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フォーマット辞典 MPEG編

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MPEGフォーマット

デコード方式だけが決められていて、圧縮方式は、デコード可能なら自由にしていいらしい？
MPEG-1は、H.261をベースに標準化された。
MPEGの基本は、JPEGである。
MPEG1の音声はLayer I、Layer II、Layer IIIなどがあり、MP3はMPEG1 Layer IIIのことである。
MPEG4の音声はAACだったり、NTTの開発したTwinVQなども採用されている。
データ構造は、C MAGAZINEで解説されているので、ここでもまとめていきたい。

データは、階層構造を取る。 メディアに記録される上のほうのフォーマットだけ見てみようか。

MPEG1

VideoCD用の規格として日本の技術者を中心に作られた。最大768×576 ? プログレッシブのみ。

音声はLayer Ⅰ/Layer Ⅱ/ Layer Ⅲがある。

MPEG2

DVD-Videoや日本などのデジタル放送で使われている。

インターレース形式もサポートしているのだとか。DVDではどっち?

基準周波数 STC、SCR、PCR: 27MHz

MPEG4 Video (Part 2)

MPEG-4には、Part 2のVideo を使ったものとPart 10のAVCを使ったものがあって、Part 10の方が今後の主流なのかな? Part 2のものはほとんど使われていない。

MPEG4 Advanced Video Codec / H.264

Part 10 Advanced Video Codec (AVC)は AVC ITU-T H.264 としても規格化されているのでMPEG-4 AVC よりも H.264と呼ばれることの方が主流か。

用途別にProfile が数種類あり、一度大きく拡張されていたりする。携帯電話、ワンセグ放送などの転送帯域の狭いものを想定して作られたが、後にアルゴリズムが改良され、テレビ解像度でもMPEG2に比べ圧縮率や画質が大幅に改善された。 Blu-ray DiscではAVC/H.264のMain Profile、High Profile が使われる。

枠的なフォーマット

MPEG2には、MPEG2-TS、MPEG2-PS、MPEG2-ESの各ストリームやSystem 、PESなどの階層があったりなかったり。これらは MPEG-2 Systems の仕様です。

• MPEG2-TS(Transport Stream)
  188byte固定長パケット エラー訂正を含め204byteのものもある 複数ストリーム(Program)を収納できる放送に適した形式。Blu-rayもこちら
• MPEG2-PS(Program Stream)
  MPEG2ファイル、DVD等々はこの形式?
• MPEG2-PES(Packetized Elementally Stream)
  64KBまで

データの各種単位

• 基本的な素の映像または音のデータがES
• 分割してタイム情報などのヘッダつけたのがPES
• で、それを細かくしたのがTS
• 複数まとめたりするのがPSかな。PEもあり?

MPEG2-PESはPESヘッダとPESペイロードにわかれる。TSもTSヘッダとTSペイロードに。 PESをまとめてパック、 パックをまとめてPS。

• ES [生のデータ]
• PES [[ヘッダ][ESを分割したデータ]]
• パック [[PESを区切ったもの]]
  
• TSペイロード [PESを固定サイズで区切ったもの]
• TS [[TSヘッダ][TSペイロード]]
• PS [[PSヘッダ][パック]]の繰り返し

でいいのかな?

階層

• TS
  • TSヘッダ
  • TSペイロード
    • PESを188バイトぐらい? で分割したもの
      • PESの固定サイズのかけら
• PS
  • PSヘッダ(パケットヘッダ?) H.222.0 Table 2-33
  • システムヘッダ(ストリーム中に1回あればいい?)
  • パック
    • PESを適当に?区切ったもの DVDなどは区切らない? ようには見えない
      • PESの断片

似ていますが、PESの分割方法が固定サイズと意味のあるサイズで違ったりです。どちらもPESを取り出せれば成功ですかね。

頭は 0x000001xx がスタートコードになり、各要素は0x000001ではじまる。データ中には0x000001は出てこないようになっている。

MPEG1 (Video?)の場合

JIS X 4321の2.4.3付近を見てみよう

ISO/IEC 11172レイヤは複数の外包レイヤとISO_11172_end_codeでできている。

• Systems
  • 0x000001BA 外包レイヤ
  • 0x000001BB 同期多重ヘッダ
• Video
  • 0x000001B3 シーケンス層 SHC
  • 0x000001B8 GOP層 複数のフレームをまとめて記録
  • 0x00000100 ピクチャ層
  • 0x00000101 ～
    0x000001AF スライス層

で、構造(MPEG1-Video内)

• シーケンス層 [[シーケンスヘッダ][GOP層]]
• GOP層 [[Iピクチャ]または[Gピクチャ]、[Pピクチャ]]
• ピクチャ
• スライス
• マクロブロック
• ブロック

MPEG2の場合

基本的にMPEG1と同じ。GOP層が省略可

以下は合っているかどうか不明

• Systems ? TS ?
  • 0x000001B9 Program End Code
  • 0x000001BA Packet Start Code
  • 0x000001BB system_header_start_code
  • Stream id なものたち
    • 0x000001BC program_stream_map
    • 0x000001BD private_stream_1
    • 0x000001BE padding_stream
    • 0x000001BF private_stream_2 ? DVDのVOFなどにある
    • 0x000001C0 PES Streams (Audio) C0～DF
      • ISO/IEC 13818-3(MPEG2 Audio)
      • ISO/IEC 11172-3(MPEG1Audio)
      • ISO/IEC 13818-7(MPEG2 AAC)
      • ISO/IEC 14496-3(MPEG4 Audio)
    • 0x000001E0 PES Streams (Video) E0～EF
      • ITU-T Rec. H.262 | ISO/IEC 13818-2(MPEG2 Video)
      • ISO/IEC 11172-2(MPEG1 Video)
      • ISO/IEC 14496-2(MPEG4 Visual)
    • 0x000001F0 ECM_stream
    • 0x000001F1 EMM_stream
    • などなど
• Video ?
  • 0x000001B2 User Data Start Code ユーザデータ
  • 0x000001B3 シーケンス層
  • 0x000001B5 EXT_START_CODE 拡張データ
  • 0x000001B8 GOP層
  • 0x00000100 ピクチャ層
  • 0x00000101 ～
    0x000001AF スライス層

H.222.0 Table 2-18

extension_start_code

MPEG2 PSヘッダな構造(単位:ビット)

パケットヘッダ(0x000001BA)

• Packet Start Code(32)
• MPEG2のしるし 01(2)
• SCR(3+1+15+1+15+1)
• SCR ex (9+1)
• 多重化レート(22+2)
• 予約(5)
• スタッフィング長(3)
• スタッフィング・バイト(可変)
• システムヘッダ(あれば)

システムヘッダ(0x000001BB)

• system header start code(32)
• システムヘッダサイズ(16) 残りのサイズ
• (1)
• rate_bound(22)
• (1)
• オーディオチャンネル数(6)
• フラグいろいろ(5)
• ビデオチャンネル数(5)
• 予約(8)
• while (stream_idの頭ビットが1のとき) 予定外に出てきそうなstream_idの一覧?
  • stream_id(8)
  • '11'(2)
  • P-STD_buffer_bound_scale(1) オーディオが0でビデオが1、その他はどっちか?
  • P-STD_buffer_size_bound(13)

H.222.0 Table 2-17 はPESの構造

TMPEGEnc 3.0 XPressの出力データ(.mpg)を眺めてみると、2KBごとのPacket Start Code (000001BA)が見られる。

映像のみ出力したもの(.m2v)を見てみると、シーケンス層(000001B3)からはじまっている。

シーケンス層 (MPEG1の場合)

• Sequence Start Code (32bit)
• 画像サイズ 横 (12bit)
• 画像サイズ 縦 (12bit)
• アスペクト比 (テーブル参照) (4bit)
• ピクチャレート (テーブル参照) (4bit)
• ビットレート (18bit)
• Marker Bit 常に1 (1bit)
• 仮想復号器のバッファサイズ (10bit)
• 3ビットいろいろ
• 拡張等いろいろ

エンコード的なこと

I B P Dフレームがある。 I B Pフィールドなんかもある。

Iピクチャ / Iフィールド (Intra-coded Picture)

他のフレーム/フィールドの情報を含まず、単体でデコード可能なフレーム/フィールド

Pピクチャ / Pフィールド

前方のフレームからの予測で作られる。

Bピクチャ / Bフィールド

前方、後方双方からの予測で作られる。

参考

• MPEG1
  • ISO/IEC 11172-1:1993 International Standard MPEG-1 Systems (1993)
    • JIS X 4321 MPEG1 System
  • ISO/IEC 11172-2:1993 International Standard MPEG-1 Video
    • JIS X 4322:1996 MPEG1 動画
  • ISO/IEC 11172-3:1993 International Standard MPEG-1 Audio
    • JIS X 4323:1996 MPEG1 音響
    • [MP3]
  • ISO/IEC 11172-4:1995 適合性試験
    • JIS X 4324:1999 適合性試験
  • ISC/IEC TR 11172-5:1998 ソフトウェア
  • C MAGAZINE 1999年10月号(ソフトバンク出版)
  • C MAGAZINE 2002年11月号
• MPEG2
  • ISO/IEC 13818-1:1996 International Standard MPEG-2 Systems (Nov. 1994)
    • ITU-T H.222.0 System (同じもの)
    • JIS X 4325:1998 (ISO/IEC 13818-1 を引用しているだけ)
  • ISO/IEC 13818-2:1996 International Standard MPEG-2 Video (Nov. 1994)
    • ITU-T H.262 Video (同じもの)
    • JIS X 4326:1998
  • ISO/IEC 13818-3:1998 International Standard MPEG-2 Audio (Nov. 1994)
    • JIS X 4327:1998 13818-3:1995の引用
  • ISO/IEC 13818-4:1998 適合性試験
    • JIS X 4328:1999
  • ISO/IEC TR 13818-5:1997 ソフトウェア
  • ISO/IEC 13818-6:1998 DSM-CC(システム用の拡張規格)
    • JIS X 4329:2000
  • ISO/IEC 13818-7:1997 International Standard MPEG-2 Advanced Audio Coding (AAC) (Dec. 1997)
    • JIS X 4330:2002
  • ISO/IEC 13818-9:1996 MPEG-2 RTI(システム用の拡張規格)
    • JIS X 4331:1999
  • ISO/IEC 13818-10:1999 MPEG-2 DSM-CC用適合性試験
  • C Magazine 2002年12月号
• MPEG4
  • JIS X 4332-x 作成中?
  • ISO/IEC 14496-1:2001 MPEG-4 システム
    • JIS X 4332-1:2002
  • ISO/IEC 14496-2:1999 MPEG-4 ビジュアル
    • JIS X 4332-2:2002
  • ISO/IEC 14496-3:1999 MPEG-4 オーディオ
    • JIS X 4332-3:2002
  • ISO/IEC 14496-4 MPEG-4 適合性試験
  • ISO/IEC 14496-5 MPEG-4 ソフトウェア
  • ISO/IEC 14496-6:1999 MPEG-4 DMIF
  • ISO/IEC 14496-10 MPEG-4 Advanced Video Coding
    • ITU-T H.264 も同じ
  • C MAGAZINE 2004年1月号
• 各種
• *IS
  *TR 技術報告書
  *DTR
  *DIS 国際規格原案 Draft International Standard
  *FDIS 最終国際規格原案
  http://home.catv.ne.jp/dd/pub/book/mpeg.html (必読?)
  特許第1869940号 特許2510456号など
  ISO/IEC JTC1
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• TTCドキュメントデータベース (TTC/社団法人情報通信技術委員会) H.264とかがある。翻訳版らしい