1、5.1 JPEG標準標準5.2 H.261標準標準5.3 MPEG標準簡介標準簡介5.4 MPEG-2 視頻視頻5.5 MPEG-2系統系統5.6 MPEG-4JPEG(Joint Photographic Experts Group)是聯合照片是聯合照片(靜止靜止)圖像專家組的英圖像專家組的英文縮寫。文縮寫。JPEG標準包括兩種基本壓縮方法。標準包括兩種基本壓縮方法。(1)有損壓縮方法：它是以有損壓縮方法：它是以DCT變換為變換為基礎的壓縮方法，其壓縮比較高，是基礎的壓縮方法，其壓縮比較高，是JPEG標準的基礎。標準的基礎。 (2)無損壓縮方法，又稱預測壓縮方法，無損壓縮方法，又稱預測壓縮方

2、法，是以二維是以二維DPCM為基礎的壓縮方式，解碼為基礎的壓縮方式，解碼后能完全精確地恢復原圖像采樣值，其壓后能完全精確地恢復原圖像采樣值，其壓縮比低于有損壓縮方法。縮比低于有損壓縮方法。 JPEG標準還包括多種工作模式。標準還包括多種工作模式。基于基于DCT的的JPEG編解碼原理框編解碼原理框圖如圖圖如圖4-1所示。所示。 圖圖5-1 JPEG編解碼原理框圖編解碼原理框圖輸入端把原始圖像分成輸入端把原始圖像分成88像素塊像素塊(Block)之后送入之后送入DCT變換器，目的是去除變換器，目的是去除圖像數據的空間冗余。圖像數據的空間冗余。利用人眼的視覺特性設計量化表。利用人眼的視覺特性設計量化

3、表。在編碼之前，需要把二維的變換系數在編碼之前，需要把二維的變換系數矩陣轉換為一維序列。矩陣轉換為一維序列。為了消除碼字中的統計冗余，采用可為了消除碼字中的統計冗余，采用可變長熵編碼。變長熵編碼。具體的編碼方法如下。具體的編碼方法如下。 (1)首先對系數序列分組，把每個非零首先對系數序列分組，把每個非零系數和它前面相鄰的全部零系數分在一組系數和它前面相鄰的全部零系數分在一組內。內。()將每一組用兩個符號表示為將每一組用兩個符號表示為 (符號符號1)，(符號符號2) 相應的交流系數相應的交流系數(AC Coefficient)組表組表示成示成 (Run ，Size)，(Amplitude) (3

4、)對每個符號組進行編碼對每個符號組進行編碼 H.261標準主要應用在綜合業務數字標準主要應用在綜合業務數字網網ISDN上傳輸電視電話會議等低碼率的多上傳輸電視電話會議等低碼率的多媒體領域。媒體領域。1990年年12月國際電報電話咨詢月國際電報電話咨詢委員會委員會(CCITT)通過了通過了H.261建議書，即建議書，即“采用采用p64kbit/s的聲像業務的圖像編解的聲像業務的圖像編解碼碼”，其中，其中p=1,2,，32。 H.261與與H.263的圖像格式如表的圖像格式如表4-13所所示。示。表表 4-13 H.261 與與 H.263的圖像格式的圖像格式視頻格式視頻格式亮度分辨率亮度分辨率色

5、度分辨率色度分辨率H.261H.263SQCIF128966448支持支持QCIF1761448872支持支持支持支持CIF352288176144支持支持支持支持4CIF704576352288可選可選16CIF14081152704576可選可選其中，其中，CIF(Common Intermediate Format)為通用中間格式，為通用中間格式，QCIF (Quarter CIF)為為1/4通用中間格式，通用中間格式，SQCIF為擴展的為擴展的通用中間格式，通用中間格式，4CIF為為4倍的通用中間格倍的通用中間格式，式，16CIF為為16倍的通用中間格式。倍的通用中間格式。 在在H.2

6、61算法中，不僅使用了算法中，不僅使用了JPEG算算法中的幀內壓縮，還使用了幀間預測和運法中的幀內壓縮，還使用了幀間預測和運動補償技術。下面簡單介紹動補償技術。下面簡單介紹H.261編碼算法。編碼算法。H.261編碼器框圖如圖編碼器框圖如圖4-3所示。所示。 圖圖4-3 H.261編碼器框圖編碼器框圖MPEG(Moving Picture Experts Group)是是ISO和和IEC兩個國際組織的兩個國際組織的聯合技術委員會聯合技術委員會(JTCI)領導下的運動領導下的運動圖像專家組的英文縮寫。圖像專家組的英文縮寫。MPEG專家組于專家組于1992年制定了年制定了MPEG-1標準。標準的文

7、件編號為標準。標準的文件編號為ISO/IEC11172。MPEG-1主要包括三個部分：主要包括三個部分： 第一部分系統第一部分系統(ISO/IEC11172-1)，是是關于數字視頻、數字音頻和輔助數據等多關于數字視頻、數字音頻和輔助數據等多路壓縮數據流復用和同步的規定；路壓縮數據流復用和同步的規定； 第二部分視頻第二部分視頻(ISO/IEC11172-2)，是是關于位速率約為關于位速率約為1.5Mbit/s的視頻信號的壓的視頻信號的壓縮編碼的規定；縮編碼的規定； 第三部分音頻第三部分音頻(ISO/IEC11172-3)，是是關于每通道位速率為關于每通道位速率為64kbit/s，128kbit/

8、s和和192kbit/s的數字音頻信號的壓縮編碼的規的數字音頻信號的壓縮編碼的規定。定。 MPEG-1標準的目標主要包括以下幾標準的目標主要包括以下幾方面：方面： (1)在圖像和聲音的質量上必須高于可在圖像和聲音的質量上必須高于可視電話和會議電視的聲像質量，至少應達視電話和會議電視的聲像質量，至少應達到到VHS家用錄像機的聲像質量；家用錄像機的聲像質量； (2)壓縮后的數碼率應能存儲在光盤、壓縮后的數碼率應能存儲在光盤、數字錄音帶數字錄音帶DAT或可寫磁光盤等媒體中；或可寫磁光盤等媒體中；(3)壓縮后的碼率應與目前的計算壓縮后的碼率應與目前的計算機網絡傳輸碼率相適配，為機網絡傳輸碼率相適配，為

9、1.21.5Mbit/s； (4)在通信網絡上能適應多種通信在通信網絡上能適應多種通信網絡的傳輸。網絡的傳輸。MPEG-2是由是由ISO/IEC的的MPEG專家專家組與組與ITU-T(國際電信聯盟電信標準化部門國際電信聯盟電信標準化部門)的的ATV的圖像編碼專家組共同開發的，所的圖像編碼專家組共同開發的，所以以MPEG-2標準也是標準也是ITU-T的建議。的建議。MPEG-2分為許多個部分，其中主要分為許多個部分，其中主要有三個部分：有三個部分： 第一部分系統第一部分系統(ISO/IEC13818-1)，是是關于多路音頻、視頻和數據的復用和同步關于多路音頻、視頻和數據的復用和同步的規定；的規定

10、； 第二部分視頻第二部分視頻(ISO/IEC13818-2)，主主要涉及各種比特率的數字視頻壓縮編解碼要涉及各種比特率的數字視頻壓縮編解碼的規定；的規定； 第三部分音頻第三部分音頻(ISO/IEC13818-3)，擴擴充了充了MPEG-1的音頻標準，使之成為多通的音頻標準，使之成為多通道音頻編碼系統，可達到的環繞聲道音頻編碼系統，可達到的環繞聲5.1聲道。聲道。MPEG-2以空間和時間可分級方法提以空間和時間可分級方法提供空間和時間不同分辨率視頻格式之間的供空間和時間不同分辨率視頻格式之間的兼容。兼容。 在許多情況下，在許多情況下，MPEG-2表示成表示成MPEG-1的一個超集。的一個超集。M

11、PEG-2已廣泛應用于已廣泛應用于DVD，SDTV和和 HDTV中。中。MPEG-2標準支持不同性能和不同復標準支持不同性能和不同復雜性的解碼器，覆蓋廣泛的應用范圍，充雜性的解碼器，覆蓋廣泛的應用范圍，充分考慮了各種應用的不同要求，有較強的分考慮了各種應用的不同要求，有較強的通用性。通用性。MPEG-2還規定了不同的壓縮處理方還規定了不同的壓縮處理方法，稱為型法，稱為型(Profile)。 級表示級表示MPEG-2編碼器輸入端的信源編碼器輸入端的信源圖像格式。圖像格式。LL級對應的輸入信源格式是級對應的輸入信源格式是CIF格式，格式，約是約是601標準中的信源格式的標準中的信源格式的1/4，即

12、，即35224830或或35228825，相應編碼，相應編碼的最大輸出碼率為的最大輸出碼率為4Mbit/s。(2)主級主級(Main Level，ML) ML對應于對應于ITU-R601建議的信源格式，建議的信源格式，即即72048029.97或或72057625，最大，最大允許輸出碼率為允許輸出碼率為15Mbit/s，其高型的碼率其高型的碼率是是20Mbit/s。 (3)高高H-1440級級(High-1440 Level) H-1440屬于高清晰度發展道路上的準屬于高清晰度發展道路上的準高清晰度級，沒有得到實際應用。高清晰度級，沒有得到實際應用。 HL對應高清晰度電視的信源格式，對應高清晰

13、度電視的信源格式，即即1920108030或或1920115225，最，最大輸出碼率為大輸出碼率為80Mbit/s，其高型的碼率是其高型的碼率是100Mbit/s。 視頻序列也稱圖像序列，它是隨機選視頻序列也稱圖像序列，它是隨機選取節目的一個基本單元。取節目的一個基本單元。圖像組是將一個圖像序列中連續的幾圖像組是將一個圖像序列中連續的幾個圖像組成一個小組，簡稱為個圖像組成一個小組，簡稱為GOP。圖像是一個獨立的顯示單元，也是圖圖像是一個獨立的顯示單元，也是圖像編碼的基本單元，可分為像編碼的基本單元，可分為I，P和和B三種三種編碼圖像。編碼圖像。像條是發生誤碼且不可糾正時，數據像條是發生誤碼且不

14、可糾正時，數據重新獲得同步，從而能正常解碼的基本單重新獲得同步，從而能正常解碼的基本單元。元。宏塊是運動預測的基本單元。運動估宏塊是運動預測的基本單元。運動估計以宏塊為單位，借此得到最佳匹配宏塊計以宏塊為單位，借此得到最佳匹配宏塊的運動矢量。運動預測只對亮度陣列進行，的運動矢量。運動預測只對亮度陣列進行，對應的色差陣列其運動估計使用和亮度陣對應的色差陣列其運動估計使用和亮度陣列相同的運動矢量。列相同的運動矢量。 塊或稱像塊，是塊或稱像塊，是DCT變換的基本單元。變換的基本單元。MPEG算法達到了很高的壓縮比，但算法達到了很高的壓縮比，但仍保持了很好的圖像質量，單靠幀內編碼仍保持了很好的圖像質量

15、，單靠幀內編碼是不可能達到的。在是不可能達到的。在MPEG壓縮編碼中，壓縮編碼中，主要通過主要通過DCT變換和運動預測技術來壓縮變換和運動預測技術來壓縮空間冗余和時間冗余。空間冗余和時間冗余。在在MPEG-2壓縮編碼算法中，不僅包壓縮編碼算法中，不僅包括了括了JPEG算法中的算法中的DCT、自適應量化和自適應量化和熵編碼等一系列幀內編碼方法，更重要的熵編碼等一系列幀內編碼方法，更重要的是利用了幀間運動補償技術。是利用了幀間運動補償技術。 (1)幀重排幀重排 (2)當輸入的第一幀作為當輸入的第一幀作為I幀圖像進入幀圖像進入圖圖4-8所示的編碼器中時，開關所示的編碼器中時，開關K1，K2和和K4在

16、上方，在上方，K3 在左方。在左方。(3)當當P4作為作為P幀進入編碼器時，開關幀進入編碼器時，開關K1，K2和和K4切換到下方，切換到下方，K3還在左方。還在左方。圖圖4-8MPEG-2壓縮編碼原理框圖壓縮編碼原理框圖(4)當當B2作為作為B幀進入編碼器時，開關幀進入編碼器時，開關K1 在下方，在下方，K2 在上方，在上方，K3 在右方，在右方，K4 在在中間。中間。在圖在圖4-9所示的圖像序列中，每所示的圖像序列中，每 12幀幀中包含中包含1個個I幀、幀、3個個P幀和幀和8個個B幀，稱為一幀，稱為一個圖像組個圖像組(GOP)。圖圖4-9圖像序列原始順序圖像序列原始順序經過編碼器編碼后，經過

17、編碼器編碼后，6個視頻層次構個視頻層次構成的編碼視頻碼流稱為視頻基本碼流成的編碼視頻碼流稱為視頻基本碼流(ES)，圖圖4-11所示為簡化的基本碼流結構圖。所示為簡化的基本碼流結構圖。 圖圖4-11 視頻基本碼流結構視頻基本碼流結構(1)在視頻序列層中，一個編碼的視頻在視頻序列層中，一個編碼的視頻序列由一個序列信頭開始，后面跟隨一個序列由一個序列信頭開始，后面跟隨一個圖像組頭，然后是由許多圖像圖像組頭，然后是由許多圖像(I，P和和B)組組成的一系列成的一系列GOP，視頻序列結束于一個序視頻序列結束于一個序列終止碼。列終止碼。(2)在圖像組層中，在圖像組層中，GOP頭中給出了時頭中給出了時間碼和緊

18、跟在間碼和緊跟在I幀后面的幀后面的B圖像的預測特性圖像的預測特性等信息。等信息。(3)在圖像層中，圖像頭中給出了時間在圖像層中，圖像頭中給出了時間參考信息、圖像編碼類型和參考信息、圖像編碼類型和VBV(視頻緩存視頻緩存校驗器校驗器)延時等信息。延時等信息。(4)在像條層中，像條頭中給出了像條在像條層中，像條頭中給出了像條垂直位置、量化因子碼等信息。垂直位置、量化因子碼等信息。 (5)在宏塊層中，其中的宏塊類型碼中在宏塊層中，其中的宏塊類型碼中給出了宏塊屬性、運動矢量。給出了宏塊屬性、運動矢量。 (6)最后一層是塊層，給出了其最后一層是塊層，給出了其DCT系系數。數。分級分級(Scalabili

19、ty)編碼使原本一體的碼編碼使原本一體的碼流呈現一種分級結構，使其中的部分碼流流呈現一種分級結構，使其中的部分碼流可單獨解碼，從而可得到不同的分辨率和可單獨解碼，從而可得到不同的分辨率和所需的碼率。所需的碼率。 可分級編解碼的意義在于其碼流的獨可分級編解碼的意義在于其碼流的獨立分層及可分層疊加，從而使該碼流適應立分層及可分層疊加，從而使該碼流適應不同環境的傳輸信道和不同用戶需求的能不同環境的傳輸信道和不同用戶需求的能力大大增加。力大大增加。 MPEG-2中的可分級編解碼主要包中的可分級編解碼主要包括以下幾種：空間分級括以下幾種：空間分級 (Spatial Scalability)、時間分級時間

20、分級(Temporal Scalability)、SNR分級分級(SNR Scalability)和數據劃分和數據劃分(Data Partitioning)等。等。底層的編碼在幀內底層的編碼在幀內/幀間判決、自適應幀間判決、自適應量化和緩存調整方面和不分級編碼類似。量化和緩存調整方面和不分級編碼類似。在增強層編碼中，首先對底層輸出的在增強層編碼中，首先對底層輸出的量化后的量化后的DCT系數進行反量化，然后用未系數進行反量化，然后用未量化的量化的DCT系數和反量化后的系數和反量化后的DCT系數相系數相減求差值，得到修正系數。減求差值，得到修正系數。混合可分級性混合可分級性(Hybrid Scal

21、ability)是是空間、空間、SNR和時間可分級的混合，產生兩和時間可分級的混合，產生兩個以上的視頻層，以支持更多需求的應用。個以上的視頻層，以支持更多需求的應用。下面介紹混合可分級在數字電視領域中的下面介紹混合可分級在數字電視領域中的應用。應用。 在信道和發射功率受到限制時，往往在信道和發射功率受到限制時，往往希望能夠在比較差的條件下收到質量略差希望能夠在比較差的條件下收到質量略差些的圖像，而不致于根本沒有圖像。些的圖像，而不致于根本沒有圖像。MPEG-2解碼是解碼是MPEG-2編碼處理的編碼處理的逆過程，從編碼比特流中重建圖像幀。逆過程，從編碼比特流中重建圖像幀。MPEG-2解碼框圖如圖

22、解碼框圖如圖4-17所示。所示。 圖圖4-17 MPEG-2解碼框圖解碼框圖復用器是整個系統的關鍵設備之一，復用器是整個系統的關鍵設備之一，它接收從前端編碼器來的視頻、音頻數據它接收從前端編碼器來的視頻、音頻數據流，按照一定的復用規范將其交織復用成流，按照一定的復用規范將其交織復用成符合符合MPEG-2系統層規范的單一的系統碼系統層規范的單一的系統碼流。流。單路節目的視、音頻數據流的系統復單路節目的視、音頻數據流的系統復用框圖如圖用框圖如圖4-18所示。所示。 圖圖4-18 簡化的簡化的MPEG-2系統復用框圖系統復用框圖按照按照ISO/IEC 13818-2和和ISO/IEC 13818-3

23、標準對視頻和音頻信號進行壓縮編標準對視頻和音頻信號進行壓縮編碼后的碼流稱為基本數據流碼后的碼流稱為基本數據流(Elementary Stream，ES)。TS包的結構如圖包的結構如圖4-20所示。所示。 圖圖4-20 TS 包的結構圖包的結構圖如果在一個電視頻道內復用幾路如果在一個電視頻道內復用幾路TS流，流，也即在一個常規頻道內傳輸多套數字電視也即在一個常規頻道內傳輸多套數字電視節目，則稱為多路節目的雙層復用。多路節目，則稱為多路節目的雙層復用。多路節目的雙層復用系統框圖如圖節目的雙層復用系統框圖如圖4-21所示。所示。第一層復用稱為節目復用第一層復用稱為節目復用(Program Multi

24、plex)；第二層復用稱為傳輸復用第二層復用稱為傳輸復用(Transport Multiplex)。其中，節目復用有其中，節目復用有共同的時間基準，傳輸復用時彼此可以有共同的時間基準，傳輸復用時彼此可以有獨立的時間基準。獨立的時間基準。 圖圖4-21 多路節目的雙層復用系統框圖多路節目的雙層復用系統框圖 PSI信息主要由以下幾種類型的表構成：信息主要由以下幾種類型的表構成：(1)節目關聯表節目關聯表(Program Association Table，PAT) (2)節目映射表節目映射表(Program Map Table，PMT) (3)條件接收表條件接收表(Conditional Acce

25、ss Table，CAT) (4)網絡信息表網絡信息表(Network Information Table，NIT) (5)傳送流描述表傳送流描述表(Transport Stream Description Table，TSDT) (6)專用段專用段(Private_section) (7)描述符描述符(Descripter) CBR編碼復用方式如圖編碼復用方式如圖4-23所示。所示。 圖圖4-23CBR編碼復用方式框圖編碼復用方式框圖 通常碼率控制的方法有以下幾種。通常碼率控制的方法有以下幾種。 這是一種利用調節量化系數來控制緩這是一種利用調節量化系數來控制緩沖器充盈度的方法，由于是從總比特

26、數出沖器充盈度的方法，由于是從總比特數出發，其控制能力較弱，在圖像的復雜度變發，其控制能力較弱，在圖像的復雜度變化較大時會引起圖像質量較大的起伏。化較大時會引起圖像質量較大的起伏。 一般來說，一個圖像序列中各圖像的一般來說，一個圖像序列中各圖像的內容比較接近，復雜度相當，因而對同一內容比較接近，復雜度相當，因而對同一類型的圖像其編碼比特數應當相差不大。類型的圖像其編碼比特數應當相差不大。 MPEG-2給出了給出了TM5碼率控制策略，碼率控制策略，主要分為以下三個步驟。主要分為以下三個步驟。 第一步為比特分配，以圖像組為單元第一步為比特分配，以圖像組為單元對其中的每一個圖像按其類型分配比特數。對

27、其中的每一個圖像按其類型分配比特數。第二步為碼率控制。第二步為碼率控制。 第三步為自適應量化調整。第三步為自適應量化調整。 在在VBR編碼中，量化系數是固定的，編碼中，量化系數是固定的，這樣可以使各路圖像質量相當。這樣可以使各路圖像質量相當。 MPEG編碼的碼流具有明顯的偽周期編碼的碼流具有明顯的偽周期性，以性，以GOP為周期存在較大的尖峰，在每為周期存在較大的尖峰，在每個個GOP中按中按P幀的間隔出現較小的峰值。幀的間隔出現較小的峰值。 聯合碼率控制在保證信道中傳輸恒定聯合碼率控制在保證信道中傳輸恒定速率比特流的前提下，允許各業務信源以速率比特流的前提下，允許各業務信源以變速率碼流編碼，以適

28、應不斷變化的信源變速率碼流編碼，以適應不斷變化的信源需求。需求。 MPEG-4標準的主要特征是采用了基標準的主要特征是采用了基于對象于對象(Object-Based)編碼等的第二代編碼編碼等的第二代編碼技術。技術。 MPEG-4可以對不同來源的視、音頻可以對不同來源的視、音頻對象進行合成。對象進行合成。 基于對象的分級功能是基于對象的分級功能是MPEG-4提供提供的又一個新功能，同時兼容于的又一個新功能，同時兼容于MEPG-2標標準中的圖像分級功能。準中的圖像分級功能。MPEG-4的編碼具有魯棒性和糾錯功的編碼具有魯棒性和糾錯功能，從而保證在易出錯的通信環境下實現能，從而保證在易出錯的通信環境

29、下實現安全的低碼率編碼和傳輸。這包含三個方安全的低碼率編碼和傳輸。這包含三個方面：再同步面：再同步(Resynchronization)、數據恢數據恢復復(Data Recovery)和錯誤隱藏和錯誤隱藏( Error Concealment)。 MPEG-4標準的目標是多媒體的多領標準的目標是多媒體的多領域應用，它為不同應用定義了編解碼器和域應用，它為不同應用定義了編解碼器和碼流的不同類碼流的不同類(Profile)和級和級(Level)，從而支從而支持各種碼率持各種碼率(5kbit/s到到4Mbit/s)、格式格式(逐行逐行和隔行和隔行)和分辨率和分辨率(QCIF到到HDTV)。 MPEG

30、-4的第一版主要包括系統、視的第一版主要包括系統、視頻、音頻和多媒體傳送集成框架頻、音頻和多媒體傳送集成框架(DMIF)等等部分，隨著技術的發展，部分，隨著技術的發展，MPEG-4的內容的內容也不斷充實和改進。也不斷充實和改進。 系統部分主要包括以下內容。系統部分主要包括以下內容。 (1)系統解碼器模型，這是每一個系統系統解碼器模型，這是每一個系統都應該有的特殊模型。都應該有的特殊模型。(2)場景描述場景描述(Scence Description),它是它是用來說明根據用來說明根據AV對象的時間和空間屬性如對象的時間和空間屬性如何有效地將它們組織起來的。何有效地將它們組織起來的。 (4)基本碼流同步層基本碼流同步層(SL)，它是將基本它是將基本碼流數據打包成碼流數據打包成AU單元單元(訪問單元訪問單元)的語法，的語法，打包中附加了時間和同步信息，接收時從打包中附加了時間和同步信息，接收時從SL中提取時間信息能夠使解碼同步，并將中提取時間信息能夠使解碼同步，并將基本流數據合成。基本流數據合成。 (5)基本碼流的多路合成系統中有兩層基本碼流的多路合成系統中有兩層復用，傳輸復用復用，傳輸復用(TransMux)和和MPEG-4復復用用(FlexMux)。 MPEG-4視頻由視頻序列、視頻對象、視頻由視頻序列、視頻對象、視頻對象層、