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1、多媒体技术基础 Fundamentals of Multimedia,第 11 章 MPEG简介 Chapter 11 Introduction to MPEG,2,本章大纲,1. MPEG概述 2. MPEG-1视频的编码 3. MPEG-1视频的解码,3,视频压缩编码的标准,ITU-T标准 用于ISDN视频会议的 H.261(Px64)标准 用于PSTN可视电话的 H.263标准 用于ATM/B-ISDN视频会议的 H.262标准 ISO/IEC 国际标准 用于VCD的ISO 11172(MPEG-1 video)标准 用于数字电视和DVD的ISO/IEC 13818(MPEG-2 vid
2、eo) 标准 用于交互式多媒体应用的视听编码标准 MPEG-4 企业(公司)标准: AVI, QuickTime, RealVideo,4,视频压缩编码的国际标准,5,概念,MJPEG Motion JPEG (MJPEG) 是以 JPEG方法压缩的一个图像序列 MPEG - Moving Picture Experts Group 由 ISO/IEC制定, 包括 MPEG1, MPEG2, MPEG4，MPEG7，MPEG21 非常有效的帧内和帧间压缩编码技术和一些优化方法 H.261/H.263/H.263+ - 可视电话/视频会议 由ITU制定，具有中低码率、质量和计算效率,6,MPEG
3、,ISO/IEC MPEG (Moving Picture Expert Group) 负责开发电视图像数据和声音数据的编码、解码和它们的同步等标准。 这个专家组开发的标准称为MPEG标准,7,MPEG 标准,MPEG标准文件的创建过程分成4个阶段 (1) 工作文件(Working Draft，WD)：工作组(Working Group，WG)准备的工作文件 (2) 委员会草案(Committee Draft，CD)：从工作组WG准备好的工作文件WD提升上来的文件。这是ISO文档的最初形式，它由ISO内部正式调查研究和投票表决。 (3) 国际标准草案(Draft International S
4、tandard，DIS)：投票成员国对CD的内容和说明满意之后由委员会草案CD提升上来的文件。 (4) 国际标准(International Standard，IS)：由投票成员国、ISO的其他部门和其他委员会投票通过之后出版发布的文件。,8,MPEG -1标准,MPEG-1标准(ISO/IEC11172). 1992年发布。 用于1.5Mbps数据传输率的运动图像及其伴音的编码。主要应用于 VCD，MP3音乐等. MPEG-1在JPEG和H.261等优秀标准的基础上, 对参加竞争的14个方案,通过反复协调而得到统一,从而成为先进、合理、质量高、成本低的优秀标准. MPEG-1促进了大规模集成
5、电路专用芯片的发展, 为多媒体技术和产品的繁荣立下了功劳。,9,MPEG-1: 一系列 “第一”,第一个集成的视频/音频标准 : ISO/IEC 11172-1 (Systems), -2 (Video), -3 (Audio) 第一个与视频格式无关的编码标准 (NTSC/PAL/SECAM) 第一个由几乎所有相关视/音频企业联合制定的标准,10,MPEG-1视频压缩标准,MPEG-1标准号为ISO/IEC 11172，它由五部分组成： MPEG-1系统（ MPEG-1 Systems ）：规定视频数据、声音数据及其他相关数据的同步合成技术 MPEG-1视频编码标准（MPEG-1 Video）
6、 MPEG-1音频编码标准（MPEG-1 Audio） MPEG-1一致性测试：详细说明如何测试比特数据流和解码器是否满足MPEG-1前3个部分(Part1，2和3)中所规定的要求。 MPEG-1软件模拟：一个技术报告，给出了软件执行MPEG1前3个部分的运行结果。,11,MPEG-1 的评价(应用),Video CD ( several tens million players sold in PR of China) “The” format of audio and video for PC Windows 95/NT/98 contain an MPEG-1 software deco
7、der MPEG-1 Audio (recently, layer 3) is widely used for Web music Digital Audio Broadcasting (DAB)数字音频广播 utilises MPEG-1 Audio (adopted in Europe and Canada),12,MPEG -2标准,MPEG-2标准(ISO/IEC13818). 1994年发布。 主要针对数字电视特别是高清晰度电视(HDTV) 的视频及伴音信号，典型传输速率为10Mbps，与MPEG-1兼容，适用于1.5Mbps60Mbps甚至更高速率的编码范围。,13,MPEG -2
8、标准（续）,以MPEG-2作为视音频压缩标准的数字卫星电视(DVB)已在欧美形成了很大市场； 美国高级电视联盟(ATV Grand Alliance)和欧洲数字视频广播计划(Digital Video Broadcast Project)先后决定将MPEG -2用于高清晰度电视(HDTV)广播中; 新一代的数字视盘DVD采用MPEG-2作为其视音频压缩标准(注:欧、美 、日在视频方面采用MPEG-2标准,而在音频方面则采用AC-3标准)。,14,MPEG -4标准,MPEG-4 标准(ISO/IEC l4496) . “Coding of audio-visual objects”_视听对象编
9、码 1999年5月形成国际标准(版本1), 2001-2002形成版本2，是一种基于对象的视(音)频编码标准,目标是支持各种多媒体应用(主要侧重于对多媒体信息内容的访问) 主要目标 compression and manipulation of audio and visual objects, the web page paradigm applied to audio and video!,15,MPEG -7标准,MPEG-7标准(ISO/IEC l5938). 并非压缩标准 建筑在其他的标准之上的，例如，PCM, MPEG-1, MPEG-2和MPEG-4等 2001年9月形成。它是“
10、多媒体内容描述接口” (Multimedia Content Description Interface)的标准, 该标准将确定各种类型的多媒体信息的标准描述方法, 可应用于数字图书馆、各种多媒体目录服务、广播媒体的选择，以及多媒体编辑等领域。,16,MPEG-7,通过MPEG-7格式定义的信息，使用者可以有效率地搜寻、过滤和定义想要的影音资料。目前MPEG-7标准中定义了五种内容的信息，分别是： 1.creation & production：影音资料制作的基本信息。例如电影片名、导演等。 2. media：定义资料储存的方式。例如是否经过压缩、编码方式、储存媒介等。 3. usage：定义
11、资料使用的方式。例如版权所有人、播放时间等。 4. structural aspects：对影片中出现的特殊物品，或是音乐中某一片段，以及颜色、旋律等的描述。 5. conceptual aspects 7：定义资料中各种控件的链接或交互。,17,视频流码率的计算,宽: pixels(160, 320, 640, 720, 1280, 1920, ) 长: pixels(120, 240, 480, 485, 720, 1080, ) 量化位数: bits (1, 4, 8, 15, 16, 24, ) fps: frames per second (5, 15, 20, 24, 30, )
12、压缩率: (1, 6, 24, ),18,视频数据量,19,MPEG-1概述,MPEG-1 Requirements (在大约1.5Mb/s数码率的情况下,获得质量可接受的A/V信息;适合于CD-ROM,DAT磁带 ,硬盘,可写光盘等数字存储 介质;可在N-ISDN、LAN等通信网络上传输) 1 random access 2 fast forward/backward search 3 reverse playback 4 A/V synchronization 5 robustness to errors 6 small encoding/decoding delay 7 editabil
13、ity 8 format flexibility 9 cost tradeoff,20,视频数据压缩编码的依据,每一帧画面内部的信息有很强的相关性; 相邻画面之间有高度的相容性; 运动可以估测（Motion Estimation）; 人眼的视觉特性有利于数据的压缩.,21,视频压缩编码技术的评价准则,码率(bitrate) 重建图像的质量 编码/解码延时 错误修复能力 算法复杂程度,22,MPEG-1视频压缩的基本方法, 在空间域: 采用JPEG(Joint Photographic Experts Group)压缩算法来去掉画面内部的冗余信息。 在时间域: 采用运动补偿(motion com
14、pensation)算法来去掉画面之间的冗余信息。,23,运动补偿帧间预测(temporal) DCT(spatial),24,MPEG-1视频编/解码总框图,25,26,MPEG-1的6层结构,27,MPEG 的画面组(GOP),视频画面序列被分成一个一个画面组(Grupe Of Pictures, GOP) 每个GOP中至少包含一个I画面，可没有B画面,甚至没有P画面,28,画面的分类,Intra-picture ( I画面 ) 不需要参考其它画面而独立进行压缩编码的画面; Predicted-picture ( P画面 ) 参考前面已编码的 I 或 P画面进行预测编码的画面; Bidir
15、ectional-picture ( B画面 ) 既参考前面的I或P画面、又参考后面的I或P画面进行双向预测编码的画面 inter-frames: P-frame & B-frame,29,I frames are independently encoded P frames are based on previous I, P frames B frames are based on previous and following I and P frames,30,GOP,MPEG-1 most commonly uses a GOP size of 15-18. i.e. 1 I-fram
16、e for every 14-17 non-I-frames,31,画面的重新排序,画面的显示顺序是: I B B P B B P B B P 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 画面的编码顺序是: I P B B P B B P B B 1 4 2 3 7 5 6 10 8 9 因此, 每一个GOP中的画面在编码前和解码后都必须重排序,32,Slice and Macroblock,33,Blocks and Macro-blocks,Block DCT unit Y,U, and V cut into 8x8 pixel regions Macro-block A macroblock consists of 6 blocks In Y component, a macro-block refers to a 16x16 pixel region, or four 8x8 blocks In U and V components, a
