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 Lamar Curitiba, 25 de Março de 2004

Conteúdo TV Digital Compressão de Vídeo MPEG-2 MPEG-4 Análise Experimental Conclusões Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

TV Digital Padrões existentes: Suportam SDTV ou HDTV Americano (ATSC) Europeu (DVB) Japonês (ISDB) Suportam SDTV ou HDTV Utilizam a norma MPEG-2 como padrão de compressão Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

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

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

MPEG-2 Técnicas de Compressão: Elimina redundâncias espacial e temporal Transformada Discreta de Cosseno – DCT Predição com compensação de movimentos Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

Técnica de Compensação de Movimentos - = Utilizando a compensação de movimentos  Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

Transformada Discreta de Cossenos - DCT Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

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

Tipos de Quadros Utilizados 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 Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

Tipos de Quadros Utilizados 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. Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

Exemplo de um grupo de imagens Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

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

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

MPEG-4 Características: Representação de objetos de vídeo independentes. Interatividade: Mudar a posição geométrica dos objetos. Modificar atributos dos objetos. Remover, adicionar ou trocar objetos. Acesso randômico eficiente Processo dinâmico e reversível Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

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

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

Análise Experimental Seqüências de teste Conversão YUV para RGB Compressão e descompressão de cada seqüência Comparação Análise dos resultados Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

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

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--> Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

Conversão YUV para RGB Utilização de Software Matlab Expandir Matrizes U e V (176x144) para 352x288 pixels. Conversão dos bits: Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

Escolha dos Codecs Codec MPEG-2 Codecs MPEG-4 AVS Video Converter 2.4 DivX 5.1.1 Microsoft MPEG-4 Video Codec V2 Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

Foreman AVS Video Converter 2.4 – MPEG2 500kbps DivX 5.1.1 – MPEG4 Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

Resultados Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

Resultados Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

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

Stefan AVS Video Converter 2.4 AVS Video Converter 2.4 500kbps Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

Resultados Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

Resultados Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

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

Football DivX 5.1.1 – MPEG4 4000 kbps Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

Resultados Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

Resultados Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

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

Akiyo DivX 5.1.1 – MPEG4 4000 kbps Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

Resultados Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

Resultados Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca 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 KBPS Taxa de Compressão MPEG4 - DivX 5.1.1 MPEG4 - MS Video Codec V2 MPEG2 - AVS Video Converter 2.4 Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

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

Média das Simulações Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

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

Resultados Finais CODEC (utilizando o vídeo Akiyo) 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 Miguel B. C. Rasia Rodrigo. L. Marca Uilian L. Souza MPEG-4 x MPEG-2 na Implantação do Sistema Brasileiro de TV Digital

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

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

FIM