詳解視頻編解碼MPEG-X系列的發(fā)展軌跡

MPEG-4應(yīng)用解析

從1948年提出電視信號(hào)數(shù)字化編碼以來(lái)，圖像編碼壓縮技術(shù)的研究已有六十多年的歷史。時(shí)至今日，已形成并由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/IEC制定的MPEG-X和國(guó)際電聯(lián)ITU-T 制定的H.26X兩大系列視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，本文將詳解視頻編解碼MPEG-X系列的發(fā)展軌跡。

MPEG的全稱(chēng)是“Motion Picture Expert Group”(運(yùn)動(dòng)圖像專(zhuān)家組)，隸屬于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/IEC的一個(gè)專(zhuān)家工作組，其建成于1988年，主要負(fù)責(zé)為數(shù)字音視頻編碼算法開(kāi)發(fā)和制定標(biāo)準(zhǔn)。MPEG標(biāo)準(zhǔn)的視頻壓縮編碼技術(shù)主要利用了具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g壓縮編碼技術(shù)以減小時(shí)間冗余度，利用DCT技術(shù)以減小圖像的空間冗余度，利用熵編碼則在信息表示方面減小了統(tǒng)計(jì)冗余度。這幾種技術(shù)的綜合運(yùn)用，大大增強(qiáng)了壓縮性能。目前，MPEG標(biāo)準(zhǔn)旗下主要有以下五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7及MPEG-21等。

據(jù)蘇州科達(dá)科技有限公司視頻技術(shù)開(kāi)發(fā)高級(jí)工程師趙波介紹，MPEG制定的初衷是為CD建立視音頻標(biāo)準(zhǔn)，因而早些時(shí)候的標(biāo)準(zhǔn)都是面向數(shù)字影視而開(kāi)發(fā)的。90年代風(fēng)靡一時(shí)的VCD，可以說(shuō)99%的VCD都是用MPEG1格式壓縮的。而制定于1994年的MPEG-2在MPEG-1的基礎(chǔ)上作了許多重要的擴(kuò)展和改進(jìn)，但基本算法和MPEG-1相同。MPEG-2主要應(yīng)用在DVD的制作(壓縮)方面，同時(shí)在一些HDTV和一些高要求視頻編輯、處理上面也有相當(dāng)多的應(yīng)用。其間，MPEG組曾經(jīng)起草過(guò)MPEG-3，原本針對(duì)于HDTV，后來(lái)被MPEG-2代替。

MPEG-1、MPEG-2在音視頻界割地?fù)?jù)城，大行其道，但是它們都不太適合于網(wǎng)絡(luò)傳輸，特別要求在低碼率和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的音視頻信號(hào)通信——為了達(dá)到低碼率的目標(biāo)，必須大幅度提高視頻數(shù)據(jù)的壓縮比，而MPEG-1/2所采用的基于像像素的壓縮方法，在壓縮40到50倍后就幾乎達(dá)到算法的極限，必須另辟蹊徑。MPEG-4的目標(biāo)就是為視聽(tīng)數(shù)據(jù)的編碼和交互播放開(kāi)發(fā)算法和工具，最初是一個(gè)數(shù)據(jù)速率很低的多媒體通信標(biāo)準(zhǔn)，后來(lái)的目標(biāo)是要在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下能夠高度可靠地工作，并且具有很強(qiáng)的交互功能。

MPEG-4應(yīng)用在移動(dòng)通信和公用電話交換網(wǎng)(PSTN)上，并支持可視電話、電視郵件、電子報(bào)紙和其他低數(shù)據(jù)傳輸速率場(chǎng)合下的應(yīng)用，如電視會(huì)議、網(wǎng)絡(luò)流媒體、移動(dòng)視頻通信、IPTV等流媒體方面。

在21世紀(jì)初，MPEG組力圖建立一套描述符標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)描述各種類(lèi)型的多媒體信息及它們之間的關(guān)系，以便更快更有效地檢索信息。MPEG-7隨即誕生。MPEG-7致力于視聽(tīng)數(shù)據(jù)信息編碼的表達(dá)(表達(dá)內(nèi)容的信息，而不是內(nèi)容本身)。這一點(diǎn)與目標(biāo)集中在視音頻數(shù)據(jù)的壓縮與編碼的MPEG-1/2/4不同，MPEG-7所表達(dá)的不是內(nèi)容/信息本身，而是表示信息的信息。MPEG-7提供了可視內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和聯(lián)接機(jī)制、以及對(duì)可視內(nèi)容表述的標(biāo)準(zhǔn)化，為實(shí)現(xiàn)基于內(nèi)容的檢索提供了應(yīng)用框架，并使對(duì)多媒體數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、交換、檢索和重用更加有效。

H.26X系列編解碼

由于多媒體標(biāo)準(zhǔn)層出不窮，但各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間還存在缺漏，不能真正做到配套銜接，還需要一個(gè)綜合性標(biāo)準(zhǔn)來(lái)協(xié)調(diào)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，基于多媒體的電子商務(wù)需要一個(gè)其結(jié)構(gòu)可以理解的共享模式——多媒體框架的支持。有鑒于此，MPEG于1996年10月提出制定多媒體框架標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)想，2000年6月正式批準(zhǔn)制定MPEG-21標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)劃。MPEG-21又叫多媒體框架，2001年12月成為標(biāo)準(zhǔn)，功能是多媒體框架標(biāo)準(zhǔn)，基于多媒體的電子商務(wù)需要發(fā)展的共享模式，應(yīng)用于不同多媒體系統(tǒng)的集成和應(yīng)用。

H.26X系列

ITU-T國(guó)際電信同盟-電信標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)(International Telecommunications Union-Telecommunication Standardization Sector)及其前身國(guó)際無(wú)線電咨詢(xún)委員會(huì)CCIR(International Radio Consultative Committee)制定了一系列音視頻壓縮編碼和通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。有別于MPEG標(biāo)準(zhǔn)主要用于光存儲(chǔ)、廣播和流媒體，H.26x標(biāo)準(zhǔn)主要用于網(wǎng)絡(luò)和通信。除了視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)本身之外，H.26x還有配套的系統(tǒng)、音頻、控制等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其成員主要包括H.261、H.263、H.264等。

H.261標(biāo)準(zhǔn)是ITU編制的第一個(gè)主流視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。H.261標(biāo)準(zhǔn)是為ISDN設(shè)計(jì)，主要針對(duì)實(shí)時(shí)編碼和解碼設(shè)計(jì)，實(shí)際的編碼算法類(lèi)似于MPEG算法，但不能與后者兼容。其壓縮和解壓縮的信號(hào)延時(shí)不超過(guò)150ms。H.261在實(shí)時(shí)編碼時(shí)比MPEG所占用的CPU運(yùn)算量少得多，此算法為了優(yōu)化帶寬占用量，引進(jìn)了在圖像質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)幅度之間的平衡折中機(jī)制，也就是說(shuō)，劇烈運(yùn)動(dòng)的圖像比相對(duì)靜止的圖像質(zhì)量要差。因此這種方法是屬于恒定碼流可變質(zhì)量編碼而非恒定質(zhì)量可變碼流編碼。

H.263在H.261之后得到開(kāi)發(fā)，主要是為了以更低的比特率實(shí)現(xiàn)更高的質(zhì)量。H.263標(biāo)準(zhǔn)是甚低碼率的圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它一方面以H.261為基礎(chǔ)，以混合編碼為核心，其基本原理框圖和H.261十分相似，原始數(shù)據(jù)和碼流組織也相似；另一方面，H.263也吸收了MPEG等其它一些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中有效、合理的部分，如：半像素精度的運(yùn)動(dòng)估計(jì)、PB幀預(yù)測(cè)等，使它性能優(yōu)于H.261。H.263使用的位率可小于64Kb/s，且傳輸比特率可不固定(變碼率)。

而與H.261、H.263不同的是，H.264是由MPEG與ITU-T的VCEG(Video Coding Experts Group視頻編碼專(zhuān)家組)聯(lián)合組成的JVT(Joint Video Team聯(lián)合視頻組)共同制定的，與MPEG的對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為MPEG-4的第10部分MPEG-4/AVC。H.264最大的優(yōu)勢(shì)是具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比率，在同等圖像質(zhì)量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。尤其值得一提的是，H.264在具有高壓縮比的同時(shí)還擁有高質(zhì)量的、流暢的圖像，正因?yàn)槿绱耍?jīng)過(guò)H.264壓縮的視頻數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中所需要的帶寬更少，也更加經(jīng)濟(jì)。