详解视频编解码MPEG-X系列的发展轨迹

MPEG-4应用解析

从1948年提出电视信号数字化编码以来，图像编码压缩技术的研究已有六十多年的历史。时至今日，已形成并由国际标准化组织ISO/IEC制定的MPEG-X和国际电联ITU-T 制定的H.26X两大系列视频编码国际标准，本文将详解视频编解码MPEG-X系列的发展轨迹。

MPEG的全称是“Motion Picture Expert Group”(运动图像专家组)，隶属于国际标准化组织ISO/IEC的一个专家工作组，其建成于1988年，主要负责为数字音视频编码算法开发和制定标准。MPEG标准的视频压缩编码技术主要利用了具有运动补偿的帧间压缩编码技术以减小时间冗余度，利用DCT技术以减小图像的空间冗余度，利用熵编码则在信息表示方面减小了统计冗余度。这几种技术的综合运用，大大增强了压缩性能。目前，MPEG标准旗下主要有以下五个标准，MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7及MPEG-21等。

据苏州科达科技有限公司视频技术开发高级工程师赵波介绍，MPEG制定的初衷是为CD建立视音频标准，因而早些时候的标准都是面向数字影视而开发的。90年代风靡一时的VCD，可以说99%的VCD都是用MPEG1格式压缩的。而制定于1994年的MPEG-2在MPEG-1的基础上作了许多重要的扩展和改进，但基本算法和MPEG-1相同。MPEG-2主要应用在DVD的制作(压缩)方面，同时在一些HDTV和一些高要求视频编辑、处理上面也有相当多的应用。其间，MPEG组曾经起草过MPEG-3，原本针对于HDTV，后来被MPEG-2代替。

MPEG-1、MPEG-2在音视频界割地据城，大行其道，但是它们都不太适合于网络传输，特别要求在低码率和异构网络环境下的音视频信号通信——为了达到低码率的目标，必须大幅度提高视频数据的压缩比，而MPEG-1/2所采用的基于像像素的压缩方法，在压缩40到50倍后就几乎达到算法的极限，必须另辟蹊径。MPEG-4的目标就是为视听数据的编码和交互播放开发算法和工具，最初是一个数据速率很低的多媒体通信标准，后来的目标是要在异构网络环境下能够高度可靠地工作，并且具有很强的交互功能。

MPEG-4应用在移动通信和公用电话交换网(PSTN)上，并支持可视电话、电视邮件、电子报纸和其他低数据传输速率场合下的应用，如电视会议、网络流媒体、移动视频通信、IPTV等流媒体方面。

在21世纪初，MPEG组力图建立一套描述符标准，用来描述各种类型的多媒体信息及它们之间的关系，以便更快更有效地检索信息。MPEG-7随即诞生。MPEG-7致力于视听数据信息编码的表达(表达内容的信息，而不是内容本身)。这一点与目标集中在视音频数据的压缩与编码的MPEG-1/2/4不同，MPEG-7所表达的不是内容/信息本身，而是表示信息的信息。MPEG-7提供了可视内容的标准结构和联接机制、以及对可视内容表述的标准化，为实现基于内容的检索提供了应用框架，并使对多媒体数据的创建、交换、检索和重用更加有效。

H.26X系列编解码

由于多媒体标准层出不穷，但各个标准之间还存在缺漏，不能真正做到配套衔接，还需要一个综合性标准来协调。随着网络技术和应用的发展，基于多媒体的电子商务需要一个其结构可以理解的共享模式——多媒体框架的支持。有鉴于此，MPEG于1996年10月提出制定多媒体框架标准的设想，2000年6月正式批准制定MPEG-21标准的计划。MPEG-21又叫多媒体框架，2001年12月成为标准，功能是多媒体框架标准，基于多媒体的电子商务需要发展的共享模式，应用于不同多媒体系统的集成和应用。

H.26X系列

ITU-T国际电信同盟-电信标准化部门(International Telecommunications Union-Telecommunication Standardization Sector)及其前身国际无线电咨询委员会CCIR(International Radio Consultative Committee)制定了一系列音视频压缩编码和通信技术标准。有别于MPEG标准主要用于光存储、广播和流媒体，H.26x标准主要用于网络和通信。除了视频编码标准本身之外，H.26x还有配套的系统、音频、控制等相关标准。其成员主要包括H.261、H.263、H.264等。

H.261标准是ITU编制的第一个主流视频压缩标准。H.261标准是为ISDN设计，主要针对实时编码和解码设计，实际的编码算法类似于MPEG算法，但不能与后者兼容。其压缩和解压缩的信号延时不超过150ms。H.261在实时编码时比MPEG所占用的CPU运算量少得多，此算法为了优化带宽占用量，引进了在图像质量与运动幅度之间的平衡折中机制，也就是说，剧烈运动的图像比相对静止的图像质量要差。因此这种方法是属于恒定码流可变质量编码而非恒定质量可变码流编码。

H.263在H.261之后得到开发，主要是为了以更低的比特率实现更高的质量。H.263标准是甚低码率的图像编码国际标准，它一方面以H.261为基础，以混合编码为核心，其基本原理框图和H.261十分相似，原始数据和码流组织也相似；另一方面，H.263也吸收了MPEG等其它一些国际标准中有效、合理的部分，如：半像素精度的运动估计、PB帧预测等，使它性能优于H.261。H.263使用的位率可小于64Kb/s，且传输比特率可不固定(变码率)。

而与H.261、H.263不同的是，H.264是由MPEG与ITU-T的VCEG(Video Coding Experts Group视频编码专家组)联合组成的JVT(Joint Video Team联合视频组)共同制定的，与MPEG的对应标准为MPEG-4的第10部分MPEG-4/AVC。H.264最大的优势是具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量的条件下，H.264的压缩比是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在具有高压缩比的同时还拥有高质量的、流畅的图像，正因为如此，经过H.264压缩的视频数据，在网络传输过程中所需要的带宽更少，也更加经济。