視頻壓縮編解碼標準綜述

MPEG-2圖像壓縮的原理是利用了圖像中的兩種特性：空間相關性和時間相關性。這兩種相關性使得圖像中存在大量的冗余信息。如果我們能將這些冗余信息去除,只保留少量非相關信息進行傳輸,就可以大大節(jié)省傳輸頻帶。而接收機利用這些非相關信息,按照一定的解碼算法,可以在保證一定的圖像質量的前提下恢復原始圖像。一個好的壓縮編碼方案就是能夠最大限度地去除圖像中的冗余信息。

MPEG-2的編碼圖像被分為三類,分別稱為I幀,P幀和B幀。

I幀圖像采用幀內編碼方式,即只利用了單幀圖像內的空間相關性,而沒有利用時間相關性。P幀和B幀圖像采用幀間編碼方式,即同時利用了空間和時間上的相關性。P幀圖像只采用前向時間預測,可以提高壓縮效率和圖像質量。P幀圖像中可以包含幀內編碼的部分,即P幀中的每一個宏塊可以是前向預測,也可以是幀內編碼。B幀圖像采用雙向時間預測,可以大大提高壓縮倍數。

MPEG-2的編碼碼流分為六個層次。為更好地表示編碼數據,MPEG-2用句法規(guī)定了一個層次性結構。它分為六層,自上到下分別是：圖像序列層、圖像組(GOP)、圖像、宏塊條、宏塊、塊。

MPEG-2標準在廣播電視領域中的主要應用如下：

(1)視音頻資料的保存

一直以來,電視節(jié)目、音像資料等都是用磁帶保存的。這種方式有很多弊端：易損,占地大,成本高,難于重新使用。更重要的是難以長期保存,難以查找、難以共享。隨著計算機技術和視頻壓縮技術的發(fā)展,高速寬帶計算機網絡以及大容量數據存儲系統(tǒng)給電視臺節(jié)目的網絡化存儲、查詢、共享、交流提供了可能。

采用MPEG-2壓縮編碼的DVD視盤,給資料保存帶來了新的希望。電視節(jié)目、音像資料等可通過MPEG-2編碼系統(tǒng)編碼,保存到低成本的CD-R光盤或高容量的可擦寫DVD-RAM上,也可利用DVD編著軟件(如Daikin Scenarist NT、Spruce DVDMaestro等)制作成標準的DVD視盤,既可節(jié)約開支,也可節(jié)省存放空間。

(2)電視節(jié)目的非線性編輯系統(tǒng)及其網絡

在非線性編輯系統(tǒng)中,節(jié)目素材是以數字壓縮方式存儲、制作和播出的, 視頻壓縮技術是非線性編輯系統(tǒng)的技術基礎。目前主要有M-JPEG和MPEG-2兩種數字壓縮格式。

M-JPEG技術即運動靜止圖像(或逐幀)壓縮技術,可進行精確到幀的編輯,但壓縮效率不高。

MPEG-2采用幀間壓縮的方式,只需進行I幀的幀內壓縮處理,B幀和P幀通過偵測獲得,因此 ,傳輸和運算的數據大多由幀之間的時間相關性得到,相對來說,數據量小,可以實現較高的壓縮比。隨著逐幀編輯問題的解決,MPEG-2將廣泛應用于非線性編輯系統(tǒng),并大大地降低編輯成本,同時MPEG-2的解壓縮是標準的,不同廠家設計的壓縮器件壓縮的數據可由其他廠家設計解壓縮器來解壓縮,這一點保證了各廠家的設備之間能完全兼容。

由于采用MPEG-2 IBP視頻壓縮技術,數據量成倍減少,降低了存儲成本,提高了數據傳輸速度,減少了對計算機總線和網絡帶寬的壓力,可采用純以太網組建非線性編輯網絡系統(tǒng)已成為可能,而在目前以太網是最為成熟的網絡,系統(tǒng)管理比較完善,價格也比較低廉。

基于MPEG-2的非線性編輯系統(tǒng)及非線性編輯網絡將成為未來的發(fā)展方向。

(3)衛(wèi)星傳輸

MPEG-2已經通過ISO認可,并在廣播領域獲得廣泛的應用,如數字衛(wèi)星視頻廣播(DVB-S)、DVD視盤和視頻會議等。目前,全球有數以千萬計的DVB-S用戶,DVB-S信號采用MPEG-2壓縮格式編碼,通過衛(wèi)星或微波進行傳輸,在用戶端經MPEG-2衛(wèi)星接收解碼器解碼,以供用戶觀看。此外,采用MPEG-2壓縮編碼技術,還可以進行遠程電視新聞或節(jié)目的傳輸和交流。

(4)電視節(jié)目的播出

在整個電視技術中播出是一個承上啟下的環(huán)節(jié),對播出系統(tǒng)進行數字化改造是非常必要的,其中最關鍵一步就是構建硬盤播出系統(tǒng)。MPEG-2硬盤自動播出系統(tǒng)因編播簡便、儲存容量大、視頻指標高等優(yōu)點,而為人們所青睞。但以往MPEG-2播出設備因非常昂貴,而只有少量使用。隨著MPEG-2技術的發(fā)展和相關產品成本的下降,MPEG-2硬盤自動系統(tǒng)播出可望得到普及。

3.MPEG-4標準

運動圖像專家組MPEG 于1999年2月正式公布了MPEG-4(ISO/IEC14496)標準第一版本。同年年底MPEG-4第二版亦告底定,且于2000年年初正式成為國際標準。

MPEG-4與MPEG-1和MPEG-2有很大的不同。MPEG-4不只是具體壓縮算法,它是針對數字電視、交互式繪圖應用(影音合成內容)、交互式多媒體(WWW、資料擷取與分散)等整合及壓縮技術的需求而制定的國際標準。MPEG-4標準將眾多的多媒體應用集成于一個完整的框架內,旨在為多媒體通信及應用環(huán)境提供標準的算法及工具,從而建立起一種能被多媒體傳輸、存儲、檢索等應用領域普遍采用的統(tǒng)一數據格式。

MPEG-4的編碼理念是：MPEG-4標準同以前標準的最顯著的差別在于它是采用基于對象的編碼理念,即在編碼時將一幅景物分成若干在時間和空間上相互聯系的視頻音頻對象,分別編碼后,再經過復用傳輸到接收端,然后再對不同的對象分別解碼,從而組合成所需要的視頻和音頻。這樣既方便我們對不同的對象采用不同的編碼方法和表示方法,又有利于不同數據類型間的融合,并且這樣也可以方便的實現對于各種對象的操作及編輯。例如,我們可以將一個卡通人物放在真實的場景中,或者將真人置于一個虛擬的演播室里,還可以在互聯網上方便的實現交互,根據自己的需要有選擇的組合各種視頻音頻以及圖形文本對象。

MPEG-4系統(tǒng)的一般框架是：對自然或合成的視聽內容的表示;對視聽內容數據流的管理,如多點、同步、緩沖管理等;對靈活性的支持和對系統(tǒng)不同部分的配置。

與MPEG-1、MPEG-2相比,MPEG-4具有如下獨特的優(yōu)點：

(1) 基于內容的交互性

MPEG-4提供了基于內容的多媒體數據訪問工具,如索引、超級鏈接、上下載、刪除等。利用這些工具,用戶可以方便地從多媒體數據庫中有選擇地獲取自己所需的與對象有關的內容,并提供了內容的操作和位流編輯功能,可應用于交互式家庭購物,淡入淡出的數字化效果等。MPEG-4提供了高效的自然或合成的多媒體數據編碼方法。它可以把自然場景或對象組合起來成為合成的多媒體數據。

(2)高效的壓縮性

MPEG-4基于更高的編碼效率。同已有的或即將形成的其它標準相比,在相同的比特率下,它基于更高的視覺聽覺質量,這就使得在低帶寬的信道上傳送視頻、音頻成為可能。同時MPEG-4還能對同時發(fā)生的數據流進行編碼。一個場景的多視角或多聲道數據流可以高效、同步地合成為最終數據流。這可用于虛擬三維游戲、三維電影、飛行仿真練習等