【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 動(dòng)圖像專家組 ( MPEG ) 在 1991年 11月提出了 ISO/IEC 11172 標(biāo)準(zhǔn)的建議草案，通稱 MPEG1標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)于 1992年 11月被通過(guò)， 1993年 8月公布。MPEG1標(biāo)準(zhǔn)適用于數(shù)碼率在 Mb/s 左右 的應(yīng)用環(huán)境，也就是為CDROM、光盤(pán)的視頻存儲(chǔ)和放像所制定的。 一 . MPEG1標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容 ISO/IEC 11172 包括三大部分： (1) ISO/IEC 111721： 第一部分，系統(tǒng)。 (2) ISO/IEC 111722： 第二部分，視頻。 (3) ISO/IEC 111723： 第三部分，音頻。 MPEG1標(biāo)準(zhǔn)可以 處理各種類型的活動(dòng)圖像 ，其基本算法對(duì)于壓縮 水平方向 352個(gè)像素 、 豎直方向 288個(gè)像素 的空間分辨力，每秒 24/ 25 /30 幅畫(huà)面的運(yùn)動(dòng)圖像有很好的效果。如果待處理信號(hào)是隔行掃描的圖像，則編碼前必須將其轉(zhuǎn)換成逐行掃描的格式。 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) MPEG1標(biāo)準(zhǔn)提供了一些錄像機(jī)的功能，如正放、 圖像凍結(jié)、快進(jìn)、快倒和慢放，此外，還提供了隨機(jī)存儲(chǔ)的功能，當(dāng)然，解碼器這些功能的實(shí)現(xiàn)在一定程度上同圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。 總的編、解碼過(guò)程如圖 。 圖 編碼和解碼過(guò)程 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) MPEG1 標(biāo)準(zhǔn)采用了一系列技術(shù)以獲得高壓縮比： 第一，對(duì)色差信號(hào)進(jìn)行亞采樣，減少數(shù)據(jù)量 。 第二，采用 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù) 減少幀間冗余度 。 第三，作二維 DCT變換 去除空間相關(guān)性 。 第四，對(duì) DCT系數(shù)進(jìn)行量化，舍去不重要的信息，將量化后的 DCT 系數(shù)按照頻率重新排序 。 第五，將 DCT 系數(shù)進(jìn)行變字長(zhǎng)熵保持編碼 。 第六，對(duì)每數(shù)據(jù)塊的直流分量 ( DC ) 進(jìn)行 預(yù)測(cè)差分編碼 。 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 在 MPEG1 標(biāo)準(zhǔn)中，考慮到壓縮比和隨機(jī)存取這對(duì)矛盾，一共定義了四種圖像類型： (1) I 幀圖像 ，或稱 Intra幀圖像，采用 幀內(nèi)編碼 ，不參照其它圖像 。 (2) P 幀圖像 ，或稱 Predicted 幀圖像，它們參照前一幅 I 幀或 P 幀 圖像作運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償編碼 ； (3) B 幀圖像 ，或稱 雙向預(yù)測(cè)幀圖像 ，它們參照前一幅和后一幅 I幀 或 P 幀圖像作雙向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償編碼 。 (4) D 類圖像，或稱直流 ( DC )圖像，這類圖像中只含直流分量， 是為快放功能而設(shè)計(jì)的。 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 167。 MPEG2 標(biāo)準(zhǔn) MPEG2 廣泛 應(yīng)用于數(shù)字電視 ( 包括 HDTV ) 及數(shù)字聲音廣播、 數(shù)字圖像 與聲音信號(hào)的傳輸?shù)阮I(lǐng)域，因而 MPEG2是十分重要的，也是非常成功的世界統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。 MPEG2 標(biāo)準(zhǔn)共有 3 部分： 第 1部分是系統(tǒng) (Systems) 部分 ( ISO/IEC IS 138181 )。 第 2部分是圖像 ( Video ) 部分 ( ISO/IEC IS 138182 )。 第 3部分是聲音 ( Audio )部分 ( ISO/IEC IS 138183 )。 一 . 系統(tǒng)部分 系統(tǒng)部分涉及如何將一個(gè)或多個(gè)圖像、聲音及其它數(shù)據(jù)的基本碼流組合成單一或多個(gè)碼流，使之便于存儲(chǔ)和傳輸。它包括以下 5 種基本功能： 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) （ 1）多個(gè)壓縮碼流解碼時(shí)的同步 。 （ 2）多個(gè)壓縮碼流解碼時(shí)的交織 。 （ 3）開(kāi)始解碼的緩沖預(yù)置 。 （ 4）緩沖器的連續(xù)控制 。 （ 5）時(shí)間識(shí)別。 系統(tǒng)編碼規(guī)定為兩種方式： 節(jié)目碼流 ( Program Stream， PS ) 傳送碼流 ( Transport Stream， TS )。 圖像和聲音兩種碼流都是 打包多工 方式。各為一個(gè)圖像、聲音數(shù)據(jù)的基本碼流的基本 多工方法 如圖 。 壓縮后的基本碼流與系統(tǒng)的信息一起組合、打包，產(chǎn)生打包基本碼流 ( Packetised Elementary Streams， PES )，然后這些 PES又組合 形成節(jié)目碼流或傳送碼流 。 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 圖 MPEG2基本多工方法框圖 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 節(jié)目碼流類似于 MPEG1 的系統(tǒng)多路復(fù)用方式。它由有共同時(shí)間基準(zhǔn)的 一個(gè)或多個(gè) PES組合 而成。也可由多個(gè)有共同時(shí)間基準(zhǔn)的聲音和圖像基本碼流編碼成多節(jié)目碼流。如同單一節(jié)目碼流一樣，所有的基本碼流都能在同步情況下解碼。 節(jié)目碼流用于 相對(duì)無(wú)誤的 環(huán)境中，適合支持節(jié)目信息的軟件處理的應(yīng)用，以及適用于 CDROM上的多媒體應(yīng)用。 節(jié)目碼流包是可變長(zhǎng)的，相對(duì)較長(zhǎng)。 圖 。在此解碼器中，已多工編碼的一路和多路聲音或圖像碼流被假定存儲(chǔ)在數(shù)字存儲(chǔ)媒體上。在全系統(tǒng)中還有時(shí)間信息流用于各個(gè)環(huán)節(jié)。 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 圖 典型節(jié)目碼流解碼器 圖 。各部分的功能詳見(jiàn) ISO / IEC 138181。 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 圖 MPEG2節(jié)目碼流的組成 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 傳送碼流 是由帶一個(gè)或多個(gè) 獨(dú)立時(shí)基 的一個(gè)或多個(gè)節(jié)目組合而成的一個(gè)碼流。傳送碼流設(shè)計(jì) 用于有誤碼 的環(huán)境，例如在有損耗或噪聲的媒體中 儲(chǔ)存或傳輸 。傳送碼流的 包長(zhǎng)是固定的 ，為 188字節(jié) 。 對(duì)傳送碼流可以進(jìn)行以下操作： (1) 恢復(fù)傳送碼流中一個(gè)節(jié)目的編碼數(shù)據(jù)，并解碼。 (2) 把含有多個(gè) 節(jié)目的傳送碼流轉(zhuǎn)換成 一個(gè)含有單一節(jié)目的 傳送碼流 。 (3) 把多個(gè)節(jié)目的 傳送碼流先分工 ，然后轉(zhuǎn)換成 節(jié)目碼流 。 (4) 由一個(gè)或多個(gè) 傳送碼流 取出一個(gè)或多個(gè)節(jié)目的 傳送包 ，并在輸出端產(chǎn)生不同的傳送碼流。 (5) 把一個(gè)節(jié)目碼流轉(zhuǎn)換成傳送碼流，使其能通過(guò)有損耗的環(huán)境，然后將其恢復(fù)成原來(lái)的節(jié)目碼流。 傳送碼流的組成如圖 。各部分的詳細(xì)的構(gòu)成和功能在ISO/IEC 138181中都有規(guī)定。 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 圖 MPEG2傳送碼流的組成 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 二 . 圖像部分 為了使 MPEG2 標(biāo)準(zhǔn)適用于不同的系統(tǒng)，并使不同應(yīng)用的碼流能很快互換，開(kāi)發(fā)了通用的碼率壓縮編碼方法和以 “檔次” ( Profile ) 和 “等級(jí)” ( Leve l ) 為基礎(chǔ)的規(guī)范化的全系統(tǒng)。 “檔次” 是整個(gè)比特流構(gòu)成的定義了的子集，而每個(gè)“檔次”的“等級(jí)”是對(duì)比特流參數(shù)的一組定義了的限制。 本規(guī)范有 5個(gè)檔次 和 4個(gè)等級(jí)。 4 個(gè)等級(jí)是：低級(jí) (Low)、主級(jí) ( Main ) 、高級(jí)窄屏幕 ( High1440 ) 和高級(jí)寬屏幕 ( High )。 但是，并不是所有 Profile/Level 的組合都存在。表 容許的 11個(gè)組合。 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) Main Profile 沒(méi)有分級(jí)性，但質(zhì)量最高。 Simple Profile 如同 Main，但是為節(jié)省 RAM 而 沒(méi)有內(nèi)插 圖像幀。 SNR Scalable Profile 對(duì)于 Main有所改進(jìn)，即要 信號(hào)噪聲比 方面有分級(jí)性。 Spatially Scalable Profile 在空間清晰度方面有分級(jí)性。 High Profile 支持亮、色信號(hào) 4∶ 2∶ 2 格式和所有分級(jí)性。 在 4個(gè) Level方面，它們的圖像對(duì)應(yīng)關(guān)系是： Low Level 類似于 ITUT CIF 或 MPEG1的 SIF。 Main Level 相應(yīng)于普通電視。 High1440 Level 略相應(yīng)于每行 1440個(gè)抽樣的 HDTV。 High Level 略相應(yīng)于每行 1920個(gè)抽樣的 HDTV。 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 為了達(dá)到高倍數(shù)的壓縮，在 MPEG2 中采用多種碼率壓縮技術(shù)，主要 有以下 3種 ： (1) 利用運(yùn)動(dòng) 補(bǔ)償預(yù)測(cè)編碼方法 去掉電視圖像信號(hào)的 時(shí)間冗余信息 。實(shí)際上，由于已編碼圖像序列隨機(jī)進(jìn)入的需求與高效碼率壓縮有矛盾，因此 MPEG2 采用 3 種類型的圖像。 ① 幀內(nèi)編碼圖像 ( Intra Coded Pictures )，簡(jiǎn)稱 I 幀 。 I 幀是不采用基準(zhǔn)圖像的編碼所產(chǎn)生的圖像。這種 圖像幀 為隨機(jī)進(jìn)入壓縮編碼圖像數(shù)據(jù)序列提供了進(jìn)入點(diǎn)。但是這種編碼只有中等的壓縮率。 ② 預(yù)測(cè)編碼圖像 ( Predictive Coded Pictures )，簡(jiǎn)稱 P 幀。 P 幀是采用從最近的上一個(gè) I 幀或 P 幀來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償預(yù)測(cè)所產(chǎn)生的圖像，其編碼效率較高，這種技術(shù)叫前向預(yù)測(cè) ( Forward Prediction )。這些P 幀本身又作為 基準(zhǔn) 來(lái)產(chǎn)生下面的 P 幀或 B 幀。它的缺點(diǎn)是擴(kuò)散編碼誤差。 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) ③ 雙向預(yù)測(cè)編碼圖像 ( Bidirectionallypredictive Coded Pictures ) ，簡(jiǎn)稱 B 幀。 它是同時(shí)利用前面的和后面的 I 幀或 P 幀 作為基準(zhǔn)，進(jìn)行 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)編碼 而得到的。這種技術(shù)叫做雙向預(yù)測(cè)。它能提供最大的壓縮率，而且不傳播編碼誤差。缺點(diǎn)是解碼器中要有附加的存儲(chǔ)器，而且等待時(shí)間較長(zhǎng)。 B 幀從來(lái)不被用做預(yù)測(cè)的基準(zhǔn)。 上述 3 種圖像在一個(gè)序列中的 編排是很靈活 的，與實(shí)際應(yīng)用有關(guān)，取決于 編碼器 。由于在解碼器中 B 幀只能在它的基準(zhǔn)圖像 ( I 幀或 P 幀 ) 被解碼之后，它本身才能被解碼，因此發(fā)送的圖像序列要被編碼器重新排列，使之符合解碼器所要求的解碼序列。 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) (2) 利用離散余弦變換 ( DCT )，去掉經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)的圖像 差信號(hào)中的空間冗余信息。 (3) 利用可變長(zhǎng)度編碼技術(shù) ，對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量和 DCT 變換系數(shù)進(jìn)行 編碼，以達(dá)到充分利用通道帶寬的目的。 本規(guī)范容許把隔行掃描的一幀看做一幀圖像，也可以把兩場(chǎng)當(dāng)做兩幅圖像進(jìn)行編碼。前者多用于 圖像含有豐富細(xì)節(jié) 和有限運(yùn)動(dòng)的情況，后者用于 有快速運(yùn)動(dòng) 的場(chǎng)合。 表 ~ 表 分別列出了 MPEG2 標(biāo)準(zhǔn)中容許的 幀速率 、亮色格式 和 圖像編碼類型 以及上限比特率。 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 第 5 章 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 三 . 聲音部分 聲音部分參見(jiàn) ISO/IEC IS 138雖然 MPEG是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國(guó)際電工委員會(huì)聯(lián)合組成的專家組，但是它所制定的聲音、圖像數(shù)字編碼和多工組合的標(biāo)準(zhǔn)， 特別是 MPEG2，得到了包括國(guó)際電信聯(lián)盟的電信標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén) ITUT 和無(wú)線電通信部門(mén) ITUR在內(nèi)的其它有關(guān)國(guó)際組織和國(guó)家的廣泛認(rèn)可，在廣播、電視和多媒體的未來(lái)數(shù)字化的發(fā)展中得到了應(yīng)用，并成為其發(fā)展的基礎(chǔ)。 四 . 圖像格式 MPEG