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MPEG系列视频编码标准
2007/2/1 11:53:12    产通学院,365PR NET

MPEG于1988年成立,是为数字音/视频制定压缩标准的专家组,目前已拥有300多名成员,包括IBM、SUN、BBC、NEC、INTEL、AT&T等世界知名公司。MPEG组织最初得到的授权是制定用于“活动图像”编码的各种标准,随后扩充为“及其伴随的音频”及其组合编码。MPEG能够比其他算法提供更好的压缩比,最高可达200:1。更重要的是,MPEG在提供高压缩比的同时,对数据的损失很小。MPEG视频压缩编码包括了MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7、MPEG-21。MPEG-1即俗称的VCD制式,MPEG-2则为DVD所采用,MPEG-4是为交互式多媒体通讯制定得压缩标准,MPEG-7是为互联网视频检索制定的压缩标准,MPEG-21侧重于支持大范围网络的各种设备可以透明地访问各种多媒体资源。由于MPEG-7及MPEG-21标准重点已经不在压缩方面,不在本文讨论范围。

a) MPEG-1

1992年推出的MPEG-1用于传输1.5Mbps数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的编码。它包括五个部分,第一部分(系统部分)说明了如何根据第二部分(视频部分)以及第三部分(音频部分)的规定,对音频和视频进行复合编码;第四部分(一致性部分)说明了检验解码器或编码器的输出比特流符合前三部分规定的过程;第五部分是用C语言实现编码和解码器的参考软件。MPEG-1以其高效的压缩技术和较为满意的图像质量成为红极一时的家庭化VCD的基础。

b) MPEG-2

1995年推出的MPEG-2图像压缩的原理是利用了图像中的两种特性:空间相关性和时间相关性。这两种相关性使得图像中存在大量的冗余信息。如果我们能将这些冗余信息去除,只保留少量非相关信息进行传输,就可以大大节省传输频带。而接收机利用这些非相关信息,按照一定的解码算法,可以在保证一定的图像质量的前提下恢复原始图像。

MPEG-2,以其更高的像素分辨率,大大提高了视频质量,为DVD(高密度数字视频光盘),特别是HDTV(高清晰度电视)、DAB(数字音频广播) 等广播级的数字电视的编码和传送的迅速推广提供了基础,并大大推进了许多基于视频的试验性及商业性服务。MPEG-2标准是针对SDTV和HDTV在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定,编码码率从3Mbps到100Mbps,能够提供广播级的视频和CD级的音质。

根据MPEG-2标准,不同厂家的编码器虽然可以采用不同算法,但产生的MPEG-2码流都必须遵守相同的语法和解码规则,任何支持同样或更高级别的MPEG-2格式的解码器都可以解码。这一点保证在整个信号数据链路中的设备互换性,解决多种视频数据格式并存带来的许多问题,这在开放性网络设备构架中是非常重要。全球正在开始实施的数字电视广播传输的国际标准有三个:美国的AISC、欧洲的DVB及日本的ISDB。它们在传送视音频流时都采用MPEG-2的传输流。MPEG-2 IBP帧方式由于采用帧间压缩,大大降低了码率,已在传输、播出中获得了广泛应用,并为国际所公认。

MPEG-2不是MPEG-1的简单升级,MPEG-2在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。MPEG-2解决了MPEG-1不能满足的日益增长的多媒体应用对分辨率和传输率的要求,支持固定比特率传送、可变比特率传送、随机访问、分级编码、比特流编辑等功能。

c) MPEG-4

1998年制定的MPEG-4第一版及1999年推出 的MPEG-4第二版 被视为第一个真正意义上的多媒体标准。它以客观对像作为编码形式,实现多媒体交互应用。它在移动通信、视频交互及计算机图片2D/3D计算处理以及专业数字视频等方面起着决策性作用。

MPEG4于1998 年11月公布。MPEG-4标准主要应用于视像电话(Video Phone),视像电子邮件(Video Email)和电子新闻(Electronic News)等,其传输速率要求较低,在4800-64000bits/sec之间,分辨率为176X144。MPEG-4利用很窄的带宽,通过帧重建技术,压缩和传输数据,以求以最少的数据获得最佳的图象质量。

MPEG-1、MPEG-2都是采用传统压缩编码技术,着眼于图像信号的统计特性来设计编码器,属于波形编码的范畴。传统压缩编码方案把视频序列按时间先后分为一系列帧,每一帧图像又分成宏块以进行运动补偿和编码,这种编码方案存在以下缺陷:
·在高压缩比的情况下会出现严重的“马赛克效应”。
·不能对图像内容进行访问、编辑和回放 。
·未充分利用HVS(人类视觉系统)特性。

MPEG-4则是基于对象的新型压缩编码技术,它利用了人眼视觉特性,适应了多媒体信息的应用由播放型转向基于内容的访问、检索及操作的发展趋势,更适于交互AV服务以及远程监控。

AV对象(AVO,Audio Visual Object)是MPEG-4为支持基于内容编码而提出的重要概念。对象是指在一个场景中能够访问和操纵的实体。在MPEG-4中所见的视音频已不再是过去MPEG-1、MPEG-2中图像帧的概念,而是一个个视听场景(AV场景),这些不同的AV场景由不同的AV对象组成。AV对象是听觉、视觉、或者视听内容的表示单元,可以是自然的或合成的声音、图像。因此MPEG-4标准的基本内容就是对AV对象进行高效编码、组织、存储与传输。AV对象的提出,使多媒体通信具有高度交互及高效编码的能力,AV对象编码就是MPEG-4的核心编码技术。从而实现了从基于像素的传统编码向基于对象和内容的现代编码的转变,因而引领着新一代智能图像编码的发展潮流。

在具体的技术方面,MPEG-4除采用第一代的视频编码的核心技术,如变换编码、运动估计与运动补偿、量化、熵编码外,还提出了一些新的关键技术。这些新的技术包括:
·对象提取技术-MPEG-4实现基于内容交互的首要任务就是把视频/图像分割成不同对象或者把运动对象从背景中分离出来,然后针对不同对象采用相应编码方法,以实现高效压缩。
·VOP技术-VOP(视频对象平面)是视频对象在某一时刻的采样。VOP技术不仅克服了方块效应,而且提高了压缩比,实现了基于内容的交互。
·编码可分级技术-指码率的可调整性,即视频数据只压缩一次,却能以多个帧率、空间分辨率或视频质量进行解码,从而可支持多种类型用户的各种不同应用要求。

MPEG系列标准中的每个标准都是建立在前面标准的基础之上的。MPEG-1和MPEG-2是目前成熟的广泛应用的标准。多媒体数据压缩编码的发展趋势是基于内容的压缩。MPEG-4第一次提出了基于内容、基于对象的压缩编码思想,它要求对自然或合成视听对象作更多分析甚至是理解,这正是信息处理的高级阶段,因而代表了现代数据压缩编码技术的发展方向。MPEG-4作为一个开放的多媒体标准出现在市场上的确受到了广大的瞩目,所以为众多的厂商所采用。

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