MPEG和JPEG分别采用了啥算法？

Posted 2023-05-06

参考技术A MPEG是Moving Pictures Experts Group(动态图像专家组)英文缩写.这个专家组是1988年开始负责CD建立视频和音频标首,MPEG有四个版本分别是,MPEG1 到MPEG4,其中MPEG3就是我们所说的MP3,MPEG在压缩比方面突破200:1,压缩时而做到对数据的损失很少.
JPEG是Joint Photographics Expert Group(合接图像专家组)英文缩写,JPEG可以大幅压缩图型文件,同样一幅画面压缩比是原文件的1/10到1/20,文件大小一般为几十K到一二百K之间,而色彩数最高可达24位,比较广泛应用于因特网上,以节约网络传输资源.JPEG的压缩效果还是可以的. 参考技术B MPEG视频压缩编码后包括三种元素：I帧（I-frames）、P帧（P-frames）和B帧（B-frames）。在MPEG编码的过程中，部分视频帧序列压缩成为I帧；部分压缩成P帧；还有部分压缩成B帧。I帧法是帧内压缩法，也称为“关键帧”压缩法。I帧法是基于离散余弦变换DCT（ Discrete Cosine Transform ）的压缩技术，这种算法与JPEG压缩算法类似。采用I帧压缩可达到1/6的压缩比而无明显的压缩痕迹。
在保证图像质量的前提下实现高压缩的压缩算法，仅靠帧内压缩是不能实现的，MPEG采用了帧间和帧内相结合的压缩算法。 P帧法是一种前向预测算法，它考虑相邻帧之间的相同信息或数据，也即考虑运动的特性进行帧间压缩。P帧法是根据本帧与相邻的前一帧（I帧或P帧）的不同点来压缩本帧数据。采取P帧和I帧联合压缩的方法可达到更高的压缩且无明显的压缩痕迹。
然而，只有采用B帧压缩才能达到200：1的高压缩。B帧法是双向预测的帧间压缩算法。当把一帧压缩成B帧时，它根据相邻的前一帧、本帧以及后一帧数据的不同点来压缩本帧，也即仅记录本帧与前后帧的差值。B帧数据只有I帧数据的百分之十五、P帧数据的百分之五十以下。
MPEG标准采用类似4：2：2的采用格式，压缩后亮度信号的分辨率为352×240，两个色度信号分辨率均为176×120，这两种不同分辨率信息的帧率都是每秒30帧。其编码的基本方法是在单位时间内，首先采集并压缩第一帧的图像为I帧。然后对于其后的各帧，在对单帧图像进行有效压缩的基础上，只存储其相对于前后帧发生变化的部分。帧间压缩的过程中也常间隔采用帧内压缩法，由于帧内（关键帧）的压缩不基于前一帧，一般每隔15帧设一关键帧，这样可以减少相关前一帧压缩的误差积累。MPEG编码器首先要决定压缩当前帧为I帧或P帧或B帧，然后采用相应的算法对其进行压缩。一个视频序列经MPEG全编码压缩后可能的格式为：IBBPBBPBBPBBPBBIBBPBBPBBPBBPBBI......
压缩成B帧或P帧要比压缩成I帧需要多得多的计算处理时间。有的编码器不具备B帧甚至P帧的压缩功能，显然其压缩效果不会很好。

JPEG(Joint Photographic Experts Group) 是一个由 ISO和IEC两个组织机构联合组成的一个专家组，负责制定静态的数字图像数据压缩编码标准，这个专家组开发的算法称为JPEG算法，并且成为国际上通用的标准，因此又称为JPEG标准。JPEG是一个适用范围很广的静态图像数据压缩标准，既可用于灰度图像又可用于彩色图像。

JPEG专家组开发了两种基本的压缩算法，一种是采用以离散余弦变换(Discrete Cosine Transform，DCT)为基础的有损压缩算法，另一种是采用以预测技术为基础的无损压缩算法。使用有损压缩算法时，在压缩比为25:1的情况下，压缩后还原得到的图像与原始图像相比较，非图像专家难于找出它们之间的区别，因此得到了广泛的应用。例如，在V-CD和DVD-Video电视图像压缩技术中，就使用JPEG的有损压缩算法来取消空间方向上的冗余数据。为了在保证图像质量的前提下进一步提高压缩比，近年来JPEG专家组正在制定JPEG 2000(简称JP 2000)标准，这个标准中将采用小波变换(wavelet)算法。

JPEG压缩是有损压缩，它利用了人的视角系统的特性，使用量化和无损压缩编码相结合来去掉视角的冗余信息和数据本身的冗余信息。压缩编码大致分成三个步骤：

1.使用正向离散余弦变换(forward discrete cosine transform，FDCT)把空间域表示的图变换成频率域表示的。

2.使用加权函数对DCT系数进行量化，这个加权函数对于人的视觉系统是最佳的。

3.使用霍夫曼可变字长编码器对量化系数进行编码。

译码或者叫做解压缩的过程与压缩编码过程正好相反。

JPEG算法与彩色空间无关，因此“RGB到YUV变换”和“YUV到RGB变换”不包含在JPEG算法中。JPEG算法处理的彩色图像是单独的彩色分量图像，因此它可以压缩来自不同彩色空间的数据，如RGB, YCbCr和CMYK。

JPEG压缩编码算法的主要计算步骤如下：

1.正向离散余弦变换(FDCT)。

2.量化(quantization)。

3.Z字形编码(zigzag scan)。

4.使用差分脉冲编码调制(differential pulse code modulation，DPCM)对直流系数(DC)进行编码。

5.使用行程长度编码(run-length encoding，RLE)对交流系数(AC)进行编码。

6.熵编码(entropy coding)。本回答被提问者采纳

mpeg2基于FPGA的mpeg2解码器设计

1.软件版本

quartusii12.1

2.本算法理论知识

       MPEG-2系统是将视频、音频及其它数据基本流组合成一个或多个适宜于存储或传输的数据流的规范，如图1所示。符合ITU-R. 601标准的、帧次序为I1B2B3P4B5B6P7B8B9I10数字视频数据和符合AES/EBU标准的数字音频数据分别通过图像编码和声音编码之后，生成次序为I1P4B2B3 P7B5B6I10 B8B9视频基本流（ES）和音频ES。在视频ES中还要加入一个时间基准，即加入从视频信号中取出的27MHz时钟。然后，再分别通过各自的数据包形成器，将相应的ES打包成打包基本流（PES）包，并由PES包构成PES。最后，节目复用器和传输复用器分别将视频PES和音频PES组合成相应的节目流（PS）包和传输流（TS）包，并由PS包构成PS和由TS包构成TS。显然，不允许直接传输PES，只允许传输PS和TS；PES只是PS转换为TS或TS转换为PS的中间步骤或桥梁，是MPEG数据流互换的逻辑结构，本身不能参与交换和互操作。

   将MPEG-2压缩编码的视频基本流（ES-Elementary Stream）数据分组为包

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