詳解視頻編解碼MPEG-X系列的發(fā)展軌跡

MPEG-4應用解析

從1948年提出電視信號數字化編碼以來，圖像編碼壓縮技術的研究已有六十多年的歷史。時至今日，已形成并由國際標準化組織ISO/IEC制定的MPEG-X和國際電聯(lián)ITU-T 制定的H.26X兩大系列視頻編碼國際標準，本文將詳解視頻編解碼MPEG-X系列的發(fā)展軌跡。

MPEG的全稱是“Motion Picture Expert Group”(運動圖像專家組)，隸屬于國際標準化組織ISO/IEC的一個專家工作組，其建成于1988年，主要負責為數字音視頻編碼算法開發(fā)和制定標準。MPEG標準的視頻壓縮編碼技術主要利用了具有運動補償的幀間壓縮編碼技術以減小時間冗余度，利用DCT技術以減小圖像的空間冗余度，利用熵編碼則在信息表示方面減小了統(tǒng)計冗余度。這幾種技術的綜合運用，大大增強了壓縮性能。目前，MPEG標準旗下主要有以下五個標準，MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7及MPEG-21等。

據蘇州科達科技有限公司視頻技術開發(fā)高級工程師趙波介紹，MPEG制定的初衷是為CD建立視音頻標準，因而早些時候的標準都是面向數字影視而開發(fā)的。90年代風靡一時的VCD，可以說99%的VCD都是用MPEG1格式壓縮的。而制定于1994年的MPEG-2在MPEG-1的基礎上作了許多重要的擴展和改進，但基本算法和MPEG-1相同。MPEG-2主要應用在DVD的制作(壓縮)方面，同時在一些HDTV和一些高要求視頻編輯、處理上面也有相當多的應用。其間，MPEG組曾經起草過MPEG-3，原本針對于HDTV，后來被MPEG-2代替。

MPEG-1、MPEG-2在音視頻界割地據城，大行其道，但是它們都不太適合于網絡傳輸，特別要求在低碼率和異構網絡環(huán)境下的音視頻信號通信——為了達到低碼率的目標，必須大幅度提高視頻數據的壓縮比，而MPEG-1/2所采用的基于像像素的壓縮方法，在壓縮40到50倍后就幾乎達到算法的極限，必須另辟蹊徑。MPEG-4的目標就是為視聽數據的編碼和交互播放開發(fā)算法和工具，最初是一個數據速率很低的多媒體通信標準，后來的目標是要在異構網絡環(huán)境下能夠高度可靠地工作，并且具有很強的交互功能。

MPEG-4應用在移動通信和公用電話交換網(PSTN)上，并支持可視電話、電視郵件、電子報紙和其他低數據傳輸速率場合下的應用，如電視會議、網絡流媒體、移動視頻通信、IPTV等流媒體方面。

在21世紀初，MPEG組力圖建立一套描述符標準，用來描述各種類型的多媒體信息及它們之間的關系，以便更快更有效地檢索信息。MPEG-7隨即誕生。MPEG-7致力于視聽數據信息編碼的表達(表達內容的信息，而不是內容本身)。這一點與目標集中在視音頻數據的壓縮與編碼的MPEG-1/2/4不同，MPEG-7所表達的不是內容/信息本身，而是表示信息的信息。MPEG-7提供了可視內容的標準結構和聯(lián)接機制、以及對可視內容表述的標準化，為實現(xiàn)基于內容的檢索提供了應用框架，并使對多媒體數據的創(chuàng)建、交換、檢索和重用更加有效。

H.26X系列編解碼

由于多媒體標準層出不窮，但各個標準之間還存在缺漏，不能真正做到配套銜接，還需要一個綜合性標準來協(xié)調。隨著網絡技術和應用的發(fā)展，基于多媒體的電子商務需要一個其結構可以理解的共享模式——多媒體框架的支持。有鑒于此，MPEG于1996年10月提出制定多媒體框架標準的設想，2000年6月正式批準制定MPEG-21標準的計劃。MPEG-21又叫多媒體框架，2001年12月成為標準，功能是多媒體框架標準，基于多媒體的電子商務需要發(fā)展的共享模式，應用于不同多媒體系統(tǒng)的集成和應用。

H.26X系列

ITU-T國際電信同盟-電信標準化部門(International Telecommunications Union-Telecommunication Standardization Sector)及其前身國際無線電咨詢委員會CCIR(International Radio Consultative Committee)制定了一系列音視頻壓縮編碼和通信技術標準。有別于MPEG標準主要用于光存儲、廣播和流媒體，H.26x標準主要用于網絡和通信。除了視頻編碼標準本身之外，H.26x還有配套的系統(tǒng)、音頻、控制等相關標準。其成員主要包括H.261、H.263、H.264等。

H.261標準是ITU編制的第一個主流視頻壓縮標準。H.261標準是為ISDN設計，主要針對實時編碼和解碼設計，實際的編碼算法類似于MPEG算法，但不能與后者兼容。其壓縮和解壓縮的信號延時不超過150ms。H.261在實時編碼時比MPEG所占用的CPU運算量少得多，此算法為了優(yōu)化帶寬占用量，引進了在圖像質量與運動幅度之間的平衡折中機制，也就是說，劇烈運動的圖像比相對靜止的圖像質量要差。因此這種方法是屬于恒定碼流可變質量編碼而非恒定質量可變碼流編碼。

H.263在H.261之后得到開發(fā)，主要是為了以更低的比特率實現(xiàn)更高的質量。H.263標準是甚低碼率的圖像編碼國際標準，它一方面以H.261為基礎，以混合編碼為核心，其基本原理框圖和H.261十分相似，原始數據和碼流組織也相似；另一方面，H.263也吸收了MPEG等其它一些國際標準中有效、合理的部分，如：半像素精度的運動估計、PB幀預測等，使它性能優(yōu)于H.261。H.263使用的位率可小于64Kb/s，且傳輸比特率可不固定(變碼率)。

而與H.261、H.263不同的是，H.264是由MPEG與ITU-T的VCEG(Video Coding Experts Group視頻編碼專家組)聯(lián)合組成的JVT(Joint Video Team聯(lián)合視頻組)共同制定的，與MPEG的對應標準為MPEG-4的第10部分MPEG-4/AVC。H.264最大的優(yōu)勢是具有很高的數據壓縮比率，在同等圖像質量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。尤其值得一提的是，H.264在具有高壓縮比的同時還擁有高質量的、流暢的圖像，正因為如此，經過H.264壓縮的視頻數據，在網絡傳輸過程中所需要的帶寬更少，也更加經濟。