2 - תקן לדחיסת וידאו בקצבים גבוהים, בתחום 2-20Mb/s, לצורכי הטלוויזיה העתידית (HDTV). תקן זה הופעל בשנת 1994.
ג. MPEG-4 - תקן לדחיסת וידאו טלפוני בקצבים נמוכים מאד, אך באיכות גבוהה בהרבה מזו המתקבלת בתקן CCITT. תקן זה נמצא עדיין בשלבי התגבשות ראשוניים. שיטות הדחיסה שמשמשות כבסיס לתקן זה הן דחיסה פרקטאלית ודחיסת גליות. שיטות אלו, אשר עדיין מצויות בשלבי מחקר, מאפשרות יחסי דחיסה גבוהים פי כמה מדחיסות ההתמרה המקובלת. מצד שני, אלה הן שיטות בעלות אסימטרייה גבוהה, בעיקר דחית הפרקטאלים, שבה יחס טיפוסי בין זמני הדחיסה הפריסה הוא 60:1.
ד. MPEG-7 - תקן לתיאור וחיפוש של קול ומידע ויזואלי.

במקור דובר גם על פיתוח תקן MPEG-3, אשר עסק בקצבים של 20-40Mb/s לצורך HDTV. אולם הסתבר, שניתן להרחיב את התקנים הקודמים (MPEG-1 ו-MPEG-2), כך שיכסו גם תחום זה. לכן בוטל תקן (עתידי) זה. העבודה של התקן החדש MPEG-21 מסגרות עבודה של מולטימדיה - החלה ביוני, 2000.