Bộ Thông tin và Truyền thông

I. Giới thiệu

Moving Picture Experts Group - 4 (MPEG - 4 viết tắt của Nhóm chuyên gia mã hóa hình ảnh chuyển động, là tên được đặt cho một họ các tiêu chuẩn quốc tế được sử dụng để mã hóa thông tin nghe nhìn ở định dạng nén kỹ thuật số). Nhóm tiêu chuẩn MPEG bao gồm MPEG-1, MPEG-2 và MPEG-4, được biết đến với tên chính thức là ISO/IEC-11172, ISO/IEC-13818 và ISO/IEC-14496. Người đứng đầu nhóm MPEG là Leonardo Chiariglione, hay còn gọi là cha đẻ của MPEG, nhóm được thành lập vào tháng 01 năm 1988 với cuộc họp đầu tiên bao gồm khoảng 15 chuyên gia về công nghệ nén. Nhóm chuyên gia mã hóa hình ảnh chuyển động được thành lập với nhiệm vụ phát triển các tiêu chuẩn để thể hiện mã hóa hình ảnh chuyển động, âm thanh và sự kết hợp của chúng.

Các tệp phim ảnh không nén có dung lượng rất lớn, thậm chí các máy tính không thể chạy nó. Do đó, các nhà sản xuất đã bắt đầu tìm ra một số cách để chạy thế video trên phương tiện truyền thông kỹ thuật số cho tiết kiệm không gian và làm cho các dòng dữ liệu trên internet khả thi hơn. Một số nhà sản xuất phát triển phần mềm cho phép hệ thống nén phim để máy tính có thể đủ khả năng hoạt động. Có rất nhiều phương pháp được sử dụng cho các thuật toán nén, nhưng MPEG-4 được dùng rộng rãi bây giờ. MPEG-4 có cùng một thuật toán nén với MPEG-1 và MPEG-2, nhưng đã được mở rộng để hỗ trợ video/âm thanh hướng đối tượng, ít mã hóa tỷ lệ bit và nội dung 3D, văn bản và một số loại phương tiện truyền thông khác. Lịch sử phát triển của MPEG: vào tháng 7 năm 1989 phát hành tiêu chuẩn mã hóa Âm thanh và video MPEG; tháng 7 năm 1991 phát hành tiêu chuẩn mã hóa Âm thanh và video MPEG-2; tháng 7 năm 1995 phát hành tiêu chuẩn mã hóa Âm thanh và video MPEG-4;

Đối với các tiêu chuẩn mã hóa Âm thanh và Video, tài liệu đầu tiên được tạo ra được gọi là Mô hình Xác minh. Trong MPEG-1 và MPEG-2, lần lượt được gọi là Mô hình thử nghiệm và mô phỏng. Mô hình Xác minh mô tả, trong một số loại ngôn ngữ lập trình, về hoạt động của bộ mã hóa và bộ giải mã. Mô hình Xác minh được sử dụng để thực hiện các mô phỏng để tối ưu hóa hiệu suất của sơ đồ mã hóa. MPEG đã đạt đủ tự tin về tính ổn định của tiêu chuẩn đang được phát triển.

Kết quả cuối cùng là các tiêu chuẩn do MPEG sản xuất có chất lượng rất cao. Không có lỗi đơn lẻ nào được phát hiện trong MPEG-1. Trong Hệ thống MPEG-2 Video và Âm thanh, rất hữu ích khi giới thiệu một số tính năng mới được xây dựng theo các tiêu chuẩn như được phát hành ban đầu. Điều này đã được thực hiện bằng cách sử dụng quy trình "sửa đổi" được xác định bởi ISO.

Các định dạng và ứng dụng MPEG

1. MPEG - 1

Chuẩn MPEG-1, được thành lập vào năm 1992, được thiết kế để tạo ra hình ảnh và âm thanh chất lượng hợp lý ở tốc độ bit thấp. MPEG-1 bao gồm 4 phần:

IS 11172-1: Hệ thống mô tả đồng bộ hóa và ghép kênh video và âm thanh.

IS 11172-2: Video mô tả việc nén các tín hiệu video không xen kẽ.

IS 11172-3: Âm thanh mô tả việc nén tín hiệu âm thanh bằng cách sử dụng các sơ đồ mã hóa nhận thức hiệu suất cao.

CD 11172-4: Kiểm tra tuân thủ mô tả các quy trình xác định các đặc tính của luồng bit được mã hóa và quy trình giải mã và để kiểm tra tuân thủ các yêu cầu được nêu trong các phần khác.

MPEG-1, IS 11172-3, mô tả việc nén tín hiệu âm thanh, chỉ định một họ gồm ba sơ đồ mã hóa âm thanh, được gọi đơn giản là Lớp-1, Lớp -2, Lớp -3, với độ phức tạp và hiệu suất của bộ mã hóa tăng (chất lượng âm thanh trên mỗi bit- tỷ lệ). Ba codec tương thích theo cách phân cấp, tức là bộ giải mã Layer-N có thể giải mã dữ liệu luồng bit được mã hóa trong Layer-N và tất cả các Lớp bên dưới N (ví dụ: bộ giải mã Lớp 3 có thể chấp nhận Lớp 1, Lớp -2 và Lớp -3, trong khi bộ giải mã Lớp 2 chỉ có thể chấp nhận Lớp 1 và Lớp -2.). MPEG-1 Layer-3 được biết đến nhiều hơn với tên MP3 và đã cách mạng hóa lĩnh vực âm nhạc kỹ thuật số.

MPEG-1 được dự định để phù hợp với băng thông của CD-ROM, Video-CD và CD-i. MPEG-1 thường có Định dạng trao đổi tiêu chuẩn (SIF), được thiết lập ở 352x240 pixel với tốc độ 1,5 megabit (Mbits) mỗi giây, mức chất lượng ngang bằng với VHS. MPEG-1 có thể được mã hóa ở tốc độ bit cao tới 4-5Mbit / giây, nhưng điểm mạnh của MPEG-1 là tỷ lệ nén cao với chất lượng tương đối cao. MPEG-1 cũng được sử dụng để truyền video qua các mạng điện thoại kỹ thuật số như Đường dây thuê bao kỹ thuật số không đối xứng, Video theo yêu cầu (VOD), Video Kiosks, và các mạng đào tạo và thuyết trình của công ty. MPEG-1 cũng được sử dụng làm phương tiện lưu trữ hoặc ở dạng chỉ có âm thanh để truyền âm thanh qua internet.

2. MPEG-2

Chuẩn MPEG-2, được thành lập năm 1994, được thiết kế để tạo ra hình ảnh chất lượng cao hơn với tốc độ bit cao hơn. MPEG-2 không nhất thiết phải tốt hơn MPEG-1, vì các luồng MPEG-2 ở tốc độ bit MPEG-1 thấp hơn sẽ không đẹp bằng MPEG-1. Nhưng với tốc độ bit được chỉ định trong khoảng 3-10Mbits / giây, MPEG-2 ở độ phân giải CCIR-601 đầy đủ 720x486 pixel mang lại video chất lượng phát sóng thực sự. MPEG-2 được thiết kế sao cho mọi bộ giải mã MPEG-2 sẽ phát lại luồng MPEG-1, đảm bảo đường dẫn cấp phụ cho người dùng nhập vào MPEG với phần cứng mã hóa MPEG-1 có giá thấp hơn. MPEG-2 cũng đã loại bỏ MPEG-3 làm tiêu chuẩn cho HDTV và cũng đã nhận được rất nhiều sự chú ý vì đây là tiêu chuẩn được chỉ định cho DVD. Người dùng chính của MPEG-2 là các công ty truyền hình và truyền hình cáp yêu cầu phát video kỹ thuật số chất lượng và sử dụng các bộ phát sóng vệ tinh và mạng cáp để truyền hình cáp và vệ tinh phát sóng trực tiếp.

3. MPEG-3

MPEG-3 ban đầu được dự định để phủ sóng HDTV, cung cấp kích thước lấy mẫu và tốc độ bit lớn hơn trong khoảng từ 20 đến 40Mbit / giây. Sau đó, người ta đã phát hiện ra rằng MPEG-2 có thể được cung cấp để đáp ứng các yêu cầu của HDTV, vì vậy chuẩn MPEG-3 đã bị loại bỏ.

4. MPEG-4

Chuẩn MPEG-4 được khởi xướng vào năm 1995 và đạt trạng thái dự thảo ủy ban vào tháng 3 năm 1998 (ISO- 14496) và được hoàn thiện vào cuối năm 1998. Tiêu chuẩn này ban đầu được chỉ định cho tốc độ bit rất thấp nhưng hiện tại nó hỗ trợ lên đến 4Mbps. MPEG-4 chỉ định kích thước lấy mẫu lên tới 176x144 pixel với tốc độ bit tương đối thấp trong khoảng 48.00 đến 64.000 bit mỗi giây (không phải megabits, mà là bit). Nó có sáu phần:

• Hệ thống
• Trực quan
• Âm thanh
• Kiểm tra sự phù hợp
• Phần mềm
• Khung tích hợp đa phương tiện phân phối (DMIF)

MPEG-4 được thiết kế để sử dụng trong môi trường phát sóng, tương tác và đàm thoại. Cách thức MPEG-4 được xây dựng cho phép MPEG-4 được sử dụng trong môi trường truyền hình và Web, không chỉ lần lượt mà còn tạo điều kiện tích hợp nội dung đến từ cả hai kênh trong cùng một cảnh đa phương tiện. Điểm mạnh của nó được kế thừa từ các tiêu chuẩn MPEG-1 và -2 thành công (đồng bộ hóa mức phát sóng và lựa chọn sử dụng trực tuyến / ngoại tuyến) và VRML (khả năng tạo nội dung bằng mô tả cảnh).

MPEG-4 thêm vào MPEG-1 và -2:

• Tích hợp nội dung tự nhiên và tổng hợp, dưới dạng đối tượng. Những vật thể như vậy có thể đại diện cho các thực thể 'được ghi lại' (một người, một cái ghế) hoặc vật liệu tổng hợp (giọng nói, khuôn mặt, mô hình 3D hoạt hình);
• Hỗ trợ nội dung 2D và 3D;
• Hỗ trợ một số loại tương tác;
• Mã hóa ở tốc độ rất thấp (2 Kbit/giây cho lời nói, 5 Kbit/giây cho video) thành tốc độ rất cao (5 Mbit/giây đối với Video chất lượng trong suốt, 64 Kbit/giây trên mỗi kênh đối với Âm thanh chất lượng CD);
• Hỗ trợ quản lý và bảo vệ sở hữu trí tuệ.

MPEG-4 thêm vào VRML (khả năng tạo nội dung bằng mô tả cảnh):

• Hỗ trợ riêng cho nội dung tự nhiên và nội dung được truyền phát theo thời gian thực, sử dụng URL;
• Đại diện hiệu quả của mô tả cảnh;
• Mở rộng hỗ trợ sử dụng trên các mạng có băng thông không xác định tại thời điểm mã hóa.

MPEG-4 duy trì khả năng tương thích với các tiêu chuẩn chính hiện có: MPEG-1, MPEG-2, ITU-T H.263 và VRML.

Mặc dù hộp công cụ MPEG-4 đầy đủ rất phong phú và mạnh mẽ, nhưng nó sẽ quá tốn kém để thực hiện đầy đủ cho nhiều ứng dụng. Đó là lý do tại sao MPEG đã định nghĩa 'Hồ sơ', nhóm các khả năng trong các tập hợp con hữu ích. Điều này có nghĩa là tiêu chuẩn này hữu ích cho các ứng dụng đơn giản hiện nay, nhưng vẫn có thể được sử dụng với nội dung Web ngày càng phong phú và đặt các sản phẩm hàng đầu trở nên mạnh mẽ hơn.

  Đặc điểm nổi bật MPEG-4

MPEG-4 là một chuẩn nén video được phát triển bởi một nhóm gọi là "Moving Picture Experts Group" (hay gọi là MPEG). MPEG-4 được biết đến như là một "chuẩn nén của hình ảnh & âm thanh bit-rate thấp". Có rất nhiều chuẩn được phát triển bởi nhóm này và đã được chấp nhận bởi tố chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO - International Standards Organization) hay còn gọi là chuẩn-ISO.

MPEG-4 là chuẩn-ISO/IEC -14496. Vì XviD đi theo chuẩn MPEG-2 part 2 nên nó còn được biết đến như là MPEG-4 chuẩn ISO -14496-2 (chuẩn mới nhất của MPEG-4 đó là MPEG-4 part 10/AVC (Advanced Video Coding) hay còn gọi là H.264). Như MPEG-4 không phải là một “container” phương tiện truyền thông (Audio/vedio), nó chỉ mã hóa phương pháp thuật toán mà tạo ra các tập tin được mã hóa trong các loại khác nhau. Mp4 là phổ biến nhất và rộng rãi bởi MPEG-4.

• MPEG-4 là một tiêu chuẩn, hiện đang được phát triển cho việc phân phối đa phương tiện tương tác qua mạng;

• Nó là nhiều hơn một codec duy nhất và bao gồm các chi tiết kỹ thuật âm thanh, video và tương tác;

• Nó tối ưu hóa cho việc phân phối của video Internet tốc độ dữ liệu;

• Thực hiện một video MPEG-4 được bao gồm trong của Microsoft NetShow.

MPEG-4 được thiết kế để được sử dụng trong phát sóng, môi trường tương tác và giao tiếp. Cách MPEG-4 được xây dựng, cho phép nó được sử dụng trong truyền hình và môi trường Web, không chỉ trong một cách định kỳ nhưng cũng tạo điều kiện hội nhập của nội dung đến từ cả hai kênh trong cảnh đa phương tiện tương tự. Điểm mạnh của nó được thừa hưởng từ MPEG-1 thành công; tiêu chuẩn MPEG-2 và VRML (khả năng tạo nội dung bằng cách sử dụng một mô tả cảnh).

Thực tế, MPEG-4 là một chuẩn nén video với rất nhiều các phần mở rộng mà đặc biệt được thiết kế để đạt tới chất lượng cao nhất của chuẩn nội dung video. Chuẩn nội dung ở đây là chuẩn trong các video trong thế giới thật, nó không được thiết kế để nén video dựng bởi trình 3D, phim hoạt hình trên TV thông thường hay là anime (đó là lý do tại sao các video thuộc thể loại trên nén không tốt lắm khi sử dụng MPEG-4).

Các chuẩn codec thông thường thuộc họ MPEG-4 là DivX, 3ivx, Quicktime MPEG4 và XviD. Mặc dù chúng là họ hàng với nhau, tuy nhiên một phim được nén bởi một trong các codec trên sẽ không thể được giải mã bằng codec trong lớp của nó. Vì giữa chúng vẫn có những điểm khác nhau cơ bản không thể thay thế.

Có một số đầu đọc DVD phù hợp chuẩn MPEG-4 có thể đọc được video DivX. Để mở rộng khả năng đọc các chuẩn MPEG-4 khác sẽ không khó khăn mấy. Việc này chỉ cần được thực hiện bằng một số thay đổi nhỏ trong EEPROM liên kết với bộ xử lý video của đầu đọc - hay nói cách khác là flash lại bộ EEPROM của đầu đọc.

Để có thể nén được 2h video chất lượng cao mà vừa một đĩa CD đòi hỏi cả một thuật toán phức tạp. MPEG-4 làm việc này bằng cách bỏ bớt những thông tin mà người xem không cảm nhận được bằng cách biến đổi dữ liệu về các điểm ảnh trên video thành công thức toán học gần giống với đoạn dữ liệu đó. Việc biến đổi này gần giống nhau đến mức con người bình thường sẽ rất khó có thể nhận ra sự khác biệt giữa video nguồn và video kết quả (tất nhiên, đó chỉ là lý thuyết).

Đầu tiên, mảng màu của khung hình ban đầu sẽ được biến đổi thành một mảng màu đặc biệt được gọi là YV12. Mắt người thông thường kém nhạy cảm với các màu sắc hơn là với các mức độ sáng tối (liếc nhìn thật nhanh qua bầu trời, bạn sẽ cảm nhận rõ nhất trời sáng hay trời tối hơn là bầu trời có màu gì). Chính vì vậy, MPEG-4 đánh giá độ sáng tối của hình ảnh quan trọng hơn là màu sắc. Điều này đem đến một kết quả là độ sáng tối được ghi lại trong mỗi pixel còn thông tin màu sắc sẽ chỉ được ghi lại sau mỗi 4 pixel.

II. Ứng dụng

MPEG đã đạt được một lượng lớn người dùng trên toàn cầu một cách nhanh chóng. Nó đã được các công ty công nghệ đa phương tiện hàng đầu như Philips, Samsung, Intel và Sony áp dụng cho các sản phẩm của họ.

Viện Hàn lâm Khoa học và Nghệ thuật Truyền hình Quốc gia (NATAS) đã trao giải Emmy Kỹ thuật 1995-1996 cho Thành tựu nổi bật về Phát triển Công nghệ cho ISO / IEC để phát triển các tiêu chuẩn MPEG và JPEG. Đó là sự công nhận của công nghệ nén MPEG như một phương tiện hiệu quả để cung cấp chương trình âm thanh và video chất lượng cao cho người tiêu dùng bằng cách giảm băng thông cần thiết để truyền tín hiệu đến các gia đình và doanh nghiệp trên toàn cầu. Những câu chuyện thành công khác cho các tiêu chuẩn MPEG bao gồm:

Các hệ thống máy tính ngày nay đã hỗ trợ âm thanh và video MPEG. Các tệp được mã hóa MPEG có sẵn từ một số nền tảng đang phát triển, bao gồm CD-ROM và Internet. CD-i và Video-CD sẽ được hỗ trợ bởi các đầu phát DVD mới, dẫn đến khả năng giải mã MPEG được đưa vào.

Số lượng ứng dụng phát sóng ngày càng tăng dựa trên công nghệ MPEG, ví dụ: DSS (Hệ thống vệ tinh kỹ thuật số), DAB (Phát sóng âm thanh kỹ thuật số), DVB (Phát sóng video kỹ thuật số), ADR (Đài phát thanh kỹ thuật số Astra), Nguồn cấp dữ liệu vệ tinh cho mạng cáp, v.v.

MPEG được sử dụng ngày càng nhiều trên ISDN để cung cấp âm thanh và video chất lượng rất cao.

Công nghệ MPEG cung cấp khả năng nén cao cho phương tiện kỹ thuật số trong khi vẫn giữ được chất lượng của nó. Điều này, cùng với chính sách không độc quyền của tiêu chuẩn MPEG, đã dẫn đến sự hỗ trợ mạnh mẽ cho định dạng của người sử dụng cũng như các nhà phát triển cơ sở. Việc dễ dàng tạo và truyền âm thanh / video được mã hóa MPEG qua internet đã dẫn đến một cuộc cách mạng âm nhạc trên web.

Trong Thông tư số 39/2017/TT-BTTTT ngày 15/12/2017 của Bộ trưởng Bộ Thông tin và Truyền thông Công bố Danh mục tiêu chuẩn kỹ thuật về ứng dụng công nghệ thông tin trong cơ quan nhà nước quy định Khuyến nghị áp dụng tiêu chuẩn MPEG-4 và được xếp vào nhóm Tiêu chuẩn về truy cập thông tin.

Tài liệu tham khảo

1. International Organisation for standardization organization international de normalization ISO/IEC/JTC1/SC29/WG11 Coding of moving pictures and Audio 15 May 1998

https://www.itscj.ipsj.or.jp/sc29/open/29view/29n2601t.pdf

2. https://en.wikipedia.org/wiki/MPEG-4
3. https://mpeg.chiariglione.org/standards/mpeg-4

Nguyễn Thị Thu Trang