多媒体技术之MPEG简介

多媒体技术基础FundamentalsofMultimedia第11章MPEG简介Chapter11IntroductiontoMPEG计算机科学系多媒体技术基础2本章大纲1.MPEG概述2.MPEG-1视频的编码3.MPEG-1视频的解码计算机科学系多媒体技术基础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ISO11172(MPEG-1video)标准用于数字电视和DVD的ISO/IEC13818(MPEG-2video)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计算机科学系多媒体技术基础4视频压缩编码的国际标准ITU-TJointITU-T/MPEGMPEGH.261H.263H.263+H.263++H.262/MPEG-2H.26LMPEG-1MPEG-48486889092949698000204计算机科学系多媒体技术基础5概念MJPEGMotionJPEG(MJPEG)是以JPEG方法压缩的一个图像序列MPEG-MovingPictureExpertsGroup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、质量和计算效率计算机科学系多媒体技术基础6MPEGISO/IECMPEG(MovingPictureExpertGroup)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标准计算机科学系多媒体技术基础7MPEG标准MPEG标准文件的创建过程分成4个阶段(1)工作文件(WorkingDraft，WD)：工作组(WorkingGroup，WG)准备的工作文件(2)委员会草案(CommitteeDraft，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(DraftInternationalStandard，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(InternationalStandard，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。计算机科学系多媒体技术基础8MPEG-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。计算机科学系多媒体技术基础9MPEG-1:一系列“第一”第一个集成的视频/音频标准:ISO/IEC11172-1(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计算机科学系多媒体技术基础10MPEG-1视频压缩标准MPEG-1标准号为ISO/IEC11172，它由五部分组成：MPEG-1系统（MPEG-1Systems）：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-1Video）MPEG-1音频编码标准（MPEG-1Audio）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。计算机科学系多媒体技术基础11MPEG-1的评价(应用)VideoCD(severaltensmillionplayerssoldinPRofChina)“The”formatofaudioandvideoforPCWindows95/NT/98containanMPEG-1softwaredecoderMPEG-1Audio(recently,layer3)iswidelyusedforWebmusicDigitalAudioBroadcasting(DAB)数字音频广播utilisesMPEG-1Audio(adoptedinEuropeandCanada)计算机科学系多媒体技术基础12MPEG-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1.5Mbps～60Mbps甚至更高速率的编码范围。计算机科学系多媒体技术基础13MPEG-2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(ATVGrandAlliance)和欧洲数字视频广播计划(DigitalVideoBroadcastProject)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)。计算机科学系多媒体技术基础14MPEG-4标准MPEG-4标准(ISO/IECl4496).“Codingofaudio-visualobjects”___视听对象编码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compressionandmanipulationofaudioandvisualobjects,thewebpageparadigmappliedtoaudioandvideo!计算机科学系多媒体技术基础15MPEG-7标准MPEG-7标准(ISO/IECl5938).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“多媒体内容描述接口”(MultimediaContentDescriptionInterface)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。计算机科学系多媒体技术基础16MPEG-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：定义资料使用的方式。例如版权所有人、播放时间等。4.structuralaspects：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.conceptualaspects7：定义资料中各种控件的链接或交互。计算机科学系多媒体技术基础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:framespersecond(5,15,20,24,30,…)压缩率:(1,6,24,…)长×宽×量化位数×fps压缩率=bits/sec计算机科学系多媒体技术基础18视频数据量1920x10801280x720640x480320x240160x1201sec0.190.080.030.010.001min11.204.981.660.410.101hour671.85298.6099.5324.886.221000hours671,846.40298,598.4099,532.8024,883.206,220.80(压缩前，ingigabytes)1920x10801280x720640x480320x240160x1201:1671,846298,59899,53324,8836,2213:1223,94999,53333,1788,2942,0746:1111,97449,76616,5894,1471,03725:126,87411,9443,981995249100:16,7182,98699524962(压缩后，每小时的数据量，inmegabytes)计算机科学系多媒体技术基础19MPEG-1概述MPEG-1Requirements(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)1randomaccess2fastforward/backwardsearch3reverseplayback4A/Vsynchronization5robustnesstoerrors6smallencoding/decodingdelay7editability8formatflexibility9costtradeoff计算机科学系多媒体技术基础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（MotionEstimation）;人眼的视觉特性有利于数据的压缩.计算机科学系多媒体技术基础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算法复杂程度计算机科学系多媒体技术基础22MPEG-1视频压缩的基本方法①在空间域:采用JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)压缩算法来去掉画面内部的冗余信息。②在时间域:采用运动补偿(motioncompensation)算法来去掉画面之间的冗余信息。计算机科学系多媒体技术基础23运动补偿帧间预测(temporal)＋DCT(spatial)计算机科学系多媒体技术基础24MPEG-1视频编/解码总框图预处理压缩编码存储和/或传输解码后处理显示数字视频计算机科学系多媒体技术基础25FramerecorderDCTQuantizeVariable-lengthcoderTransmitbufferPredictionencoderDe-quantizeInverseDCTMotionpredictorReferenceframeRatecontrollerINOUTScalefactorBufferfullnessPredictionMotionvectorsDC计算机科学系多媒体技术基础26MPEG-1的6层结构计算机科学系多媒体技术基础27MPEG的画面组(GOP)视频画面序列被分成一个一个画面组(GrupeOfPictures,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画面计算机科学系多媒体技术基础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;Bidirectional-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