由于MPEG-1目的是針對(duì)消費(fèi)類(lèi)多媒體應(yīng)用，以約為1.2 Mbps速率產(chǎn)生接近于VHS的視頻質(zhì)量，而1.5 Mbps的其他部分則用于數(shù)據(jù)和音頻。MPEG-1的貢獻(xiàn)在于：
1）由于1.5 Mbps的速率接近于CD-ROM播放器的數(shù)據(jù)存取速度，因而大量的多媒體信息能以MPEG-1的格式存儲(chǔ)在CD-ROM上，使得CD-ROM可以從單純的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)轉(zhuǎn)為以視頻為主的多媒體信息存儲(chǔ)，解決了多媒體信息的數(shù)字存儲(chǔ)問(wèn)題并形成了一個(gè)制作各種影像的VCD產(chǎn)業(yè)，如VCD教學(xué)光盤(pán)、VCD影片等。
2）具有非常方便的交互性能，使得用戶能很容易實(shí)現(xiàn)交互操作，如快進(jìn)、快退、隨機(jī)讀取信息，在質(zhì)量不下降的前提下，隨機(jī)存取時(shí)間大約在0.5s左右。
1、視頻編碼框圖
自從1989年MPEG組織開(kāi)始征集、收集評(píng)估、驗(yàn)證測(cè)試一直到1992年正式公布MPEG-1的這段期間，另一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ITU-T在1990年公布了視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.261。進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，這兩者之間在視頻編碼方法存在很多相似性。MPEG-1視頻編碼器框圖如圖1所示。
首先對(duì)輸入視頻信號(hào)預(yù)處理，包括從RGB到YCbCr的色彩空間變換、格式轉(zhuǎn)換、預(yù)濾波等，實(shí)際上MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有給出如何進(jìn)行這些操作。其次，編碼器要為輸入圖像選擇合適的編碼類(lèi)型。如果是I幀，不需要運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償，與 H.261的I幀編碼方法一樣。如果是P幀，需要進(jìn)行幀間預(yù)測(cè)編碼。如果是B幀，需要進(jìn)行幀間內(nèi)插編碼。無(wú)論是P幀還是B幀，都需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。從圖1可知，混合編碼仍然是MPEG 1視頻編碼器的核心。
2、視頻格式和圖像類(lèi)型
1）圖像格式
MPEG-1處理的對(duì)象是逐行掃描視頻，對(duì)于隔行掃描的視頻圖像源則必須先轉(zhuǎn)換為非隔行掃描的輸入格式，即將兩場(chǎng)合并成一幀進(jìn)行編碼。輸入的視頻信號(hào)必須是數(shù)字化的一個(gè)亮度和兩個(gè)色差信號(hào)（Y、Cb、Cr）。為了使壓縮后的碼率能降低到1.5 Mbps以下，MPEG定義了SIF格式，其圖像尺寸如表1所示。實(shí)際上，SIF格式很容易從ITU-R BT.601進(jìn)行濾波和亞采樣得到。
2）圖像類(lèi)型
由于MPEG-1具有良好的交互功能，能夠方便進(jìn)行快進(jìn)、快退和隨機(jī)存取。因此在視頻碼流中存在著一種特殊的標(biāo)志，這就是MPEG-1所采用的I幀圖像編碼類(lèi)型。I幀圖像稱(chēng)為幀內(nèi)圖像（Intra Pictures），它為用戶的交互功能提供隨機(jī)存取的訪問(wèn)位置，使得解碼器可由此點(diǎn)開(kāi)始，同時(shí)它可以作為其他圖像類(lèi)型編碼的參考幀，但是I幀僅采用了DCT變換編碼加熵編碼的壓縮方法，壓縮比不高。在MPEG-1中還有一種類(lèi)似于I幀的圖像編碼類(lèi)型，稱(chēng)為DC編碼幀（DC-coded Pictures，D幀），其DCT變換結(jié)果的DC項(xiàng)系數(shù)被保留，D幀不能用作其他幀的預(yù)測(cè)參考幀，定義D幀的目的只是提供一種快速搜索的方法，因此D幀一般不常見(jiàn)。另外MPEG-1采用了壓縮比更高的兩種類(lèi)型圖像編碼，一是預(yù)測(cè)幀（Predicted Pictures）或稱(chēng)為P幀圖像；另一是雙向預(yù)測(cè)幀（Bi-directional Prediction Pictures）或稱(chēng)為B幀圖像。之所以MPEG-1中的P幀和B幀能提供較高的壓縮效果，是因?yàn)?/SPAN>P幀和B幀圖像編碼所產(chǎn)生的碼流不是P幀和B幀圖像的所有信息，而是它與參考幀預(yù)測(cè)之后差分信息以及各宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量信息。
實(shí)際上，三種常見(jiàn)類(lèi)型圖像的組織結(jié)構(gòu)是非常靈活的，它們的組合可根據(jù)編碼器的實(shí)際情況和應(yīng)用需求決定，如隨機(jī)存取和編碼延時(shí)等多種因素。由于編碼P幀時(shí)需要先前的I幀或P幀進(jìn)行預(yù)測(cè)，編碼B幀時(shí)需要先前和后面的I或P幀圖像進(jìn)行雙向預(yù)測(cè)，因此I幀、P幀和B幀存在著前后因果關(guān)系。如下面視頻序列中的第4幀（P幀）是由第1幀（I幀）預(yù)測(cè)，由第1幀（I幀）和第4幀（P幀）共同預(yù)測(cè)出它們之間的第2幀（B幀）和第3幀（B幀），如此等等。因此，發(fā)送端編碼器輸出（或接收端解碼器輸入）圖像幀順序不是按照原始視頻序列的時(shí)間順序，而是重新調(diào)整圖像順序輸出。例如一個(gè)具有15幀圖像的視頻序列，I幀、P幀和B幀沿著時(shí)間軸上的順序，編碼器編碼傳輸順序如下表2所示：
表2：編碼器編碼傳輸順序與各幀順序的對(duì)應(yīng)關(guān)系
當(dāng)解碼器接收到MPEG-1視頻流信息時(shí)，解碼出運(yùn)動(dòng)矢量參數(shù)，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ菍⒚總€(gè)宏塊解碼得到的預(yù)測(cè)值加上運(yùn)動(dòng)矢量所指向的參考幀對(duì)應(yīng)宏塊值。盡管P幀和B幀宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量是一個(gè)非常重要的參數(shù)，直接影響到編碼器的性能和效果，但是MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有規(guī)定運(yùn)動(dòng)矢量的求取方法。正因?yàn)槿绱耍?/SPAN>MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)在走向?qū)嵱玫倪^(guò)程中，仍然給研究和開(kāi)發(fā)人員留下了非常廣闊的研究空間。
3、視覺(jué)加權(quán)量化
從圖1可以看出，MPEG-1視頻編碼器與H. 261壓縮算法大致相似，采用基于DCT的變換編碼技術(shù)減少空域冗余信息，DCT變換后系數(shù)進(jìn)行視覺(jué)加權(quán)和量化。一方面，量化后系數(shù)按照“之”字掃描，然后與視頻其他信息（如運(yùn)動(dòng)矢量、宏塊類(lèi)型、開(kāi)始碼等）按照MPEG-1語(yǔ)法結(jié)構(gòu)構(gòu)成視頻比特流。另一方面，進(jìn)行反量化和反DCT變換，進(jìn)行當(dāng)前幀圖像重建，放置到幀存中，作為編碼下一幀圖像的預(yù)測(cè)參考幀。
在減少空域冗余信息的DCT變換和量化的技術(shù)中，與H.261不同的是，其I幀的8×8塊DCT系數(shù)通過(guò)視覺(jué)加權(quán)量化矩陣方法以適應(yīng)人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)。缺省的幀內(nèi)塊量化矩陣如圖2所示。從幀內(nèi)量化加權(quán)矩陣可以看出：
圖2：MPEG-1中幀內(nèi)8×8塊的加權(quán)量化矩陣
●在低頻段，量化步長(zhǎng)較小，而在高頻段，量化步長(zhǎng)大。充分利用了量化誤差的主觀感覺(jué)隨著DCT系數(shù)的頻率變化特性，對(duì)圖像高頻系數(shù)作比較粗的量化。
●水平方向和垂直方向的量化步長(zhǎng)是不同的，這也利用了人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)水平和垂直方向感覺(jué)不同的特點(diǎn)，即視覺(jué)對(duì)垂直方向變化的感覺(jué)更加明顯。
采用幀內(nèi)量化加權(quán)矩陣通常是從提高圖像的主觀質(zhì)量來(lái)考慮的。因?yàn)楸容^兩個(gè)能生成同樣比特率的編碼器時(shí)，一個(gè)采用上述視覺(jué)加權(quán)量化矩陣，另一個(gè)不采用視覺(jué)加權(quán)量化矩陣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前者的信噪比較低，但具有較高的主觀質(zhì)量。對(duì)于非幀內(nèi)塊量化，則采用與上述幀內(nèi)塊不同的量化矩陣，其缺省的量化矩陣如圖3所示。之所以對(duì)非幀內(nèi)編碼幀使用這種均勻量化的方式，是因?yàn)檫@種幀提供的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)誤差信息，對(duì)各個(gè)頻率分量的元素應(yīng)該一視同仁。
然而，在MPEG-1中并不是所有量化器都是固定不變的，而是可以采用可調(diào)量化器進(jìn)行量化。因?yàn)椴⒉皇撬械目臻g信息都能使人眼視覺(jué)系統(tǒng)產(chǎn)生同等的感覺(jué)，特別是對(duì)于那些信號(hào)變換梯度平穩(wěn)的塊，如果有一個(gè)非常小的誤差，人眼就會(huì)覺(jué)察到塊的邊界，而對(duì)信號(hào)變換劇烈的塊，視覺(jué)對(duì)誤差的敏感覺(jué)察被掩蓋。為了適應(yīng)塊之間信號(hào)的不均勻性，在塊和塊的基礎(chǔ)上對(duì)量化器步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
4、視頻流層次結(jié)構(gòu)和組成
與H.261類(lèi)似，MPEG-1視頻圖像數(shù)據(jù)流是一個(gè)分層結(jié)構(gòu)，共分6個(gè)不同的層次，依次是視頻序列層（Video Sequence）、圖像組層GOP（Group of Pictures）、圖像層（Picture）、片層（Slice）、宏塊層（Macroblock）和塊層（Block）。通過(guò)分層結(jié)構(gòu)，把視頻比特流中邏輯上獨(dú)立的實(shí)體分開(kāi)，盡量減少圖像幀和幀之間、圖像組和圖像組之間、宏塊和宏塊之間的相關(guān)性，減少解碼過(guò)程中碼流之間的前后相互影響。
視頻序列層表示一個(gè)圖像序列的開(kāi)始，由序列頭加一個(gè)或多個(gè)圖像組構(gòu)成，最后加序列結(jié)束碼結(jié)束。其中序列頭以序列頭開(kāi)始碼開(kāi)始，后面跟著如幀內(nèi)視覺(jué)加權(quán)量化矩陣或非幀內(nèi)視覺(jué)加權(quán)量化矩陣等數(shù)據(jù)元素。每一個(gè)圖像組前面可以選擇有或者沒(méi)有序列頭，初始序列頭的數(shù)據(jù)元素可以重復(fù)使用，從而使隨機(jī)地對(duì)視頻序列進(jìn)行存取操作成為可能。當(dāng)然，序列頭中的量化矩陣等數(shù)據(jù)元素可以改變。視頻序列層組成如圖4所示。
圖4：視頻序列層組成
圖像組層是由圖像組開(kāi)始碼加一幀或多幀圖像組成的短視頻序列。圖像組層中的第一幀編碼圖像是I幀，最后一幀是I幀或者是P幀，在圖像組中存在著對(duì)視頻序列碼流隨機(jī)操作的存取點(diǎn)。圖像組的長(zhǎng)度隨意，可包含一個(gè)或多個(gè)I幀圖像。在要求能隨機(jī)操作、快進(jìn)、快退或正常逆放的應(yīng)用場(chǎng)合，可使用相對(duì)較短的圖像組層。圖像層是針對(duì)每幀編碼圖像而言的，通常采用三種類(lèi)型的編碼圖像，即I幀、P幀、B幀。由于要進(jìn)行P幀和B幀的重新排序，在圖像層的頭信息中定義了一個(gè)時(shí)間參考標(biāo)號(hào)（temporal reference number）用來(lái)指示各幀的顯示順序。其他的頭信息還包括圖像類(lèi)型、同步、分辨率和運(yùn)動(dòng)矢量范圍等。片層是由一系列隨意個(gè)數(shù)的宏塊組成的，類(lèi)似于H.261中的宏塊組。其順序與H.261相同，從圖像的左上角自左向右、自上往下進(jìn)行。片的大小是可變的，最大可以是整幅圖像，最小可以是一個(gè)宏塊，最初的片層應(yīng)包含圖像的第一個(gè)宏塊，而最末一個(gè)片層應(yīng)是圖像的最后一個(gè)宏塊。片層頭信息指示了片在圖像中的位置以及該片的量化因子。定義量化因子可以使解碼器在片這個(gè)層次上對(duì)碼流進(jìn)行校正。MPEG-1中的宏塊和塊的概念與H.261相同。
由于MPEG-1可以支持多種視頻參數(shù)，如很寬范圍的空間分辨率和時(shí)間分辨率，能使用很大范圍的碼流比特率。為了方便使用，保證不同廠家使用MPEG1標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備在一個(gè)主要目標(biāo)內(nèi)具有互通性，MPEG 1定義了一個(gè)視頻編碼參數(shù)的特殊子集，稱(chēng)為限制參數(shù)集（CPS，Constrained Parameters Set）。CPS對(duì)圖像的采樣率、編碼生成的碼流比特率做了限制以減少編解碼器的計(jì)算復(fù)雜度、緩沖大小和帶寬要求，同時(shí)仍然保持最大可能的應(yīng)用范圍。CPS參數(shù)表如3所示。
