MJPEG (MJPEG)

MJPEG (Motion JPEG) — покадровый метод видеосжатия, основной особенностью которого является сжатие каждого отдельного кадра видеопотока с помощью алгоритма сжатия изображений JPEG.

При сжатии методом MJPG межкадровая разница не учитывается.

Области применения

MJPEG широко применяется в следующих областях:

• Веб-камера
• нелинейный видеомонтаж;
• IP-камеры;
• Системы видеонаблюдения;
• Цифровые фотоаппараты;
• M-JPEG имеет встроенную поддержку в QuickTime Player, консоли PlayStation и браузерах, таких как Safari, Google Chrome и Mozilla Firefox.

Кодирование

Motion JPEG использует внутрикадровое сжатие с потерями на основе дискретного косинусного преобразования (ДКП). Эта математическая операция преобразует каждый кадр/поле изображения из пространственной области в частотную. Психовизуальная модель, основанная на особенностях восприятия изображений человеком, использует обычно грубое квантование высокочастотной составляющей изображения и более аккуратное квантование низкочастотной составляющей, снижая тем самым точность передачи резких переходов яркости и оттенков цвета. Квантованные коэффициенты ДКП без потерь упаковываются в выходной битовый поток с использованием кодов Хаффмана либо с помощью арифметического кодирования. Почти все программные реализации MJPEG позволяют пользователям контролировать степень сжатия (а также другие параметры) и достигать компромисса качества изображения и размера файла. При аппаратных решениях параметры кодирования, как правило, предварительно выбраны и зафиксированы.

Заголовок каждого кодированного MJPEG обычно соответствует стандарту JPEG, однако, допустимыми являются некоторые несоответствия стандарту. Так, например, в нём может отсутствовать маркер DHT, определяющий таблицы для хаффмановского декодирования. В этом случае в процессе декодирования следует использовать таблицы, приведённые в разделе K.3 стандарта JPEG (CCITT Rec. T.81).

В MJPEG применяется схема только внутрикадрового сжатия (по сравнению с более сложными схемами вычисления с межкадровым сжатием). В то время, как современные видеоформаты с межкадровым сжатием, такие как MPEG1, MPEG2, H.264/MPEG-4 AVC и им подобные, достигают в среднем степени сжатия 1:50 и более, отсутствие в MJPEG межкадрового сжатия, как правило, не позволяет получать коэффициенты сжатия, превосходящие 1:20, в зависимости от допустимости пространственных искажений в декодированных кадрах видеопоследовательности. Так как кадры сжимаются независимо друг от друга, MJPEG требует меньше вычислительных ресурсов и оперативной памяти на этапе кодирования. Однако, декодирование MJPEG может оказаться более затратным, чем при использовании межкадрового сжатия, поскольку, во-первых, предполагает полное декодирование в MJPEG каждого макроблока изображения, тогда как при использовании схем с межкадровым сжатием часть макроблоков, помеченных как «skip», не декодируется, а берётся из предыдущих кадров. Во-вторых, время выполнения процедур хаффменовского декодирования и обратного ДКП зависит от информационной насыщенности декодируемого макроблока изображения, которая при отсутствии межкадрового сжатия оказывается значительно большей, чем при его наличии (в первом случае декодируется полное изображение, во втором — разностное, то есть не само изображение, а лишь его отличие от предсказанного по предыдущим кадрам).

При внутрикадровой схеме сжатия в MJPEG качество изображения зависит непосредственно от статической (пространственной) сложности каждого видеокадра. Кадры с большими гладкими переходами или монотонными областями хорошо сжимаются, но при слишком высоких степенях сжатия содержат, помимо оригинальных деталей, видимые артефакты сжатия в виде блоков размером 8х8 пикселей, несколько отличающиеся по яркости и оттенку цвета. Появление их связано с грубым квантованием низкочастотных коэффициентов ДКП. Кадры, имеющие сложные текстуры, тонкие кривые линии, помимо артефактов блочности содержат также артефакты, проявляющиеся в виде шума вокруг тонких линий и на резких границах (так называемый эффект Гиббса), связанные с грубым квантованием высокочастотных коэффициентов ДКП.

Для форматов QuickTime Apple определила два типа кодирования: MJPEG-A и MJPEG-B. MJPEG-B не сохраняет структуру JPEG-файлов внутри видеофайла, следовательно, невозможно извлечь кадр в файл JPEG без реконструкции заголовка JPEG.

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом видеосжатия Motion JPEG является простота реализации, что делает MJPEG подходящим для реализации в устройствах с ограниченными вычислительными ресурсами.

Чрезвычайно быстрый видеомонтаж — если какой-либо кадр берётся целиком (без изменений) из одного MJPEG-источника, его можно записать в выходной MJPEG-поток как есть, без декодирования-сжатия.

MJPEG даёт стоп-кадры стабильного качества, что ценно в видеонаблюдении, чтобы, например, выяснить номер проехавшего автомобиля или подробно рассмотреть лицо преступника. Битрейт можно настроить даже на неподвижных объектах — и качество будет сохраняться независимо от движения (если, конечно, камере хватает света). В кодеках с межкадровым сжатием качество стоп-кадра зависит от того, насколько он далёк от опорного (закодированного полностью) и много ли движения.

Недостатками MJPEG являются более низкий коэффициент сжатия по сравнению с потоковыми методами сжатия (например, MPEG-4) и проявляющиеся при высоких степенях сжатия артефакты.

См. также

• JPEG
• Motion JPEG 2000

Ссылки

• RFC 2435 RTP Payload Format for JPEG-compressed Video