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1、多媒体计算机多媒体计算机技术原理及应用技术原理及应用主讲教师：李主讲教师：李 晓晓辅导课程八辅导课程八导 言n第二章主要内容第二章主要内容2.1 2.1 信息表示与编码信息表示与编码2.2 2.2 常用的数据压缩技术常用的数据压缩技术2.3 2.3 静态图像压缩标准静态图像压缩标准JPEGJPEG2.4 2.4 运动图像压缩标准运动图像压缩标准MPEGMPEG2.5 2.5 视听通信编码解码标准视听通信编码解码标准H.261H.2612.6 2.6 声音压缩标准声音压缩标准本章小结本章小结 n学习内容：学习内容：2.4 MPEG2.4 MPEGn学习进度：学习进度：2-32-3学时学时2MPE
2、G-1，2本节课学习内容本节课学习内容n2.4运动图像压缩标准运动图像压缩标准MPEG2.4.1MPEG标准简介标准简介2.4.2MPEG-1标准标准2.4.3MPEG音频音频2.4.4MPEG-1视频编码技术视频编码技术2.4.5MPEG-2标准标准3MPEG-1，22.4学习要求学习要求4MPEG-1，22.4 MPEG2.4.1 MPEG标准简介标准简介nMPEG的全称是运动图像专家组的全称是运动图像专家组MovingPictureExpertsGroupn是专门制定多媒体领域内的国际标准是专门制定多媒体领域内的国际标准的一个组织，该组织成立于的一个组织，该组织成立于1988年，年，由全
3、世界大约由全世界大约300名多媒体技术专家名多媒体技术专家组成。组成。5MPEG-1，22.4 MPEG2.4.1 MPEG标准简介标准简介nMPEG标准是面向运动图像压缩的一个系标准是面向运动图像压缩的一个系列标准列标准。n最初最初MPEG专家组的工作项目是专家组的工作项目是3个，即在个，即在1.5Mbps，lOMbps，40Mbps传输速率下对传输速率下对图像编码，分别命名图像编码，分别命名为为MPEG-1，MPEG-2，MPEG-3。l992年，年，MPEG-2适用范围扩适用范围扩大到大到HDTV，能支持能支持MPEG-3的所有功能，的所有功能，因而因而MFEG-3被取消。被取消。6MP
4、EG-1，2nMPEG-1即即“用于数字存储媒体运动图用于数字存储媒体运动图像及其伴音速率为像及其伴音速率为1.5Mbps的压缩编码的压缩编码”。nMPEG-1的任务主要是，将视频信号及的任务主要是，将视频信号及其伴音以可接收的重建质量压缩到约其伴音以可接收的重建质量压缩到约1.5Mbps的码率，并复合成一个单一的的码率，并复合成一个单一的MPEG位流，同时保证视频和音频的同位流，同时保证视频和音频的同步。步。2.4 MPEG2.4.2 MPEG-1标准标准7MPEG-1，2nMPEG-1标准分标准分4个部分：个部分：MPEG系统系统：定义音频、视频及有关数据的同步；：定义音频、视频及有关数据
5、的同步；MPEG视频视频：定义视频数据的编码和重建图像所：定义视频数据的编码和重建图像所需的解码过程，亮度信号分辨率为需的解码过程，亮度信号分辨率为360240，色，色度信号分辨率为度信号分辨率为180120；MPEG音频音频：定义音频数据的编码和解码；：定义音频数据的编码和解码；一致性测试一致性测试。2.4 MPEG2.4.2 MPEG-1标准标准8MPEG-1，2nMPEG-1标准标准没有规定编码器和解码器的体系结没有规定编码器和解码器的体系结构构或实现方法，但提出了功能和性能上的要求。或实现方法，但提出了功能和性能上的要求。n此外，此外，MPEG算法编码过程和解码过程是一种非算法编码过程
6、和解码过程是一种非镜像对称算法镜像对称算法，也就是说运动图像的压缩编码过，也就是说运动图像的压缩编码过程与还原解码过程是不对称算法，解码过程要比程与还原解码过程是不对称算法，解码过程要比编码过程相对简单。编码过程相对简单。n实际上，实际上，MPEG-1和和MPEG-2只规定了解码的方案，只规定了解码的方案，重点将解码算法标准化。因而用硬件实现重点将解码算法标准化。因而用硬件实现MPEG算法时，人们首先实现算法时，人们首先实现MPEG的解码器，如的解码器，如CCube公司公司CL450解码器系列。解码器系列。2.4MPEG2.4.2MPEG-1标准标准9MPEG-1，2nMPEG音频压缩算法是第
7、一个高保音频压缩算法是第一个高保真音频数据压缩国际标准真音频数据压缩国际标准，它同时，它同时可完全独立应用。可完全独立应用。2.4 MPEG2.4.3 MPEG音频音频10MPEG-1，2nMPEG音频标准具有如下特点：音频标准具有如下特点：（1）音频信号采样率可以是）音频信号采样率可以是32kHz，44.1kHz或或48kHz；（2）压缩后的比特流可以按压缩后的比特流可以按4种模式之一支持单声道种模式之一支持单声道或双声道；或双声道；（3）压缩后的比特流具有预定义的比特率之一；）压缩后的比特流具有预定义的比特率之一；（4）MPEG音频标准提供音频标准提供3个独立的压缩层次；个独立的压缩层次；
8、（5）编码后的比特流支持循环冗余校验）编码后的比特流支持循环冗余校验CRC；（6）MPEG音频标准支持在比特流中载带附加信息音频标准支持在比特流中载带附加信息2.4 MPEG2.4.3 MPEG音频音频11MPEG-1，2nMPEG数据压缩过程中存在的主要问题数据压缩过程中存在的主要问题是是：（1）仅使用帧内编码方法无法达到很）仅使用帧内编码方法无法达到很高的压缩比；高的压缩比；（2）用单一的静止帧内编码方法能最）用单一的静止帧内编码方法能最好地满足随机存取的要求。好地满足随机存取的要求。2.4 MPEG2.4.4 MPEG-1视频编码技术视频编码技术12MPEG-1，2n具体实现中采用了一个
9、具体实现中采用了一个折中解决方案折中解决方案，在，在MPEG算法中采用两种基本技术：算法中采用两种基本技术：（1）基于块的运动补偿技术基于块的运动补偿技术，目的是减，目的是减少时间上冗余性；少时间上冗余性；（2）基于）基于DCT变换的变换的ADCT技术技术，以减，以减少空间上冗余性。少空间上冗余性。2.4 MPEG2.4.4 MPEG-1视频编码技术视频编码技术13MPEG-1，2基于基于块的块的运动补偿运动补偿技术技术1.MPEG视频视频数据流的结构数据流的结构14MPEG-1，2基于基于块的块的运动补偿运动补偿技术技术1.MPEG视频视频数据流的结构数据流的结构n宏块。宏块。一个一个块由块
10、由一个一个1616的的亮度亮度信息信息和两个和两个88色度信息色度信息构成构成n运动信息包运动信息包含含在宏在宏块中块中n每个每个宏块可宏块可有有一个一个/二个二个运动矢量运动矢量15MPEG-1，2基于基于块的块的运动补偿运动补偿技术技术2.图像类型图像类型nMPEG将运动图像类型分为将运动图像类型分为3种：种：nI图像图像nP图像图像nB图像图像16MPEG-1，2基于基于块的块的运动补偿运动补偿技术技术2.图像类型图像类型(1)I图像图像利用图像自身的相关性压缩，提供压缩数利用图像自身的相关性压缩，提供压缩数据流中的随机存取的点，采用基于据流中的随机存取的点，采用基于ADCT的编码技术，
11、压缩后，每个像素为的编码技术，压缩后，每个像素为12比比特。特。I图像也称帧内图，类似与图像也称帧内图，类似与JPEG中的帧内中的帧内编码。编码。17MPEG-1，2基于基于块的块的运动补偿运动补偿技术技术2.图像类型图像类型(2)P图像图像用最近的前一个用最近的前一个I图像图像(或或P图像图像)预测编预测编码得到码得到(前向预测前向预测)，也可以作为下一次预，也可以作为下一次预测的参照图像，也称为预测图。测的参照图像，也称为预测图。18MPEG-1，2基于基于块的块的运动补偿运动补偿技术技术2.图像类型图像类型(3)B图像图像B图橡在预测时，既可使用前一个图图橡在预测时，既可使用前一个图像作
12、参照，也可使用下一个图像作参像作参照，也可使用下一个图像作参照或同时使用前后两个图像作为参照照或同时使用前后两个图像作为参照图像图像(双向预测双向预测)，也称双图。，也称双图。19MPEG-1，2基于基于块的块的运动补偿运动补偿技术技术2.图像类型图像类型n其预测方法采其预测方法采用用4种技术：种技术：(1)帧内编码；帧内编码；(2)前向预测；前向预测；(3)后向预测；后向预测；(4)双向预测双向预测20MPEG-1，2基于基于块的块的运动补偿运动补偿技术技术3.运动序列运动序列流的组成流的组成21MPEG-1，2基于基于块的块的运动补偿运动补偿技术技术3.运动序列运动序列流的组成流的组成22
13、MPEG-1，2基于基于块的块的运动补偿运动补偿技术技术n运动补偿运动补偿技术技术主要用于消除主要用于消除P图像图像和和B图像图像在在时间时间上的冗余性，上的冗余性，提高提高压缩压缩效率。效率。n在在MPEG方案中，方案中，运动补偿运动补偿技术在技术在宏块宏块一级工作一级工作。23MPEG-1，2基于基于块的块的运动补偿运动补偿技术技术n各各图像类型图像类型的宏块及的宏块及处理处理技术见下表技术见下表24MPEG-1，2基于基于块的块的运动补偿运动补偿技术技术所谓基于块的运动补偿技术即：所谓基于块的运动补偿技术即：（1）在）在参照参照帧中帧中寻找符合一定条件限制寻找符合一定条件限制、当前当前被
14、被预测预测块的块的最佳匹配最佳匹配块；块；（2）当）当找到匹配找到匹配块后，在块后，在恢复恢复被被预测预测块时，块时，采采用两种处理用两种处理方法：方法：直接用直接用匹配匹配块块代替代替；用用匹配匹配块块加上预测误差加上预测误差（预测误差采用预测误差采用ADCT编码）。编码）。25MPEG-1，2基于基于块的块的运动补偿运动补偿技术技术n每个包含运动信息每个包含运动信息的的1616宏块，宏块，相对相对于于前前面相邻面相邻块的块的运动信息运动信息作差分偏码，作差分偏码，得到运动得到运动差值；差值；然后然后对对运动运动差值，差值，使用使用变长码编码方变长码编码方法，法，进一步压缩进一步压缩数据。数
15、据。n注意：注意：MPEG标准标准只说只说明了明了怎样怎样表示运动信表示运动信息息，并没有说明运动矢量如何计算并没有说明运动矢量如何计算。26MPEG-1，22.4MPEG2.4.5MPEG-2标准标准nMPEG-2标准标准的的主要内容主要内容如下如下：（1）MPEG2视频利用视频利用网络网络提供提供的更高的带宽的更高的带宽(1.5Mbps以上以上)，来支持来支持具有具有更更高分辨率图像高分辨率图像的的压缩压缩和和更高的更高的图像质量图像质量；（2）为了适应不同应用为了适应不同应用的的要求要求，保证保证数据的可数据的可交换交换性，性，定义定义了了不同不同的的功能功能档次，档次，每个每个档次又档
16、次又分为几个分为几个等级等级（3）编码器的）编码器的设计设计有有较大较大的的自由度自由度（4）MPEG-2定义定义了了11种种规范规范，以，以保证保证与与MPEG-1向下兼向下兼容容及及广播广播、通信通信、计算机计算机、家用视听设备家用视听设备的的需求需求；（5）MPEG-2音频向后音频向后与与MPEG1音频兼容音频兼容27MPEG-1，2nMPEG-2编码方法MPEG-2的编码方法和的编码方法和MPEG-l的的区别区别主要主要是是在隔行扫描在隔行扫描制式制式下，下，DCT变换变换是是在场在场内内还是还是在在帧内帧内进行进行由用户由用户自行选择自行选择，亦可自，亦可自适应选择。适应选择。一般情
17、况一般情况下，对下，对细节细节多、多、运动部分运动部分少的少的图像图像在在帧内帧内进行进行DCT；而而细节细节少、少、运动分量运动分量多的多的图像图像在场在场内内进行进行DCT。MPEG2采用采用可调型和非可调型可调型和非可调型两种两种编码结编码结构，且构，且采用采用两层等级编码两层等级编码方式。方式。2.4MPEG2.4.5MPEG-2标准标准28MPEG-1，2本节课学习内容本节课学习内容n2.4 运动图像压缩标准运动图像压缩标准MPEG 2.4.1 MPEG标准简介标准简介2.4.2 MPEG-1标准标准2.4.3 MPEG音频音频2.4.4 MPEG-1视频编码技术视频编码技术2.4.5 MPEG-2标准标准29MPEG-1，2