數(shù)字通信技術(shù)03-3.ppt

3.4 圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn),3,圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn),內(nèi)容： 圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)的種類，如JPEG、MPEG、H.26x 等標(biāo)準(zhǔn)，熟悉實(shí)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)所采用的算法以及應(yīng)用 要求： 掌握?qǐng)D像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)的種類，如JPEG、MPEG、H.26x 等標(biāo)準(zhǔn)，熟悉實(shí)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)所采用的算法以及應(yīng)用,4,引言,圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)的分類 靜止圖像編碼標(biāo)準(zhǔn) JPEG JPEG2000 活動(dòng)圖像編碼標(biāo)準(zhǔn) H.26X：H.261、H.263、H.264 MPEG： MPEG-1、 MPEG-2、 MPEG-4、 MPEG-7,3.4.1 靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn),6,一、JPEG,JPEG研究小組 1986年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO和國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)CCITT共同成立了聯(lián)合圖像專家組（Joint Photographic Experts Group），對(duì)靜止圖像壓縮編碼的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。 建議形成 JPEG小組于1988年提出建議書，1992年成為靜止圖像壓縮編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。JPEG是一個(gè)達(dá)到數(shù)字演播室標(biāo)準(zhǔn)的圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，其亮度信號(hào)與色度信號(hào)均按照ITUR601的規(guī)定取樣后劃分為8x8子塊進(jìn)行編碼處理。,7,一、JPEG,JPEC標(biāo)準(zhǔn)主要涉及連續(xù)色調(diào)（灰度和彩色）靜止圖像的壓縮編碼。共提供了四種工作模式： 順序模式（基準(zhǔn)模式）：依掃描順序，從左到右、從上到下，一次完成對(duì)圖像的DCT變換和編碼； 漸進(jìn)模式：多次掃描完成編碼，第一次掃描是對(duì)前一次的細(xì)化； 分層漸進(jìn)模式：將原始圖像用不同的空間分辨率表示，每一種分辨率對(duì)應(yīng)于一個(gè)掃描。 無(wú)損模式：只作簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)，不引入量化，壓縮率比較低。,所有JPEC模式的編解碼器必須支持基準(zhǔn)模式。當(dāng)硬件處理的速度足夠快時(shí)，JPEC也能用于實(shí)時(shí)視頻的壓縮。,8,一、JPEG,9,Forward Discrete Cosine Transform,Quantizer,Entropy Encoder,Table Specification,Table Specification,Entropy Decoder,Dequantizer,Inverse DCT,Table Specification,Table Specification,Source Image Data,Reconstructed Image Data,Compressed Image Data,Compressed Image Data,8x8 blocks,一、JPEG,基準(zhǔn)模式的JPEG編解碼框圖,10,一、JPEG,基準(zhǔn)模式編碼過(guò)程： 輸入信號(hào)經(jīng)DCT變換后，按固定的亮度與色度量化矩陣進(jìn)行非線性量化。 對(duì)量化后相鄰圖像塊的DCT直流系數(shù)單獨(dú)進(jìn)行DPCM編碼。 對(duì)余下的63個(gè)交流系數(shù)進(jìn)行游程編碼。 對(duì)DPCM編碼后的直流系數(shù)和游程編碼后的交流系數(shù)再進(jìn)行Huffman編碼或算術(shù)編碼。 送緩存器輸出。,11,一、JPEG,JPEC算法的平均壓縮比為15:1，當(dāng)壓縮比大于50時(shí)將會(huì)出現(xiàn)方塊效應(yīng)。 為提高恢復(fù)圖像的質(zhì)量，尤其是低碼率時(shí)的質(zhì)量，并根據(jù)圖像質(zhì)量、視覺(jué)感受和分辨率來(lái)達(dá)到漸進(jìn)傳輸、對(duì)碼流進(jìn)行隨機(jī)存取和處理、開放結(jié)構(gòu)、向下兼容等要求，1999年3月形成了JPEC2000工作草案，并于2000年正式頒布，升級(jí)并取代了JPEC標(biāo)準(zhǔn)。,12,二、JPEG2000,正式名稱：ISO 15444 特點(diǎn) 采用以小波變換為主的多分辨率編碼方式，放棄了JPEG所采用的以DCT為主的分塊編碼方式; 將彩色靜態(tài)畫面采用的JPEG編碼方式與2值圖像采用的JBIG編碼方式統(tǒng)一起來(lái)，成為對(duì)應(yīng)各種圖像的通用編碼方式,13,二、JPEG2000,JPEC2000編譯碼原理圖,14,compressione 100:1,compressione 100:1,/JPEG2000.htm,二、JPEG2000,JPEG2000性能,15,二、JPEG2000,JPEG2000新特性 漸進(jìn)傳輸 無(wú)損壓縮和有損壓縮 感興趣區(qū)域壓縮 高壓縮率 連續(xù)色調(diào)和二值壓縮 碼流的隨機(jī)訪問(wèn)和處理 容錯(cuò)性 開放的框架結(jié)構(gòu) 基于內(nèi)容的描述 WEB圖像簡(jiǎn)單化,16,二、JPEG2000,漸進(jìn)傳輸,17,二、JPEG2000,無(wú)損壓縮和有損壓縮 JPEG2000提供無(wú)損和有損兩種壓縮方式，無(wú)損壓縮在許多領(lǐng)域是必須的，例如醫(yī)學(xué)圖像中有時(shí)有損壓縮是不能忍受的，再如圖像檔案中為了保存重要的信息有較高的圖像質(zhì)量是必然的要求。同時(shí)JPEG2000提供的是嵌入式碼流，允許從有損到無(wú)損的漸進(jìn)解壓，這也是小波變換過(guò)程中分解與重構(gòu)的特點(diǎn)。,18,二、JPEG2000,感興趣區(qū)域壓縮,對(duì)感興趣區(qū)域指定壓縮質(zhì)量,19,二、JPEG2000,高壓縮率,20,二、JPEG2000,高壓縮率,3.4.2 運(yùn)動(dòng)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn),22,一、圖像尺寸的規(guī)定,CCIR601建議 PAL： 625行/50場(chǎng) 720像素576行 NTSC：525行/60場(chǎng) 720像素480行 為了符合H.261建議或MPEG-1建議要求的碼率 亮度：720576/480360288/240 色差：360576/480180144/120 為了能分割為1616子塊 亮度352288 色差176144 即為H.261建議規(guī)定的“公用中間格式”（Common Intermedia Format）,23,一、圖像尺寸的規(guī)定,視頻編碼圖像格式一覽表,SIF：Source Input Format，CIF：Common Intermedia Format，QCIF：Quarter CIF,24,二、H.261,簡(jiǎn)介： H.261是第一個(gè)視頻圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)； H.261又稱為P64，分別對(duì)應(yīng)視頻電話（p=1,2）與電話會(huì)議（p5）； H.261支持QCIF（p=1,2）和CIF這兩種圖像格式。 H.261的編碼方法包括： DCT變換； 可控步長(zhǎng)線性量化； 變長(zhǎng)編碼及預(yù)測(cè)編碼。,25,二、H.261,H.261數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),26,二、H.261,圖像層,塊組層,宏塊層,塊層,MPEG視頻部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖,27,二、H.261,H.261圖像序列的組成結(jié)構(gòu)如下： 圖像層(Picture Layer, P)：由圖像頭和GOB數(shù)據(jù)組成； 塊組層(Group of Block Layer,GOB)：由一個(gè)GOB頭和MB數(shù)據(jù)組成； 宏塊層(Macro Block Layer,MB)：由一個(gè)MB頭和B數(shù)據(jù)組成； 塊層(Block Layer,B)：包括一個(gè)塊的DCT系數(shù)（包括亮度和色度），后接一個(gè)固定長(zhǎng)度的結(jié)束碼(End Of Block,EOB)。,28,二、H.261,CIF格式,QCIF的GOB數(shù)是CIF的1/4，即3個(gè)GOB。其它結(jié)構(gòu)與CIF相同。,29,二、H.261,H.261壓縮編碼原理圖,30,三、H.263,H.263 傳輸速率低于64K，適用于低比特率條件下對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行壓縮編碼。 壓縮編碼算法：結(jié)構(gòu)與H.261類似，包括幀間預(yù)測(cè)（含運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償）、DCT變換和變長(zhǎng)熵編碼。不同點(diǎn)是：H.263的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償采用的是半像素精度，而H.261采用的是全像素精度和一個(gè)環(huán)路濾波器。 H.263增加了支持的圖像格式，編碼器必須支持sub-QCIF和QCIF中的一個(gè)，是否支持其他格式由用戶自己決定。其它格式包括：CIF、4CIF、16CIF。,31,三、H.263,H.263的可選模式 1、非限制運(yùn)動(dòng)矢量模式，能夠反映較快的圖像運(yùn)動(dòng)。 2、先進(jìn)預(yù)測(cè)模式。這種模式能提高幀間預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，可以在比特率不變的情況下降低方塊效應(yīng)，提高圖像的主觀質(zhì)量。 3、算術(shù)編碼模式。用算術(shù)編碼方法代替缺省模式下的可變長(zhǎng)編碼方法來(lái)實(shí)現(xiàn)熵編碼，在不損失信噪比的前提下可以把輸出比特率降低5%左右。 4、PB幀模式。該模式在不明顯增加比特率的同時(shí)，把圖像的幀速率提高一倍。,32,四、H.264,H.264 在較低帶寬上提供高質(zhì)量圖像傳輸是H.264的應(yīng)用亮點(diǎn)。 采用的新技術(shù)：統(tǒng)一的VLC符號(hào)編碼，高精度、多模式的位移估計(jì)，基于44塊的整數(shù)變換、分層的編碼語(yǔ)法等。 壓縮編碼算法：DPCM加變換編碼的混合編碼模式。,33,四、H.264,H.264具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn) 幀間預(yù)測(cè) 幀間預(yù)測(cè)用于降低圖像的時(shí)域相關(guān)性，通過(guò)采用多幀參考和更小預(yù)測(cè)區(qū)域等方法對(duì)下一幀進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，從而減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。在H.264中，對(duì)亮度塊的劃分方法有1616、168、816和88四種，而且當(dāng)選取88劃分時(shí)，可以進(jìn)一步按照88、84、48以及44進(jìn)行亞分割。,34,四、H.264,幀內(nèi)預(yù)測(cè) 在H.264中，亮度塊可以有9種44塊和4種1616塊的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式，色度88塊的4種預(yù)測(cè)模式與亮度的4種1616塊的預(yù)測(cè)模式一樣。 分層設(shè)計(jì) H.264的算法在概念上可以分為兩層：視頻編碼層（VCL：Video Coding Layer）負(fù)責(zé)高效的視頻內(nèi)容表示，網(wǎng)絡(luò)提取層（NAL：Network Abstraction Layer）負(fù)責(zé)以網(wǎng)絡(luò)所要求的恰當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和傳送。,35,四、H.264,高精度、多模式運(yùn)動(dòng)估計(jì) H.264支持1/4或1/8像素精度的運(yùn)動(dòng)矢量。與整數(shù)精度的空間預(yù)測(cè)相比，可以提高大于20的編碼效率。 44塊的整數(shù)變換 H.264與先前的標(biāo)準(zhǔn)相似，對(duì)殘差采用基于塊的變換編碼，但變換是整數(shù)操作而不是實(shí)數(shù)運(yùn)算，其過(guò)程和DCT基本相似。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于：在編碼器中和解碼器中允許精度相同的變換和反變換，便于使用簡(jiǎn)單的定點(diǎn)運(yùn)算方式。也就是說(shuō)，這里沒(méi)有“反變換誤差”。,36,四、H.264,統(tǒng)一的VLC H.264中熵編碼有兩種方法，一種是對(duì)所有的待編碼的符號(hào)采用統(tǒng)一的VLC(UVLC ：Universal VLC)，另一種是采用內(nèi)容自適應(yīng)的二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC：Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding)。CABAC是可選項(xiàng)，其編碼性能比UVLC稍好，但計(jì)算復(fù)雜度也高。 面向IP和無(wú)線環(huán)境 H.264草案中包含了用于差錯(cuò)消除的工具，便于壓縮視頻在IP和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。,37,四、H.264,面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 H.264在系統(tǒng)層上提出了全新的概念，定義了VCL和NAL。其中VCL包括了VCL編碼器與VCL解碼器，主要功能是采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、變換編碼、熵編碼以及去方塊濾波等多種技術(shù)，進(jìn)行視頻壓縮數(shù)據(jù)的高效組織與表示。 復(fù)雜度增加 H.264優(yōu)越性能的獲得不是沒(méi)有代價(jià)的，其代價(jià)是計(jì)算復(fù)雜度的大大增加，據(jù)估計(jì)，編碼的計(jì)算復(fù)雜度大約相當(dāng)于H.263的3倍，解碼復(fù)雜度大約相當(dāng)于H.263的2倍。,38,五、MPEG,MPEG： Moving Picture Exports Group，是ISO組織下屬的運(yùn)動(dòng)圖像專家小組的英文縮寫。 MPEG系統(tǒng)組成：由系統(tǒng)層和壓縮層組成，包括MPEG系統(tǒng)、MPEG視頻和MPEG音頻三個(gè)部分。 MPEG編碼過(guò)程：MPEG的基本編碼過(guò)程與H.261相似，即通過(guò)DCT進(jìn)行幀間壓縮。除了在編碼語(yǔ)法上加進(jìn)了一些特別規(guī)定外，與H.261的一個(gè)重要不同是MPEG在預(yù)測(cè)編碼中加進(jìn)了一個(gè)雙向預(yù)測(cè)幀B幀。 MPEG特點(diǎn)：是不對(duì)稱算法，編碼算法很復(fù)雜，譯碼算法簡(jiǎn)單。其主要應(yīng)用于圖像存貯、電視廣播等方面。,39,五、MPEG,MPEG是ISO組織下屬的運(yùn)動(dòng)圖像專家小組Moving Picture Exports Group的英文縮寫，于1988年成立，是為數(shù)字視/音頻制定壓縮標(biāo)準(zhǔn)的專家組。 MPEG組織最初得到的授權(quán)是制定用于“活動(dòng)圖像”編碼的各種標(biāo)準(zhǔn)，隨后擴(kuò)充為“及其伴隨的音頻”及其組合編碼。后來(lái)針對(duì)不同的應(yīng)用需求，解除了“用于數(shù)字存儲(chǔ)媒體”的限制，成為現(xiàn)在制定“活動(dòng)圖像和音頻編碼”標(biāo)準(zhǔn)的組織。 目前已提出MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21標(biāo)準(zhǔn)。,40,六、MPEG-1,MPEG-1： MPEG-1主要是針對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像和聲音在數(shù)字存儲(chǔ)時(shí)的壓縮編碼，典型應(yīng)用如VCD等家用數(shù)字音像產(chǎn)品，其編碼最高碼率為1.5Mbps。 MPEG-l標(biāo)準(zhǔn)可以處理各種類型的活動(dòng)圖像，其基本算法對(duì)于壓縮水平方向 360個(gè)像素豎直方向288個(gè)像素的空間分辨力，每秒24至30幅畫面的運(yùn)動(dòng)圖像有很好的效果，MPEG-l標(biāo)準(zhǔn)提供了一些錄像機(jī)的功能：正放，圖像凍結(jié)、快進(jìn)、快倒和慢放。此外，還提供了隨機(jī)存儲(chǔ)的功能。,41,六、MPEG-1,MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)共計(jì)包括五個(gè)部分 第一部分說(shuō)明了如何根據(jù)第二部分（視頻）以及第三部分（音頻）的規(guī)定，對(duì)音頻和視頻進(jìn)行復(fù)合編碼。第四部分說(shuō)明了檢驗(yàn)解碼器或編碼器的輸出比特流符合前三部分規(guī)定的過(guò)程。第五部分是一個(gè)用完整的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的編碼和解碼器。,42,六、MPEG-1,MPEG-l標(biāo)準(zhǔn)采用了一系列技術(shù)以獲得高壓縮比 對(duì)色差信號(hào)進(jìn)行亞取樣，減少數(shù)據(jù)量； 采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)減少幀間冗余度； 做二維DCT變換去除空間相關(guān)性； 對(duì)DCT分量進(jìn)行量化，舍去不重要的信息，將 量化后的DCT分量按照頻率重新排序； 將 DCT分量進(jìn)行變字長(zhǎng)編碼； 對(duì)每數(shù)據(jù)塊的直流分量(DC)進(jìn)行預(yù)測(cè)差分編碼。,43,六、MPEG-1,MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)從頒布的那一刻起，取得一連串的成功，如VCD和MP3的大量使用，Windows95以后的版本都帶有一個(gè)MPEG-1軟件解碼器，便攜式MPEG-1攝像機(jī)等等。,44,六、MPEG-1,【MP3】: MP3是MPEG-1格式中的音頻壓縮部分。MP3是英文“MPEG Audio Layer-3”的縮略語(yǔ),“Layer-3”是 Layer-1, Layer-2以后，作為升級(jí)版（version up）的產(chǎn)品。與其前身相比，Layer-3 具有最好的壓縮率，并被命名為MP3，其應(yīng)用最為廣泛，表3-7給出了Layer-1、 Layer-2及Layer-3的壓縮比。,45,六、MPEG-1,編碼格式 壓縮比 Layer-1 4:1 Layer-2 4:16:1 Layer-3 10:112:1 MP3本質(zhì)上是指音頻文件壓縮的格式，現(xiàn)在我們通常說(shuō)的MP3是指取樣該壓縮方法的音頻文件，有時(shí)也將能播放MP3的播放器簡(jiǎn)稱為MP3。,46,七、MPEG-2,MPEG-2： 則針對(duì)數(shù)字電視的視音頻壓縮編碼， MPEG組織于1994年推出MPEG-2壓縮標(biāo)準(zhǔn)。 MPEG-2對(duì)數(shù)字電視各種等級(jí)的壓縮編碼方案及圖像編碼中劃分的層次作了詳細(xì)的規(guī)定，其編碼碼率可從3Mbps到100Mbps。MPEG-2特別適用于廣播級(jí)的數(shù)字電視的編碼和傳送，被認(rèn)定為