mpeg1视频解码标准简介_mpeg视频基本码流结构

1.概述

Mpeg1是上世纪90年代提出来的视频标准，比较古老了。其特性包括：

• 视频压缩编码，压缩后码率在 1.5Mbps，可用于视频传输和视频存储；编码前必须将视频图像转换成逐行扫描图像。
• 录像机的正放、图像冻结快进、快退和慢放功能以及随机存储功能。
  Mpeg1使用了一系列的编码技术提升压缩率，包括：
• 1） 使用基于块的运动补偿减少空间冗余；
• 2） 使用DCT变换后量化，减少空间相关性，并丢弃部分不重要的高频信息；
• 3） 对mv和DCT参数信息使用变长编码

2.码流结构

如图所示，Mpeg1码流结构可以分为以下几层：

• 码流由一个序列头和多个GOP组成，并以endcode结尾；
• GOP是一组可以单独解码的图像，是mpeg1码流实现随机播放的基本单元；GOP内第一个编码帧是I帧；
• Piture层：Mpeg1标准只支持YUV420格式，一帧图像包含三个分量：Y、Cb、Cr，Y亮度分量宽高需要是偶数，CbCr色度分量宽高是Y分量的一半；支持4中帧类型：I帧、P帧、B帧、D帧；
• Slice层：slice是防止误差扩散的基本单元，一帧图像由多个slice构成，相邻slice不能重叠也不能出现空隙；
• Mb层：一个宏块包含例一个16x16亮度块（4个亮度block）和两个8x8的色度块（2个色度block）
• Block层：8x8的亮度或色度块

3.解码流程

Mpeg1/2标准解码整个流程如下图所示。

• 按照码流语法结构，通过VLC解码出DC/AC参数；
• 解码出来的参数是游程编码（run-level），因此需要经过反扫描恢复参数；
• 参数矩阵经反量化、反变换后得到残差数据；
• 如果是P、B宏块需要通过运动补偿重建该宏块数据；如果是I宏块，则反变换后的数据为该宏块重建数据；
  
  以上解码流程的基本单元是8x8大小的block。
  解码过程按照宏块类型可分为4种：帧内编码宏块、P帧中的预测编码宏块、B帧中的预测编码宏块、Skip宏块；

3.1 帧内编码宏块

I帧中所有宏块都以帧内编码方式，P帧和B帧中也可能存在帧内编码宏块（由macroblock_type语法决定）。Mpeg标准没有帧内预测，由于DCT变换后DC参数数值较大，直接编码会占用较多数据量，因此帧内编码使用DC预测减少码率。
帧内编码宏块解码步骤如下：

• 1） 根据block中语法元素dct_dc_differential和dct_coeff_next可以得到dct系数矩阵dct_zz[];
• 2） Dct_zz[] 乘上量化参数和加权矩阵可得到重建后的dct系数矩阵dct_reconn[m][n]；
• 3） 每个颜色通道的8x8 block的DC系数由上一block的DC预测得到，因此dct_reconn[0][0] += dct_dc_y_past;
• 4） 对dct_reconn进行反变换得到该宏块重建数据

3.2 P帧中的预测编码宏块

MPEG1标准预测编码支持半像素精度，对于半像素的预测宏块是通过线性插值实现。
P帧中的预测编码宏块解码主要可分为两个部分：一是重建宏块的前向运动矢量以及预测宏块；二是存放在码流中的block DCT参数经过反量化、反变换并与预测宏块叠加；
计算步骤如下：

• 1） 重建mv，由于相邻块的mv存在相关性，因此可以使用前一块的mv做预测以减少编码数据。解码过程中需要结合宏块头信息中的语法元素以及前一相邻块的mv计算得到当前宏块mv；
• 2） 重建预测宏块，使用上一个解码的I帧或P帧作为参考帧，结合mv，计算得到当前宏块预测像素值。如果是全像素精度，可以直接从参考图中找到对应像素值；如果是半像素精度，则需要对相邻像素求平均值。
• 3） 根据block中语法元素解析得到dct参数，经IDCT后得到残差值，加上预测宏块像素值则得到该解码宏块重建像素值；

3.3 B帧中的预测编码宏块

B帧中的预测宏块解码过程可分为以下四个步骤：

• 1） 重建前向mv和前向预测宏块，该步骤类似于P帧的预测宏块重建。
  需要注意以下几点：
  a) 用于预测的前一个block mv只能在以下两种情况下重置：slice中的第一个宏块或上一个解码宏块为帧内编码宏块。
  b) 如果当前宏块没有前向mv，则使用上一个宏块
• 2） 重建后向mv和后向预测宏块，重建过程与上一步骤类似；
• 3） 根据前向和后向预测宏块计算预测像素值。如果只有前向或后向预测宏块信息，则使用单一方向做预测；如果两者都存在，则最终预测像素值为二者平均值；
• 4） 根据block中语法元素解析得到dct参数，经IDCT后得到残差值，加上预测宏块像素值则得到该解码宏块重建像素值；

3.4 skipped宏块

Skipped宏块是指码流中没有编码数据的宏块，这类宏块既没有mv信息也没有DCT参数。这些宏块由宏块头信息中的macroblock_address_increment来表示，当macroblock_address_increment的值大于1时，可以认为当前宏块与上一宏块间存在skipped宏块。

• I帧中，所有宏块都编码，不存在skipped宏块；
• P帧中，skipped宏块表示该宏块mv为0，并且没有DCT参数；P帧内skipped宏块重建值直接拷贝参考帧对应位置的像素值；
• B帧中，skipped宏块mb_type（主要用来确定该宏块的预测方式，前向参考、后向参考还是双向参考）与上一宏块一样，并且mv残差为0，没有DCT参数。在B帧中skipped宏块不能紧跟在帧内编码宏块之后。因此B帧内skipped宏块重建需要考虑三种情况：如果是前向参考，则直接拷贝前向参考帧对应位置像素数据；如果是后向参考，则直接拷贝后向参考帧对应位置像素数据；如果是双向参考，则为前向、后向参考像素值的均值。

3.5 参考帧管理

mpeg1参考帧最多只有2个，为之前解码两个的I或P帧。
假设一段码流显示顺序如下：
1 2 3 4 5 6 7
I B B P B B P
其解码顺序如下：
I P B B P B B

如上表所示，参考帧管理基本原则是：

• 当前解码为I帧或P帧前更新参考帧；
• 更新方法是前向参考帧等于后向参考帧，后向参考帧等于当前帧；当解码P帧时，只使用前向参考帧；当解码B帧时，使用2个参考帧。