Przegląd najpopularniejszych metod kompresji plików multimedialnych.

Zapis multimedialnych sekwencji audio/wideo pochłania ogromne ilości pamięci - i tak 1 sekunda nie skompresowanej sekwencji wideo zajmuje ok. 20 MB pamięci masowej. Bez wydajnych metod kompresji zarówno pasma przesyłania danych za pośrednictwem popularnych sieci (LAN, ISDN, POTS), jak i pojemności dysków optycznych (np. DVD/SD) byłyby zupełnie niezadowalające. Istniejące algorytmy kompresji danych są na tyle skuteczne, że umożliwiły szybki rozwój oraz wzrost popularności i zastosowań technik multimedialnych - systemów wideokonferencyjnych, zapisu filmów wideo i plików dźwiękowych na dyskach CD, animacji i grafiki w sieciach komputerowych.

Wydajność kompresji zależy od rodzaju danych i zastosowanego algorytmu. Najpopularniejsze obecnie metody upakowywania informacji znajdujące zastosowanie w różnych dziedzinach związane są ze standardami MPEG, H.261 oraz MJPEG.

MPEG

MPEG jest skrótem nazwy założonego w 1981 r. zespołu Motion Picture Experts Group, działającego pod auspicjami ISO. W roku 1991 powstał pierwszy standard - tzw. MPEG-1. Umożliwia on przesyłanie upakowanych danych z szybkością ok. 1,2 Mbps - dotyczy więc głównie odtwarzaczy CD-ROM. Pierwsze urządzenia zgodne z MPEG-1 to m.in. odtwarzacze CD-I (CD Interactive) firmy Philips.

W roku 1994 wprowadzono kolejny standard - MPEG-2. Dotyczy on głównie TV cyfrowej i współpracujących z odbiornikami urządzeń (set-up boxes) oraz odtwarzaczy DVD. Umożliwia on przesyłanie danych z szybkością 3-15 Mbps. Docelowo MPEG-2 ma być wykorzystywany przez interaktywną telewizję współpracującą z siecią ATM, także telewizję o wysokiej rozdzielczości HDTV.

Kolejny standard MPEG nie będzie związany z kompresją ramek (klatek) wideo i towarzyszących im plików audio - MPEG-4 dotyczy wolnych, interaktywnych aplikacji multimedialnych przesyłanych np. w Internecie. W związku z tym MPEG-4 zajmuje się w mniejszym stopniu wydajnością stosowanych metod kompresji, a skupia się na łatwości dostępu, obsługi i przetwarzaniu danych audio/wideo.

H.261

O ile kompresja MPEG jest stosowana do szybkozmiennych klatek wideo, to w systemach wideokonferencyjnych (tam, gdzie chodzi o "upchanie" obrazu w zwykle niewielkim pasmie przenoszenia wykorzystywanej sieci) stosuje się algorytm kompresji H.261.

Algorytm ten wchodzi w skład standardu H.320 opracowanego przez organizację ITU (dawne CCiTT), która określa m.in. standardy systemów kompresji audio/wideo i szyfrowania przesyłanych danych. Aplikacje zgodne z H.320 pozwalają na łączenie się za pośrednictwem linii o przepustowości, będącej wielokrotnością 64 Kbps. Tak, jak w przypadku ISDN, gdzie najczęściej spotykane połączenia oferują szybkość przesyłania danych wynoszącą 128 Kbps.

H.320 jest zoptymalizowany dla połączeń typu "gadające głowy", kiedy to w oknie wideokonferencyjnym widać niewiele ruchu. Kompresji podlega wówczas tylko ten element obrazu, który zmienia się w czasie trwania sesji połączeniowej.

Nowa wersja tego standardu to H.324 opracowana z myślą o istniejących, analogowych sieciach telefonicznych POTS (Plain Old Telephone Services). I tak dla modemów 28,8 Kbps można zrealizować system wideokonferencyjny wykorzystujący okna o wielkości karty kredytowej ze zmianą ok. 10 klatek/s.

Algorytmy kompresji MPEG i H.261 są oparte na tym samym schemacie DCT (Discrete Cosine Transform). Korzystając z tego podobieństwa, niektórzy z producentów oferują układy scalone, które mogą obsługiwać MPEG, H.320 i H.324. Są to takie firmy, jak ITI (Information Technology Inc.) - układ typu codec VPC (programowalny), oraz AT&T - układ AVP III (nieprogramowalny).

MJPEG

Kompresja JPEG (akronim nazwy zespołu Joint Photographic Experts Groups utworzonego przez ISO i CCITT) określono dla spakowania treści pojedynczych, skanowanych kolorowych zdjęć w granicach skompresowania od 20:1 do 50:1 przy zachowaniu wysokiej rozdzielczości. Algorytm JPEG można stosować w standardzie MJPEG (Motion JPEG) do kompresji każdej klatki filmu oddzielnie, co w trakcie późniejszego montażu pozwala np. na wycięcie środkowych klatek sekwencji wideo bez konieczności dekompresji i kompresji całego filmu (jest to tzw. edycja nieliniowa). Stosuje ją m.in. firma FAST Multimedia AG do obsługi takich urządzeń, jak - tegoroczny laureat Infosystemu - karta wideo AV Master (zob. CW nr 18 z br.).

Zapis terabajtowych plików audio/wideo na dyskach optycznych, a także szybkie ich przesyłanie w sieciach telekomunikacyjnych jest praktycznie niemożliwe bez stosowania wydajnych algorytmów kompresji.

Popularne metody kompresji plików multimedialnych

H.261

Algorytm stosowany przez standardy wideokonferencyjne (jak H.320 czy H.324). Jest podobny w działaniu do MPEG, a dla pracy w czasie rzeczywistym często wymaga współpracujących ze sobą elementów sprzętowych. Ze względu na podobieństwo z MPEG istnieją układy, które obsługują oba algorytmy.

MPEG

Służy do kompresji sekwencji wideo. Standard MPEG-1 stosowany jest przy kompresji/dekompresji wideo odtwarzanego z szybkością 24, 25 i 30 klatek/s z np. wideo dysków CD-ROM.

Standard MPEG-2 pozwala na przesyłanie danych z szybkością 3-15 Mbps. Obsługuje szeroki zakres rozdzielczości i szybkości - ma być stosowany przy odtwarzaniu wideo zapisanych na dyskach DVD (4,69 Mbps). MPEG-2 ma docelowo obsłużyć telewizję HDTV, współpracującą z siecią ATM.

MJPEG

O ile standardy MPEG są stosowane przy dystrybucji wideo, ze standardu MJPEG korzysta się przy edycji nieliniowej. Pozwala na to stosowana przez standard MJPEG kompresja każdej z osobna klatki filmu wideo.