MPEG-1

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傳輸速率進行了最佳化。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。

基本介紹

• 中文名：MPEG-1
• 隸屬：MPEG組織
• 類型：視頻和音頻有損壓縮標準
• 定義完成：1990年

概述

MPEG-1是為CD光碟介質定製的視頻和音頻壓縮格式。VCD的解析度只有約352×240，並使用固定的比特率（1.15Mbps），因此在播放快速動作的視頻時，由於數據量不足，令壓縮時宏區塊無法全面調整，結果使視頻畫面出現模糊的方塊。因此MPEG-1的輸出質量大約和傳統錄像機VCR相當，這也許是Video CD在已開發國家未獲成功的原因。MPEG-1音頻分三代，其中最著名的第三代協定被稱為MPEG-1 Layer 3，簡稱MP3，已經成為廣泛流傳的音頻壓縮技術。MPEG-1音頻技術在每一代之間，在保留相同的輸出質量之外，壓縮率都比上一代高。第一代協定MP1被套用在LD作為記錄數字音頻以及飛利浦公司的DGC上；而第二代協定MP2後來被套用於歐洲版的DVD音頻層之一。

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

音頻分層

MPEG-1音頻分三層，分別為MPEG-1 Layer1，MPEG-Layer2以及MPEG-Layer3，並且高層兼容低層。其中第三層協定被稱為MPEG-1 Layer 3，簡稱MP3。MP3已經成為廣泛流傳的的音頻壓縮技術。

MPEG-1 Layer1採用每聲道192kbit/s，每幀384個樣本，32個等寬子帶，固定分割數據塊。子帶編碼用DCT(離散餘弦變換)和(快速傅立葉變換)計運算元帶信號量化bit數。採用基於頻域掩蔽效應的心理聲學模型，使量化噪聲低於掩蔽值。量化採用帶死區的線性量化器，主要用於數字盒式磁帶(DCC)。

MPEG-1 Layer2採用每聲道128kbit/s，每幀1152個樣本，32個子帶，屬不同分幀方式。採用共同頻域和時域掩蔽效應的心理聲學模型，並對高、中，低頻段的比特分配進行限制，並對比特分配、比例因子，取樣進行附加編碼。Layer2 廣泛用於數位電視，CD-ROM，CD-I和VCD等。

MPEG-1 Layer3採用每聲道64kbit/s，用混合濾波器組提高頻率解析度，按信號解析度分成6X32或18X32個子帶，克服平均32個子帶的Layer1，Layer2在中低頻段解析度偏低的缺點。採用心理聲學模型2，增設不均勻量化器，量化值進行熵編碼。主要用於ISDN(綜合業務數字網)音頻編碼。

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制為352X240；對於PAL制為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(指雷射唱盤)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，其解碼後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。

運用

MPEG－1曾經是VCD的主要壓縮標準，是實時視頻壓縮的主流，可適用於不同頻寬的設備，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壓縮後的數據傳輸率為1.5Mbps，壓縮後的源輸入格式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片來完成，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。三是對傳輸圖像的頻寬有一定的要求，不適合網路傳輸，尤其是在常用的低頻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。從廣泛採用的壓縮晶片來看，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，造成在保全監控領域套用不適合，造價也高。

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

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。

參數

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。

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。

解碼標準

MPEG-1 audio layer 1

類型：Audio

制定者：MPEG

所需頻寬：384kbps（壓縮4倍）

特性：編碼簡單，用於數字盒式錄音磁帶，2聲道，VCD中使用的音頻壓縮方案就是MPEG-1層Ⅰ。

優點：壓縮方式相對時域壓縮技術而言要複雜得多，同時編碼效率、聲音質量也大幅提高，編碼延時相應增加。可以達到“完全透明”的聲音質量（EBU音質標準）

缺點：頻寬要求較高

套用領域：voip

版稅方式：Free

備註：MPEG-1聲音壓縮編碼是國際上第一個高保真聲音數據壓縮的國際標準，它分為三個層次：

--層1(Layer 1)：編碼簡單，用於數字盒式錄音磁帶

--層2(Layer 2)：算法複雜度中等，用於數字音頻廣播(DAB)和VCD等

--層3(Layer 3)：編碼複雜，用於網際網路上的高質量聲音的傳輸，如MP3音樂壓縮10倍