視頻壓縮編解碼標(biāo)準(zhǔn)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(guān)性和時間相關(guān)性。這兩種相關(guān)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(guān)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(guān)信息,按照一定的解碼算法,可以在保證一定的圖像質(zhì)量的前提下恢復(fù)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(nèi)編碼方式,即只利用了單幀圖像內(nèi)的空間相關(guān)性,而沒有利用時間相關(guān)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(guān)性。P幀圖像只采用前向時間預(yù)測,可以提高壓縮效率和圖像質(zhì)量。P幀圖像中可以包含幀內(nèi)編碼的部分,即P幀中的每一個宏塊可以是前向預(yù)測,也可以是幀內(nèi)編碼。B幀圖像采用雙向時間預(yù)測,可以大大提高壓縮倍數(shù)。

MPEG-2的編碼碼流分為六個層次。為更好地表示編碼數(shù)據(jù),MPEG-2用句法規(guī)定了一個層次性結(jié)構(gòu)。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(biāo)準(zhǔn)在廣播電視領(lǐng)域中的主要應(yīng)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(shù)和視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展,高速寬帶計算機網(wǎng)絡(luò)以及大容量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)給電視臺節(jié)目的網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)

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

M-JPEG技術(shù)即運動靜止圖像(或逐幀)壓縮技術(shù),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(nèi)壓縮處理,B幀和P幀通過偵測獲得,因此 ,傳輸和運算的數(shù)據(jù)大多由幀之間的時間相關(guān)性得到,相對來說,數(shù)據(jù)量小,可以實現(xiàn)較高的壓縮比。隨著逐幀編輯問題的解決,MPEG-2將廣泛應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的,不同廠家設(shè)計的壓縮器件壓縮的數(shù)據(jù)可由其他廠家設(shè)計解壓縮器來解壓縮,這一點保證了各廠家的設(shè)備之間能完全兼容。

由于采用MPEG-2 IBP視頻壓縮技術(shù),數(shù)據(jù)量成倍減少,降低了存儲成本,提高了數(shù)據(jù)傳輸速度,減少了對計算機總線和網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力,可采用純以太網(wǎng)組建非線性編輯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已成為可能,而在目前以太網(wǎng)是最為成熟的網(wǎng)絡(luò),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(wǎng)絡(luò)將成為未來的發(fā)展方向。

(3)衛(wèi)星傳輸

MPEG-2已經(jīng)通過ISO認(rèn)可,并在廣播領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用,如數(shù)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(shù)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(jīng)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(shù),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(shù)中播出是一個承上啟下的環(huán)節(jié),對播出系統(tǒng)進行數(shù)字化改造是非常必要的,其中最關(guān)鍵一步就是構(gòu)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(biāo)高等優(yōu)點,而為人們所青睞。但以往MPEG-2播出設(shè)備因非常昂貴,而只有少量使用。隨著MPEG-2技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)

運動圖像專家組MPEG 于1999年2月正式公布了MPEG-4(ISO/IEC14496)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。

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(shù)字電視、交互式繪圖應(yīng)用(影音合成內(nèi)容)、交互式多媒體(WWW、資料擷取與分散)等整合及壓縮技術(shù)的需求而制定的國際標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)將眾多的多媒體應(yīng)用集成于一個完整的框架內(nèi),旨在為多媒體通信及應(yīng)用環(huán)境提供標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用領(lǐng)域普遍采用的統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式。

MPEG-4的編碼理念是：MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)同以前標(biāo)準(zhǔn)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(lián)系的視頻音頻對象,分別編碼后,再經(jīng)過復(fù)用傳輸?shù)浇邮斩?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(shù)據(jù)類型間的融合,并且這樣也可以方便的實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)上方便的實現(xiàn)交互,根據(jù)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(nèi)容的表示;對視聽內(nèi)容數(shù)據(jù)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(nèi)容的交互性

MPEG-4提供了基于內(nèi)容的多媒體數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫中有選擇地獲取自己所需的與對象有關(guān)的內(nèi)容,并提供了內(nèi)容的操作和位流編輯功能,可應(yīng)用于交互式家庭購物,淡入淡出的數(shù)字化效果等。MPEG-4提供了高效的自然或合成的多媒體數(shù)據(jù)編碼方法。它可以把自然場景或?qū)ο蠼M合起來成為合成的多媒體數(shù)據(jù)。

(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(biāo)準(zhǔn)相比,在相同的比特率下,它基于更高的視覺聽覺質(zhì)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(shù)據(jù)流進行編碼。一個場景的多視角或多聲道數(shù)據(jù)流可以高效、同步地合成為最終數(shù)據(jù)流。這可用于虛擬三維游戲、三維電影、飛行仿真練習(xí)等