第六章圖像壓縮編碼標準.

1、數字屯視更理第六章圖像壓縮編碼標準主要內容一、JPEG和JPEG2000標準二、MPEG標準數字屯視更理數字屯視更理數字屯視更理數字屯視更理 H. 261 H. 263 （會議電視） JPEG、JPEG2000 （靜止圖像） MPEG-1 （VCD） MPEG-2 （數字電視） MPEG-4 （多媒體通信）&哄呼電于咸JPEG JPEG是聯合圖像專家組的縮寫（Joint Photographic Experts Group ）主要用于計算機靜止圖像的壓縮，在用 于活動圖像時，其算法僅限于幀內，便 于編輯。JPEG標準的算法是基于 DCT（離散余弦變換）和町變長編碼。JEPG壓縮編碼算法的計算步

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制（DPCM）對 直流系數DC進行編碼。5、使用行程長度編碼對交流系數（AC） 進行編碼。6、嫡編碼。數字電視負理&哄呼蒼于比&咸呼電于比G2000特點高壓縮比連續(xù)色調圖像壓縮和二值圖像壓縮無失真壓縮和有失真壓縮漸進傳輸：先傳輸圖像的輪廓，然后逐 步傳輸數據，不斷提高圖像質量，以滿 足用戶的需要。固定比特率、固定尺寸對碼流的隨機訪問和隨機處理MPEG ( Moving Picture Expert Group ) 活 動圖像專家組”包括三個部分:系統(tǒng)：視頻：音頻：-量上高于可視電話和會議也視的聲象質量，至少應達到 VHS家

3、角錄彖機的聲象質量。 (2)壓縮后的數碼率應能存儲在光盤、 數字錄咅帶DAT或可寫磁光盤等媒體中。 (3)壓縮后的碼率應與日前的計算機網 絡傳輸碼率相適配，即為1.2Mbps-1.5Mbpso (4)在通信網絡上它能適應多種通信網 絡的傳輸。MPEG-2的壓縮比可達50兒 壓縮后的數字活動圖像信號和相應音頻信號碼率可達幾 Mb/s數字電視原理第一系統(tǒng)部分：主要涉及多路音頻、 視頻和數據的復用和同步； 第二視頻部分：主耍涉及各種比特 率的數字視頻編碼； 第三音頻部分,擴充了MPEG-1的音 頻標準，使之成為多通道音頻編碼系 統(tǒng)，達到了5.1聲道之多。支持不同分辨率格式之間的兼容。 MPEG-2以

4、空間和時間可分級方法提供 空間和時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數字演播室圖象格式和HDTV數字 演播室圖象格式。數字電視欣理&哄呼于虎MPEG的視頻數據流結構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字屯視尿理數字屯視尿理圖像序列：是一個被處理的連續(xù)圖像，是由圖 像組構成的，它包含序列頭、若干個圖像組層的數據 以及序列終止符。圖像組（GOP）:圖像組是為方便隨機存 取而加的，其結構和長度均為可變的， 圖像組是隨機存取視頻單位，它由定義 的一組或多組幀內編碼幀（I幀）或非幀 內編碼幀（P幀或B幀）圖像構成。每組 包括組頭，圖像層數據，時間信息。圖像：圖像是獨立的顯示單位，也是 基本編碼單位，由圖像頭和宏塊條層數 據組成。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：包含若干個連續(xù)的宏塊，是重新同步單位。宏塊條的設置是防止誤碼的擴散。數

6、字屯視欣理宏塊：宏塊層由宏塊頭加塊層數據組成，圖像以亮 度數據矩陣為基準分為16X16像素的宏塊，宏塊是進行運動 補償的基本單位。一個宏塊包含4個8X8的亮度塊，還包 含兩個8 X 8色度塊（RY和BY各一個，4:2:0取樣時八 四個8 X 8色度塊（RY和HY各兩個，4:2:2取樣）或 八 個8X8色度塊（RY和BY各四個，4:4:4取樣時）。4:2:（）宏塊結構4:2:2宏塊結構4:4:4宏塊結構塊：塊是MPEG碼流的最底層，每個塊 是一個8 X 8像素的數據矩陣。每個塊中 只含有一種信號元素，即它或是亮度數 據矩陣，或是某中色度數據矩陣。塊是 進行DCT運算的單位，宏塊在進行DCT 運算

7、之前要被分成若干個塊。&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、運動估值6、運動補償視頻序列都可以分為兩層：基本層和增 強層，基本層提供了視頻序列的基本信 息，增強層提供了視頻序列更高的分辨 率和細節(jié)，基層可以單獨傳輸和解碼， 而增強層則必須勇基層一起傳輸和解碼。數字屯視碩理&哄呼電于比簡單類:與Main Profile相同，只是不用B幀, 這是為了節(jié)約RAM；主類：圖像質量合乎一定要求，允許有一定損 傷，不具有可分級性；信噪比可選類：比Main Profile改進之處是信 噪比可分級；空間尺寸可選類：空間分辨率方面也可分級；高質量類：支持4 ：

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

9、幀不依賴于 其他幀，所以是隨機存取的入點， 同時是解碼中的基準幀。一個圖像 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幀根據前面的I幀或P幀進行預測（向前預測），使用運動補償算法進行壓縮，因而壓縮比要比I幀高，數據量平均達到I 幀的1/3左右。P幀是對前后的B幀和后繼 的P幀進行解碼的基準幀。P幀本身是有誤差的，如果P幀的前一個基準幀也是P 幀，就會造成誤差傳播。 B幀基于前后的兩個I、P幀或P. P幀， 它使用雙向預測，數據量平均可以達到I 幀的1/9左右。B幀本身不作為基準，因 此可以在提供更高的壓縮比的情況下不 傳播誤差。數字電衩JR理)流組成一個GOP由一串I.

10、 B、P幀組成，起始為I幀。 GOP的長度是一個I幀到下一個I幀的間隔，一般是一秒內有兩個I幀，用來作為隨機存取的入口。在MPEG-2中沒有規(guī)定GOP的結構，幀重復方式可 以是I、P, I、B, I、B、P, K B、B. P,甚至全部是I 幀。B幀和P幀要求計算機有更強的功能。有些壓縮器不 能產生B幀或者連P幀也不能產生，則圖像的壓縮結果將 有很明顯的間斷。在MPEG-1中，每個I幀圖像含有152Kb, P幀圖像 含有80Kb, B幀圖像含有23Kb, 個典型GOP由1個I 幀、3個卩幀、8個B幀組成。它有以下幾個任務：(1) 對音頻、視頻、數據、控制等基本比特流起系統(tǒng)復用的作用。(2) 提

11、供用于恢復時間基準的時間標志，緩沖器初始 化和管理，咅頻和視頻的解碼時間，顯示時間。(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，有條件接入，隨機接入，數字存儲 控制提供支持。視頻或咅頻編碼器的輸出被打成PES,然后PS復用 器中被組合成PS或/I ITS復川器中被組合成TS,前者用 于相對無誤差的環(huán)境，后者用于冇噪聲媒質。數字屯視原理數字屯視原理數字屯視原理-倍送層 壓縮層ATSC中的系統(tǒng)復用應用層壓縮層：根拯規(guī)定信源編碼標準將輸入的數據流予以碼率 壓縮，產牛出視頻基本流(ES)和音頻基木流，視頻編 碼標準采用MEPG-2,背頻編碼標準采用M

12、USICAM丿禾縮 技術。傳送層：將ES打包，形成打包基本流(PES),并實現 視疔頻PES的復用，組成復用的節(jié)H流(PS )或傳送流 (TS ) o PES包的長度為一個存取單元，視頻存取單元 為一個圖像幀，音頻為一個音頻幀。圖像幀有I、B、P幀 之分，它們的PES長度不相同。在復用器(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行復用，它們的PES包長度不固 怎，而TS流在其復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，包頭內乂分 兩層，一層是固定長度4字節(jié)的鏈接層，另-層是 可變長度的口適應層。第1個字節(jié)的包同步用于使接收端于

13、發(fā)送端建立 包同步，數據值固定為“01000111”。13bit的PID 為包標識符,指出凈荷中包含的數據信息類型。建 立包同步后，按接收端可利用PID值提取出需要 的TS包內容。個包內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 數據等。數字屯視原理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/幀決策的功能； DCT有二種：幀DCT或場DCT； 運動估計有四種：場預測、幀預測、雙 基預測和16X8的運動補償； 壓縮編碼方式溝采用運動檢測補償、 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準，而是更多的強調多媒體通信的交互性和靈活性，以及多工業(yè) 領域的融合?；趦热莸慕换バ詫Σ煌瑏碓吹囊曇纛l対象進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，從 而支持各種碼率（5kbps至4Mbps）、格 式（逐行和隔行）、分辨率。實吋通信（視頻會議、可視電話等）移動多媒體（PDA等）交互媒體存儲（DVD等）交互視頻游戲節(jié)目制作及廣播業(yè)務等。數字屯視原理 MPEG-7能對各種不同類型的多媒體信 息進行標準化的描述，并將該描述與所 描述的內容相聯系，以實現快速有效的 搜索。MPEG7目標是使視聽內容像文本那樣容易被搜索。數字屯視原理也可用于流式應用（如廣播），還可以在實時或非實時環(huán)境下應用，如：數字圖書 館、廣播媒體選擇、多媒體編輯等，應 用潛力很大。MPEG和JPEG的主要差別 JPEG和MPEG