电脑图像压缩的灵魂－mpeg格式

   一、 引言

　　人们对信息的获取是十分贪婪的，已经不再满足于过去的文字或语音等单一信息信息载体，纷纷追求多媒体的享受。俗话说：百闻不如一见；可见图像给人的信息是巨大的。此外人们在追求高清晰的图像时，还希望有高质量的声音。信息的数字化是提供高质量多媒体信息的关键。电子计算机的出现和不断的推陈出新，为数字化技术的发展提供了一个良好的舞台。数字业务的发展一日千里，产品琳琅满目，大家迫切需要一个统一的标准，mpeg正是适应这个时代而产生的，它将继续随着数字业务的发展而发展的。
　　mpeg（moving pictures experts group）即活动图像专家组，始建于1988年，专门负责为cd建立视频和音频标准，其成员均为视频、音频及系统领域的技术专家。iso／iec1172压缩编码标准就是由此小组提出并制定，mpeg由此扬名世界。目前mpeg已完成mpeg-1、mpeg-2和mpeg-4等三个版本的制订，适用于不同带宽和数字影像质量的要求。
　　据统计，当今信息量以每1.6年翻一倍的速度急剧增长，由于internet的普及和广播，电信，计算机三网合一的钻头露面，以数字视频、音频信息为代表的多媒体信息越来越多。多媒体信息具有信息量大、难描述的特点，因此，如何对这些浩如烟海的信息进行组织、建库以达到快速、有效的检索呢？mpeg-7标准正是为解决这个难题而制定，它将于2001年7月"闪亮登场"。
　　据透露，mpeg-21标准也开始启动，它是由mpeg-7发展而来，主要规定数字节目的网上实时交换协议。
　　本文首先回顾mpeg在这十几年来为多媒体信息处理方面作出的巨大贡献，简单介绍各种标准，就它们的目标、主要特点以及应用领域作了比较，并把重点放在mpeg-4和mpeg-7上。

二、 mpeg标准概况

2.1 mpeg-1

　　iso的活动图像专家组（mpeg）在1991年11月提出了iso/iecⅱ172标准草案，通称mpeg-1标准。该标准于1992年11月通过，1993年8月公布。它是为工业级标准而设计的，可适用于不同带宽的设备，如 cd-rom、video-cd、cd-i等。mpeg-1的编码速率最高可达4-5mbits／s。

2.2 mpeg-2

　　1995年出台的mpeg-2（iso／iec 13818），它所追求的是ccir601建议的图像质量，即为dvb、hdtv和dvd等制定的3mbps-10mbps的运动图像及其伴音的编码标准。
　　mpeg-2在ntsc制式下的分辨率可达720×486，mpeg-2还可提供广播级的视像和cd级的音质。mpeg-2的音频编码可提供左右中及两个环绕声道，以及一个重低音声道，和多达7个伴音声道（dvd可有8种语言配音的原因）。同时，由于mpeg-2的出色性能表现，已能适用于hdtv，使得原打算为hdtv设计的mpeg-3，还没出世就被抛弃了。
　　对于最终用户来说，由于电视机分辨率限制，mpeg-2所带来的高清晰度画面质量（如 dvd画面）在电视上效果并不明显，倒是其音频特性（如重低音，多伴音声道等）更引人注目。

2.3 mpeg-4

　　mpeg专家组继成功定义了mpeg-1和mpeg-2之后，于1994年开始制定全新的mpeg-4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，用于实现音视频（audio-visual）数据的有效编码及更为灵活的存取。
　　mpeg-4试图达到两个目标：一是低比特率下的多媒体通信；二是多工业的多媒体通信的综合。据此目标，mpeg-4引入了av（audio／visaul objects）对象，使得更多的交互操作成为可能。

2.4 mpeg-7

　　网络应用最重要的目标之一就是进行多媒体通信。而其中的关键就是多媒体信息的检索和访问，这样mpeg-7就应运而生。
　　mpeg 7的目标就是对日渐庞大的图像、声音信息的管理和迅速搜索。针对这个问题mpeg-7于1998年10月提出，预计于2001年7月最终完成并公布。mpeg-7将对各种不同类型的多媒体信息进行标准化的描述，并将该描述与所描述的内容相联系，以实现快速有效的搜索。其正式的称谓是"多媒体内容描述接口"。

三、 mpeg系列标准的比较

　　mpeg-1直接针对1.2mb/s的标准数据流压缩率，其基本算法对于每秒24～30逐行描帧，分辨率360×280，运动图象有很好压缩效果。但随着速率的提高，解码后图像质量较差，并且它没有定义用于对额外数据流进行编码的格式，因此这种机制未被广泛采用。
　　mpeg-2力争获得更高的分辨率（720×486），提供广播级视频和cd级的音频。作为mpeg-1的一种兼容型扩展，mpeg-2支持隔行扫描视频格式和其它先进功能。mpeg-2以可扩展档次的形式来定义，每个档次支持一种特殊应用所需的功能，因此它是一种通用标准。但是mpeg-2标准数据量依然很大，一部影片的数据量大到8g字节左右，不便存放和传输。
　　mpeg-4视频格式大大优于mpeg-1与mpeg-2: 视频质量与分辨率高，而数据率相对较低。主要的原因在mpeg-4采用了ace(高级译码效率)技术，它是一套首次使用于mpeg-4的编码运算规则。与ace有关的目标定向可以启用很低的数据率。这可以将整部视频电影以完全pal或者ntsc的分辨率与立体声(16位, 48 khz)存储在单个cd-rom上。具体而言：700 mb的容量对多数110分钟的电影来说绰绰有余了，而mpeg-2格式的电影在相同的分辨率下需要约11倍以上的储存空间。当mpeg-2的数据率加倍至接近真正的特性时，mpeg-4可以在声频与视频流上在广泛的领域上升级。 当视频在5 kbit/s与10 mbit/s之间变化时，声频信号可以在2 kbit/s 与24 kbit/s之间进行处理。由于这种可升级性，声频与视频数据可以经专门调整适应真正的环境。
　　另外，由于mpeg-1和mpeg-2标准均为高层媒体的表示与结构标准，其交互性及灵活性较低。而计算机网络具有很高的灵活性和交互性，但它遵循的标准确与mpeg标准不兼容。mpeg-4的制订有效的促进三网的融合。mpeg-4中一个重要概念是视频对象（vo），一幅图像的编码时分割成很多任意形状的vo，分别对各vo进行帧内、帧间编码。必要时只传输某些vo，大大地提高了传输效率。如果视频没进行分割，那么编码结构就退化为只处理标准矩形的一层，这种处理方式与mpeg-1/mpeg-2标准类似，从而达到与mpeg-1/mpeg-2的兼容。
　　继mpeg-4之后，人们又对解决日渐庞大的图像、声音信息的管理和迅速搜索产生了兴趣，mpeg提出了解决方案mpeg-7。它重点放在用于描述多媒体素材（描述与内容有关的信息以方便检索等）的通用接口标准上，因此mpeg-7并不是兼容以前的标准，而是以前标准的扩展和延伸。

四、mpeg系列的应用

　　mpeg标准系列由于不存在专利权的问题，所以更适合于我国国情，在近十年中，mpeg在我国得到广泛应用。
　　众所周知，基于mpeg-1的影碟曾风云一时，其产品vcd，早已"非入平常百姓家"，它的图像质量和清晰度已被用户接受。然而，随着mpeg-2标准的出台，各个厂家都在追逐接近数字演播室标准ccir601和hdtv中所需的视频质量。dvd的推出使vcd在市场的霸主地位动摇了，在不久它将取代vcd。由于一路mpeg-2码流中可以同时传输多套电视节目，用户可以根据喜好收看其中某一套节目，即视频点播（vod）业务。数字机顶盒的推出也是成功运用mpeg-2标准的典型，它是广播业务走向全数字化的过渡产品。可以预计，dvd和数字机顶盒在未来的几年中将是百姓消费的主流。另外，由于mpeg-2标准的突出表现，在高清晰度电视的应用领域占有一席之地。mpeg-2标准还可用于为有线电视网、电缆网络以及卫星直播提供广播级的数字视频（dvb）。如果说mpeg-1使得vcd取代了传统的录象带，而mpeg-2将使数字电视最终完全取代现有的模拟电视。
　　由于mpeg-1和mpeg-2的应用只局限于广播和影视方面，而且技术已经成熟，因此不在赘述下面将主要介绍mpeg-4和mpeg-7的应用：
　　最新视频格式mpeg-4的应用举不胜举。例如，现在可以在家用pc上将dvd转换为mpeg-4格式，然后就可以在笔记本电脑上播放了（无需dvd-rom驱动器)。声频信号能够以mpeg-4压缩通过internet实现"声频点播"。这种数字声频传播之所以可能实现是因为它只需要约16 kbit/s的宽带。这种情况与视频服务及2d或3d对象的动画相似，这些服务与动画能够以不同的数据率通过internet同时进行传送。另外mpeg-4在以下方面的应用一直看好：数字电视、动态图象、互联网、实时多媒体监控、低比特率下的移动多媒体通信、于内容存储和检索多媒系统、internet/intranet上的视频流与可视游戏、基于面部表情模拟的虚拟会议、dvd上的交互多媒体应用、基于计算机网络的可视化合作实验室场景应用、演播电视等等。
　　mpeg－7目前讨论的应用可分为三大类：
　　第一类是索引和检索类应用("pull"应用)，主要包括：(1)视频数据库的存储检索；(2)向专业生产者提供图像和视频；(3)商用音乐(karaoke,销售)；(4)音响效果库；(5)历史演讲库；(6)根据听觉提取影视片段；(7)商标的注册和检索。
　　第二类是选择和过滤类应用("push"应用)，主要包括：(1)用户代理驱动的媒体选择和过滤；(2)个人化电视服务；(3)智能化多媒体表达；(4)消费者个人化的浏览、过滤和搜索；(5)向残废人提供信息服务。
　　第三类是专业化应用，主要包括：(1)远程购物；(2)生物医学应用；(3)通用接入；(4)遥感应用；(5)半自动多媒体编辑；(6)教学教育；(7)保安监视；(8)基于视觉的控制。
mpeg－7还有望直接为以下几个方面提供服务：
　　1） 数字化图书馆（包括视频库、图像库、音乐库等等）；
　　2） 多媒体服务信息（黄叶簿等）；
　　3） 广播媒体查询（比如在无线信道、有限电视信道以及internet网络中检索）；
　　4） 媒体编辑（比如个性化的电子新闻服务）；
　　5） 多媒体信息的自动处理（如自动分析从摄像机出来的信息，自动生成mpeg-7信息）。
　　另外，mpeg－7在教育、新闻、旅游信息、文化服务（历史博物馆、艺术画廊，等等）、娱乐（搜索游戏、卡拉ok节目）、遥感（绘制图表、生态学、自然资源管理）、监视（在敌对环境中的交通控制、地/水面运输、非破坏性试验）、购物（寻找您喜欢的家具、服装等）、建筑设计、装潢、社会应用（比如年代测定业务）等领域也将有许多潜在的应用。

五、结束语－mpeg展望

　　随着计算机的发展和internet的普及，mpeg将是我们生活和娱乐中的"良师益友"。其中mpeg-1与mpeg-2已经在数字视频和pc与笔记本电脑上广泛应用。mpeg-4是目前视频压缩技术的最新发展水平，其产品相继浮出水面。mpeg-4在internet和第三代移动通信中的将开创多媒体服务的新局面。mpeg-7标准估计在2001年7月推出，而且主要集成了多媒体目标搜寻程序。另外，mpeg-2也会得到扩展，mpeg-21是其后续标准。可以预计，mpeg将伴随我们走向数字化时代。

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