MPEG压缩格式中GOP与IBP帧基本架构

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1.Sequence = 序列(一部影片)
2.GOP =影片群組(Group of pictures)
3.Picture = 影格Frame
4.Slice = 一片(面)
5.Macroblock = 大區塊
6.Block = 區塊
7.Pixel = 像素2.GOP 2.GOP
1.Sequence
3.Picture
4.Slice
5.Macroblock
6.Block I B B
P 7.Pixel I P
※Long GOP 的MPEG 影片
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/gogopage/※MPEG的壓縮，主要是針對一組連續畫面做的壓縮，參考前後的畫面是否有重複的部份，決定該畫面的壓縮資料量，而不是只針對單一畫面做壓縮。

※一部影片可以只由一個序列組成，也可以由數個序列來組成。

1. 序列（Sequence）= 由數個影片群組GOP所組成，
2.影片群組（GOP）= 由一張I 畫面及數張B及P 畫面所組成，也是序列存取的基本單位。

而M 與N 是用來描述一GOP 結構的參數，M Frame = 前一段連續的結束P與後一段連續的結束P畫面的距離數量，例如: =3=IBBP，=4=IBBBP，=5=IBBBBP... ，N Frame =在一組GOP 裡的畫面總數量，例如:
M=3，N=15，則IBBPBBPBBPBBPBBPIBBPBBPBBPBBPBBP。

＊Closed GOP Every= 每xx個數值，封閉GOP一次
3.影格（Frame）= 由數個片面（Slice）所組成。

每一影格，會是I、P、B的其中一種影像編碼。

4. 片面（Slice）= 由數個大區塊（Macroblock）所組成，是將Picture作水平固定單位的畫分，記錄了它在
影像中的垂直位置，是訊號同步及錯誤控制的最小單位。

5. 大區塊（Macroblock）= 由16x16的像素所組成，就是由四個亮度信號Y（Luminance）區塊（Block）
及數個色彩信號U、V （Chroma）區塊所組成，例如：4:4:4、4:2:2、4:2:0、4:1:1、4:1:0 。

而色彩信號區塊的數目是依據影像數位化的取樣格式所決定。

大區塊是移動估計及移動補償的基本單位，記錄編碼型式、移動向量及在片面中距離第一個大區塊的相對位置。

6. 區塊（Block）= 包含量化後的畫面資料，由8x8的像素所組成。

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※YUV請參閱相關頁面
Macroblock& block
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/gogopage/※MPEG 定義了三種畫面壓縮模式，I 影格畫面、B 影格畫面、P 影格畫面，Long GOP的模式
1、I 影格畫面（Intra –Frame）
※I 影格畫面的編碼方式是採用類似於JPEG DCT 的方式處理，它並不考慮與其他畫面之間的關係，只有使用本身的資料進行編碼，所儲存的是一張完整的畫面。

經量化後(Quantization)，再經全程變動編碼
( Variable Length Coding) ，由於實實在在的記錄影格的資料，因此壓縮率比較差。

(壓縮比1：7) 。

※I 影格是一個序列或影片群組的第一張，接著是影片群組的B與P 影格，它們都會參考到I的資料，所以在網路傳輸時，需要保護該影格的損壞遺失，以免讓其它影格參考了不正確的資料，發生碼賽克的現象。

※由於編碼獨立，不須參考其它影格畫面的資料好處，因此可以單獨進行解碼，所以也做為解碼的基準點，提供任意讀取的開始位置，在時間軸上有隨點即播的特性。

※例如，我們設定每15格就有一格I 影格。

這裡的I 影格是很重要的，因為它是15格中唯一張完整的畫面。

若在影片播放中間有很大而且突然的畫面改變，使得『動態預測補償編碼』沒有辦法有效的預測
P影格及B 影格，那我們就很快的在下一個I 影格恢復正常的放映。

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I B B P B B P B B P B B P B B I B B P B B P B B…
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※MPEG 定義了三種畫面壓縮模式，I 影格畫面、B 影格畫面、P 影格畫面，Long GOP 的模式
2、B 影格畫面（Bi-directional -Frame ）
在編碼時，使用雙向的參考前後影格，做動態預測補償編碼，本身不做為其它影格畫面的參考用，擁有最高的編碼壓縮率(壓縮比1：50) ；若找不到最適合的大區塊時，則使用Intra 模式編碼(I-Frame)。

在解碼時，使用雙向的參考前後影格畫面，做動態預測補償解碼播放。

3、P 影格畫面（Predictive -Frame ）
在編碼時，會參考到前面較早被播放的I 影格或P
影格，而參考的位置就是以移動預測，所產生的移動向量來表示，由於參考前一個I 影格或P 影格，且以動態方式預測編碼，其編碼壓縮率較高(壓縮比1：20)。

若找不到最適合的大區塊時，則會使用Intra 模式編碼I-Frame 。

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※而這三類的畫面在Group Of Picture 中，有很多樣的排列順序。

但是排列方式會影響視訊壓縮率與隨機解碼的處理能力，其開頭可以為I 影格，結束的可以為I 或P 影格。

※GOP 長度的設定主要看影片內容而言，靜態多的影片，GOP 長度可以設長一些；經常切換畫面的影片，GOP 長度可以設短一些。

DVD-Video 規格定義，NTSC 系統的GOP 最長為18 格(每秒播出29.97frames)；PAL 系統的GOP 為15 格(每秒播出25frames)。

而M 與N 是用來描述一GOP 結構的參數，
M Frame = 兩個連續的I 畫面的距離數量，
N Frame = 在一組GOP 裡的畫面總數量。

※如需重新剪輯MPG 的檔案格式，由於是Long GOP ，因此，in 點& out 點或製作DVD 的章節點也是必須設定在I 影格畫面上。

※DVD 的章節點設定，只能設在GOP 的起始點。

MPEG 或DVD 的編輯工具，也只能處理到GOP 的起始點，如果設定的點不在GOP 的起始點上，會自動被指到最近的上一個或下一個GOP 的起始點上，然後才會抓出縮圖(代表圖示)，作為識別。

※例如，我們在影片正常速度播放中途，將影片快轉時，會自動忽略掉所有的B-frame 與P-frame ，只播
放完整影格的I-frame ，因此在影片快轉時，會出現一格I-frame 停了許久，接著又換了一格I-frame 又停了許久，再換一格
…，如此不連續的影片內容，因為影片快轉時，來不及檢查、比對、還原所有的B-frame 與P-frame 。

所以GOP 的編碼方式，不適合用來作為，講求速度與精準影格裁切的，不適合專業影像製作單位來作剪輯使用。

因此，如果想要檔案小，又方便找點剪輯，那就是要全程使用I-frame 來工作，現在已經有推出MPEG 2 I-Frame 及MPEG 2 I-Frame HD 的編碼格式。

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※GOP 資料是怎樣記錄與回復成壓縮前的資料流呢?
※編碼，就是在編碼影像緩衝暫存區(Coding Image Buffer ) 中，將接收到的資料進行編碼，若為第一張I-frame 影格則直接進行編碼的工作，隨後的畫面則透過Frame Memory 將畫面記憶，再透過動態補償，將只記錄差異值的B & P-Frame 進行編碼的工作。

※解碼播放，就是在重建影像緩衝暫存區(Reconstructed Image Buffer)中將接收到的資料，再還原成原來的畫面；若為第一張I 影格則直接進行還原的工作，隨後的畫面則透過Frame Memory 將畫面記憶，再透過動態補償，將只記錄差異值的B & P-Frame 還原成壓縮前的狀態。

B-Frame 除了可以參考前面的畫面外，還可以參考後面的畫面，因為它是雙向參考還原。

※例如某張B-Frame 必須參考後面的P-Frame 才可以得到想要的畫面，那我們必須先運算下一個P-Frame 才行，運算完之後，P-Frame 並不馬上播放，而是先儲存在buffer 裡面，等到我們將B-Frame 還原並播放之後，才將P-Frame 播出。

※Discrete Cosine Transform(DCT)離散餘弦轉換，可使圖片做到大量的壓縮。

※緩衝器大小會影響到延遲的傳遞大小，但是卻能夠改變延遲變化量及使訊號調整更好效果。

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.tw/chinese/國立中央大學音視訊處理實驗室
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資料整理吳思賢
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