Scopus - Codificação de Vídeo em MPEG-4 - Sidnei Brito

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Codificação de Vídeo em MPEG-4

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Agenda
• O que é MPEG-4
• Evolução da Norma
• Especificação
• Ferramentas e Algoritmos
• Empacotamento
• Aplicações

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Entendendo a Sopa de Letrinhas
• MPEG: Moving Picture Expert Group (ISO)
• VCEG: Video Coding Expert Group (ITU-T)
• JVT: Joint Video Team
• AVC: Advanced Video Coding
• MPEG-4 Parte 10: Nome oficial do ISO/IEC 14496-10-AVC
• H.264: Nome oficial do ITU – Normas da série H – Audio Visual e MM

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Segundo Prato
• VCL: Video Coding Layer
• NAL: Network Abstraction Layer
• CAVLC: Context Adaptative Variable Length Coding
• CABAC: Context Aritmetic Binary Adaptative Coding

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O que é MPEG-4
Norma desenvolvida com o propósito de criar e/ou propor novas
ferramentas para o aprimoramento dos padrões de compressão
de vídeo digital existentes a fim de possibilitar diferentes
aplicações para diferentes meios de transmissão.
Streaming Internet
Celular
ADSL

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Evolução da Norma H.264/AVC
H.264
H.26L - VCEG
H26L: nome extra-oficial para
H.264 dado pelo ITU
MPEG-4
(parte 10)AVC
H.264/AVC (2001)
JVT

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O que o H.264/AVC especifica
• VCL: Video coding layer:
Especifica as ferramentas implementadas para compressão de
vídeo
• NAL: Network Abstraction Layer:
Especifica o mapeamento dos pacotes gerados no VCL para
diferentes meios de transmissão

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Conceito do H.264/AVC
• Usa as ferramentas existentes do MPEG-2:
• GOP
• Quadros I, P, B
• Codificação Intra-Frame
• Codificação Inter-Frame
• Codificação Temporal e Espacial
• Aplicação de DCT – Transformada Discreta Cossenoidal
• Codificação por Entropia

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Conceito do H.264/AVC
• Implementa novas ferramentas do AVC:
• CAVLC
• CABAC
• Loop Deblocking Filter
• Variable Block Sizes
• Multiple Reference Frames
• Define novos “Profiles”
• Baseline
• Main
• Extended
• E seus respectivos “Levels”

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Importante!!
Não existe uma única inovação que possibilita o
ganho em compressão no H.264/AVC e sim um
conjunto de melhorias que geram pequenos ganhos
individuais, possibilitando um significante aumento
na taxa de compressão.

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MPEG-2 = H.264/AVC = 30 qps eu tiro 12 qps
I B P B P B P B P B P B I
GOP = 12
Predictive Frame
Bidirectional
Frame
Intra-Frame
GOP = 12

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MPEG-2: Codificação Intra-Frame
Redução de Dados Irrelavantes:
Não transmite dados que são dispensáveis para a
composição da imagem. Ex: freqüências de cores que não
podem ser detectadas pelo olho humano, vídeo blancking,
amostragem (4:2:2 ou 4:2:0), quantização 12, 10 para 8 bits,
etc...
Redução de Redundâncias:
Pixels com valores próximos são considerados como
idênticos e simplesmente repetidos

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MPEG-2: Codificação Intra-Frame (I)
Quadro 1 (I) Frame
reconstruído
Compressão
Intra-Frame
8x8

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H.264/AVC: Codificação Intra-Frame (I)
Quadro 1 (I) Frame
reconstruído
Maior compressão
Intra-Frame
8x8
4x4

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MPEG-2: Codificação Inter-Frame
Predictive Frame (P)
Quadro comprimido tendo como referência o quadro anterior.
Proporciona maior compressão que o quadro do tipo (I)
Bi-directional Predictive (B)
Quadro comprimido tendo como referência o quadro
imediatamente anterior e também o imediatamente posterior.
Proporciona maior compressão que os quadros dos tipos (I) e (P)

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MPEG-2: Codificação Inter-Frame (P)
(I) Frame é
Armazenado
(P) Frame
Quadro 1 Quadro 2
Vetor de Movimento
16x16

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H.264/AVC: Codificação Inter-Frame (P)
(P) Frame(I) Frame
Utilização de múltiplos frames = Maior Compressão

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H.264/AVC: Compensação de Movimento
16X16
16X8
8X8
8X4
4X4
16X16
16X8
8X8
8X4
4X4
Melhor busca e maior correlação entre blocos = Maior Compressão

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MPEG-2: Codificação Inter-Frame (B)
(I) Frame
já armazenado
Quadro 1
(P) Frame é reconstruído
e armazenado
Quadro 3
(B) Frame
Vetor de Movimento
Quadro 2 é
armazenado

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H.264/AVC: Codificação Inter-Frame (B)
(B) Frame
Utilização de múltiplos frames = Maior Compressão

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MPEG-2: Sequência de Quadros Comprimidos
(B) Frame
Vetor de Movimento
(I) Frame
Quadro 1
(P) Frame
Quadro 3
Vetor de Movimento
Quadro 2

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H.264/AVC: Sequência de Quadros Comprimidos
(B) Frame(I) Frame
Quadro 1
(P) Frame
Quadro 3 Quadro 2

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Transformadas
Após calculado os resíduos de cada quadro, cada índice é
equacionado em matrizes e aplicado a transformada, visando
a normalização e a redução de informações a serem
transmitidas
MPEG-2 = DCT 8x8
H.264 = HCT 4x4

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MPEG-2: Aplicação da DCT
41 27 -3 6
-247 -4 -5 -3
-117 -1 1 -1
-40 -2 2 1
-2 2 -2 2
0 -3 1 1
-1 -1 -1 0
2 1 -2 0
-7 -2 -1 1
-6 1 0 0
-4 -1 -1 1
-3 -3 -1 1
0 -1 -1 2
0 0 -2 -1
-2 -1 -1 -1
0 -1 -1 1
Matriz de coeficientes DCT
H.264/AVC
HCT

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MPEG-2=H.264/AVC: Varredura em ZIG-ZAG
2 2 0 0
20 0 0 0
8 0 0 0
2 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
(2) 2 20 8 0 0 0 0 0 2 0 0 …
Coeficiente DC Coeficientes AC
HCT
DCT

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Run Lenght Encoding - Entropia
AAAABBBBBCCCDD
4(A)5(B)3(C)2D
Tabela de Códigos
01110011000000

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MPEG-2: Huffman - VLC
(2) 2 20 8 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0…
(2) 2 20 8 0 0 0 0 0 2 EOB
VLC = CÓDIGO DE HUFFMAN
(1) 001 00 001 00 111 000 Quadro (I) processado
Predictive Coding

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H.264/AVC: CAVLC ou CABAC
(2) 2 20 8 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0…
(2) 2 20 8 0 0 0 0 0 2 EOB
CAVLC, CABAC
(1) 001 00 001 00 111 000 Quadro (I) processado
Predictive Coding

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CAVLC
Context Adaptative Variable Length Coding
Gera trailers de coeficientes 0, -1, +1
Gera correlação entre índices dos blocos vizinhos
Gera proximidade na magnitude de coeficientes de valores não zeros
Várias tabelas adaptativas dinâmicas

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Exemplo de CAVLC
Bitstream Gerado →→→→ 000010001110010111101101 (24 bits)
Macro Bloco 4x4
Indices reordenados: 0,3,0,1,-1,-1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0
TotalCoef = 5; TotalZeros=3; T1s =3

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CABAC
• CABAC: Context Aritmetic Binary Adaptative Coding
Operações estatísticas
Modelos de probabilidades
Exp-Golomb code
CABAC = 15% mais eficiente do que CAVLC

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Deblocking Filter
• Compressões baseadas na divisão da imagem em macro blocos
geram blocos visíveis em função da dificuldade maior na
reconstrução das bordas do que do interior do bloco.
• H.264/AVC usa uma técnica de filtragem para reduzir o efeito da
blocagem nos limites dos macro-blocos
Ganho de compressão ~5 a 10% em função da melhoria
dos pixels para análise temporal e espacial
Melhoria na imagem subjetiva

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Efeito de “Deblocking Filtering”

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Profiles and Levels
• H.264/AVC define 3 “Profiles”
Baseline Profile – BP
Main Profile – MP
Extended Profile – XP
• Define também 15 “Levels”
1, 1.1, 1.2, 1.3
2, 2.1, 2.2
3, 3.1, 3.2
4, 4.1, 4.2
5, 5.1

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Ferramentas Suportadas por Profile
SP SI
Data
Partioning
B
Weighted
Prediction
I
P
CAVLC
Interlace
CABAC
Slice Groups
Redundant
Slice
Extended
Main
Baseline

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Exemplos
MP@ML
MP@L3
MPEG-2
H.264/AVC

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NAL – Network Abstraction Layer
Video Coding Layer
H.320
ControlData
etc.MPEG-2H323/IPMP4FF
Network Abstraction Layer
Data Partitioning
Especifica o mapeamento dos pacotes gerados no VCL para
diferentes meios de transmissão

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MPEG-2: Sintaxe do Transport Stream
Header
Adaptation
Field
PES (Dados)
VIDEO
AUDIO
PSI
SI
PCR
DTS
PTSPID
188 Bytes
4 bytes 184 bytes

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Aplicações
• Internet
• Sistema Brasileiro de TV Digital – ISDTV
• IPTV
• Contribuição Jornalismo sobre E-1
• Distribuição de TV

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UE-9410
H.264 Encoder
UE-9318
H.264 DVB-S2 Encoder
Scopus H.264/AVC - Linha de Produtos
IRD-2900
H.264 Receiver

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Sidnei Brito
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