研究生多媒体03_多媒体数据压缩-MPEG部分

1动态图像压缩标准MPEG1.简介MotionPictureExpertsGroup运动图象专家组，ISO领导下的一个小组，自1988年开始研究，1990年提出和建立了一个MPEG标准草案，1991年底提出用于数字存储介质的位率为1.5Mbps的运动图象及其伴音的压缩编码方案。这个方案于1992年正式通过，通常称为MPEG标准，此后定名为MPEG-I标准。1993年11月，又通过了另外一个建议，定名为MPEG–II标准。之后，MPEG小组有推出来几个后续的标准，其中较为著名的是MPEG–4,MPEG–7，两个标准。2动态图像压缩标准MPEG1.简介MPEG标准文件的创建过程和其他的ISO标准文件一样，有一个较长的过程。（1）工作文件（WorkingDraft）：由工作组提出（2）委员会草案（CommitteeDraft）：从工作组准备好的工作文件中提升上来的文件。这是ISO文档的最初形式，它由ISO内部正式调查研究投票决定。（3）国际标准草案（DraftInternationalStandard）：投票成员国对委员会草案的内容和说明满意之后由委员会草案提升上来的文件。（4）国际标准（InternationalStandard）。ISO标准化组织最后出版和发布的文件。标准的推出一般都有一个较漫长的过程，需要考虑和现有系统的融合等。3动态图像压缩标准MPEG1.简介MPEG压缩：多媒体数据中信息的冗余可能是由以下一些原因造成的：空间冗余：空间上占据位置，但不载有有效信息；时间冗余：动态媒体信息，视频，音频等和时间相关的媒体信息，不同时刻的信息内容相同或相似；编码冗余：不合理的编码；结构冗余：如对称的内容；MPEG系列的压缩算法中，是如何去除这些冗余的？4动态图像压缩标准MPEG2.MPEG-1MPEG－1的标准号为ISO/IEC11172，名称为“信息技术——用于数据速率大约高达1.5Mbps的数字存储媒体的电视图像和伴音信号编码。”(Informationtechnology–Codingofmovingpicturesandassociatedaudiofordigitalstoragemediaatuptoabout1.5Mb/s)。2.1简介5动态图像压缩标准MPEG2.MPEG-1MPEG标准是一种通用标准，能支持广泛的应用，标准以一种“组合工具”的方式建立。标准分为5个部分：MPEG－1系统：规定电视图像数据、声音数据及其他相关数据的同步；MPEG－1电视图像：规定电视数据的编码和解码；MPEG－1声音：规定声音数据的编码和解码；MPEG一致性测试：在这个标准中说明了如何测试位数据流和解码器是否满足MPEG－1前三个部分中所规定的要求；MPEG－1软件模拟：这部分的内容不是一个标准，而是一个技术报告，给出了用软件执行标准前3部分的结果。2.1简介6动态图像压缩标准MPEG2.MPEG-1除了视频和音频压缩以外，标准还涉及回放时的一些有关问题，包括：随机访问：用户能索引信息并能随机地访问它们。VCR模式：VCR模式包括了VCR上一些典型的控制功能，如播放、快进、倒带、正向搜索和倒带搜索。虽然模式很简单，但一些操作，如快进等要求比较高，例如快进搜索以及更为复杂的倒带搜索要求在正向或逆向方向中都能极快速地解压缩和回放，所有这些必须在不损失音频－视频同步性的情况下进行。音频－视频同步：当信号朝正向运动时，是音频和视频通道同步并不太复杂，但在快进搜索和倒带搜索要求的高速同步就复杂得多。MPEG标准试图在所有环境下保持同步而定义接口和工具。可编辑性：剪切并粘贴音频和视频剪辑是MPEG标准中很重要的一个考虑。2.1简介7动态图像压缩标准MPEG2.MPEG-1MPEG视频压缩标准提供了两种基本方法：基于离散变换的压缩可用于减小空间冗余度；基于块的运动补偿用于减少时间冗余度。运动补偿压缩是MPEG的关键特点。具体的做法：采用帧内图象数据压缩和帧间图象数据压缩技术。MPEG专家组定义了三种图像：帧内图像I(intra)，预测图像P(predicted)和双向预测图像B(bidirectionallyinterpolated)2.1简介8动态图像压缩标准MPEG2.MPEG-12.1简介9动态图像压缩标准MPEG2.MPEG-1帧内图像I的压缩编码算法算法：与JPEG压缩算法大致相同，去除帧内图像的空间冗余。不用以任何图片为参考就可以对这种类型的帧编码。帧内图片可以放在序列中的任何位置，并可用于对序列的随机访问。帧内图片由于是独立编码的，所以它的压缩率相对来说要小一些。2.2MPEG－1视频压缩2.2.1帧内压缩算法1011动态图像压缩标准MPEG2.MPEG-1运动补偿：一种预测技术。假设当前图片是前面图片的某种平移，当某帧图片被作为参考帧时，当前编码的帧和参考帧相比只是由于摄像机的移动造成两者的不同。预测图片：预测图片分为两种，单向预测图片P和双向预测图片B。预测图片的编码要参考以前的图片，被参考的图片可以是帧内图片也可以是单向预测图片。双向预测图片永远也不能作为参考图片。我们通常把帧内图片和单向预测图片成为锚图片。2.2MPEG－1视频压缩2.2.2帧间压缩算法——运动补偿Frame1Frame2ResidualFrame象素运动轨迹16动态图像压缩标准MPEG2.MPEG-1单向预测图片P（这里简称为P帧）的编码方法：对某一个P帧进行编码时，在它之前（可以是相邻的也可以不相邻）的帧内图片或单向预测图片就作为参考，P帧对照着参考图片进行编码，提高P帧压缩率的方法我们称为运动补偿。编码后，预测图像P使用两种类型的参数来表示：一种是当前要编码的图像块与参考图像的块之间的差值；另一种参数是块的移动矢量。编码方法：对每一块（一般来说16×16象素），到参考帧中去寻找最佳匹配的块。找到这个块以后，算法如下所示。2.2MPEG－1视频压缩2.2.2帧间压缩算法——运动补偿1718动态图像压缩标准MPEG2.MPEG-12.2MPEG－1视频压缩2.2.2帧间压缩算法——运动补偿19动态图像压缩标准MPEG2.MPEG-1块匹配法（BlockMatchingAlgorithm）需要解决两个关键问题：（1）匹配准则：均方误差，平均绝对帧差等（2）搜索算法：2.2MPEG－1视频压缩2.2.2帧间压缩算法——运动补偿20动态图像压缩标准MPEG2.MPEG-1双向预测图片B（这里简称为B帧）的编码方法：双向预测图片通过对前面和后面的锚图片的运动补偿方法来编码。运用双向预测块可以有效预测不清楚的背景，即过去没有出现，将来会出现的当前图像区域。双向运测在两个方面增加了预测估计的复杂性。首先，它要在两个不同的锚图片之间进行两次运动估计。另外，锚图片可能由多个图像隔开，我们要在更大的运动估计范围中跟踪物体。2.2MPEG－1视频压缩2.2.2帧间压缩算法——运动补偿2122动态图像压缩标准MPEG2.MPEG-1MPEG编码器算法允许选择I图像的频率和位置。I图像、P图像和B图像数目的选择依据主要是节目的内容。例如，对于快速运动的图像，I图像的频率可以选择高一些，B图像的数目可以选择少一点；对于满速运动的图像I图像的频率可以低一点，而B图像的数目可以选择多一点。此外，在实际应用中还要考虑媒体的速率。I帧(又称内码帧)的作用：随机访问，正向、逆向的快速访问2.2MPEG－1视频压缩2.2.3帧的编排序列23动态图像压缩标准MPEG3.MPEG-2MPEG-2可以看成是MPEG-1的扩充，因为它们的基本编码算法是相同的，MPEG-2增加了隔行扫描电视的编码，提供了位速率的可变性能等功能。MPEG-2要达到的目标是：速率为4～9Mb/s，最高达15Mb/s。标准号：ISO/IEC13818,标准名称：（Informationtechnology-Genericcodingofmovingpicturesandassociatedaudioinformation）.信息技术：电视图像和伴音信息的通用编码。3.1MPEG-2简介24动态图像压缩标准MPEGMPEG－2在视频部分的扩充是定义了电视图像的各种规格。以适应不同的应用。MPEG－2在音频方面定义了两种声音数据压缩格式：一种在标准中称为MPEG－2Audio，是以MPEG-1Audio兼容的，又称为MPEG-2BC(backwardcompatible)。另一种称为MPEG－2AAC(AdvancedAudioCoding)，它与MPEG－1声音格式不兼容。3.MPEG-23.1MPEG-2简介25动态图像压缩标准MPEG3.MPEG-2MPEG-2Audio和MPEG－1标准都使用相同种类的编译码器，层－1，层－2，层－3的结构也相同。MPEG－2声音标准和MPEG－1标准相比，MPEG－2做了如下扩充：增加了采样频率；扩展了编码器的输出速率范围；增加了声道数，支持5.1声道和7.1声道的环绕声；MPEG－2还支持LinearPCM(线性PCM)和DolbyAC－3编码。3.2MPEG-2音频26动态图像压缩标准MPEG3.MPEG-2MPEG－2Audio的“5.1环绕声”也称为“3/2立体声加LFE”，其中的“.1”就是指LFE声道。左、中、右、两个环绕、LFE（lowfrequencyeffects，低频音效）。3.2MPEG-2音频272829动态图像压缩标准MPEG3.MPEG-2MPEG－2AAC是MPEG－2标准中的一种非常灵活动声音感知编码标准。MPEG－2AAC主要使用听觉系统的屏蔽特性来减少声音的数据量，并且通过把量化噪声分散到各个子带中，减少噪声的影响。ACC提供更广泛的支持，支持的频率可从8KHz到96kHz，AAC编码器的音源可以是单声道的、立体声的和多声道的声音。MPEG－2AAC提供很高的压缩率，与MPEG－1的layer3相比，在质量相同的条件下，数据率是它的70%左右。3.2MPEG-2音频30动态图像压缩标准MPEG4.MPEG-4一种低速度音频、视频编码标准。名称：very-low-bit-rateaudio–visualcoding。极低速率视听编码。MPEG-4与前两个MPEG压缩算法最基本的区别在于，MPEG-4是基于内容的压缩编码方法。为了达到在低速率的环境工作，MPEG－4引入了基于对象的表达方式，object-basedrepresentation。MPEG-4Video算法的核心是支持内容基(content-based)的编码和解码功能，也就是对场景中使用分割算法抽取的单独的物理对象进行编码和解码。MPEG-4Video还提供管理这些电视内容的最基本方法。4.1MPEG-4简介31动态图像压缩标准MPEG4.MPEG-4MPEG－4标准是对一幅图像按内容切分块，如图像的场景，画面上的物体（物体1，物体2……），被分割成不同的子块，将感兴趣的物体从场景中截取出来，进行编码处理。子块的起始位置和子块的大小，取决于所截取物体的形状和尺寸。基于内容或物体截取的子块内信息相关性强，可以产生高压缩比的效果。4.1MPEG-4简介32动态图像压缩标准MPEG4.MPEG-44.1MPEG-4简介33动态图像压缩标准MPEG4.MPEG-44.1MPEG-4简介34动态图像压缩标准MPEGMPEG-1,MPEG–2不关心帧中图象的整体内容，只是将其划分成子块。而MPEG-4标准是对一帧中的图象按内容分开，分成块。MPEG－4，将感兴趣的物体从场景中截取出来，以后的操作就针对这些物体来进行。为了将感兴趣的物体从场景中截取出来，引入了视频物体，视频物体平面等概念来实现基于内容的表示。视频对象（VO）:VideoObject,视频对象区（VOP）:VideoObjectPlane4.MPEG-44.1MPEG-4简介35动态图像压缩标准MPEGVO的选择依赖于具体应用和系统实际所处的环境，若不关心内容，VO可以是一个矩形框，这样的话，和