音视频学习（八十四）：视频压缩：MPEG 1、MPEG 2和MPEG 4

MPEG 标准概述

MPEG（Moving Picture Experts Group，动态图像专家组）是 ISO/IEC 成立的国际标准化组织，致力于制定数字音视频压缩与传输标准。MPEG 标准的发展目标是在有限存储空间和传输带宽条件下，实现高质量的视频和音频传输。

MPEG 视频压缩标准经历了从 MPEG-1 → MPEG-2 → MPEG-4 的发展过程，逐步引入了更复杂的压缩模型、更高效的编码算法以及更丰富的应用场景支持。

视频压缩的基本思想

在介绍各代 MPEG 标准之前，需要理解视频压缩的核心思想：

1. 空间冗余消除（帧内压缩）

利用单帧图像中相邻像素的相关性
主要技术：
- 颜色空间转换（RGB → YUV）
- DCT 变换
- 量化
- 熵编码

2. 时间冗余消除（帧间压缩）

利用相邻帧之间的相似性
主要技术：
- 运动估计
- 运动补偿
- 参考帧预测

3. 心理视觉冗余消除

利用人眼对亮度和细节的感知特性
对高频信息、色度信息进行更强压缩

MPEG-1 视频压缩标准

1. 发展背景

MPEG-1 制定于 1992 年，主要目标是：

在 1.5 Mbps 左右码率
实现 VHS 级视频质量
适用于 CD-ROM、早期数字媒体

典型分辨率：

352×288（PAL）
352×240（NTSC）

2. 编码结构

（1）GOP 结构

MPEG-1 首次提出 GOP（Group of Pictures） 概念：

I 帧（Intra Frame）：帧内编码
P 帧（Predictive Frame）：前向预测
B 帧（Bidirectional Frame）：双向预测

典型 GOP 结构：

复制代码

I B B P B B P B B I

（2）宏块与运动估计

图像被划分为 16×16 的宏块
每个宏块进行运动估计
通过运动矢量预测参考帧内容

3. 编码流程

颜色空间转换
宏块划分
运动估计与补偿
残差计算
DCT 变换
量化
Zig-Zag 扫描
VLC（可变长编码）

4. 特点与不足

优点：

引入帧间预测
压缩效率显著高于 MJPEG
结构清晰、易理解

不足：

不支持隔行视频
不支持高分辨率
容错能力较弱

MPEG-2 视频压缩标准

1. 发展背景

MPEG-2 于 1995 年发布，主要解决 MPEG-1 的不足，目标是：

支持 广播级视频
支持 隔行扫描
适用于 DVD、数字电视

典型码率：

2~15 Mbps

2. 关键技术改进

（1）隔行视频支持

支持帧编码与场编码
针对电视系统优化

（2）更灵活的运动补偿

帧预测 / 场预测
半像素精度运动估计

（3）Profile 与 Level 机制

MPEG-2 引入 Profile & Level：

Profile：功能集合（Simple / Main / High）
Level：分辨率和码率限制

如：

Main Profile @ Main Level（MP@ML）

3. 编码结构

MPEG-2 延续 MPEG-1 的基本框架：

I / P / B 帧
16×16 宏块
DCT + 量化 + VLC

但在稳定性、兼容性和画质上有明显提升。

4. 应用场景

DVD 视频
数字有线电视
卫星电视
广播电视系统

MPEG-4 视频压缩标准

1. 发展背景

MPEG-4 于 1999 年发布，目标从"视频压缩"扩展为：

多媒体内容表示、交互与传输

强调：

低码率
网络友好
面向对象

2. 核心思想：视频对象（VO）

MPEG-4 引入 视频对象（Video Object） 概念：

视频由多个对象组成
每个对象可独立编码、传输和解码

如：

背景
人物
字幕

3. 编码技术特点

（1）更高效的帧间预测

Quarter-pixel（1/4 像素）运动估计
改进的运动补偿模型

（2）更灵活的帧类型

I / P / B 帧
支持可变 GOP 结构

（3）增强的错误恢复能力

重同步标记
数据分区
错误隐藏技术

4. MPEG-4 Part 2 与 Part 10

（1）MPEG-4 Part 2

DivX
Xvid
早期网络视频

（2）MPEG-4 Part 10（AVC / H.264）

虽然归属 MPEG-4，但 H.264 已成为独立的主流标准：

压缩率比 MPEG-2 提升约 50%
更复杂的预测模型
CABAC 熵编码

5. 应用场景

网络视频
移动多媒体
视频会议
流媒体服务

对比分析

特性	MPEG-1	MPEG-2	MPEG-4
发布年份	1992	1995	1999
典型码率	~1.5 Mbps	2~15 Mbps	<2 Mbps
分辨率	SD	SD / HD	SD / HD
隔行支持	不支持	支持	支持
编码效率	低	中	高
网络适应性	差	一般	强
典型应用	VCD	DVD / TV	网络视频

总结

MPEG-1、MPEG-2 和 MPEG-4 构成了数字视频压缩技术发展的重要阶段。MPEG-1 奠定了帧间预测和 GOP 结构的基础；MPEG-2 推动了数字电视和 DVD 的普及；MPEG-4 则开启了面向互联网和移动多媒体的视频编码时代。