MPEG系列标准的演进与特点

中国泰尔实验室 李明慧

　　面对网络与多媒体日益广泛的应用，人们对媒体信息的消费需求不断地增强，统一的国际标准是使多媒体信息和技术产品在全球范围内通用的必要基础。

　　从MPEG系列标准的演进过程来看，MPEG系列标准的产生最初是由于人们实现多媒体通信的需求，使得多媒体数据的有效压缩和适当处理成为该领域的关键问题。MPEG系列标准包括MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，MPEG-7和MPEG-21。MPEG-1和MPEG-2提供了压缩视频音频的编码表示方式，为VCD、DVD、数字电视等产业的发展打下了基础。MPEG-4通过本身的特性将音视频业务延伸到了更多的领域，其特性包括：可扩展的码率范围，可分级性，差错复原功能，在同一场景中对不同类型对象的无缝合成，实现内容的交互等等。MPEG-4采用了基于对象的编码方法，使压缩比和编码效率得到了显著的提高。继MPEG-4之后，视频压缩标准要解决的问题是对日渐庞大的图像、声音信息的有效管理和迅速搜索，针对该问题MPEG提出了解决方案MPEG-7，它采用标准化技术对多媒体内容进行描述和检索。随着MPEG-7的出现，在互操作方式下用户与网络之间方便地交换多媒体信息成为现实。MPEG-21的重点是为从多媒体内容发布到消费所涉及的所有标准建立一个基础体系，支持连接全球网络的各种设备透明地访问各种多媒体资源。目前，MPEG系列国际标准已经成为影响最大的多媒体技术标准，对数字电视、视听消费电子产品、多媒体通信产业产生了深远影响。

　　MPEG中的系列标准是在市场需求的驱动下提出并发展起来的，它成功地将商业需求转化为技术规范，整个系列标准随着视频通信需求的变化而不断发展。

一、MPEG系列标准及其应用

　　1．MPEG-1

　　于1993年正式推出的MPEG-1（ISO/IEC 11172）标准是用于高至1.5Mbit/s的数字存储媒体的活动图像和及其伴音的压缩编码标准，包括系统、视频、音频、一致性和参考软件五个部分。MPEG-1为了满足用户的应用需求，具有随机存取、快速正向/逆向搜索、逆向重播、视听同步、容错性等功能。

　　2．MPEG-2

　　MPEG-2（ISO/IEC 13818）标准于1994年正式推出，主要用于高清晰度视频及其音频的编码。MPEG-2解决了MPEG-1不能满足的日益增长的多媒体应用对分辨率和传输率的要求，支持固定比特率传送、可变比特率传送、随机访问、分级编码、比特流编辑等功能。MPEG-2能够提供广播级的视像和CD级的音质。

　　MPEG-2主要用于数字存储媒体、高清晰度电视和数字视频广播等领域。从技术角度看，MPEG-2和MPEG-1在细节上存在着一些差别，MPEG-2 可以说是MPEG-1的超集，在MPEG-1的基础上附加了一些特征帧格式和编码选项。MPEG-2音频与MPEG-1差别不大，其优于MPEG-1的地方主要体现在视频方面：设置了“按帧编码”和“按场编码”两种模式；在MPEG-2中，亮度信号与色度信号的比例由MPEG-1的 4∶2∶0扩展为 4∶2∶2或4∶4∶4；规定了四种图像预测和运动补偿方式；视频编码采用了分级编码技术，按类别的不同分为5种档次和4个不同的等级。

　　3．MPEG-4

　　1999年1月MPEG-4（ISO/IEC 1 4496）第 1版正式公布，1999年12月第2版公布。标准中规定适应的3段比特率范围分别为：低于64kbit/s；64kbit/s~384kbit/s；384kbit/s～4Mbit/s。MPEG-4标准是一个适合多种多媒体应用的视听对象编码标准，它定义了一种框架而不是具体的算法，使视频产品具备更大的灵活性和可扩展性。MPEG-4采用基于对象的方式，通过对不同的视听对象（自然的或合成的）独立进行编码实现较高的压缩效率，同时可实现基于内容的交互功能，满足了多媒体应用中人机交互的需求。设备厂商在应用MPEG-4标准进行产品研发时，可根据应用领域的不同，适当选择标准工具的子集。

　　MPEG-4标准与 MPEG-1和 MPEG-2标准最根本的区别在于MPEG-4采用基于对象的方法，可以支持基于对象的互操作性。为适应通用访问，MPEG-4标准中加入了面向功能的传送机制，其中的错误鲁棒性、错误恢复的处理和速率控制等功能使编码能适应不同信道的带宽要求。MPEG-4编码系统是开放性质的，可随时加入新的编码算法模块，可根据不同的应用需求，现场配置解码器。

　　MPEG-4标准的开发目标是实现多媒体业务在各个领域的应用，涉及面非常广泛，不同的应用对应的码率、分辨率、质量和服务也不同。目前基于MPEG-4标准的应用有：数字电视、实时多媒体监控、视频会议、低比特率下的移动多媒体通信、PSTN网上传输的可视电话等。

　　4．MPEG-7

　　MPEG-7（ISO/IEC 15938）一般称为多媒体内容描述接口，侧重于媒体数据的信息编码表达，是一套可用于描述多种类型的多媒体信息的标准。MPEG-7定义了一个关于内容描述方式的可互操作的框架，它超越了传统的元数据概念，具有描述从低级（low-level）元素信号特征，如颜色、形状、声音特质到关于内容搜集的高级结构信息的能力。MPEG-7通过定义的一组描述符与多媒体信息的内容本身相关联，支持用户快速有效地搜索其感兴趣的信息。通过给携有MPEG-7数据的多媒体信息加上索引，用户就可方便地进行信息检索了。

　　MPEG-7使多媒体信息查询更加智能化，它对多媒体内容进行描述的功能对现有的MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4标准将起到功能扩展的作用。MPEG-7的应用可以分成三大类：第一类是索引和检索类应用；第二类是选择和过滤类应用，可以帮助使用者只接受符合需要的信息服务数据；第三类是与MPEG-7中“元(meta)”内容表达有关的专业化应用。

　　MPEG-7目前已经实现了的应用包括数字图书馆、广播媒体选择、多媒体目录服务、多媒体编辑、远程教育、医疗服务、电子商务、家庭娱乐等，涉及教育、新闻工作、旅游、娱乐、地理信息系统、医疗应用、商业、建筑等诸多领域。

　　5．MPEG-21

　　由于多媒体内容的处理涉及到了许多不同的平台，关系到数字资产权利保护等诸多问题，所以虽然目前用于多媒体内容的传输和使用的许多标准都已存在，但想要建立一个统一的完整体系还有很多问题需解决。为了将不同的协议、标准和技术结合在一起，使得用户可以在现有的各种网络和设备上透明地使用多媒体内容，实现互操作（Interoperability），需要建立一个开放的多媒体框架，所以出现了MPEG-21标准。

　　MPEG-21标准（ ISO/IEC21000 ）的正式名称是多媒体框架，其制订工作于2000年6月开始。MPEG-21将创建一个开放的多媒体传输和消费的框架，通过将不同的协议、标准和技术结合在一起，使用户可以通过现有的各种网络和设备透明地使用网络上的多媒体资源。MPEG-21中的用户可以是任何个人、团体、组织、公司、政府和其它主体，在MPEG-21中，用户在数字项的使用上拥有自己的权力，包括用户出版/发行内容的保护、用户的使用权和用户隐私权等。

　　MPEG-21包括7个基本要素：数字项声明（Digital Item Declaration），数字项识别和描述，内容处理和使用，知识产权管理和保护，终端和网络，内容表示，事件报告。数字项是MPEG-21框架中的基本单元，它由资源、原数据（metadata）和结构共同组成，是一个带有标准化的结构化数字对象。要素中的资源包括了采用MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4标准的多媒体信息。通过数字项的定义，MPEG-21集成了MPEG系列的其它标准，由此也可以看出，MPEG-21是建立在其它标准的基础之上的。

　　MPEG-21标准支持以下功能：内容创建，内容生产，内容分配，内容的消费和使用，内容的分组，知识产权管理和保护，内容识别和描述，用户权限，终端和网络资源提取，内容表示和事件报告等。该标准是从商业内容和与内容相关服务的前景等角度开发的，将同已有的其它MPEG系列标准等进行适当结合，从而使用户对视频、音频的处理更加方便和有效，最终为多媒体信息的用户在全球范围内提供透明而有效的视频通信应用环境。MPEG-21的出台可以将现有的标准统一起来，消费者将可以自由使用音视频内容而不被不兼容的格式、编解码器、媒体数据类型及诸如此类的东西所干扰。

二、目前存在的问题

　　当前多媒体领域存在的关键问题是：用于多媒体内容的传输和使用的各种标准都已经存在，但是怎样才可以将这些标准结合起来，形成一个用于多媒体的统一的体系结构？

　　MPEG-21已经针对该问题提出了解决的方案，然而要想实现这一切还存在很大的困难：在网络传输方面，网络的传送带宽、速度的限制、网络的一致性和可靠性、数据流控制、延时、流量控制、差错率、移动性和性能价格比等因素很难达到统一；在服务质量方面，多媒体业务还存在着服务可靠性、价格、信息集成、易用性、对用户需求的动态响应、点播及服务的可接入性等诸多问题；多媒体内容涉及知识产权保护、完整性、保真性、真实性和时效性等敏感因素；同时，多媒体设备也涉及到智能化、兼容性、不同平台之间的交互性、设备之间的分布式智能化等问题。此外诸如消费者使用权限和消费者隐私保护等问题都必须解决，这些都是MPEG今后要重点研究和解决的问题。

三、标准的进展

　　MPEG-21目前正与其它相关标准论坛合作寻求尽可能地使用现有的标准以利于它们的无缝连接和综合应用。尽管MPEG今后还要有很长的路要走，但其多媒体应用前景是令人期待的，目前存在的各种困难也必将得到解决。MPEG系列标准能够高效压缩多媒体数据，使多媒体数据的传输、存储查询技术向着更加全球化、规范化、灵活化、智能化的方向发展。

　　MPEG系列标准中的每个标准都是建立在前面标准的基础之上的。MPEG-1 和MPEG-2是目前成熟的广泛应用的标准。而MPEG-4是作为一个开放的多媒体标准出现在市场上的受到了瞩目，并为多家厂商所采用。后继标准MPEG-7及以后的MPEG-21标准重点已经不在压缩方面，MPEG-7注重于多媒体数据基于内容的描述，用来帮助运营者管理日益丰富的多媒体信息，而MPEG-21则更多侧重于与多媒体信息内容的使用相关的诸多方面。MPEG系列标准对多媒体以及相关产业产生了重大的影响，并将极大的推动多媒体通信领域的发展。我们有理由相信MPEG系列标准的不断发展必定会极大地促进今后信息产业的更加蓬勃的发展。

----《通信世界》