MPEG-4视频编码核心思想及技术研究12290.docVIP

MPEG-4视频编码核心思想及技术研究作者：刘达　　毛加轩 中国数据通信提供摘要?MPEG-4是新一代基于内容的多媒体数据压缩编码国际标准，它与传统视频编码标准的最大不同在于第一次提出了基于对象的视频编码新概念。基于内容的交互性是MPEG-4标准的核心思想，这对于视频编码技术的发展方向及广泛应用都具有特别重要的意义。关键词?MPEG-4?数据压缩?视频编码?视听对象?基于内容编码?视频对象提取?运动估计与补偿?1?引言?当今时代，信息技术和计算机互联网飞速发展，在此背景下，多媒体信息已成为人类获取信息的最主要载体，同时也成为电子信息领域技术开发和研究的热点。多媒体信息经数字化处理后具有易于加密、抗干扰能力强、可再生中继等优点，但同时也伴随海量数据的产生，这对信息存储设备及通信网络均提出了很高要求，从而成为阻碍人们有效获取和使用信息的重大瓶颈。?因此研究高效的多媒体数据压缩编码方法，以压缩形式存储和传输数字化的多媒体信息具有重要意义。作为多媒体技术的核心及关键，多媒体数据压缩编码近年来在技术及应用方面都取得了长足进展，它的进步和完善正深刻影响着现代社会的方方面面。2?视频编码研究与MPEG标准演进? 人类获取的信息中70%来自于视觉，视频信息在多媒体信息中占有重要地位；同时视频数据冗余度最大，经压缩处理后的视频质量高低是决定多媒体服务质量的关键因素。因此数字视频技术是多媒体应用的核心技术，对视频编码的研究已成为信息技术领域的热门话题。?视频编码的研究课题主要有数据压缩比、压缩/解压速度及快速实现算法三方面内容。以压缩/解压后数据与压缩前原始数据是否完全一致作为衡量标准，可将数据压缩划分为无失真压缩（即可逆压缩）和有失真压缩（即不可逆压缩）两类。?传统压缩编码建立在仙农信息论基础之上的，以经典集合论为工具，用概率统计模型来描述信源，其压缩思想基于数据统计，因此只能去除数据冗余，属于低层压缩编码的范畴。?伴随着视频编码相关学科及新兴学科的迅速发展，新一代数据压缩技术不断诞生并日益成熟，其编码思想由基于像素和像素块转变为基于内容?（content-based）。它突破了仙农信息论框架的束缚，充分考虑了人眼视觉特性及信源特性，通过去除内容冗余来实现数据压缩，可分为基于对象（object-based）和基于语义（semantics-based）两种，前者属于中层压缩编码，后者属于高层压缩编码。?与此同时，视频编码相关标准的制定也日臻完善。视频编码标准主要由ITU-T和ISO/IEC开发。ITU-T发布的视频标准有H.261、?H.262、?H.263、?H.263+、H.263++，ISO/IEC公布的MPEG系列标准有MPEG-1、MPEG-2?、MPEG-4?和MPEG-7，并且计划公布MPEG-21。?MPEG即Moving?Picture?Expert?Group（运动图像专家组），它是专门从事制定多媒体视音频压缩编码标准的国际组织。MPEG系列标准已成为国际上影响最大的多媒体技术标准，其中MPEG-1和MPEG-2是采用以仙农信息论为基础的预测编码、变换编码、熵编码及运动补偿等第一代数据压缩编码技术；MPEG-4（ISO/IEC?14496）则是基于第二代压缩编码技术制定的国际标准，它以视听媒体对象为基本单元，采用基于内容的压缩编码，以实现数字视音频、图形合成应用及交互式多媒体的集成。MPEG系列标准对VCD、DVD等视听消费电子及数字电视和高清晰度电视（DTVHDTV）、多媒体通信等信息产业的发展产生了巨大而深远的影响。3?MPEG-4视频编码核心思想及关键技术3.1?核心思想?在MPEG-4制定之前，MPEG-1、MPEG-2、H.261、H.263都是采用第一代压缩编码技术，着眼于图像信号的统计特性来设计编码器，属于波形编码的范畴。第一代压缩编码方案把视频序列按时间先后分为一系列帧，每一帧图像又分成宏块以进行运动补偿和编码，这种编码方案存在以下缺陷：?·?将图像固定地分成相同大小的块，在高压缩比的情况下会出现严重的块效应，即马赛克效应；?·?不能对图像内容进行访问、编辑和回放等操作；?·?未充分利用人类视觉系统（HVS，Human?Visual?System）的特性。?MPEG-4则代表了基于模型/对象的第二代压缩编码技术，它充分利用了人眼视觉特性，抓住了图像信息传输的本质，从轮廓、纹理思路出发，支持基于视觉内容的交互功能，这适应了多媒体信息的应用由播放型转向基于内容的访问、检索及操作的发展趋势。?AV对象（AVO，Audio?Visual?Object）是MPEG-4为支持基于内容编码而提出的重要概念。对象是指在一个场景中能够访问和操纵的实体，对象的划分可根据其独特的纹理、运动、形状、模型和高层语义为依据。在