运动图像国际压缩标准MPEG

MPEG


国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)和国际电工委员 会(International Electro-technical Commission，IEC)联合成立ISO/IEC JTC1/SC29/WG11，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 MPEG标准主要有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4和 正在制定的MPEG-7等。
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300Leabharlann 350Frame Difference
Frame Difference :frame 0 and 1
Motion Vector－Motion Estimation
Motion Vector Field of frame 1 50
0
-50
-100
- which describes the combination of individual data streams into a common stream.
2 视频编码

An image must consist of three components.
- luminance Y - two color difference signals Cr and Cb
MPEG标准文件的创建过程

工作文件(Working Draft，WD)
- 工作组(Working Group，WG)准备的工作文件

委员会草案(Committee Draft，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，由ISO内部正式调查研究和投票表决
I P B D



I帧(帧内图像intra frame),是对整幅图像采用JPEG编 码的图像，是一个独立的帧，其信息由自身画面决 定，不需要参照其他画面而产生，是P图和B图的参 考图。 P图（前向预测帧Predicted Picture）,参照前一幅 I或P图像做运动补偿编码。 B图像(双向预测 Bidirectional Prediction)，它 参照前一幅和后一幅I或P图像做双向运动补偿编码。



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。 由于I帧不依赖其他帧，所以是随机存取的入 点，同时是解码的基准帧。 I帧主要用于接收机的初始化和信道的获取， 以及节目的切换和插入，I帧图像的压缩倍数 相对较低。 I帧图像周期性地出现在图像序列中的，出现 频率可由编码器选择。
运动图像国际压缩标准MPEG
2005年fall
1 概述


MPEG(Motion Picture Experts Group)是运动 图像专家小组的英文缩写。这是一个为视频压 缩开发制造与平台独立标准的全球性组织。 MPEG的活动始于1988年。 JPEG和MPEG都是在ISO领导下的专家小组，其 成员也有很大的交叠。JPEG的目标集中于静止 图像压缩，而MPEG的目标是针对活动图像的数 据压缩，但静止图像与活动图像有密切关系。
MPEG的第一个成果MPEG-1于1992年推出，是VCD的基础。 由于有限的352×288像素分辨率，MPEG-1只适用于家 庭环境，获得的视频质量及数据率相当低。 1995推出MPEG-2。720×576的像素以及更高的分辨率 大大提高了视频质量。 1999年12月发布了MPEG-4。 MPEG-7为多媒体内容描述接口标准。 从MPEG组织成立至今，其任务和方向都发生了很多变 化。MPEG-1和MPEG-2已经是成熟的编码标准，现在的 热点主要集中在MPEG-4 和 MPEG-7上。
宏预测与运动补偿示意图
Block Motion Estimation
Video sequence : Tennis frame 0
previous frame
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50
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Video sequence : Tennis frame 1
current frame
MPEG系列



MPEG-1：ISO/IEC 11172 MPEG-2：ISO/IEC 13818 MPEG-4：ISO/IEC 14496 MPEG-7：ISO/IEC 15938 MPEG-21：ISO/IEC 21000
组成


video coding audio coding system definition

国际标准草案(Draft International Standard，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

国际标准(International Standard，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



运动补偿



运动补偿算法是当前视频图像压缩技术中使用最普 遍的方法之一。帧序列的相邻画面之间的运动部分 具有连续性，即当前画面上的图像可以看成是前面 画面某时刻画面的位移，位移的幅度值和方向在画 面各处可以不同。 运动补偿工作于宏块一级，主要是消除预测图与插 补图在时间上的冗余，以提高压缩比。运动补偿是 一种预测，它不是对每个像素预测，而是以1616图 像块为单位的预测。 运动补偿把当前子块认为是先前面某个时刻图像块 的位移，位移（运动矢量）的内容包括运动方向和 运动幅度。


An MPEG macro block is partitioned into 16×16 pixels for the luminance component and 8×8 pixels for each of the two chrominance components. A macro block is formed of six blocks of 8×8 pixels: first four blocks for the luminance component then the two chrominance blocks.




the most similar macro block in the preceding image must be determined MPEG does not specify an algorithm for motion estimation, but rather specifies the coding of the result. motion vector (the spatial difference between the two macro blocks) and the small difference between the macro blocks need to be encoded. The search range, that is, the maximum length of the motion vector, is not defined by the standard. As the search range is increased, the motion estimation becomes better, although the computation becomes slower.

I frames are encoded as in JPEG.
- A DCT on the 8×8 blocks defined within the macro blocks - The DC-coefficients are then DPCM coded, the differences between consecutive blocks of each component are calculated and transformed into variable-length code words. - AC-coefficients are run-length encoded and then transformed into variable-length code words.

MPEG distinguishes two types of macro blocks:
- those contain only coded data - those additionally contain a parameter used for scaling the characteristic curve used for subsequent quantization.
P frames (predictive coded pictures)




require information about previous I and/or P frames for encoding and decoding. Decoding a P frame requires decompression of the last I frame and any intervening P frames. The compression ratio is considerably higher than for I frames. A P frame allows the following P frame to be accessed if there are no intervening I frames.
Y