詳解視頻編解碼MPEG-X系列的發(fā)展軌跡

MPEG-4應用解析

從1948年提出電視信號數字化編碼以來(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，已形成并由國際標準化組織ISO/IEC制定的MPEG-X和國際電聯(lián)ITU-T 制定的H.26X兩大系列視頻編碼國際標準，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”(運動(dòng)圖像專(zhuān)家組)，隸屬于國際標準化組織ISO/IEC的一個(gè)專(zhuān)家工作組，其建成于1988年，主要負責為數字音視頻編碼算法開(kāi)發(fā)和制定標準。MPEG標準的視頻壓縮編碼技術(shù)主要利用了具有運動(dòng)補償的幀間壓縮編碼技術(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計冗余度。這幾種技術(shù)的綜合運用，大大增強了壓縮性能。目前，MPEG標準旗下主要有以下五個(gè)標準，MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7及MPEG-21等。

據蘇州科達科技有限公司視頻技術(shù)開(kāi)發(fā)高級工程師趙波介紹，MPEG制定的初衷是為CD建立視音頻標準，因而早些時(shí)候的標準都是面向數字影視而開(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的基礎上作了許多重要的擴展和改進(jìn)，但基本算法和MPEG-1相同。MPEG-2主要應用在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、處理上面也有相當多的應用。其間，MPEG組曾經(jīng)起草過(guò)MPEG-3，原本針對于HDTV，后來(lái)被MPEG-2代替。

MPEG-1、MPEG-2在音視頻界割地據城，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網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下的音視頻信號通信——為了達到低碼率的目標，必須大幅度提高視頻數據的壓縮比，而MPEG-1/2所采用的基于像像素的壓縮方法，在壓縮40到50倍后就幾乎達到算法的極限，必須另辟蹊徑。MPEG-4的目標就是為視聽(tīng)數據的編碼和交互播放開(kāi)發(fā)算法和工具，最初是一個(gè)數據速率很低的多媒體通信標準，后來(lái)的目標是要在異構網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下能夠高度可靠地工作，并且具有很強的交互功能。

MPEG-4應用在移動(dòng)通信和公用電話(huà)交換網(wǎng)(PSTN)上，并支持可視電話(huà)、電視郵件、電子報紙和其他低數據傳輸速率場(chǎng)合下的應用，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世紀初，MPEG組力圖建立一套描述符標準，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)數據信息編碼的表達(表達內容的信息，而不是內容本身)。這一點(diǎn)與目標集中在視音頻數據的壓縮與編碼的MPEG-1/2/4不同，MPEG-7所表達的不是內容/信息本身，而是表示信息的信息。MPEG-7提供了可視內容的標準結構和聯(lián)接機制、以及對可視內容表述的標準化，為實(shí)現基于內容的檢索提供了應用框架，并使對多媒體數據的創(chuàng )建、交換、檢索和重用更加有效。

H.26X系列編解碼

由于多媒體標準層出不窮，但各個(gè)標準之間還存在缺漏，不能真正做到配套銜接，還需要一個(gè)綜合性標準來(lái)協(xié)調。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和應用的發(fā)展，基于多媒體的電子商務(wù)需要一個(gè)其結構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準的設想，2000年6月正式批準制定MPEG-21標準的計劃。MPEG-21又叫多媒體框架，2001年12月成為標準，功能是多媒體框架標準，基于多媒體的電子商務(wù)需要發(fā)展的共享模式，應用于不同多媒體系統的集成和應用。

H.26X系列

ITU-T國際電信同盟-電信標準化部門(mén)(International Telecommunications Union-Telecommunication Standardization Sector)及其前身國際無(wú)線(xiàn)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)標準。有別于MPEG標準主要用于光存儲、廣播和流媒體，H.26x標準主要用于網(wǎng)絡(luò )和通信。除了視頻編碼標準本身之外，H.26x還有配套的系統、音頻、控制等相關(guān)標準。其成員主要包括H.261、H.263、H.264等。

H.261標準是ITU編制的第一個(gè)主流視頻壓縮標準。H.261標準是為ISDN設計，主要針對實(shí)時(shí)編碼和解碼設計，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)量與運動(dòng)幅度之間的平衡折中機制，也就是說(shuō)，劇烈運動(dòng)的圖像比相對靜止的圖像質(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)現更高的質(zhì)量。H.263標準是甚低碼率的圖像編碼國際標準，它一方面以H.261為基礎，以混合編碼為核心，其基本原理框圖和H.261十分相似，原始數據和碼流組織也相似；另一方面，H.263也吸收了MPEG等其它一些國際標準中有效、合理的部分，如：半像素精度的運動(dòng)估計、PB幀預測等，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的對應標準為MPEG-4的第10部分MPEG-4/AVC。H.264最大的優(yōu)勢是具有很高的數據壓縮比率，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，正因為如此，經(jīng)過(guò)H.264壓縮的視頻數據，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。