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MPEG的发展及其特点（一）
文章作者：哈尔滨工程大学自动化学院 文富忠 徐定杰 孙建红
文章类型：设计应用
来源：电子技术应用
摘要：回顾了MPEG的发展历史，介绍了MPEG-1、MPEG-4和MPEG-7标准的特点，并对MPEG的未来作了展望。
关键词：MPEG 视频 音频 JPEG
MPEG压缩技术已是目前视频压缩的重要技术之一。它解决了以往硬盘容量有限及计算机总线瓶颈效应，因而扩大了多媒体应用空间的自由度及灵活度。它开拓了很多不同的数字影像应用，VCD节目制作就是运用了MPEG压缩技术。VCD盘上存储的影视图像和声音是采用MPEG算法压缩的数字信息，并按MPEG的格式交错存放在VCD盘上。在数字多媒体压缩（特别是视频压缩）领域内的国际标准有很多，如ISO/ITU-T（国际标准化组织/国际电信同盟）技术委员会下的JPEG（Joint Photographic Experts Group）标准，CCITT（国际电报电话咨询委员会）制定的H.261标准等，而著名的MPEG（Moving Pictures Experts Group，运动图像专家组）是ISO（国际标准组织）和IEC（国际电工委员会）内动作的一个工作组，它组建于IEC（国际电工委员会）内动作的一个工作组，它组建于1988年，开始时只有15位专家。
MPEG的任务是开发运动图像及其声音的数字编码标准，专家组最初的任务有三个：实现1.5Mb/s、10Mb/s、40Mb/s的压缩编码标准，即MPEG-1、MPEG-2、MPEG-3。但因为MPEG-2的功能已使MPEG-3为多余，所M以MPEG-3于1992年撤消。MPEG-4项目是1991年5月建议并于1993年7月确认。到现在为止，MPEG公布的标准有：①MPEG-1标准：1993年8月公布。用于传输1.5Mb/s数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的编码；②MPEG-2标准：1994年11月公布。其全称为：“运动图像及其伴音的编码”，主要针对高清晰度电视（HDTV）所需要的视频及伴音信号，传输速率为10Mbps，与MPEG-1兼容，适用于1.5Mbps～60Mbps甚至更高的编码范围；③MPEG-4标准：2002年10月公布。该标准的目标为：支持多种多媒体应用（主要偶重于多媒体信息内容的访问），可根据应用的不同要求现场配置解码器。目前，MPEG将研究重点转向了交互性更加高级的形式，在未来的几年里，技术的发展将使这种高级形式成为可能。
1 MPEG的发展及其特点
1.1 MPEG-1
在MPEG出现之前，关于图像压缩已经有两个标准，即用于静态图像数据压缩的JPEG和用于电视电话、会议电视图像压缩的H.261，但是他们都与计算机数据标准无关。这就要求制定一个图像、伴音、存储和传输四个方面的计算机系统和广播电视都统一的标准，从而有利于各种媒体广泛交流，因此MPEG就应运而生了。
MPEG-1标准完成的基本任务就是质量适当的图像（包括伴音）数据必须成为计算机数据的一种，和已有的数据（如文字、绘图等数据）在计算机内兼容，并且这些数据必须在现有的计算机网络和广播电视等通信网络中兼容传输。MPEG-1标准有3个组成部分：MPEG视频、MPEG音频、MPEG系统。所以MPEG涉及的问题是视频压缩、音频压缩及多种压缩数据流的复合和同步问题。MPEG-1标准是适用于传输1.5Mbps数据传输率的数字存储媒体动力图像及其伴音的编码标准，可以处理各种类型的活动图像，其基本算法对于压缩水平方向360个象素、竖直方向288个象素的空间分辨力，每秒24至30幅画面的运动图像有很好的效果。与JPEG不同，它没有定义产生合法数据流所需的详细算法，而是在编码器设计中提供了大量的灵活性，另外定义已编码位流和解码器的一系列参数都包含在位流本身当中，这些特点允许算法可以用于不同大小和宽度比的图像，也可以用在工作速率范围很大的信道和设备上。
MPEG-1标准压缩首先对色差信号进行亚采样，减少数据量，采用运动补偿技术，减少帧间冗余度，利用二维DCT变换云除空间相关性，对DCT分量进行量化，舍去不重要的信息，将量化后DCT分量按照频率得新排序，将DCT分量进行变字长编码，最后对每个数据块的直流分量（DC）进行预测差分编码。MPEG视频的编码和解码框图如图1所示。
图 MPEG视频的编码和解码框图
MPEG-1的压缩目标是先对分辨率为30帧/秒（NTSC制式）或704×576、25帧/秒（PAL制式）的视频图像在水平方向和垂直方向上使象素减少一半，即变成352×240（NTSC制式）或352×288（PAL制式）的SIF图像格式，再对其与立体声伴音进行压缩。
1.2 MPEG-2
MPEG-2标准全称为“运动图像及其伴音的编码”，主要针对高精晰度电视（HDTV）所需要的视频及伴音信号，传输速率为10Mbps。
MPEG-2标准分为八个部分，统称为ISO/IEC1318国际标准。第一部分：系统，描述多个视频，音频和数据基本码流合成传输码流和节目码流的方式；第二部分：视频，描述视频编码方法；第三部分：音频，描述与MPEG-1音频标准反向兼容的音频编码方法；第四部分：符合测试，描述测试一个编码码流是否符合MPEG-2标准的第一、二、三部分的软件实现方法；第五部分：数字存储器体-命令与控制，描述交互式多媒体网络中服务器与用户间的会话信令集；第六部分；非向后兼容的音频，规定不与MPEG-1音频反向兼容的多通道音频编码；第七部分：10比特视频，现已停止；第八部分：实时接口，规定了传送码流的实时接口。
MPEG-2视频编码标准是一个按等级划分的系列，按编码图像的分辨率分成4个“级”：低级（LL：low level），输入信号的像素为ITU-R601格式的四分之一；主级（ML：main level），输入信号的像素为ITU-R601；高级-1440（H14L：high-1440 level）为4：3模式电视高清晰度格式；高级（HL：high level）为16：9模式电视的高清晰度格式。按所使用的编码工具的集合分成5个“类”：简单类（SP：simple profile），只有基准帧I和预测帧P；主类（MP：main profile），比SP增加了双向推测帧B；信杂比分层类（SNRP：SNR scalable profile）；空间可分层类（SSP：spatial scalable profile）；高类（HP：high profile）。“级”与“类”的若干组合构成MPEG-2视频编码标准在某种特定应用下的子集。对某一输入格式的图像，采用特定集合的压缩编码工具，产生规定速率范围内的编码码流。MPEG-2的编码码流分为6个层次。从上至下依次为：视频序列层（Sequence）；图像组层（GOP：GroupofPicture）；图像层（Picture）；像条层（Slice）；宏块层（MacroBlock）和像块层（Block）。
MPEG-2的编码流程：在帧内编码的情况下，编码图像仅经过DCT，量化器和比特流编码器即生成编码比特流，而不经过预测环处理。DCT直接应用于原始的图像数据。在帧间编码的情况下，原始图像首先与帧存储器中的预测图像进行比较，计算出运动矢量，由此运动矢量和参考帧生成原始图像的预测图像。而后，将原始图像与预测像素差值所生成的差分图像数据进行DCT变换，再经过量化器和比特流编码器生成输出的编码比特流。
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