MPEG编码原理及实现

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1、PC机的MPEG-4编码原理及实现日益增长的多媒体通信量和有限的通信带宽之间的矛盾日益突出。为了减小传输的数据量，国际电信联盟和MPEG标准组织都制定过各自的视频压缩标准。其中，最新MPEG-4标准以其高压缩率，支持低码率传输和基于对象编码等优点，而在传真、视频点播、电视会议、医用图像传输等领域广泛应用。MPEG-4继承了MPEG-2中档次和等级概念，共有视频档次、音频档次、图形档次和场景描述档次共四类。档次是针对某一特定的应用而采用的编码工具，它是MPEG-4提供的工具集中一个子集，不同的档次就是不同的子集。每一个档次

2、分为一个或多个等级，等级则定义了比特流参数的规格，实际上是限定了解码一个编码序列所应具备的性能。MPEG-4的独特之处在于支持基于内容的编解码，为此引入了视听对象AVO(Audio／VideoObject)的概念。AVO可以是一幅图像中一个小提琴或琴声等，每个AVO可独立编码，但相互之间又存在着时空结构关系，因此编码时，必须传送编码对象的组成结构信息体“场景描述”，以表示场景中各AVO之间的时空结构关系。解码时根据此“场景描述”对图像和声音的有关内容进行编辑和操作。视听对象还可以是一个矩形帧，从而使MPEG-4兼容原来的

3、MPEG标准。视听对象中的视频对象VO通常由3类信息来描述，即运动、形状和纹理信息。1编码原理MPEG-4编码器主要由形状编码、纹理编码和运动编码三部分组成。帧格式分为I-VoP，P-VOP和B-VOP。这里只讨论I-VOP和P-VOP。I-VOP采用纹理编码来消除一帧图像数据间的空间冗余度；P-VOP是参考前一帧图像，并采用两种参数来编码。一种是当前要编码的图像与参考图像之间的差值；另一种是运动矢量。编码器的具体结构模块如图1所示。1.1形状编码形状编码主要用于记录从图像序列中提取VOP的形状信息，该信息分为二值形状信

4、息和灰度形状信息。二值形状信息用0和1两个值表示VOP的形状；灰度形状信息用0～255表示VOP区域的不同透明度。在编码时，当提取的VOP具有非矩形形状时，需要对其进行边界扩展，使其矩形边界都是16的倍数，同时保证扩展后的面积最小，然后进行形状编码；当提取的VOP为矩形时(矩形的长度和宽度都是16的倍数)，形状编码就会被屏蔽。1.2纹理编码纹理编码主要对I-VOP内的图像像素或P-VOP内的差值像素进行编码，包括DCT、量化、DC和AC预测、熵编码等过程，最大程度地去除当前VOP内各像素之间的空间冗余度。视频的第一帧图像

5、采用I-VOP格式编码，其余的帧采用I-VOP，还是P-VOP格式则受两个因素制约。其用户会按照IPPPIPPPI的方式设置当前帧所采用的格式；二是已经人为地设置了当前帧为P-VOP，通过运动估计计算mad_P的值，如果mad_P满足下列两个条件之一，则当前帧就采用P-VOP编码格式，否则采用I-VOP编码格式。条件1：madP<50／3；条件2：madP<50，并且IntraMBRatio<0.4。其中，IntraMBRatio为当前帧中采用MBM_INTRA预测模式的宏块占总宏块的比重。纹理编码中的DCT和量化模块比

6、较简单，这里略过，重点介绍剩下的纹理编码模块。1.2.1DC和AC预测8×8块经过DCT和量化后，系数排列呈现以下的规律，即非零系数集中在左上角，大部分的0系数集中在偏离DC系数向右和向下的位置上。特别是DC系数、第一行和第一列AC系数，数值非零且较大，如果能用较小的数值代替它们，会减少编码后的位流数，于是产生DC和AC预测。在MPEG-4中，通常把一个宏块分为6个8×8块进行DC和AC预测。首先对8×8块进行DC预测。如图2所示，X表示当前的8×8块；A，B和C表示X的相邻8×8块，其位置分别位于X的左边、左上角和上边

7、。对X进行DC预测就是采用相邻块的DC系数值预测X的DC系数值，关键是选择哪个相邻块的DC系数。程序采用了以下策略选取相邻块。定义块A，B，C，X的DC系数值分别为DC_A，DC_B，DC_C，DC_X。如果DC_A与DC_B的差小于DC_B与DC_C的差，则DC_A与DC_B在数值上比较接近，即在垂直方向上的数值比水平方向上更接近，所以采用DC_C来预测DC_X；反之，在水平方向的数值比较接近，即采用DC_A来预测DC_X。将当前块的DC系数与用来预测的相邻块的DC系数，经过特定处理后做差，其差存放到当前块的DC位置上

8、，同时记录此DC系数的预测方向。AC预测主要是针对8×8块的第一行或者第一列AC系数，其预测方向取决于当前块DC系数的预测方向。如图2所示，如果之前DC预测为水平预测，则当前块X的第一列AC系数采用A块的第一列AC系数预测，同时将X的第一列7个AC系数各自取绝对值后相加到变量S1(S1的初始值为0)上。将当前块第一列