MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital Miguel B. C. Rasia Rodrigo L. Marca Uilian L. Souza Prof. Orientador: Marcus Vinícius

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


Miguel B. C. RasiaRodrigo. L. MarcaUilian L. Souza

TV Digital

Padrões existentes: Americano (ATSC) Europeu (DVB) Japonês (ISDB)

Suportam SDTV ou HDTV Utilizam a norma MPEG-2 como padrão

de compressão



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



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



MPEG-2

Técnicas de Compressão:

Elimina redundâncias espacial e temporal Transformada Discreta de Cosseno – DCT Predição com compensação de movimentos



Técnica de Compensação de Movimentos

- =

Utilizando a compensação de movimentos



Transformada Discreta de Cossenos - DCT



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




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




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.



Exemplo de um grupo de imagens



MPEG-2

CM

CONTROLE

DCT-1

GQ

BV

Q-1

CTVQDCT+

-

+

+

CODIFICADOR



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.



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



MPEG-4



MPEG-4



Análise Experimental

Seqüências de teste Conversão YUV para RGB Compressão e descompressão de cada

seqüência Comparação Análise dos resultados



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



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:



<------------------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



Escolha dos Codecs

Codec MPEG-2 AVS Video Converter 2.4

Codecs MPEG-4 DivX 5.1.1 Microsoft MPEG-4 Video Codec V2



Foreman

AVS Video Converter 2.4 – MPEG2

500kbps

DivX 5.1.1 – MPEG4

500kbps



Resultados



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)


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




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



Stefan

AVS Video Converter 2.4500kbps

AVS Video Converter 2.42500kbps



Resultados



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


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)


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




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



Football

DivX 5.1.1 – MPEG44000 kbps



Resultados



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


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)


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




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



Akiyo

DivX 5.1.1 – MPEG44000 kbps



Resultados



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


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)




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


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



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


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


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




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



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



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



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.



FIM

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MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital Miguel B. C. Rasia Rodrigo L. Marca Uilian L. Souza Prof. Orientador: Marcus Vinícius