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第11章 MPEG简介
MPEGMPEG标准阐明了声音和电视图像的编码和解标准阐明了声音和电视图像的编码和解
码码过程过程
严格规定了声音和图像数据编码后组成比特数严格规定了声音和图像数据编码后组成比特数
据流的据流的句法句法
提供了解码器的提供了解码器的测试方法测试方法等等
但但没有没有对所有内容都作严格规定，尤其是对压对所有内容都作严格规定，尤其是对压
缩和解压缩的算法缩和解压缩的算法
这样给这样给MPEGMPEG标准的具体实现留有很大余地。标准的具体实现留有很大余地。
可以不断可以不断改进改进编码和解码算法，提高声音和电编码和解码算法，提高声音和电
视图像的质量以及编码效率。视图像的质量以及编码效率。
本章介绍本章介绍MPEGMPEG标准的概貌，提供最基本的背标准的概貌，提供最基本的背
景材料。景材料。 1
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MPEG(Moving Picture Expert Group)MPEG(Moving Picture Expert Group)是在是在
19881988年由国际标准化组织年由国际标准化组织((International International
Organization for StandardizationOrganization for Standardization，，ISO)ISO)和和
国际电工委员会国际电工委员会((International International
Electrotechnical CommissionElectrotechnical Commission，，IEC)IEC)联合成联合成
立的专家组，负责开发电视图像数据和声音数立的专家组，负责开发电视图像数据和声音数
据的编码、解码和它们的同步等标准。这个专据的编码、解码和它们的同步等标准。这个专
家组开发的标准称为家组开发的标准称为MPEGMPEG标准标准
到目前为止，已经开发和正在开发的到目前为止，已经开发和正在开发的MPEGMPEG标标
准有：准有：
MPEG概述
MPEG是什么
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MPEG-MPEG-11：：数字电视标准，数字电视标准，19921992年正式发布。年正式发布。
MPEG-MPEG-22：：数字电视标准。数字电视标准。
MPEG-3MPEG-3：：已于已于19921992年年77月合并到高清晰度电月合并到高清晰度电
视视((High-Definition TVHigh-Definition TV，，HDTV)HDTV)工作组。工作组。
MPEG-MPEG-44：：多媒体应用标准多媒体应用标准(1999(1999年发布年发布))。。
MPEG-5MPEG-5：：直至直至19981998年年99月还没有见到定义。月还没有见到定义。
MPEG-6MPEG-6：：直至直至19981998年年99月还没有见到定义。月还没有见到定义。
MPEG-MPEG-77：：多媒多媒体内容体内容描述接口标准描述接口标准((正在研究正在研究
))。。
MPEG-1MPEG-1、、-2-2和和-4-4标准已经正式发布，并且得标准已经正式发布，并且得
到广泛应用。表到广泛应用。表11-0111-01是是MPEG-1MPEG-1和和-2-2的典型的典型
编码参数。编码参数。
MPEG概述
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表表11-01 11-01 MPEG-1MPEG-1和和-2-2典型的编码参数典型的编码参数
MPEG概述
MPEG-1 MPEG-2 (基本型)
标准化时间 1992年 1994年(DIS)
主要应用 CD-ROM上的数字电视，VCD 数字TV，DVD
空间分辨率 CIF格式(1/4 TV)，288 × 360像素 TV，576 × 720像素
时间分辨率 25 - 30 帧/秒 50-60 场/秒
位速率 Mbit/s 15 Mbit/s
质量 相当于VHS 相当于NTSC/PAL电
视
压缩率 20 ~ 30 30 ~ 40
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MPEGMPEG标准文件的创建过程分成标准文件的创建过程分成44个阶段：个阶段：
(1) (1) 工作文件工作文件((WD)WD)：：工作组工作组((WG)WG)准备的工作准备的工作
文件文件
(2) (2) 委员会草案委员会草案((CD)CD)：：从工作组从工作组WGWG准备好准备好
的工作文件的工作文件WDWD提升上来的文件。它由提升上来的文件。它由ISOISO内部内部
正式调查研究和投票表决。正式调查研究和投票表决。
(3) (3) 国际标准草案国际标准草案((DIS)DIS)：：投票成员国对投票成员国对CDCD
的内容和说明满意之后由委员会草案的内容和说明满意之后由委员会草案CDCD提升提升
上来的文件。上来的文件。
(4) (4) 国际标准国际标准((IS)IS)：：由投票成员国、由投票成员国、ISOISO的的
其他部门和其他委员会投票通过之后出版发布其他部门和其他委员会投票通过之后出版发布
的文件。的文件。
MPEG标准文件的创建过程
MPEG是什么
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MPEG-1MPEG-1处理的是标准图像交换格式或者称为处理的是标准图像交换格式或者称为
源输入格式的电视，压缩后的输出速率定义在源输入格式的电视，压缩后的输出速率定义在
Mbit/sMbit/s以下。以下。
这个标准这个标准主要针对主要针对当时具有这种数据传输率的当时具有这种数据传输率的
CD-ROMCD-ROM和网络而开发的，用于在和网络而开发的，用于在CD-ROMCD-ROM上上
存储存储数字影视和在网络上数字影视和在网络上传输传输数字影视。数字影视。
MPEG-1数字电视标准
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MPEG-1MPEG-1的标准号为的标准号为ISO/IEC 11172ISO/IEC 11172，，标准名标准名
称为称为““信息技术信息技术————用于数据速率高达大约用于数据速率高达大约
Mbit/sMbit/s的数字存储媒体的电视图像和伴音的数字存储媒体的电视图像和伴音
编码编码”” 。。
它由它由55个个部分组成：部分组成：
MPEG-1数字电视标准
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①① MPEG-1MPEG-1系统系统，写成，写成MPEG-1 SystemsMPEG-1 Systems，，规规
定电视图像数据、声音数据及其他相关数据的定电视图像数据、声音数据及其他相关数据的
同步，标准名是同步，标准名是ISO/IEC 11172-1ISO/IEC 11172-1。。
②② MPEG-1MPEG-1电视图像电视图像，写成，写成MPEG-1 Video, MPEG-1 Video,
规定电视数据的编码和解码，标准名是规定电视数据的编码和解码，标准名是
ISO/IEC 11172-2ISO/IEC 11172-2。。
③③ MPEG-1MPEG-1声音声音，写成，写成MPEG-1 Audio, MPEG-1 Audio, 规定规定
声音数据的编码和解码，标准名是声音数据的编码和解码，标准名是ISO/IEC ISO/IEC
11172-311172-3。。
图图11-0111-01表示了表示了MPEG-1MPEG-1译码器的方框图。译码器的方框图。
MPEG-1数字电视标准
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图图11-01 11-01 MPEG-1MPEG-1译码器译码器方框图方框图
MPEG-1数字电视标准
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④④ MPEG-1MPEG-1一致性测试一致性测试，写成，写成MPEG-1 MPEG-1
Conformance testingConformance testing，，标准名是标准名是ISO/IEC ISO/IEC
11172-411172-4。。这个标准详细说明如何测试比特数这个标准详细说明如何测试比特数
据流和解码器是否满足据流和解码器是否满足MPEG-1MPEG-1前前33个部分个部分
((Part1Part1，，22和和3)3)中所规定的中所规定的要求要求。。
⑤⑤ MPEG-1MPEG-1软件模拟软件模拟，写成，写成MPEG-1 MPEG-1
Software simulationSoftware simulation，，标准名是标准名是ISO/IEC TR ISO/IEC TR
11172-511172-5。。实际上，这部分的内容不是一个标实际上，这部分的内容不是一个标
准，而是一个技术报告，给出了用软件执行准，而是一个技术报告，给出了用软件执行
MPEG-1MPEG-1标准前标准前33个部分的个部分的结果结果。。
MPEG-1数字电视标准
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MPEG-2MPEG-2标准从标准从19901990年开始研究，年开始研究，19941994发布发布
DIS(DIS(国际标准草案国际标准草案))。。
它是一个直接与数字电视广播有关的它是一个直接与数字电视广播有关的高质量高质量图图
像和声音编码标准。像和声音编码标准。
MPEG-2MPEG-2是是MPEG-1MPEG-1的的扩充扩充，它们的基本编码，它们的基本编码
算法都相同。算法都相同。
MPEG-2MPEG-2增加了许多增加了许多MPEG-1MPEG-1所没有的所没有的新功能新功能：：
隔行扫描电视的编码、位速率可变性能功能等。隔行扫描电视的编码、位速率可变性能功能等。
MPEG-2MPEG-2最基本目标是：位速率为最基本目标是：位速率为44～～9 9 Mbit/sMbit/s
，，最高达最高达15 15 Mbit/sMbit/s。。
MPEG-2MPEG-2的标准号为的标准号为ISO/IEC 13818ISO/IEC 13818，，标准名标准名
称为称为““信息技术信息技术——电视图像和伴音信息的通用电视图像和伴音信息的通用
编码编码””。。MPEG-2MPEG-2包含包含99个个部分：部分：
MPEG-2数字电视标准
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①① MPEG-2MPEG-2系统系统，写成，写成MPEG-2 SystemsMPEG-2 Systems，，规规
定电视图像数据、声音数据及其他相关数据的定电视图像数据、声音数据及其他相关数据的
同步，标准名是同步，标准名是ISO/IEC 13818-1ISO/IEC 13818-1。。
MPEG-2MPEG-2的系统模型如图的系统模型如图11-0211-02所示。所示。
定义电视图像数据、声音数据和其他数据的组定义电视图像数据、声音数据和其他数据的组
合，把这些数据合，把这些数据组合组合成适合于存储或者传输的成适合于存储或者传输的
基本数据流。基本数据流。
数据流有两种形式：程序数据流数据流有两种形式：程序数据流((PS)PS)，，传输数传输数
据流据流((TS)TS)。。
程序数据流程序数据流是组合包括是组合包括基本数据流基本数据流((PES)PES)而生而生
成的一种数据流，用在出错相对较成的一种数据流，用在出错相对较少少的环境下；的环境下；
传输数据流传输数据流也是组合也是组合PESPES而生成的一种数据流，而生成的一种数据流，
它用在出现错误相对比较它用在出现错误相对比较多多的环境下。的环境下。
MPEG-2数字电视标准
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图图11-02 11-02 MPEG-2MPEG-2的系统模型的系统模型
MPEG-2数字电视标准
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②② MPEG-2MPEG-2电视图像电视图像，写成，写成MPEG-2 VideoMPEG-2 Video，，规规
定电视数据的编码和解码，标准名是定电视数据的编码和解码，标准名是ISO/IEC ISO/IEC
13818-213818-2。。
为了适应各种应用，定义了电视图像的各种规格，为了适应各种应用，定义了电视图像的各种规格，
称为配置称为配置((profile)profile)，，如表如表11-0211-02所示。所示。
在在19961996年的标准中增加了年的标准中增加了4:2:24:2:2子采样格式子采样格式的图像。的图像。
多视角配置多视角配置((MVP)MVP)是附加的配置。是附加的配置。
对彩色电视图像进行采样时，有两种采样方法。对彩色电视图像进行采样时，有两种采样方法。
一种是使用相同的采样频率对图像的一种是使用相同的采样频率对图像的亮度亮度信号信号YY
和和色差色差信号信号CrCbCrCb进行采样，另一种是对亮度信号进行采样，另一种是对亮度信号
和色差信号分别采用不同的采用频率进行采样。和色差信号分别采用不同的采用频率进行采样。
如果对色差信号使用的采样频率比对亮度信号使如果对色差信号使用的采样频率比对亮度信号使
用的采样频率低，这种采样就称为图像子采样。用的采样频率低，这种采样就称为图像子采样。
MPEG-2数字电视标准
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表表11-02 11-02 MPEG-2MPEG-2电视图像配置电视图像配置
MPEG-2数字电视标准
Sim
ple
简化
Main
基本
SNR
scalable
信噪比
可变型
Spatial
scalable
空间分辨
率可变型
High
高级
Multiview
多视角型
4:
2:
2
等
级
High level
(高级)
★ ★
High-1440
level
(高级
1440)
★ ★ ★
Main level
(基本级)
★ ★ ★ ★ ★ ★
Low level
(低级)
★ ★
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③③ MPEG-2MPEG-2声音声音，写成，写成MPEG-2 AudioMPEG-2 Audio，，规定规定
声音数据的编码和解码，是声音数据的编码和解码，是MPEG-1 AudioMPEG-1 Audio的的
扩充，支持多个声道，标准名是扩充，支持多个声道，标准名是ISO/IEC ISO/IEC
13818-313818-3。。
④④ MPEG-2MPEG-2一致性测试一致性测试，写成，写成MPEG-2 MPEG-2
Conformance testingConformance testing，，标准名是标准名是ISO/IEC ISO/IEC
DIS 13818-4DIS 13818-4。。
⑤⑤ MPEG-2MPEG-2软件模拟软件模拟，写成，写成MPEG-2 MPEG-2
Software simulationSoftware simulation，，标准名是标准名是ISO/IEC TR ISO/IEC TR
13818-513818-5。。
MPEG-2数字电视标准
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⑥⑥ MPEG-2MPEG-2数字存储媒体命令和控制扩展协议数字存储媒体命令和控制扩展协议，，
写成写成MPEG-2 Extensions for DSM-CCMPEG-2 Extensions for DSM-CC，，标准标准
名是名是ISO/IEC DIS 13818-6ISO/IEC DIS 13818-6。。
这是一个数字存储媒体命令和控制这是一个数字存储媒体命令和控制((DSM-CC)DSM-CC)扩扩
展协议，用于管理展协议，用于管理MPEG-1MPEG-1和和MPEG-2MPEG-2的数据的数据
流，使流，使数据流数据流既可在单机上运行，又可在异构既可在单机上运行，又可在异构
网络环境下运行。网络环境下运行。
在在DSM-CCDSM-CC模型中，模型中，serverserver和和clientclient都被认为都被认为
是是DSM-CCDSM-CC网络的网络的useruser，，DSM-CCDSM-CC定义了一个定义了一个
称为称为会话和资源管理会话和资源管理((SRM)SRM)的实体，用来集中的实体，用来集中
管理网络中的会话和资源，如图管理网络中的会话和资源，如图11-0311-03所示。所示。
Windows RPC/LPCWindows RPC/LPC
MPEG-2数字电视标准
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图图11-03 11-03 DSM-CCDSM-CC参考模型参考模型
MPEG-2数字电视标准
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⑦⑦ MPEG-2MPEG-2高级声音编码高级声音编码，写成，写成MPEG-2 MPEG-2
AACAAC，，是是多声道多声道声音编码算法标准。这个标准声音编码算法标准。这个标准
除后向兼容除后向兼容MPEG-1 AudioMPEG-1 Audio标准之外，还有非标准之外，还有非
后向兼容的声音标准。标准名是后向兼容的声音标准。标准名是ISO/IEC ISO/IEC
13818-713818-7。。
⑧⑧ MPEG-2MPEG-2系统解码器实时接口扩展标准系统解码器实时接口扩展标准，标，标
准名是准名是ISO/IEC 13818-9ISO/IEC 13818-9。。
这是传输数据流这是传输数据流((TSTS))的实时接口的实时接口((RTI)RTI)标准，标准，
用来适应来自网络的传输数据流，如图用来适应来自网络的传输数据流，如图11-0411-04
所示。所示。
MPEG-2数字电视标准
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图图11-04 11-04 实时接口参考模型实时接口参考模型
MPEG-2数字电视标准
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⑨⑨ MPEG-2 DSM-CCMPEG-2 DSM-CC一致性扩展测试一致性扩展测试，标准名，标准名
是是ISO/IEC DIS 13818-10ISO/IEC DIS 13818-10。。
⑩⑩ MPEG-2MPEG-2高级声音编码标准修正版高级声音编码标准修正版，标准名，标准名
是是Amendment 1 to ISO/IEC TR 13818-5Amendment 1 to ISO/IEC TR 13818-5。。
MPEG-2MPEG-2的的Part 8Part 8原计划用于采样精度为原计划用于采样精度为1010比比
特的电视图像编码，但由于目前工业界对此兴特的电视图像编码，但由于目前工业界对此兴
趣不大，因此该标准已暂停开发。趣不大，因此该标准已暂停开发。
MPEG-2数字电视标准
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MPEG-4MPEG-4为视听数据的编码和为视听数据的编码和交互播放交互播放开发算开发算
法和工具，是数据法和工具，是数据速率很低速率很低的多媒体通信标准。的多媒体通信标准。
MPEG-4MPEG-4的的目标目标是要在异构网络环境下能够高是要在异构网络环境下能够高
度可靠地工作，并且具有很强的交互功能。度可靠地工作，并且具有很强的交互功能。
MPEG-4MPEG-4引入了对象基表达的概念，用来表达引入了对象基表达的概念，用来表达
视听对象视听对象((AVO)AVO)；；
MPEG-4MPEG-4扩充了编码的数据类型，由自然数据扩充了编码的数据类型，由自然数据
对象扩展到计算机生成的合成数据对象，采用对象扩展到计算机生成的合成数据对象，采用
合成对象合成对象//自然对象混合编码自然对象混合编码((SNHC)SNHC)算法；算法；
在实现交互功能和在实现交互功能和对象复用对象复用中引入了组合、合中引入了组合、合
成和编排等重要概念。成和编排等重要概念。
MPEG-4MPEG-4系统构造如图系统构造如图11-0511-05所示，接收端的构所示，接收端的构
造部件如图造部件如图11-0611-06所示。所示。
MPEG-4多媒体应用标准
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图图11-05 11-05 MPEG-4MPEG-4系统示意图系统示意图
MPEG-4多媒体应用标准
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图图11-06 11-06 MPEG-4MPEG-4接收端的主要部件接收端的主要部件
MPEG-4多媒体应用标准
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MPEG-4MPEG-4中制定了一个称为中制定了一个称为传输多媒体集成框传输多媒体集成框
架架((DMIF)DMIF)的会话协议，用来管理多媒体数据流。的会话协议，用来管理多媒体数据流。
该协议在原则上与文件传输协议该协议在原则上与文件传输协议FTPFTP类似，其类似，其
差别是：差别是：FTPFTP返回的是返回的是数据数据，而，而DMIFDMIF返回的是返回的是
指向到何处获取数据流的指向到何处获取数据流的指针指针。。
DMIFDMIF覆盖了覆盖了33种种主要技术：广播技术，交互网主要技术：广播技术，交互网
络技术和光盘技术，如图络技术和光盘技术，如图11-0711-07所示。所示。
三网融合，移动互联网三网融合，移动互联网((亿亿))
MPEG-4多媒体应用标准
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图图11-011-077 MPEG-4MPEG-4支持的三类技术支持的三类技术
MPEG-4多媒体应用标准
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MPEG-4MPEG-4将应用在移动通信和公用电话交换网将应用在移动通信和公用电话交换网
((PSTN)PSTN)上，并支持可视电话上，并支持可视电话、、电视邮件电视邮件、、电子电子
报纸和其他报纸和其他低数据传输速率低数据传输速率场合下的应用。场合下的应用。
MPEG-4MPEG-4的标准名是甚低速率视听编码。的标准名是甚低速率视听编码。
截止到截止到19981998年年99月，已作为国际标准草案月，已作为国际标准草案((DIS)DIS)
的的MPEG-4MPEG-4文件有文件有66个个部分，它们是：部分，它们是：
MPEG-4多媒体应用标准
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①① MPEG-4MPEG-4系统标准系统标准，标准名是，标准名是ISO/IEC DIS ISO/IEC DIS
14496-1 Very-low bitrate audio-visual 14496-1 Very-low bitrate audio-visual
coding — Part 1: Systemscoding — Part 1: Systems。。
②② MPEG-4MPEG-4电视图像标准电视图像标准，标准名是，标准名是ISO/IEC ISO/IEC
DIS 14496-2 Very low bitrate audio-visual DIS 14496-2 Very low bitrate audio-visual
coding — Part 2: Videocoding — Part 2: Video。。
③③ MPEG-4MPEG-4声音标准声音标准，标准名是，标准名是ISO/IEC DIS ISO/IEC DIS
14496-3 Very low bitrate audio-visual 14496-3 Very low bitrate audio-visual
coding — Part 3: Audiocoding — Part 3: Audio。。
MPEG-4多媒体应用标准
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④④ MPEG-4MPEG-4一致性测试标准一致性测试标准，标准名是，标准名是
ISO/IEC DIS 14496-4 Very-low bitrate audioISO/IEC DIS 14496-4 Very-low bitrate audio
-visual coding — Part 4: Conformance -visual coding — Part 4: Conformance
TestingTesting。。
⑤⑤ MPEG-4MPEG-4参考软件参考软件，标准名是，标准名是ISO/IEC DIS ISO/IEC DIS
14496-5 Very-low bitrate audio-visual 14496-5 Very-low bitrate audio-visual
coding — Part 5: Reference softwarecoding — Part 5: Reference software
⑥⑥ MPEG-4MPEG-4传输多媒体集成框架传输多媒体集成框架，标准名是，标准名是
ISO/IEC DIS 14496-6 Very-low bitrate audioISO/IEC DIS 14496-6 Very-low bitrate audio
-visual coding — Part 6: Delivery -visual coding — Part 6: Delivery
Multimedia Integration Framework (DMIF)Multimedia Integration Framework (DMIF)。。
MPEG-4多媒体应用标准
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MPEG-7MPEG-7的工作于的工作于19961996年启动，名称叫做年启动，名称叫做多媒多媒
体体内容内容描述接口描述接口
目的目的是制定一套描述符标准，用来描述各种类是制定一套描述符标准，用来描述各种类
型的多媒体信息及它们之间的关系，以便更快型的多媒体信息及它们之间的关系，以便更快
更有效地更有效地检索检索信息。信息。
包括静态图像、图形、包括静态图像、图形、33DD模型、声音、话音、模型、声音、话音、
电视以及在多媒体演示中它们之间的组合关系。电视以及在多媒体演示中它们之间的组合关系。
数据类型还可包括面部特性和个人特性的表达。数据类型还可包括面部特性和个人特性的表达。
MPEG-7多媒体内容描述接口
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MPEG-7MPEG-7标准也是建筑在其他的标准之上的，标准也是建筑在其他的标准之上的，
MPEG-4MPEG-4中使用的形状描述符、中使用的形状描述符、MPEG-1MPEG-1和和
MPEG-2MPEG-2中使用的移动矢量等都可能在中使用的移动矢量等都可能在MPEG-MPEG-
77中用到。中用到。
图图11-0811-08表示了表示了MPEG-7MPEG-7的处理链。的处理链。
处理链处理链中包含有三个方框：特征抽取中包含有三个方框：特征抽取、、标准描标准描
述和检索工具述和检索工具。。
特征的自动抽取和分析对特征的自动抽取和分析对MPEG-7MPEG-7是至关重要是至关重要
的，开发自动的和交互式半自动抽取的算法和的，开发自动的和交互式半自动抽取的算法和
工具都是很有用的。工具都是很有用的。
特征抽取和检索工具都特征抽取和检索工具都不不包含在包含在MPEG-7MPEG-7标准标准
中，而是留给大家去竞争。中，而是留给大家去竞争。
MPEG-7多媒体内容描述接口
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图图11-08 11-08 MPEG-7MPEG-7的范围的范围
MPEG-7多媒体内容描述接口
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MPEG-7MPEG-7的应用领域包括：的应用领域包括：
数字图书馆数字图书馆，，例如图像目录、音乐词典等；例如图像目录、音乐词典等；
多媒体目录服务多媒体目录服务，，例如黄页等例如黄页等；；
广播媒体的选择，例如无线电频道，广播媒体的选择，例如无线电频道，TVTV频道等；频道等；
多媒体编辑：个人电子新闻服务，多媒体创作。多媒体编辑：个人电子新闻服务，多媒体创作。
潜在的应用领域包括：新闻潜在的应用领域包括：新闻(Digg)(Digg)、购物、购物(Like)(Like)、、
生活生活((爱帮爱帮))、旅游、旅游((酷讯酷讯))、教育、娱乐、医疗等。、教育、娱乐、医疗等。
基于语义的搜索引擎发展基于语义的搜索引擎发展(Web )(Web )
MPEG-7多媒体内容描述接口
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34
网络新闻网络新闻11 – Yahoo– Yahoo！！
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网络新闻网络新闻22 – Google– Google
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网络新闻网络新闻33 – Digg (– Digg (社交网络社交网络))
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购物搜索购物搜索 – –
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生活搜索生活搜索 – – 爱帮网爱帮网 ((刘建国刘建国))
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旅游搜索旅游搜索 – – 酷讯网酷讯网
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1.阐述JPEG算法的主要计算步骤，并标注
哪些是有损压缩环节。
2.分别阐述色调，饱和度和明度的含义。
3.分别阐述MPEG1/2/4/7四个标准各自的
应用范围及主要特点。
作 业
40
