Standard MPEG-4. La realidad de la TV análogica

Standard MPEG-4 ● Introducción ● Funcionalidades ● Escalabilidad de objetos ● Codificador-decodificador MPEG-4 ● Codificación de texturas ●

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Story Transcript

Standard MPEG-4 ●

Introducción



Funcionalidades



Escalabilidad de objetos



Codificador-decodificador MPEG-4



Codificación de texturas



Codificación de contornos

La realidad de la TV análogica ●

La TV análogica ha sido el único sistema de comunicación de video



La TV análogica no ha cambiado en los últimos 49 años



La TV analógica ha sido el primer sistema de compresión



La TV es un sistema de comunicación unidireccional



El usuario es un simple espectador

- La TV está cambiando a digital - El usuario tendrá un papel fundamental

Evolución ●

La TV digital nos conduce a una nueva era en los sistemas de video



Los standards de video (MPEG-x, H.26x) mejoran el papel del usuario



El usuario puede generar y transmitir su propio contenido



MPEG-4 mejorará la capacidad del usuario (objetos)



La cantidad disponible de material de video es enorme



El usuario querrá crear su contenido a partir de bases de datos

MPEG-1

MPEG-2

MPEG-4

MPEG-7

Cada evolución contiene menos codificación y más análisis

Standards de codificación

ISO

ITU

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

H.263 H.263+, H.26L

H.261

MPEG-1

MPEG-4 MPEG-2

Ui

Ui

AU i AT

Q Vi Cuantificador Vi Codificador

Q

Canal

N

Decodificador entrópico

Canal

Esquema general de codificación por transformadas - JPEG

ViQ

T

entrópico

Q

A Vi A

UiQ

UiQ

Codificador JPEG 2000

Bit-stream

Decorrelación componentes

Transformada wavelet

Reversible

No Reversible

Q

Bit stream ordering

Region of interest

Codificación aritmética

Coefficient bit modeling

Error resilience

Esquema general codificación video Secuencia original Transformada

Cuantificador Q

Predicción temporal compensada en mov.

Cuantificación error de predicción decorrelado

Codificador entrópico

Error de predicción Decorrelación 2D error de predicción DCT

Codificador híbrido de video Control Información lateral

+

DCT

VLC

Q

Q

-1

Predictor Estimación movimiento

Memoria

IDCT + + VLC

MUX

Buffer

Codificación basada en bloques

Imagen original Akiyo (QCIF)

La unión de dos mundos TV analógica

1. Compresión de imagen y video - Esquemas basados en el pixel - JPEG, H.26x, MPEG-1,2

MPEG-4 2. Análisis de imagen y video - Segmentación - Reconocimiento de objetos

Standard MPEG-4 Compresión

Interactividad basada en contenido

Acceso universal

Objetos audio-visuales Video Object Plane - VOP

Audio object planes Train to MPEG-4

07:30

Welcome to MPEG-4

Attention please!

Representación de una secuencia en VO’s (1)

Representación de una secuencia en VO’s (2)

Standard MPEG-4 (1) • Imagen = Objetos + texto + fondo (VO’s) • Codificación separada de los objetos • Manipulación de los objetos +

+

Texto

MPEG-4 Texto

Standard MPEG-4 (2) ● ● ● ● ● ● ● ●

Content-based multimedia data access tools. Content-based manipulation and bit-stream editing. Hybrid natural and synthetic data coding. Improved temporal random access. Improved coding efficiency. Coding of multiple concurrent data streams. Robustness in error prone environments. Content-based scalability.

Escena MPEG-4 audiovisual objects

voice

hierarchically multiplexed upstream control / data

audiovisual presentation

sprite

hierarchically multiplexed downstream control / data

2D background y

3D objects

scene coordinate system x z

user events audio compositor

video compositor projection plane

hypothetical viewer speaker

display user input

Terminal MPEG-4 Demultiplex

N e t w o r k

...

Decompression

Composition and Rendering

... Elementary Streams

Primitive AV Objects

...

Scene Description (Script or Classes)

L a y e r

Hierarchical, Interactive, Audiovisual Scene

Composition Information

Upstream Data

...

(User Events, Class Request, ...)

MPEG-4: Reutilización de contenido

COMPOSITOR

DEMULTIPLEXER

VO #N

MULTIPLEXER

...

CODER

VO #1

DECODER

DB

DB

Codificación de objetos

MPEG-4: SNHC Synthetic and Natural Hybrid Coding Codificación híbrida natural y sintética ● Solapamiento (overlay) de texto y gráficos ● Animación de caras y cuerpos (Facial & body animation) Realidad virtual ● Conversión Texto voz ● Codificación imágenes 3D (espaciales) ●

Facial Animation Parameter Units 11.5

11.5 11.4

11.4

11.2 11.2 4.4 4.6

11.1 4.2

4.3

4.1

4.4 4.5 11.6

10.2

10.1

10.6

10.7

5.2

y

10.2 10.10

10.3

5.3

5.4 10.8

10.5

5.1

5.4 10.4 10.8 10.6

z

y

x 2.1

2.11

2.12

2.10

z

7.1

2.10

x

5.2

2.13

2.14

4.2

4.6

10.9

10.10 10.4

11.1

11.3

2.14

2.12

2.1 3.13

3.14 3.2

3.1 3.8

3.6

3.12

3.11

3.5

3.7

3.3

3.4 3.10

3.9

Right eye

9.6

Left eye

9.7

9.8 9.12

Nose 9.14 9.10

9.13

9.11 9.3

8.6 2.5 6.2

8.9

9.5

8.10 8.1

2.7

2.2

2.9

2.3

2.6

8.5

8.3

2.4

6.3 8.8

6.1

9.15

9.4

8.4

6.4

9.1

9.2

9.9

Teeth

Tongue

Mouth

2.8

8.7

8.2

Feature points affected by FAPs Other feature points

Modelo de cara

MPEG-4: SNHC Synthetic and Natural Hybrid Coding

Multiple concurrent data streams

Escalabilidad basada en contenido Capa base

Capa mejora

Escalabilidad de objetos +

+ VOP 1 Decodificado

VOP 2 Decodificado

+ VOP 3 Decodificado

VOP 4 Decodificado

+

Escena compuesta

Compositor – Acciones del usuario para definir el compositor Posición espacial de los objetos ● Tamaño de los objetos ● Prioridades de overlay (orden de fundido de los VOP ’s) ● Selección de los objetos ●

– Se controla a nivel de sistema – La composición se aplica sucesivamente

MPEG-4 composición Fondo sintético:

Gráficos: Transparencia: Video e información de forma:

Jerarquía de clases en MPEG-4 VideoSession (VS)

VS1

VO1

VideoObjec (VO)

VideoObjectLayer (VOL)

GroupOfVOPs (GOV)

VideoObjectPlane (VOP)

VOL1

GOV1

VOP1

VO2

VOL2

GOV2

VOPk

VOP1

VOPk

Grupos Standard MPEG-4 ● ● ● ● ● ● ● ● ●

Requirements Video Audio SNHC Systems Error resiliance Test Implementation No son parte del standard final Liaison

Estado actual Estándard MPEG-4 •

Marzo 2000: – Versión 1: – Versión 2:



International Standard (1999) Conformance Testing (2000) International Standard (2000)

Video Reference software: – MoMuSys: – Microsoft:

implementación en C implementación en C++

Perfiles y herramientas Main Simple scalable B_VOP Temp. Scal. Spat. Scal.

Simple I and P VOPs ACDC prediction 4MV Error resilience H263 compatible

Core B_VOP MPEG-2 Quant table Binary shape P_VOP shaped TS

N_BIT 4 to 12 bits

Grey shape Interlaced Sprite

Compatibilidad MPEG-4 MPEG-4 VLBV Core Coder Video Object Plane

Motion (MV)

Texture (DCT)

bitstream

(Similar to H.263/MPEG-1)

Generic MPEG-4 Coder Video Object Plane

Shape

Motion (MV)

Texture (DCT)

bitstream

Contenido de vídeo • • • • • • • • • • •

Intra and Prediction modes: Extrapolación. Bi-directional mode: Interpolación. Binary shape: Basado en bloques (CAE). Alpha maps: Técnicas de textura. I/P/B VOs: Extrapolación. Temporal and Spatial scalability. Static Sprites: Concepto de panorama. Error resilience tools: Canales móviles. Interlaced tools: TV estándar. 12 bit video: Aplicaciones médicas. Compatibilidad H263: Perfile simple

Mejoras del block matching Incorpora técnicas avanzadas de BM: • Precisión de medio o cuarto de píxel. • Posibilidad de subdividir el bloque (16x16) en 4 subbloques (8x8). • Bloques totalmente solapados. • Vectores de movimiento no restringidos sobre la imagen.

VO acumulado Sprites VO acumulado

Porción visible en un instante dado 1 3 4 5

2

VO acumulado - Sprites La idea es análoga a la utilización de fondos en dibujos animados.

VO acumulado - ejemplo

VO acumulado - manipulación de objetos

Manipulación de objetos - sprites

Herramientas externas al estándar ● ●

● ●

● ●

Creación de los Video Objects. Creación de los Sprites. Técnicas de Bit allocation. Técnicas de Rate control. Métodos de composición. Métodos de interactuación.

Codificación VOP n

Decodificación VOP 1 Decodificación VOP 2

Decodificación VOP n

Interacción del usuario

Composición de VOP’s

Codificación VOP 2

Demultiplexador

Codificación VOP 1

Multiplexador

Control de codificación

Formación de VOP’s

Información de video

Diagrama general MPEG-4

Codificador MPEG-4 motion texture coding

+ _

DCT

Q

video multiplex

-1

Q IDCT + + S w i t c h

pred. 1 pred. 2

Frame Store

pred. 3

Motion estimation Shape coding

Técnicas de codificación MPEG-4

Codificación de textura Codificación de contornos Codificación de movimiento

* MPEG 4 no proporcionará la segmentación para obtener VO’s

Codificación de los VO’s Video sequence

VOP 1

Codificación de contornos

Codificación de textura

Formación del VOP

VOP 2

Codificación de movimiento

VOP 3 VOP n

Codificación de textura VOP

8x8 DCT

8x8 DCT con padding No se codifica

Cuantificación ●

Método 1: Similar a H.263



Metodo 2: Similar a MPEG-2



Cuantificación no lineal optimizada de los coeficientes DC



Matrices de cuantificación y mecanismo de carga

Shape adaptive DCT (Fase 2)

Codificación wavelet ●

Generalización de la transformada wavelet a VO’s de forma arbitraria



Número de coeficientes transformados en el VO = = Número de pixels en el VO



Generalización del codificador zero-tree

Codificación de contornos (1)

Creación del Bounding Box

Codificación de contornos (2) ALL-0 BAB

ALL-255 BAB

Parcialmente incluido

Binary Alpha Blocks (BAB)

BAB’s parcialmente incluidos (1) Codificación intra: Dentro del Macrobloque actual, se realiza una predicción del valor de cada píxel basada en un contexto causal: Intra CAE

BAB’s parcialmente incluidos (2) Codificación inter: Se estima el movimiento y se analiza si se debe utilizar o no. Se codifica el error de estimación mediante Inter CAE.

Contexto en la imagen actual

Contexto en la imagen precedente

Compensación de movimiento Modos de compensación

P-VOP time B-VOP I-VOP

Herramientas “error resilience” Picture Start Code MPEG4 Resync Marker H.263 Resync Marker

Bit stream H.263

Bit stream MPEG-4

Más información MPEG4 standard http://drogo.cselt.stet.it/mpeg/standards/mpeg-4/mpeg-4.htm

MPEG4 IEEE Spectrum http://drogo.cselt.stet.it/mpeg/koenen/mp4ieee.htm

MPEG4 Industry Forum http://www.m4if.org/

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