第六章圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn).

1、數(shù)字屯視更理第六章圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容一、JPEG和JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)二、MPEG標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字屯視更理數(shù)字屯視更理數(shù)字屯視更理數(shù)字屯視更理 H. 261 H. 263 （會(huì)議電視） JPEG、JPEG2000 （靜止圖像） MPEG-1 （VCD） MPEG-2 （數(shù)字電視） MPEG-4 （多媒體通信）&哄呼電于咸JPEG JPEG是聯(lián)合圖像專家組的縮寫（Joint Photographic Experts Group ）主要用于計(jì)算機(jī)靜止圖像的壓縮，在用 于活動(dòng)圖像時(shí)，其算法僅限于幀內(nèi)，便 于編輯。JPEG標(biāo)準(zhǔn)的算法是基于 DCT（離散余弦變換）和町變長(zhǎng)編碼。JEPG壓縮編碼算法的計(jì)算步

2、驟1、正交離散余弦變換。2、量化。3、Z字形編碼。4、使用差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）對(duì) 直流系數(shù)DC進(jìn)行編碼。5、使用行程長(zhǎng)度編碼對(duì)交流系數(shù)（AC） 進(jìn)行編碼。6、嫡編碼。數(shù)字電視負(fù)理&哄呼蒼于比&咸呼電于比G2000特點(diǎn)高壓縮比連續(xù)色調(diào)圖像壓縮和二值圖像壓縮無(wú)失真壓縮和有失真壓縮漸進(jìn)傳輸：先傳輸圖像的輪廓，然后逐 步傳輸數(shù)據(jù)，不斷提高圖像質(zhì)量，以滿 足用戶的需要。固定比特率、固定尺寸對(duì)碼流的隨機(jī)訪問(wèn)和隨機(jī)處理MPEG ( Moving Picture Expert Group ) 活 動(dòng)圖像專家組”包括三個(gè)部分:系統(tǒng)：視頻：音頻：-量上高于可視電話和會(huì)議也視的聲象質(zhì)量，至少應(yīng)達(dá)到 VHS家

3、角錄彖機(jī)的聲象質(zhì)量。 (2)壓縮后的數(shù)碼率應(yīng)能存儲(chǔ)在光盤、 數(shù)字錄咅帶DAT或可寫磁光盤等媒體中。 (3)壓縮后的碼率應(yīng)與日前的計(jì)算機(jī)網(wǎng) 絡(luò)傳輸碼率相適配，即為1.2Mbps-1.5Mbpso (4)在通信網(wǎng)絡(luò)上它能適應(yīng)多種通信網(wǎng) 絡(luò)的傳輸。MPEG-2的壓縮比可達(dá)50兒 壓縮后的數(shù)字活動(dòng)圖像信號(hào)和相應(yīng)音頻信號(hào)碼率可達(dá)幾 Mb/s數(shù)字電視原理第一系統(tǒng)部分：主要涉及多路音頻、 視頻和數(shù)據(jù)的復(fù)用和同步； 第二視頻部分：主耍涉及各種比特 率的數(shù)字視頻編碼； 第三音頻部分,擴(kuò)充了MPEG-1的音 頻標(biāo)準(zhǔn)，使之成為多通道音頻編碼系 統(tǒng)，達(dá)到了5.1聲道之多。支持不同分辨率格式之間的兼容。 MPEG-2以

4、空間和時(shí)間可分級(jí)方法提供 空間和時(shí)間不同分辨率視頻格式之間的 兼容。 MPEG-2 后向兼容 MPEG-1 MPEG-2圖象格式不僅包括了 MPEG-1的 圖象格式，還包括了符合CCIR.601的 SDTV數(shù)字演播室圖象格式和HDTV數(shù)字 演播室圖象格式。數(shù)字電視欣理&哄呼于虎MPEG的視頻數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)I圖像序列(Video Sequence layer)II 圖像組層(Gmup of Picture)IH 圖像層(Picture)IV宏塊條/片層(Slice)V 宏塊層(Macro block)VI 塊層(Block layer)圖像序列,.J ZI “ 口 ” 口 口 圖像組 州卜 圖像組

5、-圖像1宏塊條宏塊條宏塊數(shù)字屯視尿理數(shù)字屯視尿理圖像序列：是一個(gè)被處理的連續(xù)圖像，是由圖 像組構(gòu)成的，它包含序列頭、若干個(gè)圖像組層的數(shù)據(jù) 以及序列終止符。圖像組（GOP）:圖像組是為方便隨機(jī)存 取而加的，其結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度均為可變的， 圖像組是隨機(jī)存取視頻單位，它由定義 的一組或多組幀內(nèi)編碼幀（I幀）或非幀 內(nèi)編碼幀（P幀或B幀）圖像構(gòu)成。每組 包括組頭，圖像層數(shù)據(jù)，時(shí)間信息。圖像：圖像是獨(dú)立的顯示單位，也是 基本編碼單位，由圖像頭和宏塊條層數(shù) 據(jù)組成。在MPEG-2中，圖像可以是逐 行的，或隔行的，MPEG-1是逐行的。宏塊條：包含若干個(gè)連續(xù)的宏塊，是重新同步單位。宏塊條的設(shè)置是防止誤碼的擴(kuò)散。數(shù)

6、字屯視欣理宏塊：宏塊層由宏塊頭加塊層數(shù)據(jù)組成，圖像以亮 度數(shù)據(jù)矩陣為基準(zhǔn)分為16X16像素的宏塊，宏塊是進(jìn)行運(yùn)動(dòng) 補(bǔ)償?shù)幕締挝?。一個(gè)宏塊包含4個(gè)8X8的亮度塊，還包 含兩個(gè)8 X 8色度塊（RY和BY各一個(gè)，4:2:0取樣時(shí)八 四個(gè)8 X 8色度塊（RY和HY各兩個(gè)，4:2:2取樣）或 八 個(gè)8X8色度塊（RY和BY各四個(gè)，4:4:4取樣時(shí)）。4:2:（）宏塊結(jié)構(gòu)4:2:2宏塊結(jié)構(gòu)4:4:4宏塊結(jié)構(gòu)塊：塊是MPEG碼流的最底層，每個(gè)塊 是一個(gè)8 X 8像素的數(shù)據(jù)矩陣。每個(gè)塊中 只含有一種信號(hào)元素，即它或是亮度數(shù) 據(jù)矩陣，或是某中色度數(shù)據(jù)矩陣。塊是 進(jìn)行DCT運(yùn)算的單位，宏塊在進(jìn)行DCT 運(yùn)算

7、之前要被分成若干個(gè)塊。&哄呼電于比縮步驟1、離散余弦變換。2、量化器。3、Z字形掃描與游程編碼。4、爛編碼。5、運(yùn)動(dòng)估值6、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償視頻序列都可以分為兩層：基本層和增 強(qiáng)層，基本層提供了視頻序列的基本信 息，增強(qiáng)層提供了視頻序列更高的分辨 率和細(xì)節(jié)，基層可以單獨(dú)傳輸和解碼， 而增強(qiáng)層則必須勇基層一起傳輸和解碼。數(shù)字屯視碩理&哄呼電于比簡(jiǎn)單類:與Main Profile相同，只是不用B幀, 這是為了節(jié)約RAM；主類：圖像質(zhì)量合乎一定要求，允許有一定損 傷，不具有可分級(jí)性；信噪比可選類：比Main Profile改進(jìn)之處是信 噪比可分級(jí)；空間尺寸可選類：空間分辨率方面也可分級(jí)；高質(zhì)量類：支持4 ：

8、2：2并全面可分級(jí)（宏塊的 組成是：4個(gè)Y塊+2個(gè)Cb塊+2個(gè)Cr塊）；四級(jí) Low Level（低級(jí)）：類似H.261中的CIF格 式； Wain Level（主級(jí)）：相應(yīng)于普通電視 High 1440 Level（高1440級(jí)）：大致相當(dāng)于 具有每行1440個(gè)采樣的HDTV；-High Level（高級(jí)）：大致相當(dāng)于每行1920 個(gè)采樣的HDTVo數(shù)字屯視尿理數(shù)字屯視尿理MPEG中的三種像類型即碼流組成三種圖像類型MPEG是基于DCT、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和Huffman編 碼算法的，在壓縮中使用了幀內(nèi)壓縮和幀間壓 縮兩種方式。MPEG使用三種類型的圖像，即I 幀、P幀和B幀。 I幀是幀內(nèi)壓縮，由于I

9、幀不依賴于 其他幀，所以是隨機(jī)存取的入點(diǎn)， 同時(shí)是解碼中的基準(zhǔn)幀。一個(gè)圖像 組總是以I幀開頭的，I幀壓縮可以 得到6:1的壓縮比Q從呼于比 P幀根據(jù)前面的I幀或P幀進(jìn)行預(yù)測(cè)（向前預(yù)測(cè)），使用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法進(jìn)行壓縮，因而壓縮比要比I幀高，數(shù)據(jù)量平均達(dá)到I 幀的1/3左右。P幀是對(duì)前后的B幀和后繼 的P幀進(jìn)行解碼的基準(zhǔn)幀。P幀本身是有誤差的，如果P幀的前一個(gè)基準(zhǔn)幀也是P 幀，就會(huì)造成誤差傳播。 B幀基于前后的兩個(gè)I、P幀或P. P幀， 它使用雙向預(yù)測(cè)，數(shù)據(jù)量平均可以達(dá)到I 幀的1/9左右。B幀本身不作為基準(zhǔn)，因 此可以在提供更高的壓縮比的情況下不 傳播誤差。數(shù)字電衩JR理)流組成一個(gè)GOP由一串I.

10、 B、P幀組成，起始為I幀。 GOP的長(zhǎng)度是一個(gè)I幀到下一個(gè)I幀的間隔，一般是一秒內(nèi)有兩個(gè)I幀，用來(lái)作為隨機(jī)存取的入口。在MPEG-2中沒(méi)有規(guī)定GOP的結(jié)構(gòu)，幀重復(fù)方式可 以是I、P, I、B, I、B、P, K B、B. P,甚至全部是I 幀。B幀和P幀要求計(jì)算機(jī)有更強(qiáng)的功能。有些壓縮器不 能產(chǎn)生B幀或者連P幀也不能產(chǎn)生，則圖像的壓縮結(jié)果將 有很明顯的間斷。在MPEG-1中，每個(gè)I幀圖像含有152Kb, P幀圖像 含有80Kb, B幀圖像含有23Kb, 個(gè)典型GOP由1個(gè)I 幀、3個(gè)卩幀、8個(gè)B幀組成。它有以下幾個(gè)任務(wù)：(1) 對(duì)音頻、視頻、數(shù)據(jù)、控制等基本比特流起系統(tǒng)復(fù)用的作用。(2) 提

11、供用于恢復(fù)時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)間標(biāo)志，緩沖器初始 化和管理，咅頻和視頻的解碼時(shí)間，顯示時(shí)間。(3) 給解碼器提供一種信息(PS1),便之更容易和更迅 速地找到所需節(jié)目。(4) 給誤差恢復(fù)，有條件接入，隨機(jī)接入，數(shù)字存儲(chǔ) 控制提供支持。視頻或咅頻編碼器的輸出被打成PES,然后PS復(fù)用 器中被組合成PS或/I ITS復(fù)川器中被組合成TS,前者用 于相對(duì)無(wú)誤差的環(huán)境，后者用于冇噪聲媒質(zhì)。數(shù)字屯視原理數(shù)字屯視原理數(shù)字屯視原理-倍送層 壓縮層ATSC中的系統(tǒng)復(fù)用應(yīng)用層壓縮層：根拯規(guī)定信源編碼標(biāo)準(zhǔn)將輸入的數(shù)據(jù)流予以碼率 壓縮，產(chǎn)牛出視頻基本流(ES)和音頻基木流，視頻編 碼標(biāo)準(zhǔn)采用MEPG-2,背頻編碼標(biāo)準(zhǔn)采用M

12、USICAM丿禾縮 技術(shù)。傳送層：將ES打包，形成打包基本流(PES),并實(shí)現(xiàn) 視疔頻PES的復(fù)用，組成復(fù)用的節(jié)H流(PS )或傳送流 (TS ) o PES包的長(zhǎng)度為一個(gè)存取單元，視頻存取單元 為一個(gè)圖像幀，音頻為一個(gè)音頻幀。圖像幀有I、B、P幀 之分，它們的PES長(zhǎng)度不相同。在復(fù)用器(MUX)中視音頻PES組成PS流和TS流。PS流中 按視音頻的存取單元進(jìn)行復(fù)用，它們的PES包長(zhǎng)度不固 怎，而TS流在其復(fù)用器中被劃分成固定任度188字卩的 小包。 188字節(jié)中分包頭和凈荷兩大部分，包頭內(nèi)乂分 兩層，一層是固定長(zhǎng)度4字節(jié)的鏈接層，另-層是 可變長(zhǎng)度的口適應(yīng)層。第1個(gè)字節(jié)的包同步用于使接收端于

13、發(fā)送端建立 包同步，數(shù)據(jù)值固定為“01000111”。13bit的PID 為包標(biāo)識(shí)符,指出凈荷中包含的數(shù)據(jù)信息類型。建 立包同步后，按接收端可利用PID值提取出需要 的TS包內(nèi)容。個(gè)包內(nèi)的凈荷只能屬于同類型 的信息，例如某一種視頻節(jié)目、音頻節(jié)目或某類 數(shù)據(jù)等。數(shù)字屯視原理MPEG-2編解碼器和MPEG-1異同 MPEG-1只處理逐行掃描的電視圖像而MPEG-2既址理逐行掃扌苗也處血隔行掃描，因此編碼器中要冇場(chǎng)/幀決策的功能； DCT有二種：幀DCT或場(chǎng)DCT； 運(yùn)動(dòng)估計(jì)有四種：場(chǎng)預(yù)測(cè)、幀預(yù)測(cè)、雙 基預(yù)測(cè)和16X8的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償； 壓縮編碼方式溝采用運(yùn)動(dòng)檢測(cè)補(bǔ)償、 DCT、量化、哈夫曼編碼、游程編碼

14、。MPEG-4并不僅僅著眼于定義不同碼流下的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，而是更多的強(qiáng)調(diào)多媒體通信的交互性和靈活性，以及多工業(yè) 領(lǐng)域的融合?；趦?nèi)容的交互性對(duì)不同來(lái)源的視音頻対象進(jìn)行合成高壓縮比靈活多樣的存取總義了編解碼器和碼流的不同類和級(jí)，從 而支持各種碼率（5kbps至4Mbps）、格 式（逐行和隔行）、分辨率。實(shí)吋通信（視頻會(huì)議、可視電話等）移動(dòng)多媒體（PDA等）交互媒體存儲(chǔ)（DVD等）交互視頻游戲節(jié)目制作及廣播業(yè)務(wù)等。數(shù)字屯視原理 MPEG-7能對(duì)各種不同類型的多媒體信 息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的描述，并將該描述與所 描述的內(nèi)容相聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)快速有效的 搜索。MPEG7目標(biāo)是使視聽內(nèi)容像文本那樣容易被搜索。數(shù)字屯視原理也可用于流式應(yīng)用（如廣播），還可以在實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)環(huán)境下應(yīng)用，如：數(shù)字圖書 館、廣播媒體選擇、多媒體編輯等，應(yīng) 用潛力很大。MPEG和JPEG的主要差別 JPEG和MPEG