Post on 17-Apr-2015
MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital
Miguel B. C. RasiaRodrigo L. MarcaUilian L. Souza
Prof. Orientador: Marcus Vinícius Lamar
Curitiba, 25 de Março de 2004
Conteúdo
TV Digital Compressão de Vídeo MPEG-2 MPEG-4 Análise Experimental Conclusões
MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital
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TV Digital
Padrões existentes: Americano (ATSC) Europeu (DVB) Japonês (ISDB)
Suportam SDTV ou HDTV Utilizam a norma MPEG-2 como padrão
de compressão
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Necessidade de Compressão
Sinal de SDTV: Resolução 720x576 pixels Mais de 400.000 pixels por quadro 30 quadros por segundo 24 bits por pixel
Aproximadamente 300 Mbps Em um canal de TV (6 MHz) 20 Mbps
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Padrão MPEG-2
Moving Picture Experts Group Utilizado atualmente nas aplicações de TV
digital, DVD, Video sob Demanda. Objetivos:
Vídeos com alta qualidade Taxas de até 20 Mbps Compatibilidade com sistemas de vídeo entrelaçado Possibilidade de acesso randômico
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MPEG-2
Técnicas de Compressão:
Elimina redundâncias espacial e temporal Transformada Discreta de Cosseno – DCT Predição com compensação de movimentos
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Técnica de Compensação de Movimentos
- =
Utilizando a compensação de movimentos
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Transformada Discreta de Cossenos - DCT
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Tipos de Quadros Utilizados
Quadros Tipo I (intra-codificados): São codificados através da DCT; Não são relacionados a outros quadros; Possibilitam acesso randômico; Maior qualidade Menor taxa de compressão
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Tipos de Quadros Utilizados
Quadros Tipo P (preditivo): Diferença entre quadro atual e anterior
(DPCM); Pode ser originado de quadro tipo I ou P; Técnica de compensação de movimentos; DCT Qualidade mais baixa Taxa de compressão mais alta
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Tipos de Quadros Utilizados
Quadros Tipo B (preditivo bidirecional): Diferença entre quadro atual, anterior e posterior
(DPCM); Pode ser originado de um quadro tipo I ou P; Técnica de compensação de movimentos; DCT; Menor qualidade; Maior taxa de compressão.
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Exemplo de um grupo de imagens
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MPEG-2
CM
CONTROLE
DCT-1
GQ
BV
Q-1
CTVQDCT+
-
+
+
CODIFICADOR
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MPEG-4
Aplicações em: TV Digital, Imagens Interativas e Internet.
Codificadores especializados em compressão de áudio, vídeo, texto e objetos sintéticos.
Melhor precisão na estimação de movimentos e aplicação de filtros espacial e temporal para eliminação de ruídos.
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MPEG-4
Características: Representação de objetos de
vídeo independentes. Interatividade:
o Mudar a posição geométrica dos objetos.
o Modificar atributos dos objetos.
o Remover, adicionar ou trocar objetos.
Acesso randômico eficiente Processo dinâmico e reversível
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MPEG-4
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MPEG-4
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Análise Experimental
Seqüências de teste Conversão YUV para RGB Compressão e descompressão de cada
seqüência Comparação Análise dos resultados
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Parâmetros de Análise
Erro Médio Quadrático
Relação Sinal-Ruído de Pico (dB)
Taxa de bits: MPEG-4: até 4000 kbps MPEG-2: até 2500 kbps – limitação do codec
Taxa de Compressão
L
n
C
m
mnImnICL
EMQ1 1
2,ˆ,
1
EMQPSNR
2255log10
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Seqüências de teste
Formato CIF: 352 x 288 pixels 30 quadros por segundo Formato 4:2:0 Taxa necessária para transmissão sem
codificação: 37Mbps Arquivos YUV:
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<------------------LUMINÂNCIA------------> <---CROMINÂNCIA-->
Conversão YUV para RGB
Utilização de Software Matlab Expandir Matrizes U e V (176x144) para
352x288 pixels. Conversão dos bits:
v
u
y
b
g
r
.
000,0772,1000,1
714,0344,0000,1
402,1000,0000,1
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Escolha dos Codecs
Codec MPEG-2 AVS Video Converter 2.4
Codecs MPEG-4 DivX 5.1.1 Microsoft MPEG-4 Video Codec V2
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Foreman
AVS Video Converter 2.4 – MPEG2
500kbps
DivX 5.1.1 – MPEG4
500kbps
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Resultados
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ResultadosForeman - EMQ / Taxa de Bits
5
15
25
35
45
55
65
500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000
KBPS
EM
Q
MPEG4 - DivX 5.1.1MPEG4 - MS Video Codec V2MPEG2 - AVS Video Converter 2.4
Foreman - PSNR / Taxa de Bits
28
30
32
34
36
38
40
500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000
KBPS
PS
NR
(d
B)
MPEG4 - DivX 5.1.1MPEG4 - MS Video Codec V2MPEG2 - AVS Video Converter 2.4
Foreman - Taxa de Compressão
15
35
55
75
95
115
135
500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000
KBPS
Taxa d
e C
om
pre
ssão
MPEG4 - DivX 5.1.1MPEG4 - MS Video Codec V2MPEG2 - AVS Video Converter 2.4
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Resultados
EMQ do MPEG-2 superior ao do MPEG-4 Vídeo MPEG-4 com qualidade superior ao
MPEG-2 (PSNR do MPEG-2 é menor) Nas taxas entre 1000kbps e 2500kbps, a
taxa de compressão do MPEG-2 é maior
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Stefan
AVS Video Converter 2.4500kbps
AVS Video Converter 2.42500kbps
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Resultados
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ResultadosStefan - EMQ / Taxa de Bits
0
50
100
150
200
250
300
500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000
KBPS
EM
Q
MPEG4 - DivX 5.1.1MPEG4 - MS Video Codec V2MPEG2 - AVS Video Converter 2.4
Stefan - PSNR / Taxa de Bits
22
24
26
28
30
32
34
36
38
500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000
KBPS
PS
NR
(d
B)
MPEG4 - DivX 5.1.1MPEG4 - MS Video Codec V2MPEG2 - AVS Video Converter 2.4
Stefan - Taxa de Compressão
0
20
40
60
80
100
120
140
500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000
KBPS
Taxa d
e C
om
pre
ssão
MPEG4 - DivX 5.1.1MPEG4 - MS Video Codec V2MPEG2 - AVS Video Converter 2.4
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Resultados
Resultados semelhantes ao do vídeo Foreman
MPEG-4 superior ao MPEG-2 Maior EMQ ocorre entre os quadros 180 e
200, onde há maior movimentação
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Football
DivX 5.1.1 – MPEG44000 kbps
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Resultados
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ResultadosFootball - EMQ / Taxa de Bits
0
20
40
60
80
100
500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000
KBPS
EM
Q
MPEG4 - DivX 5.1.1MPEG4 - MS Video Codec V2MPEG2 - AVS Video Converter 2.4
Football - PSNR / Taxa de Bits
28
30
32
34
36
38
40
500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000
KBPS
PS
NR
(d
B)
MPEG4 - DivX 5.1.1MPEG4 - MS Video Codec V2MPEG2 - AVS Video Converter 2.4
Football - Taxa de Compressão
10
30
50
70
90
110
500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000
KBPS
Taxa d
e C
om
pre
ssão
MPEG4 - DivX 5.1.1MPEG4 - MS Video Codec V2MPEG2 - AVS Video Converter 2.4
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Resultados
DivX 5.1.1 continua apresentando os melhores resultados (PSNR de 40dB)
MPEG-2 apresenta uma taxa de compressão maior entre 600 e 2500kbps
Grande movimentação nos primeiros quadros aumenta o EMQ
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Akiyo
DivX 5.1.1 – MPEG44000 kbps
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Resultados
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ResultadosAkiyo - EMQ / Taxa de Bits
2
4
6
8
10
12
14
16
18
500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000
KBPS
EM
Q
MPEG4 - DivX 5.1.1MPEG4 - MS Video Codec V2MPEG2 - AVS Video Converter 2.4
Akiyo - PSNR / Taxa de Bits
35
37
39
41
43
45
500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000
KBPS
PS
NR
(d
B)
MPEG4 - DivX 5.1.1MPEG4 - MS Video Codec V2MPEG2 - AVS Video Converter 2.4
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Akiyo – Taxa de Compressão
20
40
60
80
100
120
140
160
180
500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000
KBPST
axa
de
Co
mp
ress
ão
MPEG4 - DivX 5.1.1MPEG4 - MS Video Codec V2MPEG2 - AVS Video Converter 2.4
Resultados
Resultados semelhantes aos anteriores Codec Microsoft atinge o limite de qualidade em
1000kbps. Apesar de aumentarmos a taxa de bits a taxa de compressão não se altera
Codecs MPEG-4 apresentaram uma taxa de compressão menor ao MPEG-2 em todas as simulações
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Média das Simulações
EMQ / Taxa de Bits
5
25
45
65
85
105
125
500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000
KBPS
EM
Q
MPEG4 - DivX 5.1.1MPEG4 - MS Video Codec V2MPEG2 - AVS Video Converter 2.4
PSNR / Taxa de Bits
29
31
33
35
37
39
41
500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000
KBPS
PS
NR
MPEG4 - DivX 5.1.1MPEG4 - MS Video Codec V2MPEG2 - AVS Video Converter 2.4
Taxa de Compressão
20
40
60
80
100
120
500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000
KBPS
Tax
a d
e C
om
pre
ssão
MPEG4 - DivX 5.1.1MPEG4 - MS Video Codec V2MPEG2 - AVS Video Converter 2.4
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Resultados Finais
DivX apresentou o melhor desempenho MPEG-2 apresentou erros muito maiores Diferença de qualidade entre os dois
padrões é ainda mais clara em seqüência com bastante movimentação
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Resultados Finais
Em um vídeo com pouca movimentação todos os codecs apresentaram ótimos resultados:
CODEC (utilizando o vídeo Akiyo)
PSNR média (2500kbps)
DivX 43,07
MS V2 40,15
AVS 38,90
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Resultados Finais
Cenas com pouco movimento geram erros menores
É possível minimizar os erros aumentando a taxa de bits
No vídeo Stefan, onde há bastante movimentação, os codecs MPEG-4 ficaram com 9dB acima do MPEG-2
DivX apresenta limitação em torno de 2500kbps. Abaixo de 500kbps os arquivos em MPEG-4 apresentam-se menores do que com o MPEG-2
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Conclusão
Fatores fundamentais para a análise de uma compressão: Taxa de transmissão Fidelidade com o vídeo original Complexidade do algoritmo
MPEG-4 melhor desempenho e maior possibilidade para novos serviços.
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FIM