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MPEG-2图像压缩的原理是利用了图像中的两种特性：空间相关性和时间相关性。这两种相关性使得图像中存在大量的冗余信息。如果我们能将这些冗余信息去除,只保留少量非相关信息进行传输,就可以大大节省传输频带。而接收机利用这些非相关信息,按照一定的解码算法,可以在保证一定的图像质量的前提下恢复原始图像。一个好的压缩编码方案就是能够最大限度地去除图像中的冗余信息。
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的编码码流分为六个层次。为更好地表示编码数据,MPEG-2用句法规定了一个层次性结构。它分为六层,自上到下分别是：图像序列层、图像组(GOP)、图像、宏块条、宏块、块。
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
一直以来,电视节目、音像资料等都是用磁带保存的。这种方式有很多弊端：易损,占地大,成本高,难于重新使用。更重要的是难以长期保存,难以查找、难以共享。随着计算机技术和视频压缩技术的发展,高速宽带计算机网络以及大容量数据存储系统给电视台节目的网络化存储、查询、共享、交流提供了可能。
采用MPEG-2压缩编码的DVD视盘,给资料保存带来了新的希望。电视节目、音像资料等可通过MPEG-2编码系统编码,保存到低成本的CD-R光盘或高容量的可擦写DVD-RAM上,也可利用DVD编著软件(如Daikin Scenarist NT、Spruce DVDMaestro等)制作成标准的DVD视盘,既可节约开支,也可节省存放空间。
(2)电视节目的非线性编辑系统及其网络
在非线性编辑系统中,节目素材是以数字压缩方式存储、制作和播出的, 视频压缩技术是非线性编辑系统的技术基础。目前主要有M-JPEG和MPEG-2两种数字压缩格式。
M-JPEG技术即运动静止图像(或逐帧)压缩技术,可进行精确到帧的编辑,但压缩效率不高。
MPEG-2采用帧间压缩的方式,只需进行I帧的帧内压缩处理,B帧和P帧通过侦测获得,因此 ,传输和运算的数据大多由帧之间的时间相关性得到,相对来说,数据量小,可以实现较高的压缩比。随着逐帧编辑问题的解决,MPEG-2将广泛应用于非线性编辑系统,并大大地降低编辑成本,同时MPEG-2的解压缩是标准的,不同厂家设计的压缩器件压缩的数据可由其他厂家设计解压缩器来解压缩,这一点保证了各厂家的设备之间能完全兼容。
由于采用MPEG-2 IBP视频压缩技术,数据量成倍减少,降低了存储成本,提高了数据传输速度,减少了对计算机总线和网络带宽的压力,可采用纯以太网组建非线性编辑网络系统已成为可能,而在目前以太网是最为成熟的网络,系统管理比较完善,价格也比较低廉。
基于MPEG-2的非线性编辑系统及非线性编辑网络将成为未来的发展方向。
(3)卫星传输
MPEG-2已经通过ISO认可,并在广播领域获得广泛的应用,如数字卫星视频广播(DVB-S)、DVD视盘和视频会议等。目前,全球有数以千万计的DVB-S用户,DVB-S信号采用MPEG-2压缩格式编码,通过卫星或微波进行传输,在用户端经MPEG-2卫星接收解码器解码,以供用户观看。此外,采用MPEG-2压缩编码技术,还可以进行远程电视新闻或节目的传输和交流。
(4)电视节目的播出
在整个电视技术中播出是一个承上启下的环节,对播出系统进行数字化改造是非常必要的,其中最关键一步就是构建硬盘播出系统。MPEG-2硬盘自动播出系统因编播简便、储存容量大、视频指标高等优点,而为人们所青睐。但以往MPEG-2播出设备因非常昂贵,而只有少量使用。随着MPEG-2技术的发展和相关产品成本的下降,MPEG-2硬盘自动系统播出可望得到普及。
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/IEC14496)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。
MPEG-4的编码理念是：MPEG-4标准同以前标准的最显著的差别在于它是采用基于对象的编码理念,即在编码时将一幅景物分成若干在时间和空间上相互联系的视频音频对象,分别编码后,再经过复用传输到接收端,然后再对不同的对象分别解码,从而组合成所需要的视频和音频。这样既方便我们对不同的对象采用不同的编码方法和表示方法,又有利于不同数据类型间的融合,并且这样也可以方便的实现对于各种对象的操作及编辑。例如,我们可以将一个卡通人物放在真实的场景中,或者将真人置于一个虚拟的演播室里,还可以在互联网上方便的实现交互,根据自己的需要有选择的组合各种视频音频以及图形文本对象。
MPEG-4系统的一般框架是：对自然或合成的视听内容的表示;对视听内容数据流的管理,如多点、同步、缓冲管理等;对灵活性的支持和对系统不同部分的配置。
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
MPEG-4提供了基于内容的多媒体数据访问工具,如索引、超级链接、上下载、删除等。利用这些工具,用户可以方便地从多媒体数据库中有选择地获取自己所需的与对象有关的内容,并提供了内容的操作和位流编辑功能,可应用于交互式家庭购物,淡入淡出的数字化效果等。MPEG-4提供了高效的自然或合成的多媒体数据编码方法。它可以把自然场景或对象组合起来成为合成的多媒体数据。
(2)高效的压缩性
MPEG-4基于更高的编码效率。同已有的或即将形成的其它标准相比,在相同的比特率下,它基于更高的视觉听觉质量,这就使得在低带宽的信道上传送视频、音频成为可能。同时MPEG-4还能对同时发生的数据流进行编码。一个场景的多视角或多声道数据流可以高效、同步地合成为最终数据流。这可用于虚拟三维游戏、三维电影、飞行仿真练习等 |
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