視頻壓縮編碼

視頻壓縮編碼（1）彩色空間之間的轉(zhuǎn)換:Y=(0.299R+0.587G+0.114B)+16Cr=(0.5114R-0.4282G-0.0832B)+128Cb=(-0.1726R-0.3388G+0.5114B)+128（1）彩色空間轉(zhuǎn)換第2頁,共54頁，2024年2月25日，星期天對PAL制、SECAM制，采樣頻率fs為

fs=625×25×N=15625×N=13.5MHz,N=864

其中，N為每一掃描行上的采樣數(shù)目。對NTSC制，采樣頻率fs為

fs=525×29.97×N=15734×N=13.5MHz,N=858

其中，N為每一掃描行上的采樣數(shù)目。（2）采樣頻率第3頁,共54頁，2024年2月25日，星期天對PAL制、SECAM制每一條掃描行采樣864個樣本有效樣本數(shù)720個對NTSC制每一條掃描行采樣858個樣本有效樣本數(shù)720個（3）有效顯示分辨率第4頁,共54頁，2024年2月25日，星期天1、亮度(Y):

(NTSC):858樣本/行×525行/幀×30幀/秒×10比特/樣本≈135Mb/s(PAL):864樣本/行×625行/幀×25幀/秒×10比特/樣本≈135Mb/s

ITU-RBT.601標準數(shù)據(jù)率第5頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2、Cr(R-Y):

(NTSC)：

429樣本/行×525行/幀×30幀/秒×10比特/樣本≈68Mb/s(PAL)：429樣本/行×625行/幀×25幀/秒×10比特/樣本≈68Mb/s3、Cb(B-Y):

(NTSC)：429樣本/行×525行/幀×30幀/秒×10比特/樣本≈68Mb/s(PAL)：429樣本/行×625行/幀×25幀/秒×10比特/樣本≈68Mb/s總計:

270兆比特/秒ITU-RBT.601標準數(shù)據(jù)率第6頁,共54頁，2024年2月25日，星期天實際上，在熒光屏上顯示出來的有效圖像的數(shù)據(jù)傳輸率并沒有那么高

亮度(Y):720×480×30×10≈104Mb/s(NTSC)

720×576×25×10≈104Mb/s(PAL)

色差(Cr，Cb):

2×360×480×30×10≈104Mb/s(NTSC)

2×360×576×25×10≈104Mb/s(PAL)

總計:

207Mb/s

如果每個樣本的采樣精度由10比特降為8比特，彩色數(shù)字電視信號的數(shù)據(jù)傳輸率就降為166Mb/s。

ITU-RBT.601標準數(shù)據(jù)率第7頁,共54頁，2024年2月25日，星期天單速光驅(qū)的數(shù)據(jù)傳輸速率為150kb/s40倍速光驅(qū)的數(shù)據(jù)傳輸速率為6Mb/s<<166Mb/s所以需要壓縮第8頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第九章視頻壓縮編碼第9頁,共54頁，2024年2月25日，星期天一、P×64Kb/s電視圖像壓縮編碼（通信）二、MPEG壓縮編碼標準（存儲）學(xué)習內(nèi)容第10頁,共54頁，2024年2月25日，星期天1、能說明視頻壓縮的必要性和可能性2、能概述P×64Kb/s電視圖像壓縮編碼基本過程3、理解MPEG壓縮編碼基本原理4、能說出MPEG系列的適用場合學(xué)習目標第11頁,共54頁，2024年2月25日，星期天國際標準化協(xié)會ISO(InternationalStandardizationOrganization-ISO)，國際電子學(xué)委員會IEC(InternationalElectronicsCommittee-IEC)，國際電信協(xié)會ITU(InternationalTelecommunicationUnion-ITU)20世紀90年代制定了三個重要的多媒體國際標準。JPEG標準、MPEG標準和H．261標準

國際標準化組織第12頁,共54頁，2024年2月25日，星期天一、P×64Kb/s電視圖像壓縮編碼為使用綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)（ISDN）以提供視聽業(yè)務(wù)，CCITT在1984年成立負責制定電視圖像通信編碼標準的專家組。

1990年公布了H.261標準文件，稱為“視聽業(yè)務(wù)速率為P×64Kb/s的電視圖像編譯器（VideoCodecforAudiovisualServicesatP×64Kb/s）”其中P=1、2……30。

P=1或2，適用于面對面的臺式可視通信（可視電話）

P>=6，適用于電視會議（VideoConferencing）第13頁,共54頁，2024年2月25日，星期天源圖像編碼器圖像復(fù)合編碼器傳輸緩存?zhèn)鬏斁幋a器接收譯碼器編碼控制圖像編碼器圖像譯碼器圖像信號壓縮圖像代碼位流接收緩存圖像復(fù)合譯碼器源圖像譯碼器一、P×64Kb/s電視圖像壓縮編碼第14頁,共54頁，2024年2月25日，星期天CIF格式（CommonIntermediateFormat）1/4CIF格式，又叫QCIF格式（QuarterCIF）CCITT規(guī)定，凡是采用H.261標準的編譯碼器都必須能實時處理QCIF格式的圖像，而CIF格式的圖像作為選用。Vmax=29.97幅/秒（約）公用的中分辨率格式第15頁,共54頁，2024年2月25日，星期天CIFQCIF行數(shù)/幀像素/行行數(shù)/幀像素/行亮度Y288352（360）144176（180）色度CB144176（180）7288（90）色度Cr144176（180）7288（90）公用的中分辨率格式第16頁,共54頁，2024年2月25日，星期天…………解碼625/50525/50PAL/CIFNTSC/CIF顯示顯示625/50525/50P×64Kb/s編碼CIF/PALCIF/NTSCP×64Kb/s編譯碼器公用的中分辨率格式第17頁,共54頁，2024年2月25日，星期天P×64Kb/s電視圖像壓縮編碼算法運動補償幀間預(yù)測DCT量化熵編碼…………傳送編碼前處理PAL信號16×16像素塊信道源編碼

PAL/CIF

去噪

糾錯碼傳送緩沖器

幀內(nèi)壓縮幀間壓縮第18頁,共54頁，2024年2月25日，星期天幀間預(yù)測（Ymn）N和(Ymn）N-1變化很小統(tǒng)計結(jié)果表明：廣播電視節(jié)目只有10%以內(nèi)的像素有變化Y有2%的變化，UV有千分之十以內(nèi)的變化所以只傳差值采取DPCM編碼方法第19頁,共54頁，2024年2月25日，星期天H.261與MPEG不兼容H.261在實時編碼時比MPEG所占用的CPU運算量少得多。劇烈運動的圖像比相對靜止的圖像質(zhì)量要差。碼率變化范圍在64kbps至1.92Mbps之間。H.261的特征第20頁,共54頁，2024年2月25日，星期天H.263簡介H.263關(guān)于低于64Kb/s比特率的窄帶通道視頻編碼建議，其目的是能在現(xiàn)有的電話網(wǎng)上傳輸活動圖像H.263的編碼速度快，其設(shè)計編碼延時不超過150ms；碼率低，在512K乃至384K帶寬下仍可得到相當滿意的圖像效果，十分適用于需要雙向編解碼并傳輸?shù)膱龊?如可視電話和網(wǎng)絡(luò)條件不是很好的場合H.263建議草案于1995年11月完成。第21頁,共54頁，2024年2月25日，星期天二、MPEG壓縮編碼標準—簡介

活動圖像專家組(MOVINGPICTUREEXPERTGROUP)負責開發(fā)電視圖像數(shù)據(jù)和聲音數(shù)據(jù)的編碼,解碼和它們的同步標準，簡稱“MPEG標準”。

MPEG-1數(shù)字電視標準1992開發(fā)MPEG-2數(shù)字電視標準MPEG-3合并到高清晰度電視(HDTV)組MPEG-4多媒體應(yīng)用標準第22頁,共54頁，2024年2月25日，星期天二、MPEG壓縮編碼標準—簡介（1）MPEG視頻壓縮：進行全屏幕動態(tài)視頻圖像的數(shù)據(jù)壓縮，動態(tài)視頻圖像的傳輸速率為1.5Mbit/s。（2）MPEG音頻壓縮：進行數(shù)字音頻信號的壓縮,數(shù)字音頻信號的傳輸速率是64Kbit/s、128Kbit/s和192Kbit/s。（3）MPEG系統(tǒng)：MPEG標準的算法、軟件和硬件。MPEG標準分為三部分：第23頁,共54頁，2024年2月25日，星期天二、MPEG壓縮編碼標準—必要性一張B5紙300dpi，6.61MB/頁98頁/CD-ROM激光唱盤44.1kHz，16位，立體聲1小時/CD-ROM數(shù)字音頻磁帶48kHz，16位，2小時/CD-ROM數(shù)字電視圖像（NTSC）253KB/幀，7.603MB/秒1.42分鐘/CD-ROM數(shù)字電視圖像(PAL)1.24MB/幀，31.3MB/秒20.0秒鐘/CD-ROM存儲第24頁,共54頁，2024年2月25日，星期天二、MPEG壓縮編碼標準—必要性電話8000樣本數(shù)/秒×12比特/樣本=96kbps寬帶語音16000樣本數(shù)/秒×14比特/樣本=224kbps寬帶音頻44100樣本數(shù)/秒×2信道×16比特/樣本=1.412Mbps圖像512×512彩色圖像×24比特/像素=6.3兆比特/圖像視頻640×480彩色圖像×24比特/像素×30圖像/秒=221Mbps高清晰度電視1280×720彩色圖像×60比特/像素×24圖像/秒=1.3Gbps傳輸?shù)?5頁,共54頁，2024年2月25日，星期天二、MPEG壓縮編碼標準—MPEG1為例25幀/秒PAL30幀/秒NTSC<1.5Mb/s壓縮用于速率約在1.5Mb/s以下的數(shù)字存儲媒體第26頁,共54頁，2024年2月25日，星期天二、MPEG壓縮編碼標準—基本思想時間冗余第27頁,共54頁，2024年2月25日，星期天動態(tài)圖像在幀與幀之間表現(xiàn)出的特點:動態(tài)圖像以每秒25幀播放，在如此短的時間內(nèi)，畫面通常不會有大的變化；在畫面中變化的只是運動的部分，靜止的部分往往占有較大的面積；即使是運動的部分，也多為簡單的平移。二、MPEG壓縮編碼標準—基本思想第28頁,共54頁，2024年2月25日，星期天1、在空間方向上，圖像數(shù)據(jù)壓縮采用JPEG壓縮算法去掉冗余信息。2、在時間方向上，圖像數(shù)據(jù)壓縮采用幀間預(yù)測去掉冗余信息。二、MPEG壓縮編碼標準—基本思想第29頁,共54頁，2024年2月25日，星期天處理方法：采用JPEG的方式記錄第一幀。在隨后的幀中，只記錄該幀與前一幀不同的地方，相同的則不記錄。播放時，根據(jù)前一幀的畫面和這兩幀之間的不同構(gòu)造出當前的畫面。為解決在實際壓縮中存在的有損壓縮帶來的失真和因故障無法恢復(fù)后面幀（因前面幀丟失而造成）的問題，可采用每隔若干幀之后就記錄一個原始幀的方法加以解決。二、MPEG壓縮編碼標準—基本思想第30頁,共54頁，2024年2月25日，星期天I幀也稱幀內(nèi)圖像，采用JPEG壓縮算法,

不參照任何過去的或者將來的其他圖像幀；每個圖像平面分為8×8的圖塊，對每個圖像塊進行離散余弦變換；變換后用差分脈沖編碼，最后用霍夫曼編碼進一步壓縮。P為預(yù)測幀，利用相鄰I幀或P幀的統(tǒng)計信息進行預(yù)測，畫面分成16×16的子圖像塊，再分別向前或向后預(yù)測。B圖像稱為雙向預(yù)測幀,利用前后的I、P幀圖像之間的差異進行壓縮。MPEG的3種圖像類型第31頁,共54頁，2024年2月25日，星期天MPEG壓縮編碼的首要任務(wù)是找出幀之間的冗余，然后以幀速度進行預(yù)測和壓縮。對于視頻圖像和動畫，幀之間變化的內(nèi)容產(chǎn)生動作，沒有變化的內(nèi)容在視覺上是靜止的，有無變化是數(shù)據(jù)壓縮的基本依據(jù)。原理分析：幀的預(yù)測編碼第32頁,共54頁，2024年2月25日，星期天動態(tài)圖像壓縮主要解決的問題：

正確區(qū)分靜止圖像和動態(tài)圖像提取動態(tài)圖像中的活動成分進行幀之間的預(yù)測，提供壓縮的依據(jù)

壓縮系統(tǒng)對比兩幀對應(yīng)位置的像點，有變化的像點運算結(jié)果為0，否則為1。通過簡單的運算，即可識別圖像的活動成分，并進行相應(yīng)的編碼，達到壓縮的目的。幀的預(yù)測編碼第33頁,共54頁，2024年2月25日，星期天幀的預(yù)測編碼1、條件像素補充法：比較兩幀對應(yīng)位置像素的亮度，若亮度差值超過預(yù)先規(guī)定的閾值（即“條件”）則認為兩個像素有變化，證明像素在畫面上是活動的。把所有經(jīng)過比較判定有變化的像素保存在緩沖存儲器中，隨后以恒定的速率傳送出去、而那些亮度差值未超過閥值的像素，則不予處理，在接收端中用上一幀相應(yīng)的像素代替據(jù)統(tǒng)計，在可視電話中用條件補充法傳送的像素只占全部像素的6%左右第34頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2、運動補償是MPEG標準采用的主要技術(shù)，特別適用于可視電話系統(tǒng)和電視會議系。由于畫面活動內(nèi)容很少，其壓縮比可得到大幅度提高。首先跟蹤畫面內(nèi)的活動狀態(tài)并對其進行運動向量的計算然后加以補償最后再利用幀間預(yù)測實現(xiàn)最終的壓縮目的。幀的預(yù)測編碼第35頁,共54頁，2024年2月25日，星期天預(yù)測與運動補償示意圖

第36頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第37頁,共54頁，2024年2月25日，星期天MPEG-1標準主要用于對活動圖像以及伴音信號進行壓縮編碼。主要特點：1、滿足以約1.5Mb/s的速率傳輸視頻信號3、對分辨率(NTSC制式為352×240；PAL制式為352×288)的圖像進行壓縮2、適用于VCD第38頁,共54頁，2024年2月25日，星期天MPEG-1標準4、有四個組成部分：視頻、音頻和系統(tǒng)和測試驗證。5、對于幀內(nèi)圖像采用二維余弦變換、自適應(yīng)算術(shù)編碼、行程編碼、變字長編碼以及差分脈沖編碼（DPCM）。幀間壓縮采用運動補償預(yù)測編碼和運動補償內(nèi)插編碼。第39頁,共54頁，2024年2月25日，星期天7、適用于CD－ROM、VCD、CD－I（交互式CD）等，也被用于數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)上的視頻傳輸，如ADSL上的視頻點播和遠程教育。6、具有CD音質(zhì)，圖像質(zhì)量基本與VHS家用錄像機相當MPEG-1標準第40頁,共54頁，2024年2月25日，星期天MPEG-1不能滿足日益增長的多媒體技術(shù)、數(shù)字電視技術(shù)、多媒體分辨率和傳輸率等方面技術(shù)的要求，MPEG-2克服了MPEG-1的這一缺陷。MPEG-2視頻分量的位速率范圍大約為2—15MbpsMPEG-2標準第41頁,共54頁，2024年2月25日，星期天主要特點：1、壓縮信號速率為4-15Mbit/s2、支持NTSC制式的720×480畫面分辨率，PAL制式的720×576S畫面分辨率。3、MPEG-2標準使用的解碼器一般同時支持MPEG-1和MPEG-2兩種標準。4、提供廣播級的圖像質(zhì)量和CD級的音質(zhì)MPEG-2標準第42頁,共54頁，2024年2月25日，星期天5、一般在30:1的壓縮比下，能夠保證播放的視頻和音頻信號達到廣播級質(zhì)量；最高壓縮比為200：1，大多數(shù)情況下達不到最高壓縮比。6、適用于數(shù)字電視廣播(DVB）、HDTV和DVD的運動圖像及其伴音的壓縮編碼。對于PAL制式，采用MPEG-2標準進行音頻信號壓縮；對于NTSC制式。采用AC3音頻壓縮標準。

MPEG-2標準第43頁,共54頁，2024年2月25日，星期天MPEG-1MPEG-2主要應(yīng)用CD-ROM上的數(shù)字電視，VCD數(shù)字TV，DVD空間分辨率CIF格式（1/4TV）288*360像素TV576*720像素時間分辨率25-30幀/秒50-60場/秒位速率1.5Mb/s15Mb/s質(zhì)量相當于VHS相當于MTSC/PAL電視壓縮率20-3030-40MPEG1與MPEG2典型的編碼參數(shù)第44頁,共54頁，2024年2月25日，星期天MPEG-4標準是一個適用于低傳輸速率應(yīng)用的方案與MPEG1和MPEG2相比，MPEG4更加注重多媒體系統(tǒng)的交互性和靈活性。第45頁,共54頁，2024年2月25日，星期天MPEG-4標準1、存儲容量大幅度的降低

在靜止情況下MPEG4比MPEG1節(jié)省了2/3的硬盤空間；在一般活動場景下也節(jié)省近一半的容量。主要特點：2、清晰度較高第46頁,共54頁，2024年2月25日，星期天MPEG-4標準3、網(wǎng)絡(luò)傳輸

可以被廣泛利用的ISDN綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（128K）和公共普通電話線網(wǎng)（64K）。目前在低帶寬上傳輸活動視頻的另一個解決方案就是采用H.263通訊標準，盡管H.263也具有較高的壓縮比，但是圖像質(zhì)量差于MPEG4。第47頁,共54頁，2024年2月25日，星期天MPEG-4標準4、基于內(nèi)容的普遍性