MPEG-2

MPEG-2 (également appelé H.222/H.262 selon la définition de l' UIT ) est une norme pour « le codage générique des images animées et des informations audio associées ». Elle décrit une combinaison de méthodes de compression vidéo avec perte et de compression de données audio avec perte , qui permettent le stockage et la transmission de films en utilisant les supports de stockage et la bande passante de transmission actuellement disponibles. Bien que MPEG-2 ne soit pas aussi efficace que les normes plus récentes telles que H.264/AVC et H.265/HEVC , la rétrocompatibilité avec le matériel et les logiciels existants signifie qu'elle est encore largement utilisée, par exemple dans la diffusion de télévision numérique en direct et dans la norme DVD-Vidéo .

MPEG-2 est largement utilisé comme format de signaux de télévision numérique diffusés par les systèmes de télévision terrestre (par voie hertzienne), par câble et par satellite . Il spécifie également le format des films et autres programmes distribués sur DVD et disques similaires. Les stations de télévision , les récepteurs de télévision , les lecteurs de DVD et d'autres équipements sont souvent conçus selon cette norme. MPEG-2 est la deuxième d'une série de normes développées par le Moving Pictures Expert Group ( MPEG ) et est une norme internationale ( ISO / CEI 13818 , intitulée Technologies de l'information — Codage générique des images animées et des informations audio associées ). Les parties 1 et 2 de MPEG-2 ont été développées en collaboration avec l'UIT-T et ont un numéro de catalogue respectif dans la série de recommandations de l'UIT-T.

Bien que le format MPEG-2 soit au cœur de la plupart des formats de télévision numérique et de DVD, il ne les spécifie pas complètement. Les institutions régionales peuvent l'adapter à leurs besoins en limitant et en augmentant certains aspects de la norme. Voir Profils et niveaux vidéo .

MPEG-2 Partie 1 (ISO/CEI 13818-1 et ITU-T Rec. H.222.0 ), intitulée Systèmes , définit deux formats de conteneur distincts, mais liés . L'un est le flux de transport , un format de paquet de données conçu pour transmettre un paquet de données dans quatre paquets de données ATM pour la diffusion de vidéo et d'audio numériques sur des supports de transmission fixes ou mobiles, où le début et la fin du flux peuvent ne pas être identifiés, tels que la radiofréquence , le câble et les supports d'enregistrement linéaires, dont les exemples incluent la diffusion ATSC / DVB / ISDB / SBTVD et l'enregistrement HDV sur bande. L'autre est le flux de programme , une version étendue du format de conteneur MPEG-1 avec moins de surcharge que le flux de transport . Le flux de programme est conçu pour les supports de stockage à accès aléatoire tels que les disques durs , les disques optiques et la mémoire flash .

Les formats de fichiers de flux de transport incluent M2TS , qui est utilisé sur les disques Blu-ray , AVCHD sur les DVD réinscriptibles et HDV sur les cartes Compact Flash . Les fichiers de flux de programmes incluent VOB sur les DVD et Enhanced VOB sur le DVD HD de courte durée . Le flux de transport MPEG-2 standard contient des paquets de 188 octets. M2TS ajoute au début de chaque paquet 4 octets contenant un indicateur d'autorisation de copie de 2 bits et un horodatage de 30 bits.

L'ISO a autorisé la « SMPTE Registration Authority, LLC » comme autorité d'enregistrement pour les identifiants de format MPEG-2. Le descripteur d'enregistrement du transport MPEG-2 est fourni par la norme ISO/IEC 13818-1 afin de permettre aux utilisateurs de la norme de transporter sans ambiguïté des données lorsque leur format n'est pas nécessairement une norme internationale reconnue. Cette disposition permettra à la norme de transport MPEG-2 de transporter tous les types de données tout en fournissant une méthode d'identification sans ambiguïté des caractéristiques des données privées sous-jacentes.

La partie 2 du MPEG-2 (ISO/IEC 13818-2 et ITU-T Rec. H.262), intitulée Vidéo , est similaire à la norme précédente MPEG-1 Partie 2 , mais ajoute la prise en charge de la vidéo entrelacée , le format utilisé par les systèmes de diffusion TV analogique. La vidéo MPEG-2 n'est pas optimisée pour les faibles débits binaires , en particulier inférieurs à 1 Mbit/s à des résolutions de définition standard . Tous les décodeurs vidéo MPEG-2 conformes aux normes sont entièrement capables de lire des flux vidéo MPEG-1 conformes aux limites CPB (Constrained Parameters Bitstream).

Avec quelques améliorations, les systèmes vidéo MPEG-2 sont également utilisés dans certains systèmes de transmission HDTV et constituent le format standard pour la télévision numérique ATSC en direct .

MPEG-2 introduit de nouvelles méthodes de codage audio par rapport à MPEG-1 :

La partie 3 de la norme MPEG-2 (ISO/IEC 13818-3), intitulée Audio , améliore l'audio de la norme MPEG-1 en permettant le codage de programmes audio comportant plus de deux canaux , jusqu'à 5.1 multicanaux. Cette méthode est rétrocompatible avec la norme MPEG-1, ce qui permet aux décodeurs audio MPEG-1 de décoder les deux principaux composants stéréo de la présentation. Cette extension est appelée MPEG Multichannel ou MPEG-2 BC (rétrocompatible).

La partie 3 du MPEG-2 définit également des débits binaires et des taux d'échantillonnage supplémentaires pour les couches audio MPEG-1 I, II et III. Cette extension est connue sous le nom de MPEG-2 LSF (low sampling frequencies), car les nouveaux taux d'échantillonnage sont des demi-multiples (16, 22,05 et 24 kHz) des taux d'échantillonnage définis dans MPEG-1 (32, 44,1 et 48 kHz).

La partie 7 de la norme MPEG-2 (ISO/IEC 13818-7), intitulée Advanced Audio Coding (AAC), spécifie un format audio assez différent, non rétrocompatible. Ce format est plus communément appelé Advanced Audio Coding (AAC), mais s'appelait à l'origine MPEG-2 NBC (non rétrocompatible).

L'AAC est plus efficace que les normes audio MPEG précédentes et est à certains égards moins compliqué que son prédécesseur, MPEG-1 Part 3 Audio Layer 3 , dans la mesure où il ne dispose pas de banque de filtres hybrides. Il prend en charge de 1 à 48 canaux à des fréquences d'échantillonnage de 8 à 96 kHz, avec des capacités multicanaux, multilingues et multiprogrammes.

Le format AAC est également défini dans la partie 3 du MPEG-4 .

Les normes MPEG-2 sont publiées sous forme de « parties ». Chaque partie couvre un aspect spécifique de la spécification dans son ensemble.

Le MPEG-2 a évolué à partir des lacunes du MPEG-1.

Faiblesses connues du MPEG-1 :

• Un système de compression audio limité à deux canaux (stéréo)
• Aucune prise en charge standardisée pour la vidéo entrelacée avec une faible compression lorsqu'elle est utilisée pour la vidéo entrelacée
• Il n'existait qu'un seul « profil » standardisé, le flux binaire à paramètres contraints (CBP), qui n'était pas adapté à la vidéo à haute résolution. MPEG-1 pouvait prendre en charge la vidéo 4K, mais il n'existait aucun moyen simple de coder la vidéo pour des résolutions plus élevées et d'identifier le matériel capable de la prendre en charge, car les limites de ce matériel n'étaient pas définies.
• Prise en charge d'un seul sous-échantillonnage de chrominance , 4:2:0

Sakae Okubo de NTT était le coordinateur de l'UIT-T pour le développement de la norme de codage vidéo H.262/MPEG-2 Part 2 et le responsable des exigences MPEG pour l'ensemble des normes MPEG-2. La ​​majorité des brevets sous-jacents à la technologie MPEG-2 appartiennent à trois sociétés : Sony (311 brevets), Thomson (198 brevets) et Mitsubishi Electric (119 brevets). Hyundai Electronics (maintenant SK Hynix ) a développé le premier décodeur MPEG-2 SAVI (System/Audio/Video) en 1995.

.mpg, .mpeg, .m2v, .mp2, . mp3 sont quelques-unes des nombreuses extensions de nom de fichier utilisées pour les formats de fichiers audio et vidéo MPEG-1 ou MPEG-2.

L'extension de fichier MP3 (anciennement MPEG-1 Audio Layer III ou MPEG-2 Audio Layer III ) est un format de codage pour l'audio numérique développé en grande partie par la Fraunhofer Society en Allemagne, avec le soutien d'autres scientifiques numériques aux États-Unis et ailleurs.

La norme DVD-Vidéo utilise la vidéo MPEG-2, mais impose certaines restrictions :

• Dimensions autorisées
  • 720 × 480, 704 × 480, 352 × 480, 352 × 240 pixels (NTSC)
  • 720 × 576, 702 × 576, 352 × 576, 352 × 288 pixels (PAL)
• Rapports d'aspect autorisés (Affichage AR)
  • 4:3 (pour les cadres grand écran et non grand écran en format letterbox )
  • 16:9 (pour écran large anamorphique )

• Fréquences d'images autorisées
  • 29,97 images/s entrelacées (NTSC)
  • 23,976 images/s progressives (pour NTSC 2:3 pull-down à 29,97 )
  • 25 images/s entrelacées (PAL)

• Débit audio + vidéo
  • Pic vidéo 9,8 Mbit/s
  • Débit de pointe total 10,08 Mbit/s
  • Au moins 300 kbit/s
• YUV 4:2:0
• Sous-titres supplémentaires possibles
• Sous-titrage codé (NTSC uniquement)
• Audio
  • Modulation par impulsions et codage linéaire (LPCM) : 48 kHz ou 96 kHz ; 16 ou 24 bits ; jusqu'à six canaux (toutes les combinaisons ne sont pas possibles en raison de contraintes de débit binaire)
  • MPEG Layer 2 (MP2) : 48 kHz, jusqu'à 5.1 canaux (requis uniquement dans les lecteurs PAL)
  • Dolby Digital (DD, également connu sous le nom d'AC-3) : 48 kHz, 32–448 kbit/s, jusqu'à 5.1 canaux
  • Systèmes de cinéma numérique (DTS) : 754 kbit/s ou 1 510 kbit/s (non requis pour la conformité du lecteur DVD)
  • Les DVD NTSC doivent contenir au moins une piste audio LPCM ou Dolby Digital.
  • Les DVD PAL doivent contenir au moins une piste audio MPEG Layer 2, LPCM ou Dolby Digital.
  • Les lecteurs ne sont pas tenus de lire de l'audio avec plus de deux canaux, mais doivent pouvoir réduire le mixage audio multicanal sur deux canaux.
• Structure GOP (Groupe d'images)
  • L'en-tête de séquence doit être présent au début de chaque GOP
  • Nombre maximal d'images par GOP : 18 (NTSC) / 15 (PAL), soit 0,6 seconde chacun
  • GOP fermé requis pour les DVD multi-angles

HDV est un format d'enregistrement et de lecture de vidéo MPEG-2 haute définition sur une cassette DV.

MOD et TOD sont des formats d'enregistrement destinés à être utilisés dans les caméscopes grand public basés sur des fichiers numériques.

XDCAM est un format d'enregistrement vidéo professionnel basé sur des fichiers.

Restrictions spécifiques à l'application sur la vidéo MPEG-2 dans la norme DVB :

Résolutions autorisées pour SDTV :

• 720, 704, 544, 528, 480 ou 352 × 480 pixels, 24/1.001, 24, 30/1.001 ou 30 images/s
• 352 × 240 pixels, 24/1.001, 24, 30/1.001 ou 30 images/s
• 720, 702, 544, 528, 480 ou 352 × 576 pixels, 25 images/s
• 352 × 288 pixels, 25 images/s

Pour la TVHD :

• 720 x 576 x 50 images/s progressives (576p50)
• 1280 x 720 x 25 ou 50 images/s progressif (720p50/720p50)
• 1440 ou 1920 x 1080 x 25 images/s progressif (1080p25 = mode film)
• 1440 ou 1920 x 1080 x 25 images/s entrelacées (1080i50)

La norme ATSC A/53 utilisée aux États-Unis utilise la vidéo MPEG-2 au profil principal à haut niveau (MP@HL), avec des restrictions supplémentaires telles que le débit binaire maximal de 19,39 Mbit/s pour la télévision diffusée et de 38,8 Mbit/s pour la télévision par câble, le format de sous-échantillonnage de la chrominance 4:2:0 et les informations de colorimétrie obligatoires.

L'ATSC autorise les résolutions vidéo, les rapports hauteur/largeur et les fréquences d'images/de champs suivants :

• 1920 × 1080 pixels (16:9, pixels carrés), à 30p, 29,97p, 24p, 23,976p, 60i, 59,94i.
• 1280 × 720 pixels (16:9, pixels carrés), à 60p, 59,94p, 30p, 29,97p, 24p ou 23,976p
• 704 × 480 pixels (4:3 ou 16:9, pixels non carrés), à 60p, 59,94p, 30p, 29,97p, 24p, 23,976p, 60i ou 59,94i
• 640 × 480 pixels (4:3, pixels carrés), à 60p, 59,94p, 30p, 29,97p, 24p, 23,976p, 60i ou 59,94i

La norme ATSC A/63 définit des résolutions et des formats d'image supplémentaires pour le signal 50 Hz (PAL).

La spécification ATSC et MPEG-2 autorisent l'utilisation d'images progressives, même dans une séquence vidéo entrelacée. Par exemple, une station qui transmet une séquence vidéo 1080i60 peut utiliser une méthode de codage dans laquelle ces 60 champs sont codés avec 24 images progressives et des métadonnées indiquent au décodeur de les entrelacer et d'effectuer un ajustement 3:2 avant l'affichage. Cela permet aux diffuseurs de passer d'un contenu entrelacé à 60 Hz (actualités, feuilletons) à un contenu progressif à 24 Hz (heures de grande écoute) sans mettre fin à la séquence MPEG-2 et sans introduire plusieurs secondes de retard lorsque le téléviseur change de format. C'est la raison pour laquelle les séquences 1080p30 et 1080p24 autorisées par la spécification ATSC ne sont pas utilisées dans la pratique.

Les formats 1080 lignes sont codés avec des matrices de luminance de 1920 × 1088 pixels et des matrices de chrominance de 960 × 540, mais les 8 dernières lignes sont ignorées par le processus de décodage et d'affichage MPEG-2.

ATSC A/72 est la dernière révision des normes ATSC pour la télévision numérique, qui permet l'utilisation du format de codage vidéo H.264/AVC et du signal 1080p60.

L'audio MPEG-2 était un concurrent pour la norme ATSC lors de la compétition DTV « Grand Alliance », mais a perdu face au Dolby AC-3 .

Les caractéristiques techniques du MPEG-2 dans ATSC sont également valables pour ISDB-T , sauf que dans le TS principal, un deuxième programme pour les appareils mobiles a été agrégé en MPEG-4 H.264 AVC pour la vidéo et AAC -LC pour l'audio, principalement connu sous le nom de 1seg .

MPEG-2 est l'un des trois formats de codage vidéo pris en charge par les disques Blu-ray. Les premières versions Blu-ray utilisaient généralement la vidéo MPEG-2, mais les versions récentes sont presque toujours au format H.264 ou occasionnellement au format VC-1 . Seule la vidéo MPEG-2 (MPEG-2 partie 2) est prise en charge, le Blu-ray ne prend pas en charge l'audio MPEG-2 (parties 3 et 7). De plus, le format de conteneur utilisé sur les disques Blu-ray est un flux de transport MPEG-2, quels que soient les codecs audio et vidéo utilisés.

Au 3 janvier 2024, les brevets MPEG-2 ont expiré dans le monde entier, à l'exception de la Malaisie, où le dernier brevet devrait expirer en 2035. Le dernier brevet américain a expiré le 23 février 2018.

MPEG LA , une organisation privée de licences de brevets, avait acquis des droits auprès de plus de 20 sociétés et d'une université pour concéder sous licence un pool de brevets d'environ 640 brevets mondiaux, qu'elle prétendait être « essentiels » à l'utilisation de la technologie MPEG-2. Les détenteurs de brevets comprenaient Sony , Mitsubishi Electric , Fujitsu , Panasonic , Scientific Atlanta , Columbia University , Philips , General Instrument , Canon , Hitachi , JVC Kenwood , LG Electronics , NTT , Samsung , Sanyo , Sharp et Toshiba . Lorsque la brevetabilité des logiciels est confirmée et que les brevets n'ont pas expiré (uniquement en Malaisie), l'utilisation de MPEG-2 nécessite le paiement de droits de licence aux détenteurs de brevets. D'autres brevets ont été concédés sous licence par Audio MPEG, Inc. Le développement de la norme elle-même a pris moins de temps que les négociations sur les brevets. La mise en commun de brevets entre les détenteurs de brevets essentiels et périphériques dans le pool MPEG-2 a fait l'objet d'une étude de l'Université du Wisconsin.

Selon l'accord de licence MPEG-2, toute utilisation de la technologie MPEG-2 dans les pays disposant de brevets actifs (Malaisie) est soumise à des redevances . Les encodeurs et décodeurs MPEG-2 sont soumis à 0,35 $ par unité. De plus, tout support conditionné (DVD/flux de données) est soumis à des droits de licence en fonction de la durée de l'enregistrement/diffusion. Les redevances étaient auparavant plus élevées, mais ont été abaissées à plusieurs reprises, le plus récemment le 1er janvier 2018. Une critique antérieure du pool de brevets MPEG-2 était que même si le nombre de brevets était passé de 1 048 à 416 en juin 2013, les droits de licence n'avaient pas diminué avec le taux d'expiration des brevets MPEG-2.

Les organisations suivantes ont détenu des brevets pour MPEG-2, comme indiqué sur MPEG LA . Voir également Liste des brevets MPEG-2 aux États-Unis .