多媒体技术Chapter11

电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃第11章MPEG简介MPEG标准阐明了声音和电视图像的编码和解码过程严格规定了声音和图像数据编码后组成比特数据流的句法提供了解码器的测试方法等但没有对所有内容都作严格规定，尤其是对压缩和解压缩的算法这样给MPEG标准的具体实现留有很大余地。可以不断改进编码和解码算法，提高声音和电视图像的质量以及编码效率。本章介绍MPEG标准的概貌，提供最基本的背景材料。1电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃MPEG(MovingPictureExpertGroup)是在1988年由国际标准化组织(InternationalOrganizationforStandardization，ISO)和国际电工委员会(InternationalElectrotechnicalCommission，IEC)联合成立的专家组，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到目前为止，已经开发和正在开发的MPEG标准有：11.1.1MPEG概述11.1MPEG是什么2电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃MPEG-1：数字电视标准，1992年正式发布。MPEG-2：数字电视标准。MPEG-3：已于1992年7月合并到高清晰度电视(High-DefinitionTV，HDTV)工作组。MPEG-4：多媒体应用标准(1999年发布)。MPEG-5：直至1998年9月还没有见到定义。MPEG-6：直至1998年9月还没有见到定义。MPEG-7：多媒体内容描述接口标准(正在研究)。MPEG-1、-2和-4标准已经正式发布，并且得到广泛应用。表11-01是MPEG-1和-2的典型编码参数。11.1.1MPEG概述3电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃表11-01MPEG-1和-2典型的编码参数11.1.1MPEG概述MPEG-1MPEG-2(基本型)标准化时间1992年1994年(DIS)主要应用CD-ROM上的数字电视，VCD数字TV，DVD空间分辨率CIF格式(1/4TV)，288×360像素TV，576×720像素时间分辨率25-30帧/秒50-60场/秒位速率1.5Mbit/s15Mbit/s质量相当于VHS相当于NTSC/PAL电视压缩率20~3030~404电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃MPEG标准文件的创建过程分成4个阶段：(1)工作文件(WD)：工作组(WG)准备的工作文件(2)委员会草案(CD)：从工作组WG准备好的工作文件WD提升上来的文件。它由ISO内部正式调查研究和投票表决。(3)国际标准草案(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(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。11.1.2MPEG标准文件的创建过程11.1MPEG是什么5电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃MPEG-1处理的是标准图像交换格式或者称为源输入格式的电视，压缩后的输出速率定义在1.5Mbit/s以下。这个标准主要针对当时具有这种数据传输率的CD-ROM和网络而开发的，用于在CD-ROM上存储数字影视和在网络上传输数字影视。11.2MPEG-1数字电视标准6电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃MPEG-1的标准号为ISO/IEC11172，标准名称为“信息技术——用于数据速率高达大约1.5Mbit/s的数字存储媒体的电视图像和伴音编码”。它由5个部分组成：11.2MPEG-1数字电视标准7电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃①MPEG-1系统，写成MPEG-1Systems，规定电视图像数据、声音数据及其他相关数据的同步，标准名是ISO/IEC11172-1。②MPEG-1电视图像，写成MPEG-1Video,规定电视数据的编码和解码，标准名是ISO/IEC11172-2。③MPEG-1声音，写成MPEG-1Audio,规定声音数据的编码和解码，标准名是ISO/IEC11172-3。图11-01表示了MPEG-1译码器的方框图。11.2MPEG-1数字电视标准8电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃图11-01MPEG-1译码器方框图11.2MPEG-1数字电视标准9电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃④MPEG-1一致性测试，写成MPEG-1Conformancetesting，标准名是ISO/IEC11172-4。这个标准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。⑤MPEG-1软件模拟，写成MPEG-1Softwaresimulation，标准名是ISO/IECTR11172-5。实际上，这部分的内容不是一个标准，而是一个技术报告，给出了用软件执行MPEG-1标准前3个部分的结果。11.2MPEG-1数字电视标准10电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃MPEG-2标准从1990年开始研究，1994发布DIS(国际标准草案)。它是一个直接与数字电视广播有关的高质量图像和声音编码标准。MPEG-2是MPEG-1的扩充，它们的基本编码算法都相同。MPEG-2增加了许多MPEG-1所没有的新功能：隔行扫描电视的编码、位速率可变性能功能等。MPEG-2最基本目标是：位速率为4～9Mbit/s，最高达15Mbit/s。MPEG-2的标准号为ISO/IEC13818，标准名称为“信息技术—电视图像和伴音信息的通用编码”。MPEG-2包含9个部分：11.3MPEG-2数字电视标准11电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃①MPEG-2系统，写成MPEG-2Systems，规定电视图像数据、声音数据及其他相关数据的同步，标准名是ISO/IEC13818-1。MPEG-2的系统模型如图11-02所示。定义电视图像数据、声音数据和其他数据的组合，把这些数据组合成适合于存储或者传输的基本数据流。数据流有两种形式：程序数据流(PS)，传输数据流(TS)。程序数据流是组合包括基本数据流(PES)而生成的一种数据流，用在出错相对较少的环境下；传输数据流也是组合PES而生成的一种数据流，它用在出现错误相对比较多的环境下。11.3MPEG-2数字电视标准12电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃图11-02MPEG-2的系统模型11.3MPEG-2数字电视标准13电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃②MPEG-2电视图像，写成MPEG-2Video，规定电视数据的编码和解码，标准名是ISO/IEC13818-2。为了适应各种应用，定义了电视图像的各种规格，称为配置(profile)，如表11-02所示。在1996年的标准中增加了4:2:2子采样格式的图像。多视角配置(MVP)是附加的配置。对彩色电视图像进行采样时，有两种采样方法。一种是使用相同的采样频率对图像的亮度信号Y和色差信号CrCb进行采样，另一种是对亮度信号和色差信号分别采用不同的采用频率进行采样。如果对色差信号使用的采样频率比对亮度信号使用的采样频率低，这种采样就称为图像子采样。11.3MPEG-2数字电视标准14电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃表11-02MPEG-2电视图像配置11.3MPEG-2数字电视标准Simple简化Main基本SNRscalable信噪比可变型Spatialscalable空间分辨率可变型High高级Multiview多视角型4:2:2等级Highlevel(高级)★★High-1440level(高级1440)★★★Mainlevel(基本级)★★★★★★Lowlevel(低级)★★15电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃③MPEG-2声音，写成MPEG-2Audio，规定声音数据的编码和解码，是MPEG-1Audio的扩充，支持多个声道，标准名是ISO/IEC13818-3。④MPEG-2一致性测试，写成MPEG-2Conformancetesting，标准名是ISO/IECDIS13818-4。⑤MPEG-2软件模拟，写成MPEG-2Softwaresimulation，标准名是ISO/IECTR13818-5。11.3MPEG-2数字电视标准16电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃⑥MPEG-2数字存储媒体命令和控制扩展协议，写成MPEG-2ExtensionsforDSM-CC，标准名是ISO/IECDIS13818-6。这是一个数字存储媒体命令和控制(DSM-CC)扩展协议，用于管理MPEG-1和MPEG-2的数据流，使数据流既可在单机上运行，又可在异构网络环境下运行。在DSM-CC模型中，server和client都被认为是DSM-CC网络的user，DSM-CC定义了一个称为会话和资源管理(SRM)的实体，用来集中管理网络中的会话和资源，如图11-03所示。WindowsRPC/LPC11.3MPEG-2数字电视标准17电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃图11-03DSM-CC参考模型11.3MPEG-2数字电视标准18电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃⑦MPEG-2高级声音编码，写成MPEG-2AAC，是多声道声音编码算法标准。这个标准除后向兼容MPEG-1Audio标准之外，还有非后向兼容的声音标准。标准名是ISO/IEC13818-7。⑧MPEG-2系统解码器实时接口扩展标准，标准名是ISO/IEC13818-9。这是传输数据流(TS)的实时接口(RTI)标准，用来适应来自网络的传输数据流，如图11-04所示。11.3MPEG-2数字电视标准19电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃图11-04实时接口参考模型11.3MPEG-2数字电视标准20电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃⑨MPEG-2DSM-CC一致性扩展测试，标准名是ISO/IECDIS13818-10。⑩MPEG-2高级声音编码标准修正版，标准名是Amendment1toISO/IECTR13818-5。MPEG-2的Part8原计划用于采样精度为10比特的电视图像编码，但由于目前工业界对此兴趣不大，因此该标准已暂停开发。11.3MPEG-2数字电视标准21电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃MPEG-4为视听数据的编码和交互播放开发算法和工具，是数据速率很低的多媒体通信标准。MPEG-4的目标是要在异构网络环境下能够高度可靠地工作，并且具有很强的交互功能。MPEG-4引入了对象基表达的概念，用来表达视听对象(AVO)；MPEG-4扩充了编码的数据类型，由自然数据对象扩展到计算机生成的合成数据对象，采用合成对象/自然对象混合编码(SNHC)算法；在实现交互功能和对象复用中引入了组合、合成和编排等重要概念。MPEG-4系统构造如图11-05所示，接收端的构造部件如图11-06所示。11.4MPEG-4多媒体应用标准22电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃图11-05MPEG-4系统示意图11.4MPEG-4多媒体应用标准23电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃图11-06MPEG-4接收端的主要部件11.4MPEG-4多媒体应用标准24电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃MPEG-4中制定了一个称为传输多媒体集成框架(DMIF)的会话协议，用来管理多媒体数据流。该协议在原则上与文件传输协议FTP类似，其差别是：FTP返回的是数据，而DMIF返回的是指向到何处获取数据流的指针。DMIF覆盖了3种主要技术：广播技术，交互网络技术和光盘技术，如图11-07所示。三网融合，移动互联网(5.8亿)11.4MPEG-4多媒体应用标准25电子科技大学计算机科学与工程学院——曹跃图11-07MPEG-4支持的三类技术11.4MPEG-