Moving Picture Experts Group

Moving Picture Experts Group (MPEG, Группа экспертов по движущимся изображениям) — это рабочая группа Международной организации по стандартизации (ISO) и Международной электротехнической комиссии (IEC), занимающаяся разработкой стандартов сжатия, кодирования и передачи цифрового аудио и видео. Основана в 1988 году, MPEG известна прежде всего созданием семейства стандартов MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 и MPEG-7, которые стали основой для цифрового телевидения, DVD, интернет-видео и мультимедийных технологий.

История

Предпосылки и основание

В конце 1980-х годов с развитием цифровых технологий возникла необходимость в единых стандартах для сжатия видео- и аудиоданных. До этого различные компании и организации использовали проприетарные форматы, что затрудняло совместимость устройств и обмен медиафайлами. В 1988 году ISO и IEC создали подкомитет SC 29 (Кодирование аудио, видео и мультимедийной информации), в рамках которого была сформирована рабочая группа MPEG. Первое заседание состоялось в мае 1988 года в Ганновере, Германия.

Разработка первых стандартов

Первым проектом MPEG стал стандарт MPEG-1, который был опубликован в 1993 году. Он был ориентирован на сжатие видео с битрейтом около 1,5 Мбит/с, что позволяло записывать видео на компакт-диски (Video CD). MPEG-1 включал аудиокодек MPEG-1 Layer 3, более известный как MP3, который стал одним из самых популярных аудиоформатов в мире.

Следующим значительным достижением стал стандарт MPEG-2, опубликованный в 1995 году. Он был разработан для более высокого качества видео (до 4:2:2 и 4:4:4) и поддерживал разрешения до 1920×1080 пикселей. MPEG-2 стал основой для цифрового телевидения (DVB, ATSC), DVD-видео и спутникового телевидения. Его аудиокодек, MPEG-2 Audio Layer III (MP3), также получил широкое распространение.

Эпоха MPEG-4 и MPEG-7

В 1998 году был опубликован стандарт MPEG-4, который значительно расширил возможности кодирования. Он включал поддержку интерактивных мультимедийных приложений, 3D-графики, потокового видео и аудио. Ключевым компонентом MPEG-4 стал кодек H.264/AVC (Advanced Video Coding), разработанный совместно с ITU-T. H.264 обеспечивал вдвое лучшее сжатие по сравнению с MPEG-2 при том же качестве, что сделало его стандартом для Blu-ray, интернет-видео (YouTube, Netflix) и видеоконференций.

Стандарт MPEG-7 (опубликован в 2002 году) был посвящён описанию мультимедийного контента, а не его сжатию. Он предоставлял метаданные для поиска, фильтрации и управления медиафайлами, включая описания сцен, объектов, событий и эмоций.

Современные разработки

В 2000-х и 2010-х годах MPEG продолжила разработку стандартов, включая MPEG-21 (мультимедийная структура), MPEG-A (форматы мультимедийных приложений) и MPEG-B (битовые потоки). В 2013 году был опубликован стандарт MPEG-H, который включал кодек H.265/HEVC (High Efficiency Video Coding), обеспечивающий ещё более высокую степень сжатия (до 50% по сравнению с H.264). H.265 стал основой для 4K и 8K видео, а также для потоковых сервисов.

В 2020 году MPEG завершила разработку стандарта MPEG-I (Immersive Video), который включает кодирование для виртуальной и дополненной реальности, а также для 360-градусного видео. В 2023 году был опубликован стандарт MPEG-5 (EVC — Essential Video Coding), который предлагает альтернативу H.265 с упрощённой лицензионной моделью.

Структура и организация

MPEG работает под эгидой ISO/IEC JTC 1/SC 29. В группу входят представители более 200 организаций из разных стран, включая производителей электроники, разработчиков программного обеспечения, вещательные компании, научные учреждения и государственные органы. Заседания проводятся несколько раз в год, обычно в разных странах.

Работа MPEG организована в виде подгрупп, каждая из которых отвечает за определённый аспект стандартизации:

• Video Coding — кодирование видео.
• Audio Coding — кодирование аудио.
• Systems — мультиплексирование, синхронизация и транспортные протоколы.
• Multimedia Description — метаданные и описание контента.
• Test and Verification — тестирование и проверка стандартов.

Основные стандарты

Семейство MPEG-1

• MPEG-1 Video — сжатие видео с битрейтом до 1,5 Мбит/с, разрешение до 352×288 пикселей (SIF). Использовался в Video CD, первых цифровых камерах и интернет-видео.
• MPEG-1 Audio — включает три уровня: Layer 1 (низкое качество), Layer 2 (использовался в DAB и Video CD) и Layer 3 (MP3). MP3 стал самым популярным аудиоформатом в 1990-х и 2000-х годах.

Семейство MPEG-2

• MPEG-2 Video — сжатие видео с битрейтом от 1,5 до 60 Мбит/с, поддержка разрешений до 1920×1080. Используется в DVD, цифровом телевидении (DVB, ATSC, ISDB) и спутниковом телевидении.
• MPEG-2 Audio — включает Layer 2 (используется в DVB) и Layer 3 (MP3). Также включает кодек AAC (Advanced Audio Coding), который стал стандартом для MPEG-4.

Семейство MPEG-4

• MPEG-4 Part 2 (Visual) — сжатие видео с поддержкой интерактивных объектов, 3D-графики и потокового видео. Использовался в DivX, Xvid и некоторых мобильных устройствах.
• MPEG-4 Part 10 (H.264/AVC) — кодек с высокой степенью сжатия, поддерживающий разрешения до 4K. Стал стандартом для Blu-ray, YouTube, Netflix, видеоконференций и мобильных устройств.
• MPEG-4 Part 3 (Audio) — включает AAC, HE-AAC (High-Efficiency AAC) и другие аудиокодеки. AAC стал стандартом для iTunes, YouTube и мобильных устройств.

Семейство MPEG-7

• MPEG-7 — стандарт для описания мультимедийного контента. Включает схемы метаданных для описания сцен, объектов, событий, эмоций, а также для поиска и фильтрации медиафайлов. Используется в библиотеках, архивах и системах управления контентом.

Семейство MPEG-21

• MPEG-21 — мультимедийная структура, объединяющая различные стандарты для управления цифровыми медиа. Включает описание прав доступа (DRM), адаптацию контента для разных устройств и сетей.

Семейство MPEG-H

• MPEG-H Part 2 (H.265/HEVC) — кодек с высокой эффективностью сжатия, обеспечивающий вдвое лучшее сжатие по сравнению с H.264. Поддерживает разрешения до 8K, HDR и высокую частоту кадров. Используется в 4K Blu-ray, потоковых сервисах (Netflix, Amazon Prime) и телевидении.
• MPEG-H Part 3 (Audio) — аудиокодек, поддерживающий 3D-аудио, включая объёмный звук для виртуальной реальности.

Семейство MPEG-I

• MPEG-I — стандарты для иммерсивного видео, включая 360-градусное видео, виртуальную и дополненную реальность. Включает кодеки для сжатия панорамного видео, а также метаданные для пространственного звука.

Семейство MPEG-5

• MPEG-5 Part 1 (EVC) — кодек с упрощённой лицензионной моделью, предлагающий альтернативу H.265. Поддерживает разрешения до 8K, HDR и высокую частоту кадров.
• MPEG-5 Part 2 (LC EVC) — упрощённая версия EVC для мобильных устройств и интернета вещей.

Применение

Стандарты MPEG нашли широкое применение в различных областях:

• Цифровое телевидение: MPEG-2 и MPEG-4 используются в системах DVB (Европа), ATSC (США), ISDB (Япония) и DTMB (Китай). MPEG-H (H.265) используется для 4K и 8K телевидения.
• DVD и Blu-ray: MPEG-2 используется для DVD-видео, H.264/AVC — для Blu-ray. H.265/HEVC — для 4K Blu-ray.
• Интернет-видео: H.264/AVC и H.265/HEVC являются основными кодеками для YouTube, Netflix, Vimeo и других потоковых сервисов. MPEG-4 Part 2 (DivX, Xvid) использовался для сжатия видео в интернете в 2000-х годах.
• Мобильные устройства: H.264/AVC и H.265/HEVC используются в смартфонах, планшетах и камерах для записи и воспроизведения видео. MPEG-4 Audio (AAC) — стандартный аудиоформат для iOS и Android.
• Видеоконференции: H.264/AVC и H.265/HEVC используются в системах видеоконференций (Zoom, Skype, Microsoft Teams) для сжатия видео в реальном времени.
• Медицинские и научные приложения: MPEG-2 и MPEG-4 используются для сжатия медицинских изображений (рентген, МРТ, КТ) и научных данных.
• Архивы и библиотеки: MPEG-7 используется для описания и поиска мультимедийного контента в цифровых библиотеках и архивах.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое распространение, стандарты MPEG подвергались критике по нескольким причинам:

• Лицензионные сборы: Многие стандарты MPEG, особенно H.264/AVC и H.265/HEVC, требуют выплаты лицензионных отчислений патентообладателям. Это привело к появлению альтернативных кодеков, таких как VP9 (Google) и AV1 (Alliance for Open Media), которые являются бесплатными.
• Сложность реализации: Некоторые стандарты, особенно H.265/HEVC, требуют значительных вычислительных ресурсов для кодирования и декодирования, что ограничивает их использование на старых устройствах.
• Задержка стандартизации: Процесс разработки стандартов MPEG может занимать несколько лет, что иногда приводит к тому, что к моменту публикации стандарта на рынке уже появляются более эффективные проприетарные решения.
• Проблемы с обратной совместимостью: Переход от MPEG-2 к MPEG-4 и H.264/AVC требовал обновления оборудования и программного обеспечения, что создавало неудобства для пользователей.

Интересные факты

• Название «MPEG» произносится как «эм-пэг» (в русском языке) или «эм-пэг» (в английском).
• Первый стандарт MPEG-1 был разработан всего за три года, что было рекордным сроком для ISO.
• Аудиокодек MP3, разработанный в рамках MPEG-1, стал одним из самых популярных форматов в истории, несмотря на то, что изначально он был лишь одним из трёх уровней сжатия.
• Стандарт MPEG-7 был первым, который не занимался сжатием, а описывал контент, что вызвало критику со стороны некоторых членов группы.
• MPEG-21 был назван «мультимедийной структурой» и включал концепцию «цифрового предмета», который мог содержать не только медиафайлы, но и права доступа, метаданные и адаптацию к разным устройствам.
• В 2023 году MPEG начала работу над стандартом MPEG-6, который будет посвящён кодированию видео для машинного зрения и искусственного интеллекта.

Источники

• ISO/IEC JTC 1/SC 29 — официальный сайт подкомитета.
• «MPEG: A Technical Overview» — технический обзор от ISO.
• «The MPEG Handbook» — книга Джона Уоткинсона.
• «H.264 and MPEG-4 Video Compression» — книга Иэна Ричардсона.
• «MPEG-7: The Multimedia Content Description Standard» — книга Б. С. Манжуната.
• Документы ISO/IEC 11172 (MPEG-1), 13818 (MPEG-2), 14496 (MPEG-4), 15938 (MPEG-7), 21000 (MPEG-21), 23008 (MPEG-H), 23090 (MPEG-I), 23094 (MPEG-5).