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视频领域常用压缩编解码标准综述

来源:用户上传      作者: 侯云峰

  摘要:本文从目前视频流传输申最为重要的编解码标准国际电联的H.264,运动静止图像专家组的M-JPEG,国际标准化组织运动图像专家组的MPE6系列标准,以及在互联网上被广泛应用的Real Video、WMT、QuickTtme等方面,详细地介绍了视颜压缩编解码标准及其应用,
  关键词:视频压缩编解码标准,H.264:M-JPEG,MPEG,MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4,Real Video,WiT,QuickTime。
  随着Internet带宽的不断增长,在Internet上传输视频的相关技术也成为Internet节研究和开发的热点。目前视频流传输中最为重要的编解码标准有国际电联的H.264,运动静止图像专家组的M-JPEG和国际标准化组织运动图像专家组的MPEG系列标准,此外在互联网上被广泛应用的还有Real Networks的RealVideo、微软公司的WMT以及Apple公司的QuickTime等。具体如下:
  一,国际电联的H.264标准
  H.264/AVC是由ITU-T VCEG(视频编码专家组)币NISO/IEC MPEG(运动图像专家组)成立的联合视频专家组制定的最新的视频编码标准。与现有的任何标准相比,H.264有着更高的压缩性能,能够在较低带宽提供高质量的图像传输,对网络传输有更好的支持。具体讲,与MPEG-4相比,相同质量下,能降低码率50%左右。H.264是在MPEG-4技术的基础之上建立起来的,其编解码流程主要包括5个部分:帧间和帧内预测(Estimation)、变换(Transform)和反变换、量化(Quantization)和反量化、环路滤波(Loop Filter)、熵编码(EntropyCoding)。H.264/MPEG-4 AVC(H.264)是1995年自MPEG 2视频压缩标准发布以后的最新、最有前途的视频压缩标准。通过该标准,在同等图象质量下的压缩效率比以前的标准提高了2倍以上,因此,H.264被普遍认为是最有影响力的行业标准。
  二.M-JPEG
  M-JPEG(Motion
  Join PhotographicExperts Group)技术即运动静止图像(或逐帧)压缩技术,广泛应用于非线性编辑领域可精确到帧编辑和多层图像处理,把运动的视频序列作为连续的静止图像来处理,这种压缩方式单独完整地压缩每一帧,在编辑过程中可随机存储每一帧,可进行精确到帧的编辑,此外M-JPEG的压缩和解压缩是对称的,可由相同的硬件和软件实现。但M-JPEG只对帧内的空间冗余进行压缩。不对帧间的时间冗余进行压缩,故压缩效率不高。采用M-JPEG数字压缩格式,当压缩比7:1时,可提供相当于Betecam SP质量图像的节目。
  M-JPEG的优点是:可以很容易做到精确到帧的编辑、设备比较成熟。缺点是压缩效率不高。
  此外,M-JPEG这种压缩方式并不是一个完全统一的压缩标准,不同厂家的编解码器和存储方式并没有统一的规定格式。这也就是说,每个型号的视频服务器或编码板有自己的M-JPEG版本,所以在服务器之间的数据传输、非线性制作网络向服务器的数据传输都根本是不可能的。
  三、MPEG系列标准
  MPEG是活动图像专家组(Movina PictureExports Group)的缩写,于1988年成立,是为数字视/音频制定压缩标准的专家组,目前已拥有300多名成员,包括IBM、SU N、BB C、NE C、INTEL、AT&T等世界知名公司。MPEG组织最初得到的授权是制定用于“活动图像”编码的各种标准,随后扩充为“及其伴随的音频”及其组合编码。后来针对不同的应用需求,解除了“用于数字存储媒体”的限制,成为现在制定“活动图像和音频编码”标准的组织。MPEG组织制定的各个标准都有不同的目标和应用,目前已提出MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等多个标准。
  1.MPEG-1标准
  MPEG-1标准于1993年8月公布,用于传输1.5Mbps数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的编码。该标准包括五个部分:第一部分说明了如何根据第二部分(视频)以及第三部分(音频)的规定,对音频和视频进行复合编码。第四部分说明了检验解码器或编码器的输出比特流符合前三部分规定的过程。第五部分是一个用完整的C语言实现的编码和解码器。
  该标准从颁布的那一刻起,MPEG-1取得一连串的成功,如VCD和MP3的大量使用,Windows95以后的版本都带有一个MPEG-1软件解码器,可携式MIPEG-1摄像机等等。
  2.MPEG-2标准
  MPEG组织于1994年推出MPEG-2压缩标准,以实现视/音频服务与应用互操作的可能性。MPEG 2标准是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定,编码码率从每秒3兆比特~100兆比特,标准的正式规范在IsO/IECl3818中。MPEG 2不是MPEG 1的简单升级,MPEG-2在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。MPEG 2特别适用于广播级的数字电视的编码和传送,被认定为SDTV和HDTV的编码标准。
  MPEG 2的编码图像被分为三类,分别称为I帧,P帧和B帧。I帧图像采用帧内编码方式,即只利用了单帧图像内的空间相关性,而没有利用时间相关性。P帧和B帧图像采用帧间编码方式,即同时利用了空间和时间上的相关性。P帧图像只采用前向时间预测,可以提高压缩效率和图像质量。P帧图像中可以包含帧内编码的部分,即P帧中的每一个宏块可以是前向预测,也可以是帧内编码。B帧图像采用双向时间预测,可以大大提高压缩倍数。
  MPEG 2标准在广播电视领域中的主要应用如下:
  (1)视音频资料的保存
  (2)电视节目的非线性编辑系统及其网络
  (3)卫星传输
  (4)电视节目的播出
  3.MPEG-4标准
  运动图像专家组MPEG于1999年2月正式公布了MPEG-4(isO/IE C14496)标准第一版本。同年年底MPEG-4第二版亦告底定,且于2000年年初正式成为国际标准。MPEG-4与MPEG 1和MPEG 2有很大的不同。MPEG-4不只是具体压缩算法,它是针对数字电视、交互式绘图应用(影音合成内容)、交互式多媒体(WWW、资料撷取与分散)等整合及压缩技术的需求而制定的国际标准。MPEG-4标准将众多的多媒体应用集成于一个完整的框架内,旨在为多媒体通信及应用环境提供标准的算法及工具,从而建立起一种能被多媒体传输、存储、检索等应用领域普遍采用的统一数据格式。与MPEG 1、MPEG 2相比,MPEG-4具有如下独特的优点:
  (1)基于内容的交互性
  (2)高效的压缩性
  (3)通用的访问性
  这些特点无疑会加速多媒体应用的发展,从中受益的应用领域有:因特网多媒体应用;广播电视;交互式视频游戏;实时可视通信;交互式存储媒体应用;演播室技术及电视后期制作;采用面部动画技术的虚拟会议;多媒体邮件;移动通信条件下的多媒体应用;远程视频监控;通过ATM网络等进行的远程数据库业务等。
  四,其它压缩编码标准
  1.Real Video
  Real Video是Real Networks公司开发的在窄带(主要的互联网)上进行多媒体传输的压缩技术。
  2.WMT
  WMT是微软公司开发的在互联网上进行媒体传输的视频和音频编码压缩技术,该技术已与WMT服务器与客户机体系结构结合为一个整体,使用MPEG-4标准的一些原理。
  3.QuickTime
  QuickTime是一种存储、传输和播放多媒体文件的文件格式和传输体系结构,所存储和传输的多媒体通过多重压缩模式压缩而成,传输是通过RTP协议实现的。
  标准化是产业化成功的前提,早期的视频服务器产品基本都采用M-JPEG标准,开创视频非线性编辑时代。MPEG 1成功地在中国推动了VCD产业,MPEG 2标准带动了DVD及数字电视等多种消费电子产业,其它MPEG标准的应用也在实施或开发中。H.264、RealVideo、WMT以及QuickTime带动了网络流媒体的发展。视频压缩编解码标准紧扣应用发展的脉搏,与工业和应用同步。未来是信息化的社会,各种多媒体数据的传输和存储是信息处理的基本问题,因此,可以肯定视频压缩编码标准将发挥越来越大的作用。


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