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 Portada - Enciclopedia - MPEG o MPEG-1

MPEG o MPEG-1

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Ultima modificación de "MPEG o MPEG-1": 26/12/07

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MPEG o MPEG-1 - Motion Picture Experts Group (Unión de Expertos en Imágenes en Movimiento).  MPEG es un grupo de estándares de codificación de audio y vídeo.

El estándar MPEG-1 nació en 1992 para permitir el almacenamiento de vídeo y sonido estéreo en CD-ROM a velocidad máxima de 1'5 Mb/s (1,14 Mb/s para el vídeo y 350 kB/s para el audio asociado). Está basado en el algoritmo de compresión de imagen fija JPEG pero se aprovecha de la alta redundancia temporal entre cuadros consecutivos para mejorar la tasa de compresión.

MPEG-1 consiste en diferentes partes que definen la codificación de vídeo, de audio y la denominada parte de sistema que define cómo multiplexar en el tiempo los distintos tipos de información..

MPEG-1 no es adecuado para aplicaciones de radiodifusión ya que no tiene en cuenta el entrelazados de imágenes o la evolución prevista a TV de alta definición (HDTV), que acabaría siendo el estándar MPEG-2 publicado en 1994. El MPEG-2 es el método de compresión empleado en los DVD y en todas las variantes de DVB(Digital Video Broadcasting).

Actualmente se emplea, por ejemplo, para comprimir la información de vídeo en los VCD con resolución SIF (360x288 @ 25 fps en PAL y 360x240 @ 30 fps en NTSC), consiguiendo de ese modo una calidad de imagen similar a la del VHS doméstico. Para el audio, están definidas tres capas, que definen tres niveles de compresión y complejidad:

  • MP1 o MPEG Layer I
  • MP2 o MPEG Layer I
  • MP3 o MPEG Layer I

Si bien el tercero sólo se emplea en Internet y dispositivos portátiles, el audio de algunos DVD está comprimido usando una de las dos primeras capas.

 

Las capas de audio en MPEG


En 1988, la ISO (International Standardization Organization) y la IEC (International Electrotechnical Commision) crearon el ISO/IEC/MPEG (Moving Picture Experts Group), un grupo destinado a comparar y valorar distintos esquemas de reducci6n de datos para video digital. Pronto el campo se amplió para incluir compresi6n de audio dando lugar al grupo MPEG/Audio.

Este estándar tiene tres diferentes capas para la compresión. La capa o layer I conforma el algoritmo más básico, mientras que las capas II y III son mejores que usan algunos de los elementos de la capa 1. Cada capa, sucesivamente, va mejorando la compresión, a costa de una mayor complejidad en la codificación.

El MPEG/Audio permite usar las capas en cuatro modos:

  • Estéreo. Codificación independiente de cada canal.
  • Estéreo Conjunto. Hace uso de la redundancia o información correlada entre los canales izquierdo y derecho buscando reducir el flujo binario.
  • Dual. Dos canales independientes tanto en codificación como en la propia información.
  • Mono. Un único canal de audio.

Layer I. En un primer paso la señal de audio es dividida en 32 sub-bandas para las cuales se definen distintos parámetros de cuantificación y curvas de enmascaramiento en función de la sensibilidad relativa del oído humano al sonido procesado. Las contribuciones frecuenciales donde el oído es más sensible son cuantificadas con mayor precisión que aquellas donde el oído es menos sensible, pudiendo incluso llegarse a descartar bandas completas ya que directamente no serían percibidas por el oído humano.

La capa I emplea máscaras de cuantificación a marcos o frames de audio, que consisten en un número de 12 grupos consecutivos de 384 muestras de audio. En la capa más básica se usan 6 bits para codificar el factor de escala (un multiplicador que indica el tamaño de las muestras para rellenar toda la profundidad de bits del cuantificador) y de 0 a 15 bits para cada subbanda. Está basado en el algoritmo PASC (Precision adaptative sub-band coding) de Philips, y su gran ventaja es la sencillez de implementación.

Layer II. Basado en el algoritmo MUSICAM requiere flujos binarios un 30-50% menores que el layer I para la misma calidad, empleando para ello dos principales mejoras para disminuir el flujo de bits.

  • Usa el mismo modelo psico-acústico que el anterior pero aplicado a frames de mayor duración, de tres conjuntos de 1152 muestras de audio por cada 12 grupos en cada marco.
  • En lugar de usar 6 bits para la cuantificación de cada banda (factor de escala) usa un modelo variable en función de la banda de frecuencia, con el fin de disminuir la distorsión audible.
  • Cuando codifica tres, cinco o niveles en cada subbanda de cuantización, la capa II representa tres valores consecutivos cuantizados en una única y más compacta palabra de código.

Layer III. Deriva del ASPEC (Adaptive Spectral Perceptual Entropy Coding) y el OCF (Optimal Coding in the Frecuency domain). Aunque está basado en los mismos bancos de filtros de MPEG Layer I y Layer II, compensa las principales deficiencias procesando las salidas de los filtros en una DCT (Transformada discreta del coseno) modificada, denominada MDCT.

Fundamentalmente, subdivide las salidas de cada subbanda en frecuencia para ofrecer una mejor resolución espectral. Una vez hecho este proceso, el layer III puede cancelar los solapamientos causados por el banco de filtros. Esta operación tiene que ser invertible de tal modo que la MDCT inversa pueda reconstruir cada subbanda en su solapamiento original, a través del banco de filtros de reconstrucción. En resumen, el MPEG Layer III mejora a los anteriores:

  • Reducción del solapamiento, especificando un método de procesar los valores de la MDCT para eliminar artefactos causados por las bandas superpuestas procedentes del banco de filtros.
  • Cuantificación no uniforme, disminuyendo a 3/4 la potencia antes del proceso de cuantificación para ofrecer una relación señal/ruido más consistente sobre el rango de valores cuantificados. El reecualizador del decodificador de MPEG/audio incrementará los valores a la salida aumentando 4/3 la potencia.
  • Bandas de factores de escala. A diferencia de las capas I y II donde cada banda puede tener un diferente factor de escala, la capa II usa bandas de factores de escala. Estas bandas cubren varios coeficientes de la MDCT. De este modo, se colorea el ruido de cuantificación para corregir las variaciones en el umbral de enmascaramiento.
  • Codificación de entropía en los valores de los datos. Para conseguir una mejor compresión de datos, la capa III usa códigos variables Huffman para codificar las muestras cuantificadas.
  • Uso de un bit de reserva. El diseño de la capa III mejora la variación en el tiempo en el codificador ofrecida por los bits de código. Como en la capa II, la capa III procesa los datos de audio en marcos de 1152 muestras. Pero a diferencia de ella, no necesariamente son marcos de longitud fija. Existe una especie de depósito donde se almacenan bits al necesitarse un número menor para codificar un marco. Después, si el codificador necesita un número mayor que la media de bits, puede extraerlos de ese depósito. Sólo se puede hacer este proceso a partir de marcos pasados, no futuros.
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