MPEG4技术及其应用

筱叶

1.MPEG4是MPEG家族中的一员

　　数字技术的蓬勃发展和广泛应用使人类社会迈入了“数字时代”。今天，数字技术产品已走进普通百姓的日常生活之中。
　　数字技术就是用数字编码来描述和表达图像、声音等各种媒体信息。其信息处理的流程是：模拟信息→数字化→压缩编码→存储或传输→解码再现。其中，压缩编码是一个关键环节。数字化的图像和声音信号数据是非常庞大的，例如一幅640×480像素中等分辨率的彩色图像（24bit/像素）的数据量约为7.37Mbit/帧，如果是运动图像，以每秒30帧或者25帧的速度播放时，则视频信号传输速率为220Mbit/s;如果把这种信号存放在650MB的光盘中，一张光盘只能播放20多秒钟。所以，必须对数字化信息进行压缩，用尽可能少的数据来表达信息,节省传输和存储的开销。
　　1980年以来,国际标准化组织(ISO)、国际电工委员会（IEC）和国际电信联盟(ITU)等陆续完成了各种数据压缩标准和建议,如面向静止图像压缩的JPEG标准,在运动图像方面用于视频会议的H.261标准、用于可视电话的H.263标准、用于VCD的MPEG1标准、用于广播电视和DVD的MPEG2标准等。MPEG是运动图像专家组的的英文首字母缩写。该专家组成立于1988年，致力于运动图像及其伴音的压缩编码标准化工作，原先打算开发MPEG1、MPEG2、MPEG3和MPEG4四个版本，以适用于不同带宽和数字影像质量的要求。
　　MPEG1于1993年成为国际标准，它是对1.5Mbit/s以下数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的压缩编码标准，适用于CD－ROM、VCD、CD－I（交互式CD）等。它可对SIF（标准交换格式）分辨率(NTSC制式为352×240;PAL制式为352×288)的图像进行压缩，传输速率为1.5Mbit/s，每秒播放30帧，具有CD音质，图像质量基本与VHS家用录像机相当。MPEG1也被用于数字通信网络上的视频传输，如基于ADSL（非对称数字用户线路)的视频点播(VOD)、远程教育等。
　　MPEG2于1995年成为国际标准，其目标是达到高级工业标准的图像质量以及更高的传输率。MPEG2所能提供的传输率在3～10Mbit/s之间，在NTSC制式下的分辨率可达720×486，可提供广播级的图像质量和CD级的音质，适用于数字电视广播(DVB）、HDTV和DVD的运动图像及其伴音的压缩编码。目前，MPEG2已得到广泛应用，如美国、欧洲、***在DVD和数字电视广播方面都采用MPEG2压缩技术。
　　MPEG3最初是为HDTV开发的编码和压缩标准，但由于MPEG2的出色性能表现，已能适用于HDTV，使得MPEG3还没出世就被抛弃了。
　　MPEG4于1999年初正式成为国际标准。MPEG4是一个适用于低传输速率应用的方案。与MPEG1和MPEG2相比，MPEG4更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。
　　1998年10月，MPEG启动了一个新的工作项目，即多媒体内容描述界面,简称为MPEG7。它的目标是扩展现有系统有限的查询能力,使其包括更多的信息形式。MPEG7将确立各种类型的多媒体信息标准的描述方法。据预计，MPEG7将于2001年初最终完成并公布。

2.MPEG4的主要特点

　　MPEG1、MPEG2标准均为高层媒体表示与结构标准，其交互性及灵活性较低。而MPEG4标准是对运动图像中的内容进行编码，其具体的编码对象就是图像中的音频和视频，称为AV对象。AV对象可以组成AV场景。因此，MPEG4标准就是围绕着AV对象的编码、存储、传输和组合而制定的，高效率地编码、组织、存储、传输AV对象是MPEG4标准的基本内容。
　　AV对象的基本单位是原始“AV对象”，它们可能是一个没有背景的说话的人，也可能是这个人的语音或一段背景音乐等。MPEG4可以采用AV对象来表示听觉、视觉或者视听组合内容;允许组合已有的AV对象来生成复合的AV对象，并由此生成AV场景;允许对AV对象的数据灵活地多路合成与同步，以便选择合适的网络来传输这些AV对象数据;允许接收端的用户在AV场景中对AV对象进行交互操作。
　　在视频编码方面，MPEG4支持对自然和合成的视觉对象的编码。合成的视觉对象包括2D、3D动画和人面部表情动画等。在音频编码，MPEG4是在一组编码工具支持下，对语音、音乐等自然声音对象和具有回响、空间方位感的合成声音对象进行音频编码的。MPEG4音频编码不仅支持自然声音，而且支持合成声音。
　　MPEG4的重要特点包括：（1）基于内容的普遍性。MPEG4能够直接选取音频、视频内容进行编码，并对其灵活地进行控制和显示，用户可以自行选择场景中的物体的解码质量，进行家庭影视节目制作和编辑。（2）以AV为对象，增强了交互性和扩展性，从而提高了交互应用的灵活性。（3）将各种功能应用在自然的和合成的AV对象上，增强了节目编辑制作能力。（4）MPEG4在误码环境中，尤其是在恶劣误码条件下的低比特率应用中的抗误码性，有利于节目制作、分配和显示。

3.MPEG4的应用领域

　　MPEG4在多媒体传输、多媒体存储等领域具有广泛应用：(1)低比特率下的多媒体通信，如视频电话、视频电子邮件、移动多媒体通信、电子新闻等。这些应用对传输速率要求较低，在4.8～64kbit/s之间，分辨率为176×144。MPEG4利用很窄的带宽，通过帧重建技术压缩和传输数据，以最少的数据量获得最佳的图像质量。(2)互联网上的视频流与可视游戏，如网上电影。(3)数字电视、动态图像、万维网（WWW）。(4)实时多媒体监控。(5)基于内容存储和检索的多媒体系统。(6)基于面部表情模拟的虚拟会议。(7)DVD上的交互多媒体应用。
　　目前，MPEG4技术已开始逐步得到应用。例如，***夏普公司推出了应用在互联网上的数字摄像机VN－EZ1。这台网络摄像机利用MPEG4格式，可把影像文件压缩为ASF（高级流格式），然后用户只要利用微软公司的MediaPlayer播放程序，就可以直接在电脑上进行播放。又如，在移动多媒体通信领域，摩托罗拉公司在今年5月份宣布开发出用手机看电影的技术。该公司已研制成功通过GPRS（通用数据包无线业务）移动数据网络传输MPEG4格式图像的系统。
　　目前，出现了两种MPEG4技术的具体应用形式：一种是DIVX－MPEG4影碟（国内市面上已出现），另一种是网上MPEG4电影。它们把MPEG4技术的实际应用展现我们眼前。
　　DIVX视频编码技术实际上就是MPEG4压缩技术，它由微软MPEG4V3修改而来，使用MPEG4压缩算法。据说，用MPEG4技术来编码、压缩一部DVD，只需要两张CD－ROM。这就意味着您不需要买昂贵的DVD－ROM也可以得到和它质量差不多的视频节目了，而这一切只需要您有CD－ROM。当然，现在还只能用计算机来播放DIVX－MPEG4影碟。它对计算机的要求是：300MHz以上的CPU，64MB的内存，8MB显存的显卡。在计算机上播放DIVX－MPEG4文件的方法目前有两种：第一种是用诸如DivxPlayer0.02等专门的播放软件来播放;第二种播放方法是安装一个Windows媒体播放机MPEG4(Divx)插件后，用Windows自带的媒体播放机来播放。但MPEG4毕竟是一种高比率有损压缩算法，其图像质量无法和DVD相比，但要远远优于VCD。DIVX文件也可以压缩到600MB左右，可放入一张CD－ROM中。
　　互联网上的视频流应用几年前就出现了。目前，互联网上比较流行的几种影像格式包括Quicktime、RealPlay以及微软的MediaPlayer等。MPEG4技术出现之后，互联网上又出现了MPEG4格式的电影。您只要将它从网上下载后，就可以利用MPEG4解码软件在计算机上播放。但一部完整的以MPEG4格式压缩的电影的数据量高达六七百MB，对拨号上网用户来说下载时间太长了。
　　微软公司开发出了一种叫ASF的可以直接在网上观看视频节目的压缩格式。它也使用了MPEG4的压缩算法，但却是以一个可以在网上即时观看电影的视频流格式存在的，所以它的图像质量比VCD要差一些。
　　目前，只有少数中文网站提供了MPEG4资源，如http://www.souxin.com，而提供MPEG4资源的英文网站则比较多。