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NORMAS MPEG
Fabio Cadena
Jefferson Castellanos

MPEG
Las siglas MPEG significan Moving Picture Experts Group y
es el grupo de trabajo del subcomité del ISO/IEC
(International Organization for Standarization /
International Electrotechnical Commission) encargado del
desarrollo de las normas internacionales para la
compresión, descompresión, procesado y codificación de
imágenes animadas, audio o la combinación de ambas.

Aspectos importantes
• El MPEG no define los algoritmos de codificación.
• Los estándares MPEG fueron desarrollados para
ser independientes de la red específica para
proporcionar un punto de interoperabilidad en
entornos de red heterogéneos.
• Define sistemas para multiplexar la información de
audio y vídeo en una única señal digital.
• Describe los métodos para verificar que las señales
y los decodificadores se ajustan a la norma y
publica informes técnicos con ejemplos de
funcionamiento de codificadores y
decodificadores.

Aspectos importantes
• El MPEG trabaja por fases. Las fases se identifican
con números (MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7).
• Los estándares MPEG fueron desarrollados para ser
independientes de la red específica para
proporcionar un punto de interoperabilidad en
entornos de red heterogéneos.
• Las fases no describen diversas versiones de una
única norma, sino que son normas completamente
distintas que se encargan de aspectos diferentes de
la comunicación multimedia.

Versiones y capas
CAPAS
• Capa I
• Capa II
• Capa III
FASES
• MPEG-1
• MPEG-2
• MPEG-3
• MPEG-4
• MPEG-4 Parte 2
• MPEG-4 Parte 14
• MPEG-4 Parte 17
• MPEG-7
• MPEG-PSI

MPEG-1
• Usado para compresión de vídeo en CDs.
MPEG-1 usa una baja tasa de bit, similar a
la resultante de una cinta de vídeo VHS.
• se considera como un vídeo solamente
progresivo (no entrelazado), que alcanza
una tasa de 1.5 Mbps
• La entrada de vídeo es usualmente
convertida primero al formato estándar de
entrada MPEG SIF (Standard Input Format).

DESCRIPCIÓN DE MPEG-1
MPEG utiliza dos técnicas fundamentales:
 Compensación del movimiento basada
en bloques para la reducción de la
redundancia temporal.
 Codificación (DCT–Discrete cousine
Transform) para la reducción de la
redundancia espacial.

• Para soportar el acceso
aleatorio al vídeo
almacenado, se definen
tres tipos
fundamentales de
imágenes o cuadros:
codificados
internamente (I),
predictivos (P) e
interpolados
bidireccionalmente (B).
Reducción de la
Redundancia Espacial.
Reducción de la
Redundancia Temporal:
Para la reducción de la
redundancia espacial en
cada frame I o en la
predicción de errores en
frames P o B, el estándar
MPEG utiliza técnicas de
codificación basadas en
DCT. (transformada
discreta de coseno)

• La DCT incluye la FFT y su
operación básica es transformar
una serie de puntos del dominio
espacial a una representación
idéntica en el dominio de la
frecuencia.
• Estos coeficientes DCT se
someten a una cuantización de
forma que cada elemento de la
matriz se divide por un valor de
tal manera que los valores más
significativos quedan
prácticamente inalterados
mientras que los menos
significativos se convierten en 0,
reduciéndose el número de bits
necesitados para guardar la
imagen.

CODIFICACIÓN DE MPEG-1
La codificación se realiza en dos pasos:
• Codificación del elemento DC como un valor relativo respecto a valores
anteriores, ya que este valor tiene altos grados de correlación.
• Reordenación de los valores DCT en zig-zag ya que hay tantos de estos
elementos cuyo valor es cero que deben ser codificacos de forma
diferente que los que no son cero. Se usa RLE (run-length encoding) que
no hace sino contar el número de ceros en la imagen.

TIPOS DE IMÁGENES MPEG
MPEG define tres tipos de imágenes que se encadenan según el
esquema de la figura. Los cuales son el soporte de la codificación
diferencial y bidireccional, minimizando la propagación de
errores.

LAS IMÁGENES I (INTRA)
Son imágenes que no requieren información
adicional para su decodificación. Son
codificadas sin ninguna referencia a otras
imágenes, como en JPEG, es decir, que
contiene todos los elementos necesarios para
su reconstrucción por el decodificador y son,
por ello, el punto de entrada obligatorio para
el acceso a una secuencia.
LAS IMÁGENES P (PREVISTAS)
Se codifican con respecto a las imágenes de tipo I o P
anteriores, gracias a las técnicas de predicción con
compensación de movimiento. Como la
compensación de movimiento no es perfecta, no se
podrá multiplicar indefinidamente el número de
imágenes I, ya que, como se utilizan para decodificar
otras imágenes P o B, se propagan amplificando
cualquier error de codificación.
Cada macrobloque en una imagen P se puede
codificar tanto como un macrobloque I como P.

LAS IMÁGENES B (BIDIRECCIONALES)
Se codifican por interpolación entre dos
imágenes de tipo I o P precedentes y
siguienteS que las enmarcan. Como no se
utilizan para describir otras imágenes, las
imágenes B no propagan los posibles errores
de codificación.
Este tipo de imágenes es el que ofrece el
factor de compresión más alto, que
generalmente es de una cuarta parte de los
datos de las imágenes I.
La codificación de la imágenes B es similar a la
de las P salvo porque los vectores de
movimiento se refieren a áreas de imágenes
futuras.

MPEG-1
MPEG-1 está conformado por diferentes partes:
• Sincronización y transmisión simultánea de vídeo y audio.
• Códec de compresión para señales de vídeo no entrelazadas
(progresivas).
• Códec de compresión para señales de audio con control
sobre la tasa de compresión
El estándar define tres capas (layers en inglés), o niveles de complejidad de la codificación
de audio MPEG.
MP1 o MPEG-1
Parte 3 Capa 1
(MPEG-1 Audio
Layer 1)
MP2 o MPEG-1
Parte 3 Capa 2
(MPEG-1 Audio
Layer 2)
MP3 o MPEG-1
Parte 3 Capa 3
(MPEG-1 Audio
Layer 3)

Los dos parámetros M y N definen la manera en que las imágenes I, P y B se encadenan: - M es la
distancia (en número de imágenes) entre dos imágenes P (previstas) sucesivas. - N es la distancia entre
dos imágenes I (intra) sucesivas.
Para alcanzar un flujo de vídeo
de 1.15 Mbits/s con una
calidad satisfactoria, al tiempo
que se mantiene una
resolución de acceso aleatorio
aceptable (< 0.5 segundos), los
parámetros comúnmente
utilizados son M=3 y N= 12.
En este caso, una secuencia de vídeo se
compone de 1/12 (8.33%) de imágenes I,
1/4 (25%) de imágenes P y de 2/3 (66.66%)
de imágenes B. El factor de compresión
global se ve favorecida por el hecho de que
son las imágenes más frecuentes las que
tienen un factor de compresión mas alto.

NORMA MPEG-2 (ISO/IEC)
La segunda fase de MPEG, llamada MPEG-2 se acabó convirtiendo en el
estándar de facto en el mundo de la televisión digital ya que arregla
muchos de los problemas inherentes a MPEG-1, tales como la resolución,
escalabilidad y manejo de vídeo entrelazado. MPEG-2 permite imágenes
de mucha más calidad (hasta niveles de HDTV) y permite que muchos
canales de diferentes tasas de bit se multiplexen dentro de un mismo
flujo de datos.
Con una calidad superior al MPEG-1, MPEG-2 fue universalmente
aceptado para transmitir vídeo digital comprimido con velocidades
mayores.

MPEG-2 normalmente define dos sistemas de capas:
FLUJO DE PROGRAMA
El flujo de programa funcionalmente es similar al sistema MPEG-1. La técnica de
encapsulamiento y multiplexación de la capa de compresión produce paquetes grandes y de
varios tamaños. Los paquetes grandes producen errores aislados e incrementan los
requerimientos de buffering en el receptor/decodificador para demultiplexar los flujos de bits.
FLUJO DE TRANSPORTE
El flujo de transporte consiste en paquetes fijos de 188 bytes lo que decrementa el nivel de
errores ocultos y los requerimientos del buffering receptor.
El estándar MPEG-2 es un esquema híbrido de compresión para imágenes en pleno
movimiento que usa codificación inter-trama y codificación intra-trama y combina la
codificación predictiva con la codificación de la transformada DCT 8x8.

Entre las varias mejoras o extensiones introducidas en los codificadores MPEG-2,
tenemos:
• Nuevos modos de predicción de campos y tramas para scanning entrelazado.
Cuantización mejorada.
• Nuevos códigos intra-trama de longitud variable (VLC).
• Extensión escalada de resoluciones para compatibilidad, servicios jerárquicos y
robustos.
• Dos nuevas capas de sistema para multiplexaje y transporte que provee
celdas/paquetes de vídeo de alta o baja prioridad, cuando son llevados a través de
una red conmutada.
• Incrementos soportados por accesos aleatorios.
• Soporte resistente para incremento de errores.
• Múltiples programas con un multiplexor (MPEG-1 no puede hacer esto, y esto fue
un driver principal para el MPEG-2).

La principal novedad con respecto a MPEG-1, además de los perfiles y niveles, provienen
del tratamiento de las imágenes entrelazadas.
Hay básicamente dos modos de visualizar
vídeo:
El escaneo progresivo
visualiza todas las líneas
horizontales de una sola
vez como si fuese un
único cuadro
El escaneo entrelazado visualiza
sólo la mitad de las líneas
horizontales de una vez/pasada
(el primer campo que contiene
todas las líneas de numero
impar es visualizado y a
continuación se visualiza el
segundo campo que contiene
todas las líneas de numero par).

NORMA MPEG-3
• MPEG-3 fue diseñado para tratar señales HDTV en
un rango de entre 20 a 40 Mbits/s.
• Poco despues tiempo se descubrió que se podían
conseguir resultados similares modificando
ligeramente el estándar MPEG-2. Por ello, HDTV fue
incluido como un apartado separado en el estándar
MPEG-2 y a partir de entonces se interrumpió el
trabajo sobre MPEG-3.
• MPEG-3 no debe confundirse con MPEG-1 Audio
Layer 3, que suele conocerse como MP3.

NORMA MPEG-4
El objetivo es crear un contexto audiovisual en el cual
existen unas primitivas llamadas AVO (objetos
audiovisuales). Se definen métodos para codificar
estas primitivas que podrían clasificarse en texto y
gráficos.
Su progresión hace que se introduzca
este estándar al mundo de la TV
interactiva, la computación y las
telecomunicaciones.
Ha sido especialmente diseñado para
distribuir videos con elevados ratios de
compresión, sobre redes con bajo ancho de
banda manteniendo una excelente calidad
para usuarios con buen ancho de banda.
MPEG-4 absorbe muchas de las
características de MPEG-1 y MPEG-2 y
otros estándares relacionados,
añadiendo nuevas características
Inicialmente, MPEG-4 se dirige principalmente para
comunicación de vídeo con baja tasa de bits; sin embargo, su
alcance se amplió más tarde a un estándar de codificación
multimedia.

Las nuevas características ofrecidas por MPEG-4
estándar se pueden resumir en:
• Las escenas se descomponen en 2 componentes básicas,
audio y vídeo. Estos dos objetos son codificados de forma
independiente.
• Los objetos pueden ser tanto vídeo natural (p.ej. generado
por una cámara) como imágenes sintéticas (generadas por
un ordenador).
• Ofrece soporte para manipulación de las imágenes
sintéticas (soporte para animación, utilización de imágenes
estáticas 2D-3D como logos etc).
• Permite interacción de los usuarios sobre la escena que se
está renderizando.
• Se ha mejorado la base del algoritmo MPEG para
incrementar la robustez para el trato de errores.

CODIFICACIÓN MPEG-4
MPEG-4 guarda muchas similitudes con el MPEG-1 y el MPEG-2, tal como la
compresión basada en la DCT (Discreet Cosine Transformation) con frames
I, P y B, todos dentro del GOPs.
Tiene una serie de mejoras, especialmente para bajos
flujos de datos:
Esto incluye mejor estimación de movimiento y filtraje de
desbloqueo. Su calidad y flujo de datos (20Kbps hasta
1000Kbps) es enormemente mejor que en el MPEG-1 y,
generalmente, más competitivo que otras soluciones Web.

ASCPECTOS DE MPEG-4
 MPEG-4 ofrece mejores características a bajos flujos de datos, típicos
de la web.
 soporta contenido entrelazado, resoluciones de hasta 4096 x 4096 y
un flujo de datos entre 5Kbps y 10Mbps en la versión 1.
 permite desde un ancho de banda muy bajo (telefonía móvil) hasta la
televisión en alta definición (HDTV).
 El codec de vídeo MPEG-4 soporta, nativamente, canal alfa, así se
pueden hacer composiciones de vídeo sobre un fondo en tiempo real
(Esto puede ser usado para una segmentación, ya que es posible
separar internamente el fondo de la imagen sobre una escena).
 permite a diferentes desarrolladores de software y hardware crear
objetos multimedia que posean mejores habilidades de adaptabilidad
y flexibilidad para mejorar la calidad de los servicios y tecnologías
como la televisión digital, animación de gráficos, la Web y sus
extensiones.

VERSIONES DE MPEG-4
MPEG-4 Parte 2
estándar de compresión
basado en la
Transformada de coseno
discreta (DCT), similar a
estándares anteriores
como MPEG-1 y MPEG-
2. La Parte 2 de MPEG-4
tiene unos 21 perfiles,
entre los que se
encuentran: Simple,
Advanced Simple, Main,
Core, Advanced Coding
Efficiency, Advanced Real
Time Simple, etc.
Xvid o DivX
Para concretar los diversos rangos de aplicación del estándar, desde la baja
calidad, como cámaras de baja resolución, hasta la televisión de alta definición y
los DVD, las diferentes herramientas de codificación del estándar se agrupan,
según sus características, en perfiles y niveles.
MPEG-4 Parte 14
Se utiliza típicamente para almacenar datos en
archivos para ordenadores, para transmitir
flujos audiovisuales y, probablemente, en
muchas otras formas.
Comúnmente utilizado para combinación de
contenido de audio digital y vídeo digital, pero
también puede ser utilizado para combinar
muchos más tipos de contenido multimedia,
tales como audio múltiple, vídeos, subtítulos e
imágenes fijas o con velocidad variable de bits,
frecuencia variable de muestreo, también
puede combinar un contenido avanzado
distinto denominado oficialmente "Rich Media"
o “BIFS”, con gráficos animados 2D y 3D,
interactividad con el usuario, menús de DVD.
MPEG-4 Parte 17
También llamado MPEG-4
Timed Text es en formato
de subtítulos basados en
texto para MPEG-4. También
es un formato que puede
transmitirse como flujo, que
fue uno de los aspectos más
importantes tomados en
cuenta cuando se creó el
formato. Este contenedor es
técnicamente similar a
*.mp4 pero más utilizado en
telefonía móvil. Aplicaciones
como QuickTime Pro y
MP4Box .

MPEG-7
MPEG-7 es un estándar para la descripción de características de contenidos multimedia.
Proporciona un conjunto de descriptores basados en catálogo (título, creador, derechos),
semántica (información sobre objetos y eventos que aparecen en el documento); que
estandarizan la forma de describir el contenido audiovisual. Se encarga de etiquetar
contenidos multimedia mediante metadatos que describen los registros, con alto nivel de
detalle.
Este estándar se usa para que sea posible desarrollar sistemas capaces de indexar
grandes bases de material audiovisual (imágenes fijas, gráficos, modelos
tridimensionales, audio, discursos, vídeo e información sobre cómo esos elementos
están combinados en una presentación multimedia) y buscar en estas bases de
materiales manual o automáticamente.
En la siguiente
imagen se muestran
sintetizados los
objetivos que
persigue MPEG-7.

Algunas aplicaciones MPEG-7
Existen muchas aplicaciones y dominios donde se pueden aplicar el estándar MPEG-7. Unos
pocos ejemplos son:
Bibliotecas
digitales
(catálogos de
imágenes,
vídeos, música,
etc.)
Servicio de
directorios
multimedia (algo
similar a lo que
podrían ser unas
Páginas Amarillas).
Servicio de noticias
electrónicas
personalizado
Autorización para
contenidos
multimedia (p.e.
música, canales
de televisión,
etc.)

MPEG-21
La base fundamental en la que se sostiene MPEG-21 es la
definición del término de objeto digital. Estos objetos serán
los bienes con los que se comerciará dentro del mercado
establecido en la red MPEG-21. Además se especifica
diferente información como los derechos de propiedad
intelectual y de utilización que tiene cada usuario sobre los
objetos digitales disponibles.
Su propósito principal es el de establecer, de una manera clara, quiénes son los
participantes de la transacción dentro de un mercado digital, en el que los bienes
no son más que datos binarios.

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