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MPEG-1是MPEG組織制定的第一個視頻和音頻有損壓縮標準。視頻壓縮演算法於1990年定義完成。1992年底,MPEG-1正式被批准成為國際標準。MPEG-1是為CD光碟介質定製的的視頻和音頻壓縮格式。一張70分鐘的CD光碟傳輸速率大約在1.4Mbps。而MPEG-1採用了塊方式的運動補償、離散餘弦變換(DCT)、量化等技術,並為1.2Mbps傳輸速率進行了優化。MPEG-1隨後被Video CD採用作為核心技術。MPEG-1的輸出質量大約和傳統錄像機VCR,信號質量相當,這也許是Video CD在發達國家未獲成功的原因。

 

1 MPEG-1 -概述

MPEG-1制定於1992年,為工業級標準而設計,它可針對SIF標準解析度(對於NTSC製為352X240;對於PAL製為352X288)的圖像進行壓縮,傳輸速率為1.5Mbits/sec,每秒播放30幀,具有CD(指激光唱盤)音質,質量級別基本與VHS相當。MPEG的編碼速率最高可達4- 5Mbits/sec,但隨著速率的提高,其解碼后的圖象質量有所降低。

MPEG-1也被用於數字電話網路上的視頻傳輸,如非對稱數字用戶線路(ADSL),視頻點播(VOD),以及教育網路等。同時,MPEG-1也可被用做記錄媒體或是在INTERNET上傳輸音頻。

MPEG1曾經是VCD的主要壓縮標準,是目前實時視頻壓縮的主流,可適用於不同帶寬的設備,如CD-ROM、Video-CD、CD-I。與M-JPEG技術相比較,在實時壓縮、每幀數據量、處理速度上均有顯著的提高。MPEG1可以滿足多達16路以上25幀/秒的壓縮速度,在500kbit/s的壓縮碼流和352像素×288行的清晰度下,每幀大小僅為2k。若從VCD到超級VCD到DVD的不同格式來看,MPEG1的352 ×288格式,MPEG2可有576×352、704 ×576等,用於CDROM上存儲同步和彩色運動標視頻信號,旨在達到VCR(模擬式磁帶錄放機Video Cassette Recorder;VCR)質量,其視頻壓縮率為26:1。MPEG1可使圖像在空間軸上最多壓縮1/38,在時間軸上對相對變化較小的數據最多壓縮1/5。MPEG1壓縮后的數據傳輸率為1.5Mbps,壓縮后的源輸入格式SIF(Source Input Format),解析度為352像素×288行(PAL制),亮度信號的解析度為360×240,色度信號的解析度為180×120,每秒30幀。MPEG1對色差分量採用4:1:1的二次採樣率。MPEG1、MPEG2是傳送一張張不同動作的局部畫面。在實現方式上,MPEG1可以藉助於現有的解碼晶元來完成,而不像M-JPEG那樣過多依賴於主機的CPU。與軟體壓縮相比,硬體壓縮可以節省計算機資源,降低系統成本。

但也存在著諸多不足。一是壓縮比還不夠大,在多路監控情況下,錄像所要求的磁碟空間過大。尤其當DVR主機超過8路時,為了保存一個月的存儲量,通常需要10個80G硬碟,或更多,硬碟投資大,而由此引起的硬碟故障和維護更是叫人頭疼。二是圖像清晰度還不夠高。由於MPEG1最大清晰度僅為352 X 288,考慮到容量、模擬數字量化損失等其它因素,回放清晰度不高,這也是市場反應的主要問題。三是對傳輸圖像的帶寬有一定的要求,不適合網路傳輸,尤其是在常用的低帶寬網路上無法實現遠程多路視頻傳送。四是MPEG1的錄像幀數固定為每秒25幀,不能丟幀錄像,使用靈活性較差。從目前廣泛採用的壓縮晶元來看,也缺乏有效的調控手段,例如關鍵幀設定、取樣區域設定等等,造成在保安監控領域應用不適合,造價也高。

總體看來M-JPEG與MPEG1由於技術成熟,是目前DVR市場的主流技術,但兩者的致命弱點就是硬碟耗費量大,且不能同時滿足保安與實時錄像場合的需要。

MPEG-1概述
MPEG-1是為CD光碟介質定製的的視頻和音頻壓縮格式。一張70分鐘的CD光碟傳輸速率大約在1.4Mbps。而MPEG-1採用了塊方式的運動補償、離散餘弦變換(DCT)、量化等技術,並為1.2Mbps傳輸速率進行了優化。MPEG-1隨後被Video CD採用作為核心技術。MPEG-1的輸出質量大約和傳統錄像機VCR,信號質量相當,這也許是Video CD在已開發國家未獲成功的原因。MPEG-1音頻分三層,其中第三層協議被稱為MPEG-1 Layer 3,簡稱MP3。MP3目前已經成為廣泛流傳的的音頻壓縮技術。

2 MPEG-1 -特點


MPEG-1具有以下特點:

隨機訪問
靈活的幀率
可變的圖像尺寸
定義了I-幀、P-幀和B-幀
運動補償可跨越多個幀
半像素精度的運動向量
量化矩陣
GOF結構
slice結構

技術細節

輸入視頻格式
MPEG-1規定了以下幾個參數限制:

最大像素數/行:720
最大行數/影格:576
最大影格/秒:30
最大宏塊/影格:396
最大宏塊/秒:9900
最大位元率:1.86Mbps
最大解碼緩衝區尺寸:376832bit。

資料結構和壓縮模式
MPEG-1可以按照分層的概念來理解,一個MPEG-1視頻序列,包含多個GOP,每個GOP包含多個幀,每個幀包含多個slice。

影格是MPEG-1的一個重要基本元素,一個影格就是一個完整的顯示圖像。影格的種類有四種:

I-圖像/影格(節點編碼圖像,intra coded picture)參考圖像,相當於一個固定影像,且獨立於其它的圖像類型。每個圖像群組由此類型的圖像開始。編碼時獨立編碼,僅適用幀內編碼技術,因而解碼時不參考其他幀,類似JPEG編碼。
P-圖像/影格(預測編碼圖像,predictive coded picture)包含來自先前的 I 或 P-畫格的差異資訊。編碼時使用運動補償和運\動估計,採用前向估計,參考之前的I-幀或者P-幀去預測該P格。
B-圖像/影格(前後預測編碼圖像,bidirectionally predictive coded pictures)包含來自先前和/或之後的 I 或 P-畫格的差異資訊。編碼也使用運動補償和運\動估計,預估採用前向估計、後向估計或是雙向估計,主要參考前面的或者後面的I格或者P格。
D-圖像/影格(指示編碼圖像,DC direct coded picture)用於快速進帶。僅由DC直流分量構造的圖像,可在低比特率的時候做瀏覽用。實際編碼中很少使用。

影格內編碼模式

影格間編碼模式

音頻編碼
Reference: ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 (June 1996)

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