MPEG-2

MPEG-2 ist ein generischer MPEG-Standard zur Videokodierung mit Videokompression und Audiokodierung mit Audiokompression, beides verlustbehaftet. Generisch heißt in diesem Zusammenhang, dass ein Datenformat und ein Dekodierungsverfahren festgelegt wird, ohne Parameter wie beispielsweise die Auflösung festzulegen, welche die Qualität bestimmen.

Einführung

MPEG-2 wurde 1994 eingeführt und ist Ergänzung zu und Nachfolger von MPEG-1. Die Patente werden von der MPEG Licensing Administration verwaltet. Zum Zeitpunkt Ende 2020 waren noch 3 Patente aktiv und 1079 bereits ausgelaufen.[1] Da diese Patente nur noch in Malaysia aktiv sind, ist mit dem Ende der Patente in den USA und Europa MPEG-2 de facto patentfrei.[2]

Große Verbreitung hat der Standard durch die DVD gewonnen: Diese sind in MPEG-2 (Video) kodiert. Der Audioteil der DVD kann auch als MPEG-2 Audio Layer-2 (ISO/IEC 13818-3) kodiert sein, was aber in der Praxis kaum genutzt wird; fast immer ist das Audiosignal auf DVDs in Dolby Digital (AC-3) und manchmal zusätzlich in DTS gespeichert. Auch auf SVCDs wird MPEG-2 verwendet, allerdings mit – im Vergleich zur DVD – geringerer Auflösung und niedrigerer Datenrate.

Auch die verschiedenen Varianten (DVB-S, DVB-C, DVB-T) des digitalen Fernsehens benutzen noch bevorzugt das MPEG-2-Format.

Übersicht

Der MPEG-2-Standard besteht aus mehreren Teilen, die in ISO/IEC 13818 definiert sind[3]:

Part 1: Systeme – beschreibt die Synchronisation und das Multiplexen von Audio und Video. Enthält die Beschreibungen von Programmstrom und Transportstrom
Part 2: Video – Codec. Auch unter der Bezeichnung H.262 bekannt
Part 3: Audio – Codec. Eine Mehrkanalerweiterung von MPEG-1 Audio. Enthält die Beschreibungen von MP1, MP2 und MP3
Part 4: Part 4 beschreibt die Testprozeduren für Konformität.
Part 5: Part 5 beschreibt die Software-Simulation.
Part 6: Erweiterungen für DSM-CC (Digital Storage Media Command and Control)
Part 7: Advanced Audio Coding (AAC)
Part 8: Der Teil 8 „10-bit-Erweiterung des Videos“ wurde verworfen.[4]
Part 9: Erweiterungen für Echtzeitanwendungen
Part 10: Konformitätserweiterungen für DSM-CC
Part 11: IPMP (Intellectual Property Management and Protection) auf MPEG-2-Systemen.

MPEG-2 Video

Die wesentlichen Merkmale von MPEG-1 blieben in MPEG-2 erhalten: Abtrennung der Farbinformation vom Schwarz-Weiß-Bild und Vergröberung derselben, da auch das menschliche Auge Farbunterschiede gröber wahrnimmt als Helligkeitsunterschiede; Aufteilung des Bildes in 8 × 8 Pixel große Blöcke, deren Datenbedarf mittels Diskreter Kosinustransformation und anschließender Quantisierung stark verkleinert wird; Zusammenfassung von je vier Blöcken zu 16 × 16 Pixel großen Makroblöcken, deren Ähnlichkeit zu Makroblöcken in vorigen und/oder folgenden Bildern ebenfalls datenreduzierend genutzt wird; und Verwendung von Binärcodes mit variabler Länge, um häufigere Bitfolgen kürzer darstellen zu können als seltenere.

Auf der Videoseite zielt der MPEG-2-Standard auf höhere Qualitäten und damit verbundene Datenraten als der Vorgänger MPEG-1 – bis 15 Mbit/s beziehungsweise bei höherer Chrominanz (Farb)-Auflösung auch bis 50 Mbit/s – und unterstützt im Gegensatz zu MPEG-1 auch das Zeilensprungverfahren. MPEG-2 wurde ursprünglich für digitale Fernsehübertragungen und Studioanwendungen festgelegt. MPEG-1 wurde dabei nicht komplett abgelöst, für niedrige Datenraten ist es weiterhin eine bessere Wahl als MPEG-2.

MPEG-2 Profile
Abk.	Name	Frames	YUV	Streams	Kommentar
SP	Simple Profile	P, I	4:2:0	01	kein Interlacing
MP	Main Profile	P, I, B	4:2:0	01
422P	4:2:2 Profile	P, I, B	4:2:2	01
SNR	SNR Profile	P, I, B	4:2:0	1–2	SNR: Signal-to-Noise-Ratio
Spatial	Spatial Profile	P, I, B	4:2:0	1–3	Decodierung in niedriger, mittlerer und hoher Qualität
HP	High Profile	P, I, B	4:2:2	1–3	Decodierung in niedriger, mittlerer und hoher Qualität

MPEG-2 Level
Abk.	Name	Pixel/ Zeile	Zeilen	Frame- rate	Bitrate (Mbit/s)
LL	Low Level	0352	0288	30 fps	04
ML	Main Level	0720	0576	30 fps	15
H-14	High 1440	1440	1152	30 fps	60
HL	High Level	1920	1080	30 fps	80

Profil @ Level	Auflösung (px)	Frame- rate (max.)	Sampling	Bitrate (Mbit/s)	Beispiel-Anwendung
SP@LL	0176 × 144	15 fps	4:2:0	000,096	mobile Anwendungen
SP@ML	0352 × 288	15 fps	4:2:0	000,384	PDAs
SP@ML	0320 × 240	24 fps	4:2:0	000,384	PDAs
MP@LL	0352 × 288	30 fps	4:2:0	004	Set-Top-Boxen (STB)
MP@ML	0720 × 480	30 fps	4:2:0	015 009,8 (DVD)	SD-DVB, DVD
MP@ML	0720 × 576	25 fps	4:2:0	015 009,8 (DVD)	SD-DVB, DVD
MP@H-14	1440 × 1080	30 fps	4:2:0	060 025 (HDV)	HDV
MP@H-14	1280 × 720	30 fps	4:2:0	060 025 (HDV)	HDV
MP@HL	1920 × 1080	30 fps	4:2:0	080	ATSC 1080i60 und 720p60, HD-DVB (HDTV)
MP@HL	1280 × 720	60 fps	4:2:0	080	ATSC 1080i60 und 720p60, HD-DVB (HDTV)
422P@LL			4:2:2
422P@ML	0720 × 480	30 fps	4:2:2	050	Sony IMX (I-Frame only), Broadcast Video (nur I- und P-Frames)
422P@ML	0720 × 576	25 fps	4:2:2	050
422P@H-14	1440 × 1080	30 fps	4:2:2	080
422P@H-14	1280 × 720	60 fps	4:2:2	080
422P@HL	1920 × 1080	30 fps	4:2:2	300	Aufzeichnungsprofil einiger professioneller Canon-Camcorders wie des XF100[5]
422P@HL	1280 × 720	60 fps	4:2:2	300

MPEG-2 Audio

Auf der Audioseite ist eine Erweiterung aller drei Layer zu niedrigeren Datenraten sowie auf mehr Kanäle (5.1 oder 7.1) enthalten. Es gibt zwei Varianten der Multikanalkodierung: die rückwärtskompatible, bei der MPEG-1-Dekoder den erzeugten Bitstrom sinnvoll nutzen können, und eine nicht rückwärtskompatible Variante (englisch non backward compatible, NBC). Die NBC-Variante steht im Teil 7 des MPEG-2-Standards unter dem Namen AAC (Advanced Audio Coding).

MPEG-2 Dateiformate

Zur Verschränkung von Video und Audio definiert MPEG-2 die Videostreaming-Formate Programmstrom (PS) und Transportstrom (TS). Im Laufe der Zeit wurde MPEG-2 aber in einer Vielzahl von Dateiformaten verwendet. Nachfolgend eine Übersicht, wo MPEG-2-Dateien typischerweise anzutreffen sind:

.mpg (kann auch MPEG-1 oder MPEG-4 sein)
.mpeg (kann auch MPEG-1 oder MPEG-4 sein)
.m2v (MPEG-2 Elementary Video Stream)
.m2a (MPEG-2 Elementary Audio Stream)
.m2s (MPEG-2 Elementary Data Stream)
.ts (MPEG-2 Transport Stream)
.ps (MPEG-2 Program Stream)
.vob (DVD Video Object)
.vro (Video Recording Object)
.mod (MPEG-2 mit AC3-Audio z. B. bei JVC- oder Panasonic-Videokameras)
.m2t (MPEG-2-Transport z. B. auf Sony HD-Kameras)

Siehe auch

Literatur

Tilo Strutz: Bilddatenkompression. Grundlagen, Codierung, Wavelets, JPEG, MPEG, H.264. 4. überarbeitete und ergänzte Auflage, Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2009, ISBN 978-3-8348-0472-3.

Einzelnachweise

MPEG LA: MPEG-2 Attachment 1. 1. Januar 2017, abgerufen am 21. Februar 2017 (pdf, englisch) – Kontinuierlich aktualisierte Liste aller Patente mit Patentnummer und Status, die den Patentbestand der MPEG-2 Lizenz betrifft.
MPEG-2. MPEG LA, 2019, abgerufen am 22. Juli 2019 (englisch, MPEG-2 de facto patentfrei).
ISO International Classification for Standards 35.040: Character sets and information coding (englisch) – Übersichtsseite bei ISO
Atul Puri (Hrsg.), Puri (Autor), Tsuhan Chen (Autor): Multimedia Systems, Standards, and Networks. Ausgabe 2000, Verlag Marcel Dekker Inc, S. 94.
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[MPEG2_Patente-1] MPEG LA: MPEG-2 Attachment 1. 1. Januar 2017, abgerufen am 21. Februar 2017 (pdf, englisch) – Kontinuierlich aktualisierte Liste aller Patente mit Patentnummer und Status, die den Patentbestand der MPEG-2 Lizenz betrifft.

[2] MPEG-2. MPEG LA, 2019, abgerufen am 22. Juli 2019 (englisch, MPEG-2 de facto patentfrei).

[3] ISO International Classification for Standards 35.040: Character sets and information coding (englisch) – Übersichtsseite bei ISO

[4] Atul Puri (Hrsg.), Puri (Autor), Tsuhan Chen (Autor): Multimedia Systems, Standards, and Networks. Ausgabe 2000, Verlag Marcel Dekker Inc, S. 94.

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