MPEG-1和MPEG-2视频编码标准解析

1.I帧、P帧和B帧

MPEG标准将编码图像分为三种类型，分别称为I帧、P帧和B帧，它们的排列位置如图5-4所示。

I帧作为预测基准的独立帧，采用了帧内离散余弦变换（DCT）编码，只利用了本帧图像内的空间相关性，而没有利用时间相关性，所以I帧图像的压缩比相对较低。

P帧用前面最近的I帧或P帧作为参考进行前向预测，采用带运动补偿的帧间预测编码方式。由于同时利用了空间和时间上的相关性，所以P帧比I帧的压缩效率高。P帧也可作为参考帧。

图5-4 I帧、P帧与B帧的示意图

B帧既用源视频序列中位于前面且已编码的I帧或P帧作为参考帧，进行前向运动补偿预测，又用位于后面且已编码的I帧或P帧作为参考帧，进行后向运动补偿预测。即B帧可采用帧内编码、前向预测编码、后向预测编码、或双向预测编码4种技术，其压缩比最高。但B帧不能用做对其他帧进行运动补偿预测的参考帧。

2.视频码流的分层结构

MPEG视频基本码流的分层结构如图5-5所示，共分6层，从高到低依次是视频序列（Sequence）层、图像组（Group Of Pictures，GOP）层、图像、宏块条（Slice，或称片）层、宏块层及像块层。

图5-5 MPEG视频基本码流的分层结构

（1）视频序列层

视频序列是指构成一段或整个电视节目的连续图像序列，是随机选取节目的一个基本单元。从节目内容看，一个视频序列大致对应一个镜头。切换一个镜头，即表示开始一个新的序列。

在视频序列层，起始码后是序列头，它包含有视频序列参数，如图像的尺寸大小、幅型比、帧频、数码率、缓冲区大小等。

（2）图像组层

图像组（GOP）是由一个视频序列中连续的若干帧图像组成。每个GOP由一个I帧和一些P帧、B帧组成，GOP的第一帧一定为I帧。这样分组的目的是便于随机存取和编辑，以及定时进行帧刷新，以防止由于帧间预测可能引起的传输误码的长时间扩散。

（3）图像层

图像层包括不同编码类型的图像，即I、B、P帧。在图像层头中包含了图像编码的类型和时间参考信息。图像是一个独立的显示单元，它可以作为一个整体被显示设备显示。在MPEG-1中，图像的扫描方式是逐行的，因而图像总是帧格式。而在MPEG-2中，图像的扫描方式既可以是逐行的，也可以是隔行的。

（4）宏块条层

宏块条是比特流重新同步的基本单元。每个宏块条由一组连续的宏块构成，其大小可变，既可以是整帧图像也可以是一个宏块。

（5）宏块层

宏块是运动补偿预测的基本单元。一个宏块由16×16像素的亮度阵列和同区域内的C_b、C_r色差阵列共同组成。根据亮度和色度的采样格式的不同，MPEG-2中定义了三种宏块结构：4∶2∶0宏块、4∶2∶2宏块和4∶4∶4宏块，如图5-6所示。(www.xing528.com)

图5-6 三种宏块结构

（6）像块层

像块是离散余弦变换（DCT）的基本单元。像块层的数据包含8×8个像素的样值经DCT后所生成的DCT系数的编码码字。

3.MPEG-1/-2视频编解码原理

MPEG-2与MPEG-1的视频编码原理框图基本相同，如图5-7所示，采用了带运动补偿的帧间预测编码、DCT编码以及熵编码相结合的方案。利用运动补偿帧间预测编码消除电视图像信号的时间冗余；利用DCT消除信号的空间冗余；对运动矢量和量化后的DCT系数进行熵编码，消除符号统计冗余，以达到进一步压缩数码率的目的。

MPEG-2与MPEG-1的视频解码原理框图如图5-8所示。

4.MPEG-2的功能扩展

与MPEG-1相比，MPEG-2对MPEG-1作了重要的改进和扩展，主要表现在以下几个方面：

1）MPEG-2有“按帧编码”和“按场编码”两种模式。

图5-7 MPEG-2与MPEG-1的视频编码原理框图

图5-8 MPEG-2与MPEG-1的视频解码原理框图

2）MPEG-2标准支持4种可分级模式，即数据分割、信噪比（SNR）可分级、空间域可分级和时间域可分级。

3）MPEG-2定义了“类”与“级”的概念。

针对不同的应用，MPEG-2定义了6种“类”（Profile）：简单（Simple）类、主（Main）类、4∶2∶2类、信噪比可分级（SNR Scalable）类、空间可分级（Spatial Scalable）类和高级（High）类。此外，在同一“类”中，对应于不同的输入图像格式（如分辨率），MPEG-2又提出了“级”（Level）的概念。按编码图像的分辨率分成4个“级”，即高级（High）、1440-高级（High-1440）、主级（Main）及低级（Low）。MPEG-2“类”与“级”的可能组合如表5-4所示。

表5-4 MPEG-2“类”与“级”的可能组合

目前常用的是主类，其中MP@ML可应用于卫星直播数字电视、标准清晰度电视（SDTV）、DVD等场合，MP@HL用于高清晰度电视（HDTV）系统。