第4章數(shù)字彩色電視制式

1、第第4章章 數(shù)字彩色電視制式數(shù)字彩色電視制式4.1 數(shù)字彩色電視制式概述數(shù)字彩色電視制式概述模擬彩色電視制式的缺陷模擬彩色電視制式的缺陷高清晰度電視的需求高清晰度電視的需求數(shù)字技術(shù)的發(fā)展數(shù)字技術(shù)的發(fā)展國(guó)際電信聯(lián)盟國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)對(duì)高清晰度電視的定義：對(duì)高清晰度電視的定義：垂直和水平方向的空間分解力大致是垂直和水平方向的空間分解力大致是CCIR601號(hào)建議書號(hào)建議書中規(guī)定值的兩倍，例如水平中規(guī)定值的兩倍，例如水平1920像素，垂直像素，垂直1080像素；像素；寬高比為寬高比為16：9，屏幕對(duì)角線長(zhǎng)度大于，屏幕對(duì)角線長(zhǎng)度大于1米，并配有多聲米，并配有多聲道優(yōu)質(zhì)伴音；道優(yōu)質(zhì)伴音；觀看距離為屏幕

2、高度的三倍時(shí)，圖像的主觀質(zhì)量接近或觀看距離為屏幕高度的三倍時(shí)，圖像的主觀質(zhì)量接近或達(dá)到觀看真實(shí)景物的效果，相當(dāng)于達(dá)到觀看真實(shí)景物的效果，相當(dāng)于35mm電影放映的圖像電影放映的圖像質(zhì)量。質(zhì)量。v美國(guó)美國(guó)1986年以前支持日本的年以前支持日本的MUSE制制1987年提出發(fā)展年提出發(fā)展ATV（Advanced Television，高級(jí)電視）高級(jí)電視）1990年年5月月,美國(guó)美國(guó)GI公司正式發(fā)表全數(shù)字公司正式發(fā)表全數(shù)字HDTV傳傳輸制式輸制式DigiCipher1993年年5月成立月成立HDTV大聯(lián)盟大聯(lián)盟 (Grand Alliance, GA），著手制定統(tǒng)一的美國(guó)），著手制定統(tǒng)一的美國(guó) HDTV

3、標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。1995年年4月通過(guò)了月通過(guò)了ATSC (Advanced Television System Committee)數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)v歐洲歐洲1981年英國(guó)獨(dú)立廣播公司研制出年英國(guó)獨(dú)立廣播公司研制出C-MAC（Multipled Analogue Component）制）制:亮度、色差時(shí)分，兩個(gè)色差逐行輪換，射頻載亮度、色差時(shí)分，兩個(gè)色差逐行輪換，射頻載波調(diào)頻傳送，視頻帶寬波調(diào)頻傳送，視頻帶寬8.4MHz1986年提出年提出HD-MAC制制受 美 國(guó) 數(shù) 字 制 式 影 響 ，受 美 國(guó) 數(shù) 字 制 式 影 響 ， 1 9 9 3 年 開(kāi) 展年 開(kāi) 展 D V B （Dig

4、ital Video Broadcast）研究）研究 1995年，歐洲成立了年，歐洲成立了DVB聯(lián)盟，共同制定數(shù)字聯(lián)盟，共同制定數(shù)字電視的電視的DVB標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)：DVBS（Satellite）、 DVBC（Cable）、）、 DVBT（Terrestrial)v日本日本日本廣播協(xié)會(huì)（日本廣播協(xié)會(huì)（NHK）197080年代提出模擬高清年代提出模擬高清晰度電視制式晰度電視制式MUSE制（多重亞奈抽樣編碼）：制（多重亞奈抽樣編碼）：1125行，行，60場(chǎng)，隔行掃描，場(chǎng)，隔行掃描，16：9幅型比；色幅型比；色度信號(hào)與亮度信號(hào)時(shí)分復(fù)用：度信號(hào)與亮度信號(hào)時(shí)分復(fù)用：TCI（時(shí)間壓縮合（時(shí)間壓縮合成）；多重亞

5、奈抽樣壓縮信號(hào)頻帶：成）；多重亞奈抽樣壓縮信號(hào)頻帶：4場(chǎng)傳送場(chǎng)傳送1幅幅HDTV圖像；圖像；8.1MHz帶寬，調(diào)頻傳送帶寬，調(diào)頻傳送1996年啟動(dòng)數(shù)字電視研制年啟動(dòng)數(shù)字電視研制1998年年9月制訂月制訂ISDB-T (Integrated Services Digital Broadcasting -Terrestrial)數(shù)字電視地面廣數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，與歐洲的播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，與歐洲的DVB-T類似類似v中國(guó)中國(guó)2002年組建音視頻技術(shù)（年組建音視頻技術(shù)（AVS: Audio Video coding Standard ）標(biāo)準(zhǔn)工作組）標(biāo)準(zhǔn)工作組2006年視頻部分正式頒布為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)年視頻部

6、分正式頒布為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)http:/ Pictures Experts Group）：活動(dòng)圖像專家）：活動(dòng)圖像專家組。組。MPEG-2：1994-1996年提出的用于廣播電視的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)年提出的用于廣播電視的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)v“Profile”和和“Level”(“型型”和和“級(jí)級(jí)”) 按視頻格式分按視頻格式分4個(gè)級(jí)：低級(jí)，主級(jí)，高個(gè)級(jí)：低級(jí)，主級(jí)，高1440級(jí)，高級(jí)級(jí)，高級(jí)按編碼工具分按編碼工具分5個(gè)型：個(gè)型： 簡(jiǎn)單型，主型，信噪比可分級(jí)型，空間簡(jiǎn)單型，主型，信噪比可分級(jí)型，空間可分級(jí)型，高型可分級(jí)型，高型 共有共有11種獲得通過(guò)的組合，例如：種獲得通過(guò)的組合，例如： 主型主級(jí)，主型主級(jí)，MPML

7、，用于，用于SDTV， 碼率碼率15Mb/s 主型高級(jí)，主型高級(jí)，MPHL，用于，用于HDTV， 碼率碼率80Mb/s MPEG-2MPEG-2適用點(diǎn)適用點(diǎn)4.2.1 視頻信源編碼的理論依據(jù)視頻信源編碼的理論依據(jù)v原始圖像數(shù)據(jù)在空間及時(shí)間上的統(tǒng)計(jì)冗余度很大，存在大原始圖像數(shù)據(jù)在空間及時(shí)間上的統(tǒng)計(jì)冗余度很大，存在大量無(wú)需傳送的多余信息：量無(wú)需傳送的多余信息：圖像的相鄰像素、相鄰行之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性圖像的相鄰像素、相鄰行之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性空空間相關(guān)性（幀內(nèi)相關(guān)性）間相關(guān)性（幀內(nèi)相關(guān)性）相鄰場(chǎng)或幀對(duì)應(yīng)像素間存在相關(guān)性相鄰場(chǎng)或幀對(duì)應(yīng)像素間存在相關(guān)性時(shí)間相關(guān)性（幀時(shí)間相關(guān)性（幀間相關(guān)性）間相關(guān)性）信

8、息保持無(wú)損壓縮編碼信息保持無(wú)損壓縮編碼v人眼對(duì)圖像細(xì)節(jié)、幅度的變化、圖像的運(yùn)動(dòng)不同時(shí)具有最人眼對(duì)圖像細(xì)節(jié)、幅度的變化、圖像的運(yùn)動(dòng)不同時(shí)具有最高的分辨力：高的分辨力：信息非保持有損壓縮編碼信息非保持有損壓縮編碼4.2 視頻信源編碼原理視頻信源編碼原理圖像編碼壓縮比圖像編碼壓縮比v壓縮比壓縮比=未壓縮前的總數(shù)據(jù)未壓縮前的總數(shù)據(jù)/壓縮后的總數(shù)據(jù)壓縮后的總數(shù)據(jù)Musmann定律曲線定律曲線目前最新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：由目前最新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：由JCTVC（ Joint collaborative team on video coding）制定的）制定的 High Efficiency Video Coding (

9、HEVC)著名圖像專家德國(guó)著名圖像專家德國(guó)Musmann教授教授2006年在年在北京主持了北京主持了“圖象編碼圖象編碼的過(guò)去與未來(lái)的過(guò)去與未來(lái)”專題討專題討論會(huì)，對(duì)圖像編碼壓縮論會(huì)，對(duì)圖像編碼壓縮技術(shù)的過(guò)去幾十年工作技術(shù)的過(guò)去幾十年工作做了總結(jié)，認(rèn)為：達(dá)到做了總結(jié)，認(rèn)為：達(dá)到廣播質(zhì)量的視頻編碼的廣播質(zhì)量的視頻編碼的壓縮比大約每壓縮比大約每5年翻一番。年翻一番。后來(lái)被公認(rèn)稱為后來(lái)被公認(rèn)稱為Musmann定律。定律。 Activities of new coding standardsvJCTVC: Joint collaborative team on video coding: High Ef

10、ficiency Video Coding (HEVC)vTarget: comparing with H.264 High ProfileCoding efficiency: 50% bit rate with the same image qualityComplexity: v50% bit rate reduction with 3 times complexityv25% bit rate reduction with 50% complexityOther requirements: vError robustnessvLow end-to-end delayvRandom acc

11、essvScalabilitiesOverview of the High Efficiency Video Coding (HEVC) Standard，IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS FOR VIDEO TECHNOLOGY, VOL. 22, NO. 12, DECEMBER 2012典型的典型的HEVC視頻編碼器視頻編碼器混合編碼混合編碼v截至截至2008年，國(guó)內(nèi)外所有圖像信源壓縮標(biāo)準(zhǔn)年，國(guó)內(nèi)外所有圖像信源壓縮標(biāo)準(zhǔn)都是采用混合編碼壓縮方法。都是采用混合編碼壓縮方法。v它包括預(yù)測(cè)編碼、變換編碼、熵編碼等技術(shù)，它包括預(yù)測(cè)編碼、變換編碼、熵

12、編碼等技術(shù)，統(tǒng)稱為混合編碼壓縮方法。統(tǒng)稱為混合編碼壓縮方法。v對(duì)照編解碼框圖可以看出，編碼器中包含了對(duì)照編解碼框圖可以看出，編碼器中包含了解碼器。解碼器。v混合編碼混合編碼混合編碼壓縮的編、解碼框圖混合編碼壓縮的編、解碼框圖該方案中用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幀間預(yù)測(cè)去除圖像在時(shí)間域的冗余度，該方案中用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幀間預(yù)測(cè)去除圖像在時(shí)間域的冗余度，然后用變換編碼去除空間域的冗余度，最后再用熵編碼去然后用變換編碼去除空間域的冗余度，最后再用熵編碼去除經(jīng)量化后的變換系數(shù)中所含的統(tǒng)計(jì)冗余度。除經(jīng)量化后的變換系數(shù)中所含的統(tǒng)計(jì)冗余度。變換系數(shù)的量化利用了人眼的視覺(jué)特性，量化器的精度還變換系數(shù)的量化利用了人眼的視覺(jué)特性，量化器

13、的精度還受到輸出緩存器狀態(tài)的控制。受到輸出緩存器狀態(tài)的控制。輸出緩存器是為了適應(yīng)恒定碼率信道的要求，平滑變字長(zhǎng)輸出緩存器是為了適應(yīng)恒定碼率信道的要求，平滑變字長(zhǎng)編碼器輸出的不均勻碼流而設(shè)置的。當(dāng)緩存器接近上溢和編碼器輸出的不均勻碼流而設(shè)置的。當(dāng)緩存器接近上溢和下溢時(shí)，通過(guò)反饋控制量化器的精度調(diào)整緩存器的輸入碼下溢時(shí)，通過(guò)反饋控制量化器的精度調(diào)整緩存器的輸入碼流，保持輸出碼率的恒定。流，保持輸出碼率的恒定。混合編碼的壓縮比混合編碼的壓縮比v預(yù)測(cè)編碼、變換編碼及熵編碼研究歷史較長(zhǎng)，應(yīng)用預(yù)測(cè)編碼、變換編碼及熵編碼研究歷史較長(zhǎng)，應(yīng)用廣泛，由這三種編碼構(gòu)成的廣泛，由這三種編碼構(gòu)成的“混合型混合型”編碼是

14、目前編碼是目前圖像壓縮編碼的主流類型。圖像壓縮編碼的主流類型。v據(jù)統(tǒng)計(jì)，變換編碼的壓縮比為據(jù)統(tǒng)計(jì)，變換編碼的壓縮比為510倍，預(yù)測(cè)編碼的倍，預(yù)測(cè)編碼的壓縮比為壓縮比為23倍，熵編碼的壓縮比為倍，熵編碼的壓縮比為1.31.5倍，因倍，因此采用以上此采用以上“混合型混合型”編碼的平價(jià)壓縮比約為編碼的平價(jià)壓縮比約為1530倍。倍。v在在H.264標(biāo)準(zhǔn)中，由于采用了更精細(xì)的幀內(nèi)、幀間標(biāo)準(zhǔn)中，由于采用了更精細(xì)的幀內(nèi)、幀間預(yù)測(cè)編碼，整數(shù)變換和基于上下文自適應(yīng)變字長(zhǎng)編預(yù)測(cè)編碼，整數(shù)變換和基于上下文自適應(yīng)變字長(zhǎng)編碼等措施是壓縮比提高到碼等措施是壓縮比提高到100倍以上。倍以上?；旌暇幋a的壓縮方法混合編碼的壓縮

15、方法混合編碼壓縮分幾個(gè)步驟進(jìn)行混合編碼壓縮分幾個(gè)步驟進(jìn)行:1.把一幅彩色圖像分成亮度信號(hào)把一幅彩色圖像分成亮度信號(hào)Y（黑白圖像）和兩（黑白圖像）和兩個(gè)色差信號(hào)（個(gè)色差信號(hào)（U、V）三幅圖像。）三幅圖像。2.將上述三幅圖像分割成整數(shù)個(gè)宏塊（將上述三幅圖像分割成整數(shù)個(gè)宏塊（MB）圖像和像）圖像和像素塊（素塊（B）圖像。）圖像。3.對(duì)每個(gè)像素塊分別進(jìn)行壓縮。對(duì)每個(gè)像素塊分別進(jìn)行壓縮。v上圖顯示了將一幅圖像分成宏塊的方法。上圖顯示了將一幅圖像分成宏塊的方法。v例如，可把例如，可把QCIF格式的圖像分成格式的圖像分成119個(gè)宏塊個(gè)宏塊（MB），），MB像素為像素為1616，每個(gè)宏塊又可分為，每個(gè)宏塊又可

16、分為4個(gè)像素塊（個(gè)像素塊（B），所以每個(gè)像素塊的像素?cái)?shù)為），所以每個(gè)像素塊的像素?cái)?shù)為88。由于圖像壓縮是基于。由于圖像壓縮是基于88像素塊進(jìn)行的，像素塊進(jìn)行的，如果傳輸中產(chǎn)生了誤碼，則在接收端恢復(fù)的圖像如果傳輸中產(chǎn)生了誤碼，則在接收端恢復(fù)的圖像會(huì)產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生88像素塊整塊或幾個(gè)像素塊整塊或幾個(gè)88像素塊的錯(cuò)誤，像素塊的錯(cuò)誤，這就造成了所謂的這就造成了所謂的“馬賽克效應(yīng)馬賽克效應(yīng)”。v為了克服為了克服“馬賽克效應(yīng)馬賽克效應(yīng)”，在，在H.264標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)準(zhǔn)中采取了兩個(gè)步驟：采取了兩個(gè)步驟：1.將分塊變小，由將分塊變小，由88變?yōu)樽優(yōu)?42.加抗塊效應(yīng)濾波加抗塊效應(yīng)濾波v在混合編碼壓縮技術(shù)中既采用了無(wú)損

17、壓縮，在混合編碼壓縮技術(shù)中既采用了無(wú)損壓縮，又采用了有損壓縮，所以在接收端不能又采用了有損壓縮，所以在接收端不能100%地還原圖像。地還原圖像。4.2.2 預(yù)測(cè)編碼原理預(yù)測(cè)編碼原理v預(yù)測(cè)編碼概述預(yù)測(cè)編碼概述預(yù)測(cè)編碼也稱為預(yù)測(cè)編碼也稱為差分脈沖編碼調(diào)制差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM，Differential Pulse Code Modulation），使），使用已編碼像素的線性組合對(duì)未編碼像素進(jìn)行預(yù)用已編碼像素的線性組合對(duì)未編碼像素進(jìn)行預(yù)測(cè)，傳送其預(yù)測(cè)誤差（殘差）。測(cè)，傳送其預(yù)測(cè)誤差（殘差）。預(yù)測(cè)編碼有線性預(yù)測(cè)和非線性預(yù)測(cè)兩類預(yù)測(cè)編碼有線性預(yù)測(cè)和非線性預(yù)測(cè)兩類預(yù)測(cè)編碼又可分為幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼和幀間預(yù)測(cè)

18、編預(yù)測(cè)編碼又可分為幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼和幀間預(yù)測(cè)編碼碼約約80%90%以上的殘差信號(hào)絕對(duì)值落在以上的殘差信號(hào)絕對(duì)值落在1618個(gè)量化級(jí)個(gè)量化級(jí)以內(nèi)。可以用較少的比特表示差值，達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。以內(nèi)。可以用較少的比特表示差值，達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。DPCM就是通過(guò)去除鄰近像素間的相關(guān)性和減少對(duì)差值的就是通過(guò)去除鄰近像素間的相關(guān)性和減少對(duì)差值的量化層數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)碼率壓縮的。量化層數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)碼率壓縮的。幀內(nèi)預(yù)測(cè)采用幀內(nèi)預(yù)測(cè)采用1階前值預(yù)測(cè)，利用空間相關(guān)性；幀間預(yù)測(cè)階前值預(yù)測(cè)，利用空間相關(guān)性；幀間預(yù)測(cè)采用采用1階前向預(yù)測(cè)或階前向預(yù)測(cè)或2階雙向預(yù)測(cè)，利用時(shí)間相關(guān)性。階雙向預(yù)測(cè)，利用時(shí)間相關(guān)性。預(yù)測(cè)編碼的主要缺點(diǎn)是抗誤

19、碼能力差。若傳輸中產(chǎn)生誤碼，預(yù)測(cè)編碼的主要缺點(diǎn)是抗誤碼能力差。若傳輸中產(chǎn)生誤碼，由于遞歸預(yù)測(cè)算法，對(duì)于幀內(nèi)編碼會(huì)使誤差擴(kuò)散到圖像中由于遞歸預(yù)測(cè)算法，對(duì)于幀內(nèi)編碼會(huì)使誤差擴(kuò)散到圖像中一個(gè)較大的區(qū)域，對(duì)于幀間編碼會(huì)使誤差擴(kuò)散到后續(xù)的若一個(gè)較大的區(qū)域，對(duì)于幀間編碼會(huì)使誤差擴(kuò)散到后續(xù)的若干幀中。干幀中。iNiiNXaX11v預(yù)測(cè)編碼的類型預(yù)測(cè)編碼的類型前值預(yù)測(cè)：前值預(yù)測(cè)： 一維預(yù)測(cè)：一維預(yù)測(cè)：二維預(yù)測(cè)：二維預(yù)測(cè)：nNnNNNXaXaXaX.2211二維預(yù)測(cè)二維預(yù)測(cè) 11NNXaXv預(yù)測(cè)編碼的類型預(yù)測(cè)編碼的類型三維預(yù)測(cè)（時(shí)間預(yù)測(cè)或幀間預(yù)測(cè)）三維預(yù)測(cè)（時(shí)間預(yù)測(cè)或幀間預(yù)測(cè)）多幀預(yù)測(cè)多幀預(yù)測(cè)v預(yù)測(cè)編碼的類型預(yù)

20、測(cè)編碼的類型多假設(shè)（多假設(shè)（hypotheses）預(yù)測(cè)：多假設(shè)預(yù)測(cè)需要疊加）預(yù)測(cè)：多假設(shè)預(yù)測(cè)需要疊加由兩個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量所預(yù)測(cè)的兩個(gè)宏塊的預(yù)測(cè)值。最后預(yù)由兩個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量所預(yù)測(cè)的兩個(gè)宏塊的預(yù)測(cè)值。最后預(yù)測(cè)塊通過(guò)兩個(gè)假設(shè)的運(yùn)動(dòng)矢量的預(yù)測(cè)值平均后得到。測(cè)塊通過(guò)兩個(gè)假設(shè)的運(yùn)動(dòng)矢量的預(yù)測(cè)值平均后得到。1nx量化器量化器預(yù)測(cè)器預(yù)測(cè)器nxnxnenenx1z1znenxnx預(yù)測(cè)器預(yù)測(cè)器DPCM系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)方框圖編碼器編碼器解碼器解碼器DPCM系統(tǒng)的輸入信號(hào)系統(tǒng)的輸入信號(hào)XN是是PCM圖像信號(hào)。對(duì)于每一個(gè)圖像信號(hào)。對(duì)于每一個(gè)輸入樣值輸入樣值XN ，預(yù)測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)預(yù)測(cè)值，它是根據(jù)在預(yù)測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)預(yù)測(cè)值，它是根據(jù)在XN

21、之前已經(jīng)傳出的幾個(gè)近鄰樣值通過(guò)預(yù)測(cè)公式計(jì)算出來(lái)的，之前已經(jīng)傳出的幾個(gè)近鄰樣值通過(guò)預(yù)測(cè)公式計(jì)算出來(lái)的，傳送傳送XN 與預(yù)測(cè)值的差值與預(yù)測(cè)值的差值en。為便于預(yù)測(cè)編碼，把由連續(xù)的電視畫面組成的為便于預(yù)測(cè)編碼，把由連續(xù)的電視畫面組成的視頻序列視頻序列 （ sequence ） 劃分為許多圖像組劃分為許多圖像組（GOP, Group of Picture），每個(gè)圖像組由），每個(gè)圖像組由幾幀或十幾幀圖像組成，這些圖像相互間存在幾幀或十幾幀圖像組成，這些圖像相互間存在預(yù)測(cè)和生成關(guān)系。幀間預(yù)測(cè)編碼是以圖像組預(yù)測(cè)和生成關(guān)系。幀間預(yù)測(cè)編碼是以圖像組GOP為單位進(jìn)行的。為單位進(jìn)行的。I圖像圖像（Intra-Cod

22、ed Picture）幀內(nèi)編碼圖像，其編碼不依賴于其它圖像，它還是幀內(nèi)編碼圖像，其編碼不依賴于其它圖像，它還是P圖像和圖像和B圖像編碼、解碼的參考圖像。使用周期性的圖像編碼、解碼的參考圖像。使用周期性的I幀便幀便于初始化接收機(jī)和捕獲頻道。于初始化接收機(jī)和捕獲頻道。P圖像圖像（Predictively-Coded Picture）前向編碼預(yù)測(cè)圖像，像素的預(yù)測(cè)值為其前面一幀前向編碼預(yù)測(cè)圖像，像素的預(yù)測(cè)值為其前面一幀I圖圖像或像或P圖像中相應(yīng)圖像中相應(yīng)(已編碼已編碼)像素值。像素值。B圖像圖像（Bidiectionally-Coded Picture）雙向預(yù)測(cè)編碼圖像，像素的預(yù)測(cè)值為其前后相鄰幀相雙

23、向預(yù)測(cè)編碼圖像，像素的預(yù)測(cè)值為其前后相鄰幀相應(yīng)應(yīng)(已編碼已編碼)像素值的加權(quán)平均。像素值的加權(quán)平均。B圖像不能作為其它圖像圖像不能作為其它圖像的編碼參考圖像。使用的編碼參考圖像。使用B幀可提高壓縮效率，但需要兩個(gè)幀可提高壓縮效率，但需要兩個(gè)幀存儲(chǔ)器。幀存儲(chǔ)器。編碼器輸入端或解碼器輸出端的編碼器輸入端或解碼器輸出端的顯示順序顯示順序編碼器輸出端或解碼器輸入端的編碼器輸出端或解碼器輸入端的編碼順序編碼順序GOP示意圖示意圖v視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)塊塊:Block88像素塊像素塊宏塊宏塊:Macroblock1616像素塊像素塊像條像條:Slice由多個(gè)由多個(gè)Macroblock組組成成圖像組圖像

24、組：GOP視頻序列視頻序列：Sequence圖像圖像：Picturev宏塊的組成：宏塊的組成：124350YCrCb12375460YCrCb12437568910110YCrCb4：2：0格式的宏塊格式的宏塊4：2：2格式的宏塊格式的宏塊4：4：4格式的宏塊格式的宏塊在宏塊的三種構(gòu)成方在宏塊的三種構(gòu)成方式中，亮度塊的數(shù)目式中，亮度塊的數(shù)目均為均為4，而色度塊的數(shù)，而色度塊的數(shù)目分別為目分別為2、4和和8。v I圖像的幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼：圖像的幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼：在對(duì)在對(duì)I圖像進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼之前，首先對(duì)每一個(gè)圖像進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼之前，首先對(duì)每一個(gè)88的的像塊進(jìn)行二維離散余弦變換（像塊進(jìn)行二維離散余弦變換

25、（DCT，Discrete Cosine Transform），將像塊變換為由），將像塊變換為由88個(gè)變換系數(shù)組成的系個(gè)變換系數(shù)組成的系數(shù)塊。數(shù)塊。位于系數(shù)塊左上角的第一個(gè)系數(shù)是像塊中位于系數(shù)塊左上角的第一個(gè)系數(shù)是像塊中88個(gè)像素的個(gè)像素的平均值，代表像塊的直流分量，稱為平均值，代表像塊的直流分量，稱為DC系數(shù)系數(shù)，其余系數(shù)，其余系數(shù)為為AC系數(shù)系數(shù)。uMPEG-2標(biāo)準(zhǔn)幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼是對(duì)各個(gè)系數(shù)塊的標(biāo)準(zhǔn)幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼是對(duì)各個(gè)系數(shù)塊的DC系數(shù)系數(shù)進(jìn)行的，目的是去除在相鄰像塊的直流分量之間較強(qiáng)的相進(jìn)行的，目的是去除在相鄰像塊的直流分量之間較強(qiáng)的相關(guān)性。關(guān)性。u幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼只在像條所在的區(qū)域進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)

26、編碼只在像條所在的區(qū)域進(jìn)行u幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼采用前值預(yù)測(cè)幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼采用前值預(yù)測(cè)0000 ( )(1)ynynv運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幀間預(yù)測(cè)編碼運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幀間預(yù)測(cè)編碼直接幀間前值預(yù)測(cè)存在的問(wèn)題：直接幀間前值預(yù)測(cè)存在的問(wèn)題：當(dāng)直接用第當(dāng)直接用第1幀的像素值作為第幀的像素值作為第2幀幀相同位置像素的預(yù)測(cè)值時(shí)，對(duì)于物體相同位置像素的預(yù)測(cè)值時(shí)，對(duì)于物體不運(yùn)動(dòng)的部分，預(yù)測(cè)誤差小，而對(duì)于不運(yùn)動(dòng)的部分，預(yù)測(cè)誤差小，而對(duì)于物體運(yùn)動(dòng)部分預(yù)測(cè)誤差大，剩余能量物體運(yùn)動(dòng)部分預(yù)測(cè)誤差大，剩余能量太多，壓縮效率不高。例如在右邊的太多，壓縮效率不高。例如在右邊的殘差圖像中，中間灰度代表差值為殘差圖像中，中間灰度代表差值為零，淺灰和深灰分別對(duì)

27、應(yīng)正、負(fù)差零，淺灰和深灰分別對(duì)應(yīng)正、負(fù)差值。更好的預(yù)測(cè)是在兩幀之間進(jìn)行值。更好的預(yù)測(cè)是在兩幀之間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。P圖像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)示意圖圖像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)示意圖編碼幀編碼幀殘差幀殘差幀經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸a(bǔ)償?shù)膸\(yùn)動(dòng)估計(jì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)參考幀參考幀（當(dāng)前幀）（當(dāng)前幀）（前一幀）（前一幀）運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)矢量運(yùn)動(dòng)矢量運(yùn)動(dòng)矢量運(yùn)動(dòng)矢量：表示從編碼幀到參考幀像素運(yùn)動(dòng)的方向和距離。：表示從編碼幀到參考幀像素運(yùn)動(dòng)的方向和距離。運(yùn)動(dòng)估計(jì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)：通過(guò)比較參考幀與編碼幀中的圖像，求出運(yùn)動(dòng)物體像素的運(yùn)：通過(guò)比較參考幀與編碼幀中的圖像，求出運(yùn)動(dòng)物體像素的運(yùn)動(dòng)矢量。動(dòng)矢量。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償：考慮了運(yùn)動(dòng)矢量的

28、幀間預(yù)測(cè)稱為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。：考慮了運(yùn)動(dòng)矢量的幀間預(yù)測(cè)稱為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。采用采用塊匹配算法塊匹配算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)攝像機(jī)所攝取的景物的運(yùn)動(dòng)可能是十分復(fù)雜的，精確對(duì)每個(gè)像素進(jìn)攝像機(jī)所攝取的景物的運(yùn)動(dòng)可能是十分復(fù)雜的，精確對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)十分困難。行運(yùn)動(dòng)估計(jì)十分困難。在許多情況下物體上的各個(gè)像素均做相同的運(yùn)動(dòng)，這時(shí)只需估計(jì)其在許多情況下物體上的各個(gè)像素均做相同的運(yùn)動(dòng)，這時(shí)只需估計(jì)其整體的運(yùn)動(dòng)就可以了。整體的運(yùn)動(dòng)就可以了。塊匹配算法：塊匹配算法：對(duì)每個(gè)編碼幀宏塊中的對(duì)每個(gè)編碼幀宏塊中的1616亮度塊，在參考幀中一定搜索范圍內(nèi)，搜亮度塊，在參考幀中一定搜索范圍內(nèi)，搜索與它最相似的亮度塊索與它最相

29、似的亮度塊匹配塊，并根據(jù)匹配塊與它的坐標(biāo)差，確定匹配塊，并根據(jù)匹配塊與它的坐標(biāo)差，確定運(yùn)動(dòng)矢量。像塊匹配程度的判定常采用平均絕對(duì)差準(zhǔn)則（運(yùn)動(dòng)矢量。像塊匹配程度的判定常采用平均絕對(duì)差準(zhǔn)則（MAD，Mean Absolute Difference)。編碼幀的宏塊編碼幀的宏塊編碼幀的當(dāng)前編碼塊編碼幀的當(dāng)前編碼塊MBp,q運(yùn)動(dòng)矢量運(yùn)動(dòng)矢量參考幀參考幀的最佳匹配塊的最佳匹配塊xyMBp,qMMNN16161515,1001( , )( , )(,)256p qkkmnMADi jfm nfmi nj,( , )( , ),( , )argmin( , )xyp qMi MNj NMV p qMVp q

30、MVp qMADi j 設(shè)以編碼幀中當(dāng)前編碼宏塊設(shè)以編碼幀中當(dāng)前編碼宏塊 為坐標(biāo)基準(zhǔn)，其中像素表示為坐標(biāo)基準(zhǔn)，其中像素表示為為 ，在已編碼參考幀中與空間距離為，在已編碼參考幀中與空間距離為(i,j)的的1616塊中的像素為塊中的像素為 ， 與該像塊的平均與該像塊的平均絕對(duì)誤差為絕對(duì)誤差為( , )kfm n1(,)kfmi nj,MBp q,MBp q,MBp q,( , )p qMADi j的運(yùn)動(dòng)矢量對(duì)應(yīng)使為最小的的運(yùn)動(dòng)矢量對(duì)應(yīng)使為最小的(i, j)，即，即,MBp q,MBp q中像素的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幀間預(yù)測(cè)殘差為中像素的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幀間預(yù)測(cè)殘差為,1MB( , )( , )( , ),( , )p

31、 qkkxym nfm nfmMVp q nMVp qv塊匹配法的快速搜索塊匹配法的快速搜索 最細(xì)致的搜索方法是全搜索，即在搜索區(qū)內(nèi)逐點(diǎn)最細(xì)致的搜索方法是全搜索，即在搜索區(qū)內(nèi)逐點(diǎn)搜索，每搜一點(diǎn)計(jì)算一次搜索，每搜一點(diǎn)計(jì)算一次MAD，當(dāng)，當(dāng)MAD達(dá)到最達(dá)到最小值時(shí)，求得最佳匹配塊。小值時(shí)，求得最佳匹配塊。為了減少搜索次數(shù)，提出了多種快速搜索算法為了減少搜索次數(shù)，提出了多種快速搜索算法三步法三步法正交搜索法正交搜索法共軛方向法共軛方向法二維對(duì)數(shù)法二維對(duì)數(shù)法MPEG-2中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木仁前胂袼?，中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木仁前胂袼?，H.264中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木仁撬姆种幌袼?，都需要在參考幀中根?jù)已知整像的

32、精度是四分之一像素，都需要在參考幀中根據(jù)已知整像素值，用線性內(nèi)插的方法得到半像素和四分之一像素值以素值，用線性內(nèi)插的方法得到半像素和四分之一像素值以后，再進(jìn)行塊匹配計(jì)算。后，再進(jìn)行塊匹配計(jì)算。v整像素、半像素和整像素、半像素和1/4像素運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償像素運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償vB幀圖像的幀間預(yù)測(cè)編碼幀圖像的幀間預(yù)測(cè)編碼雙向預(yù)測(cè)：雙向預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)值是其前面參考幀的前向預(yù)測(cè)值與其后面參考預(yù)測(cè)值是其前面參考幀的前向預(yù)測(cè)值與其后面參考幀的后向預(yù)測(cè)值的平均值。雙向預(yù)測(cè)需要前向和后向兩個(gè)運(yùn)動(dòng)幀的后向預(yù)測(cè)值的平均值。雙向預(yù)測(cè)需要前向和后向兩個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量。矢量。v運(yùn)動(dòng)矢量的編碼：運(yùn)動(dòng)矢量的編碼：在圖像序列中，在圖像序列中，P幀和幀和

33、B幀傳送的是像素值與預(yù)測(cè)值的差值和幀傳送的是像素值與預(yù)測(cè)值的差值和每個(gè)宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量。考慮到鄰近宏塊間運(yùn)動(dòng)矢量存在相關(guān)每個(gè)宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量?？紤]到鄰近宏塊間運(yùn)動(dòng)矢量存在相關(guān)性，對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量采用前值預(yù)測(cè)編碼。性，對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量采用前值預(yù)測(cè)編碼。v幀間預(yù)測(cè)模式幀間預(yù)測(cè)模式為了既能處理逐行掃描圖像，又能處理隔行掃描圖像，數(shù)字電為了既能處理逐行掃描圖像，又能處理隔行掃描圖像，數(shù)字電視的幀間預(yù)測(cè)模式包括：幀圖像的幀預(yù)測(cè)，幀圖像的場(chǎng)預(yù)測(cè)，視的幀間預(yù)測(cè)模式包括：幀圖像的幀預(yù)測(cè)，幀圖像的場(chǎng)預(yù)測(cè)，場(chǎng)圖像的場(chǎng)預(yù)測(cè)，雙基預(yù)測(cè)，場(chǎng)圖像的場(chǎng)預(yù)測(cè)，雙基預(yù)測(cè)，168預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)。Reference FramePossible Int

34、ervening B-pictures (Not yet decoded)Reference FramePossible Intervening B-pictures (Not yet decoded)Reference FramePossible Intervening B-pictures (Already decoded)P幀預(yù)測(cè)示意幀預(yù)測(cè)示意B幀預(yù)測(cè)示意幀預(yù)測(cè)示意參考參考幀幀參考參考幀幀參考幀參考幀編碼編碼幀幀編碼編碼幀幀場(chǎng)圖像的場(chǎng)預(yù)測(cè)場(chǎng)圖像的場(chǎng)預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)來(lái)自于最近的重構(gòu)參考場(chǎng)圖像。：預(yù)測(cè)來(lái)自于最近的重構(gòu)參考場(chǎng)圖像。幀圖像的幀預(yù)測(cè)幀圖像的幀預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)來(lái)自于最近的重構(gòu)參考幀圖像。：預(yù)測(cè)來(lái)

35、自于最近的重構(gòu)參考幀圖像。P場(chǎng)第場(chǎng)第1場(chǎng)圖像場(chǎng)圖像預(yù)測(cè)示意預(yù)測(cè)示意Top Reference FieldBottom Reference FieldPossible Intervening B-pictures (Not yet decoded)1616幀宏塊幀宏塊1616場(chǎng)宏塊場(chǎng)宏塊頂場(chǎng)頂場(chǎng)底場(chǎng)底場(chǎng)參考場(chǎng)參考場(chǎng)第第1場(chǎng)場(chǎng)編碼場(chǎng)編碼場(chǎng)Top Reference FieldBottom Reference FieldPossible Intervening B-pictures (Not yet decoded)P場(chǎng)第場(chǎng)第2場(chǎng)圖像為場(chǎng)圖像為底場(chǎng)的預(yù)測(cè)示意底場(chǎng)的預(yù)測(cè)示意P場(chǎng)第場(chǎng)第2場(chǎng)圖像為場(chǎng)圖像為

36、頂場(chǎng)的預(yù)測(cè)示意頂場(chǎng)的預(yù)測(cè)示意Top Reference FieldBottom Reference FieldPossible Intervening B-pictures (Not yet decoded)Top Reference FieldBottom Reference FieldPossible Intervening B-pictures (Not yet decoded)Possible Intervening B-pictures (Already decoded)Top Reference FieldBottom Reference FieldB場(chǎng)圖像預(yù)測(cè)示意場(chǎng)圖像預(yù)測(cè)示意頂

37、場(chǎng)頂場(chǎng)底場(chǎng)底場(chǎng)底場(chǎng)底場(chǎng)頂場(chǎng)頂場(chǎng)頂場(chǎng)頂場(chǎng)底場(chǎng)底場(chǎng)編碼場(chǎng)編碼場(chǎng)參考場(chǎng)參考場(chǎng)參考場(chǎng)參考場(chǎng)編碼場(chǎng)編碼場(chǎng)編碼場(chǎng)編碼場(chǎng)參考場(chǎng)參考場(chǎng)參考場(chǎng)參考場(chǎng)頂場(chǎng)頂場(chǎng)頂場(chǎng)頂場(chǎng)底場(chǎng)底場(chǎng)底場(chǎng)底場(chǎng)4.2.3 變換編碼原理變換編碼原理v變換編碼將圖像數(shù)據(jù)或運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償殘差數(shù)據(jù)通過(guò)變換去除空間變換編碼將圖像數(shù)據(jù)或運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償殘差數(shù)據(jù)通過(guò)變換去除空間相關(guān)性，對(duì)變換后的系數(shù)編碼，達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。相關(guān)性，對(duì)變換后的系數(shù)編碼，達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。變換編碼系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)變換編碼系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方塊化方塊化（88）DCT量化量化信道信道發(fā)送端發(fā)送端輸入輸入X接收端接收端輸出輸出X熵熵編碼編碼熵熵解碼解碼反反量化量化IDCTv離散余弦變換離散余弦變換（D

38、CT，Discrete Cosine Transform）考慮到空間相關(guān)性只在一定范圍內(nèi)存在，變換是以考慮到空間相關(guān)性只在一定范圍內(nèi)存在，變換是以88塊為單塊為單位進(jìn)行的。設(shè)由位進(jìn)行的。設(shè)由88像素組成的像素塊用矩陣像素組成的像素塊用矩陣X表示，變換后表示，變換后的系數(shù)塊用矩陣的系數(shù)塊用矩陣Y表示，則：表示，則：DCT：IDCT：其中其中C表示表示88的的DCT矩陣，矩陣，CT是其轉(zhuǎn)置矩陣是其轉(zhuǎn)置矩陣TTYCXCXC YC10, 0781(21)cos,17, 07216ijijCijij，TT ICCC CC滿足正交矩陣性質(zhì)：滿足正交矩陣性質(zhì)：DCT系數(shù)矩陣系數(shù)矩陣Y的左上角系數(shù)的左上角系數(shù)

39、y00對(duì)應(yīng)空間直流分量，稱為對(duì)應(yīng)空間直流分量，稱為DC系系數(shù)，其他數(shù)，其他63個(gè)系數(shù)對(duì)應(yīng)交流分量，稱為個(gè)系數(shù)對(duì)應(yīng)交流分量，稱為AC系數(shù)。系數(shù)。167cos165cos163cos16cos16cos163cos165cos167cos166cos162cos162cos166cos166cos162cos162cos166cos165cos16cos167cos163cos163cos167cos16cos165cos164cos164cos164cos164cos164cos164cos164cos164cos163cos167cos16cos165cos165cos16cos167cos1

40、63cos162cos166cos166cos162cos162cos166cos166cos162cos16cos163cos165cos167cos167cos165cos163cos16cos2121212121212121218DCT88 DCT矩陣矩陣v對(duì)一個(gè)對(duì)一個(gè)NN的像素塊進(jìn)行二維的像素塊進(jìn)行二維DCT，從物理概念，從物理概念理解，它是將空間像素的幾何分布變換為空間頻率理解，它是將空間像素的幾何分布變換為空間頻率分布，經(jīng)變換后的系數(shù)左上角為直流項(xiàng)，水平方向分布，經(jīng)變換后的系數(shù)左上角為直流項(xiàng)，水平方向從左向右表示水平空間頻率增加的方向，垂直方向從左向右表示水平空間頻率增加的方向，垂

41、直方向從上向下表示垂直空間頻率增加的方向。絕大部分從上向下表示垂直空間頻率增加的方向。絕大部分的能量集中在直流分量和少數(shù)的低頻分量上，大致的能量集中在直流分量和少數(shù)的低頻分量上，大致可以認(rèn)為，以左上角為圓心，在相同半徑的圓弧上可以認(rèn)為，以左上角為圓心，在相同半徑的圓弧上的系數(shù)其能量基本相等，離圓心越遠(yuǎn)，能量越小。的系數(shù)其能量基本相等，離圓心越遠(yuǎn)，能量越小。右 圖 為右 圖 為 8 8 8 8 DCTDCT基本圖像?；緢D像。任何任何8 88 8圖像圖像塊都可以用基塊都可以用基本圖像與變換本圖像與變換系數(shù)乘積的組系數(shù)乘積的組合來(lái)表示。合來(lái)表示。43.60-1.300.850-0.70000000

42、0000000000000000000000000000000000000000000000000400000003.6000000000000000-1.30000000000000000.85000000000000000-0.70000000二維二維88 DCT舉例舉例4000000000.1300.1500.2300.650000000000.1500.1800.2700.770000000000.2300.2700.4101.150000000000.6500.7701.1503.28二維二維88 DCT舉例舉例88像素圖中白色方框表示像素圖中白色方框表示“1”電平，灰色方框表示電平

43、，灰色方框表示“0”電電平平左邊為左邊為88像素，右邊為像素，右邊為DCT系數(shù)系數(shù)vDCT系數(shù)的量化系數(shù)的量化DCT變換前數(shù)據(jù)是變換前數(shù)據(jù)是9比特，比特，0511；經(jīng)過(guò)；經(jīng)過(guò)DCT變換后，變換后， DCT系數(shù)用系數(shù)用12比特表示，比特表示，DC系數(shù)：系數(shù)：04095，AC系數(shù)：系數(shù)： -20482047。I幀：系數(shù)矩陣左上角部位對(duì)應(yīng)空間低頻分量，幀：系數(shù)矩陣左上角部位對(duì)應(yīng)空間低頻分量，人眼對(duì)低頻人眼對(duì)低頻分量比較敏感，分量比較敏感，采用較小的量化間隔；系數(shù)矩陣右下角部采用較小的量化間隔；系數(shù)矩陣右下角部位對(duì)應(yīng)空間高頻分量，人眼位對(duì)應(yīng)空間高頻分量，人眼對(duì)高頻分量不太敏感，為了降對(duì)高頻分量不太敏感

44、，為了降低碼率，低碼率，采用較大的量化間隔。采用較大的量化間隔。P幀和幀和B幀：是對(duì)幀間預(yù)測(cè)差值的變換，幀：是對(duì)幀間預(yù)測(cè)差值的變換，DCT系數(shù)不僅僅決系數(shù)不僅僅決定于空間頻率，故采用相同的量化間隔。定于空間頻率，故采用相同的量化間隔。各變換系數(shù)量化間隔的不同反映在量化加權(quán)矩陣上。各變換系數(shù)量化間隔的不同反映在量化加權(quán)矩陣上。000000roundyQw816192226272934161622242729343719222627293434382222262729343740222627293235404826272932354048582627293438465669272935384656

45、698316161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616對(duì)于對(duì)于I幀的亮度和色度量化矩陣幀的亮度和色度量化矩陣W對(duì)于對(duì)于P、B幀的亮度和色度量化矩陣幀的亮度和色度量化矩陣WI幀幀DC系數(shù)的量化：系數(shù)的量化：I幀幀AC系數(shù)和系數(shù)和P、B幀幀DC、 AC系數(shù)的量化：系數(shù)的量化：round, roundpqpqpqpqpqsyAAQwFwij量化加權(quán)系數(shù)量化加權(quán)系數(shù)Fs量化尺度量化尺度v游程編碼

46、游程編碼（RLC，Run Length Coding）DCT系數(shù)矩陣的能量集中在反映空間低頻分量系數(shù)矩陣的能量集中在反映空間低頻分量的左上角。通過(guò)量化位于矩陣右下角的高頻系的左上角。通過(guò)量化位于矩陣右下角的高頻系數(shù)以及其他幅度較小的低頻系數(shù)被量化為零。數(shù)以及其他幅度較小的低頻系數(shù)被量化為零。 通過(guò)通過(guò)Z型或交替掃描方式把已量化的二維型或交替掃描方式把已量化的二維DCT系數(shù)矩陣變成有許多連零出現(xiàn)的一維序列，并系數(shù)矩陣變成有許多連零出現(xiàn)的一維序列，并將此一維序列表示為一個(gè)由二元數(shù)組（將此一維序列表示為一個(gè)由二元數(shù)組（run，level）組成的數(shù)組序列，其中）組成的數(shù)組序列，其中run表示連零的長(zhǎng)表

47、示連零的長(zhǎng)度，度，level表示緊接在這串連零之后出現(xiàn)的非零表示緊接在這串連零之后出現(xiàn)的非零值。當(dāng)剩下的所有系數(shù)都為零時(shí)，用符號(hào)值。當(dāng)剩下的所有系數(shù)都為零時(shí)，用符號(hào)EOB（End of Block）來(lái)代表。）來(lái)代表。 Z型掃描型掃描8910111412512611510596971151311471491351231131141341591781751641491371211431771962011891651501191411752012071861621441071301651891921711441259711914917117214511796881071361561551299775

48、1125-32-185-72-1-22-22-1645-3-20-2-2-165321795-1-30-7-4022-1-12-20030021311-1-2020002-1-121-1031-121-20DCT70-2-1100000-1-1200000-1021000000000000000000000000000000000000000000000量化（除以量化（除以16）Z形掃描形掃描70,-2,-1,-10,-1, -11, 0, 2, 2, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,

49、 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0游程編碼游程編碼(0,70),(0,-2),(0,-1),(0,-10),(0,-1), (0,-11), (1,2),(0,2),(3,1),EOB 4.2.4 熵編碼原理熵編碼原理v熵編碼（熵編碼（Entropy Coding）是無(wú)損編碼，編碼后的平均碼長(zhǎng)接近）是無(wú)損編碼，編碼后的平均碼長(zhǎng)接近信源的熵。信源的熵。MPEG-2的熵編碼采用霍夫曼編碼。的熵編碼采用霍夫曼編碼。 v霍夫曼（霍夫曼（Huffman）編

50、碼：可變長(zhǎng)編碼，對(duì)出現(xiàn)概率大的信源符號(hào)）編碼：可變長(zhǎng)編碼，對(duì)出現(xiàn)概率大的信源符號(hào)分配較短的碼字，對(duì)出現(xiàn)概率小的信源符號(hào)分配較長(zhǎng)的碼字，以獲分配較短的碼字，對(duì)出現(xiàn)概率小的信源符號(hào)分配較長(zhǎng)的碼字，以獲得較短的平均碼長(zhǎng)。得較短的平均碼長(zhǎng)。DC系數(shù)的差值編碼系數(shù)的差值編碼對(duì)相鄰兩個(gè)塊對(duì)相鄰兩個(gè)塊DC系數(shù)的差值編碼：系數(shù)的差值編碼：采用采用“size+differential”(差值碼長(zhǎng)度差值碼長(zhǎng)度+差值差值)形式形式size采用可變長(zhǎng)碼，采用可變長(zhǎng)碼，Differential的的正值用原碼，負(fù)值用反碼。正值用原碼，負(fù)值用反碼。例如：例如：101100101100 -111100100 -1111001

51、000000001-kkkyyyVariable length codedct_dc_size_luminance100000101210131104111051111 061111 1071111 11081111 111091111 1111 0101111 1111 111其它其它DCT系數(shù)的熵編碼：系數(shù)的熵編碼：根據(jù)游程（根據(jù)游程（run）與電平（）與電平（level）進(jìn)行后續(xù)霍夫曼編碼。進(jìn)行后續(xù)霍夫曼編碼。 level為電為電平的絕對(duì)值，它的正負(fù)由后面的平的絕對(duì)值，它的正負(fù)由后面的位位“s”表示，表示， s=0時(shí)為正，時(shí)為正，s=1時(shí)時(shí)為負(fù)。為負(fù)。轉(zhuǎn)義（轉(zhuǎn)義（escape）是用于表示

52、那些）是用于表示那些出現(xiàn)概率較小，沒(méi)有賦予霍夫曼出現(xiàn)概率較小，沒(méi)有賦予霍夫曼編碼的（編碼的（run，level）組合。在）組合。在escape碼的后面緊跟著碼的后面緊跟著6bit定長(zhǎng)定長(zhǎng)編碼的編碼的run值，以及值，以及12bit定長(zhǎng)編定長(zhǎng)編碼的帶符號(hào)碼的帶符號(hào)level值。值。 可變長(zhǎng)碼可變長(zhǎng)碼游程（游程（run）電平電平（level）10塊結(jié)束（塊結(jié)束（EOB）1s（用于（用于DC系數(shù)）系數(shù)）0111s（用于（用于AC系數(shù)）系數(shù)）01000001轉(zhuǎn)義碼（轉(zhuǎn)義碼（escape）011s110100s020101s210010 1s030011 1s310001 10s410001 11s12

53、0001 01s51運(yùn)動(dòng)矢量的熵編碼運(yùn)動(dòng)矢量的熵編碼2mf 可變長(zhǎng)碼運(yùn)動(dòng)碼可變長(zhǎng)碼運(yùn)動(dòng)碼100000 0011 001-1601010000 00110011 101-140001 030000 0011 111-130000 11040000 0100 001-120000 101050000 0100 011-110000 100060000 0100 11-100000 011070000 0101 01-90000 0101 1080000 0101 11-80000 0100 0090000 0111-70000 0100 10100000 1001

54、-60000 0100 010110000 1011-50000 0100 000120000 111-40000 0011 110130001 1-30000 0011 100140011-20000 0011 01015011-1宏塊運(yùn)動(dòng)矢量在水平或垂直宏塊運(yùn)動(dòng)矢量在水平或垂直方向的分量方向的分量 D 等于運(yùn)動(dòng)碼等于運(yùn)動(dòng)碼M （motion-code）與運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)）與運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng) f的乘積，即的乘積，即 D = Mf ， 其中其中 m=0,1,6運(yùn)動(dòng)碼從運(yùn)動(dòng)碼從-16到到15共有共有32個(gè)符個(gè)符號(hào)，考慮到幀間運(yùn)動(dòng)越大概號(hào)，考慮到幀間運(yùn)動(dòng)越大概率越小，運(yùn)動(dòng)碼采用霍夫曼率越小，運(yùn)動(dòng)碼采用霍夫曼編碼。

55、編碼。 v算術(shù)編碼（算術(shù)編碼（AC：Arithmetic Coding）原理：任何一個(gè)數(shù)據(jù)序列均可表示成原理：任何一個(gè)數(shù)據(jù)序列均可表示成0和和1之間的之間的一個(gè)間隔，該間隔的位置與輸入數(shù)據(jù)的概率分布一個(gè)間隔，該間隔的位置與輸入數(shù)據(jù)的概率分布有關(guān)。有關(guān)。H.264標(biāo)準(zhǔn)中為進(jìn)一步提高編碼效率，提出了三標(biāo)準(zhǔn)中為進(jìn)一步提高編碼效率，提出了三種熵編碼方法：種熵編碼方法：v指數(shù)戈洛姆熵編碼（指數(shù)戈洛姆熵編碼（Exp-Golomb：Exponential Golomb codes）v基于上下文的自適應(yīng)變長(zhǎng)編碼（基于上下文的自適應(yīng)變長(zhǎng)編碼（CAVLC：Context-based Adaptive Variab

56、le Length Coding）v基于上下文的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼（基于上下文的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼（CABAC：Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding ）H.264對(duì)這三種碼的使用范圍做了規(guī)定：對(duì)這三種碼的使用范圍做了規(guī)定：不出現(xiàn)在殘不出現(xiàn)在殘差數(shù)據(jù)中差數(shù)據(jù)中; 僅出現(xiàn)在殘差數(shù)據(jù)中；僅出現(xiàn)在殘差數(shù)據(jù)中；僅出現(xiàn)在圖像片僅出現(xiàn)在圖像片（Slice）層以下的數(shù)據(jù)中。）層以下的數(shù)據(jù)中。 和和都是采用插表方式，都是采用插表方式，但是但是的表是固定的，而的表是固定的，而在編碼過(guò)程中會(huì)根據(jù)周圍在編碼過(guò)程中會(huì)根據(jù)周圍宏塊以及在之前編碼的數(shù)據(jù)信息，選擇

57、不同的表，從宏塊以及在之前編碼的數(shù)據(jù)信息，選擇不同的表，從而具有上下文自適應(yīng)功能。而具有上下文自適應(yīng)功能。 屬于自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)屬于自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼，能夠獲得比編碼，能夠獲得比更好的壓縮性能和自適應(yīng)能力。更好的壓縮性能和自適應(yīng)能力。4.2.5 MPEG-2視頻編碼器和解碼器視頻編碼器和解碼器VBV視頻緩沖校驗(yàn)器視頻緩沖校驗(yàn)器8Mb, FIFOMPEG-2視頻解碼器方框圖視頻解碼器方框圖輸入輸入緩存器緩存器 -1QVLDIDCT運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)估計(jì)估計(jì)參考幀參考幀緩存器緩存器壓縮壓縮比特流比特流解壓縮解壓縮視頻視頻01幀內(nèi)幀內(nèi)/幀間模式選擇幀間模式選擇4.3 ATSC數(shù)字電視制式數(shù)字電視制式4.3.

58、1 ATSC制概述制概述vATSC制的視頻格式制的視頻格式水平水平垂直有效像素垂直有效像素幅型幅型比比60/59.9460/59.94逐行逐行60/59.960/59.94 4隔行隔行30/29.9730/29.97逐行逐行24/23.9824/23.98逐行逐行1920192010801080（方像素）（方像素） 16:916:912801280720720（方像素）（方像素）16:916:9704704480480（寬屏）（寬屏）16:916:9704704480480（ITU-R BT.601ITU-R BT.601）4:34:3640640480480（VGAVGA，方，方像素）像素）

59、4:34:3vATSC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由三個(gè)子系統(tǒng)組成：教材系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由三個(gè)子系統(tǒng)組成：教材p180圖圖4-21信源編碼和壓縮、業(yè)務(wù)復(fù)用和傳送、信道編碼和射頻發(fā)送信源編碼和壓縮、業(yè)務(wù)復(fù)用和傳送、信道編碼和射頻發(fā)送信源編碼和壓縮信源編碼和壓縮視頻編碼和壓縮視頻編碼和壓縮MPEG-2MPEG-2音頻編碼和壓縮音頻編碼和壓縮Dolby AC-3,(384Kb/s,5.1Dolby AC-3,(384Kb/s,5.1聲道環(huán)繞聲聲道環(huán)繞聲) )輔助數(shù)據(jù)輔助數(shù)據(jù)字幕、條件接收（字幕、條件接收（CACA）等控制數(shù)據(jù)）等控制數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)復(fù)用和傳送業(yè)務(wù)復(fù)用和傳送 把不同信息類型的比特流打成包，給每一個(gè)包以唯一的標(biāo)識(shí)把不同信息

60、類型的比特流打成包，給每一個(gè)包以唯一的標(biāo)識(shí) 符（符（PIDPID），將視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)比特流包時(shí)分復(fù)用組合成），將視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)比特流包時(shí)分復(fù)用組合成 傳送包（傳送包（TSPTSP）信道編碼和射頻發(fā)送信道編碼和射頻發(fā)送 對(duì)傳送流進(jìn)行信道編碼和調(diào)制，形成用于發(fā)送的射頻信號(hào)對(duì)傳送流進(jìn)行信道編碼和調(diào)制，形成用于發(fā)送的射頻信號(hào) 調(diào)制系統(tǒng)的兩種模式：調(diào)制系統(tǒng)的兩種模式：8VSB8VSB調(diào)制的地面廣播模式調(diào)制的地面廣播模式(19Mb/s)16VSB16VSB調(diào)制的有線高比特率模式調(diào)制的有線高比特率模式(38Mb/s)ATSC制發(fā)、收端功能框圖制發(fā)、收端功能框圖4.3.2 傳送層的功能和格式傳送層