CCTV-5-數(shù)字視頻壓縮

本課程涉及內(nèi)容圖像傳感器原理光學(xué)成像原理電視原理數(shù)字視頻壓縮原理黑白、彩色攝像機(jī)攝像鏡頭電動(dòng)云臺(tái)及控制器監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)監(jiān)控中心的其他設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的輔助設(shè)備視音頻信號(hào)的傳輸與控制電視監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成基于網(wǎng)絡(luò)的電視監(jiān)控系統(tǒng)1第5章數(shù)字視頻壓縮原理電視監(jiān)控系統(tǒng)中涉及到的主要信息就是視頻信息，隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的到來(lái)，電視監(jiān)控系統(tǒng)中視頻信號(hào)的傳輸及存儲(chǔ)也越來(lái)越多地采用了數(shù)字技術(shù)。然而，數(shù)字視頻的原始數(shù)據(jù)量是很大的，這就意味著，在保證一定圖像質(zhì)量的前提下，數(shù)字視頻信號(hào)在傳輸及存儲(chǔ)過(guò)程中必須進(jìn)行壓縮處理

。25.1視頻信號(hào)的數(shù)字化黑灰白25503（1）掃描：將二維平面圖像轉(zhuǎn)換為一維電信號(hào)表示。（2）取樣：把隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬信號(hào)變成時(shí)間軸上不連續(xù)的離散信號(hào)，這個(gè)過(guò)程實(shí)際上是在每一條水平掃描線上等間隔地抽取視頻圖像某些特定像素點(diǎn)的屬性值。

（3）量化：把每個(gè)像素的亮度（灰度）值轉(zhuǎn)換為有限個(gè)離散值。

（4）編碼：按照一定的規(guī)律，將量化后的值用數(shù)字表示，然后變換成二進(jìn)制或其他進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)。

視頻信號(hào)數(shù)字化的過(guò)程4取樣時(shí)間1ms1-100.5-0.5時(shí)間1ms1-100.5-0.50

-fmax

fmaxfmax

-fa

取樣后輸入信號(hào)的頻譜f重疊頻譜段0

-fmax

fmaxfmax取樣前輸入信號(hào)的頻譜為避免頻帶重疊所需的抗混疊濾波器的頻譜響應(yīng)f

fa

5量化取樣取樣電平量化電平時(shí)間幅度時(shí)間1ms1-100.5-0.5時(shí)間1ms1-100.5-0.56編碼時(shí)間幅度118比特碼2比特碼1001001111111100000000共256個(gè)值通過(guò)取樣、量化和二進(jìn)制編碼所形成的信號(hào)稱(chēng)為脈沖編碼調(diào)制（PCM，PulseCodeModulation）信號(hào)7數(shù)字視頻國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

ITU-R601標(biāo)準(zhǔn)作為數(shù)字演播室的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)采用了分量編碼技術(shù)，其中亮度信號(hào)Y的取樣頻率為13.5MHz，兩個(gè)色差信號(hào)R-Y和B-Y的取樣頻率都取為6.75MHz，由此根據(jù)每一掃描行的樣值數(shù)比例形成了720:360:360的取樣結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)記作4:2:2格式。近年來(lái)，由于圖像處理技術(shù)有了進(jìn)一步的發(fā)展，而數(shù)字視頻存儲(chǔ)的需求則是越小越好，因而在某些新型錄像機(jī)中又提出了采用了4:1:1或4:2:0的取樣格式來(lái)進(jìn)一步降低數(shù)字視頻碼率的方法。8現(xiàn)行電視系統(tǒng)掃描格式625/50/2:1。場(chǎng)周期為20ms，而場(chǎng)正程時(shí)間為18.4ms，因此每場(chǎng)/幀的有效掃描行數(shù)應(yīng)為每場(chǎng)/幀總掃描行數(shù)的18.4/20=0.92，由此得出場(chǎng)正程期間的有效掃描行數(shù)為625(行)/2(場(chǎng))×0.92=287.5行/場(chǎng)，取整數(shù)為288行/場(chǎng)，相當(dāng)于576行/幀?？紤]到電視畫(huà)面的寬高比為4:3，可以算出每個(gè)掃描行的像素?cái)?shù)應(yīng)為576×4/3=768個(gè)，于是得到數(shù)字化后每幀圖像的有效像素?cái)?shù)應(yīng)為768×576=442368個(gè)像素。如果將每個(gè)像素的顏色按紅、綠、藍(lán)三基色進(jìn)行分解，并將分解后的色成分也即按8bit進(jìn)行量化，則要描述每一像素的屬性就需要用3×8=24bit來(lái)表示。由此推算出一幀圖像需要用442368×24=10616832bit來(lái)表示，而每秒25幀則需要10616832×25≈2.65×108bit，這一數(shù)字按傳輸速率來(lái)說(shuō)即為265Mb/s，若按存儲(chǔ)容量來(lái)說(shuō)則相當(dāng)于33.2MB/s（8bit=1Byte），數(shù)據(jù)量大得驚人

5.2數(shù)字視頻的帶寬及壓縮

9壓縮分無(wú)損壓縮和有損壓縮兩大類(lèi)。

無(wú)損壓縮：在進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的過(guò)程中不丟棄任何有用信息，在數(shù)據(jù)還原時(shí)可使還原出的數(shù)據(jù)與未經(jīng)壓縮的原始數(shù)據(jù)完全相同。

有損壓縮：在壓縮過(guò)程中丟棄了一些不太重要的有用信息，因而還原后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)有所差別。但是對(duì)于視頻圖像及聲音來(lái)說(shuō)，由于人眼、耳的分辨力有限，通常難以察覺(jué)到那些因壓縮而被丟棄的信息，因此，只要有用信息損失得不多，在數(shù)據(jù)還原時(shí)就仍可以保證較高的信號(hào)質(zhì)量，而此時(shí)的壓縮比卻可以做得很高。105.3幾種常用的壓縮編碼方法

1．預(yù)測(cè)編碼

差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）是一種預(yù)測(cè)編碼技術(shù)，其原理是基于圖像信號(hào)冗余度高的事實(shí)，當(dāng)前的像素值可用與它鄰近的像素值預(yù)測(cè)獲得。在預(yù)測(cè)編碼中，不直接傳送像素樣值本身，而是對(duì)實(shí)際樣值與它的一個(gè)預(yù)測(cè)值之間的差值進(jìn)行量化、編碼再傳送，以達(dá)到很大的壓縮比。這個(gè)差值稱(chēng)為預(yù)測(cè)誤差，預(yù)測(cè)誤差被量化后再編碼的方式叫做DPCM，它是預(yù)測(cè)編碼中最重要的一種編碼方法。在視頻序列編碼中，主要用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幀間預(yù)測(cè)進(jìn)行時(shí)間軸冗余度的壓縮。由于電視信號(hào)的相關(guān)性很強(qiáng)，即鄰近像素的樣值很接近，所以預(yù)測(cè)有較高的準(zhǔn)確性。

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2．統(tǒng)計(jì)編碼（熵編碼）根據(jù)信息概率分布的特點(diǎn)，通過(guò)合理分配比特?cái)?shù)使信息的出現(xiàn)概率與字長(zhǎng)相匹配，從而達(dá)到減小平均字長(zhǎng)的目的。例如，某些符號(hào)發(fā)送的概率比另一些符號(hào)的概率大得多，那么對(duì)概率大的符號(hào)就賦予短的碼字，而對(duì)概率小的符號(hào)則賦予長(zhǎng)的碼字，這樣就有效地減小了平均碼字長(zhǎng)，從而降低傳輸時(shí)的平均碼率。這種基于不同概率的消息有不同長(zhǎng)度的碼字，稱(chēng)為可變長(zhǎng)碼字。由于設(shè)計(jì)碼字時(shí)是基于不同信息概率統(tǒng)計(jì)發(fā)生，所以這種編碼方法也稱(chēng)為統(tǒng)計(jì)編碼。熵編碼的目的是為了降低平均字長(zhǎng)，以達(dá)到壓縮碼率的目的。在熵編碼過(guò)程中保持信息的熵值不變，因此也稱(chēng)為熵保持編碼或無(wú)損傷編碼

。

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3．變換編碼

將在空間域描寫(xiě)的圖像信號(hào)變換到一個(gè)正交的變換域（正交的向量空間）進(jìn)行描寫(xiě)。如果所選的正交向量空間的基準(zhǔn)向量與圖像本身的特征向量很接近，那么同一信號(hào)在這種變換域內(nèi)的描寫(xiě)就簡(jiǎn)單得多?？臻g域的一個(gè)N×N個(gè)像素組成的像塊經(jīng)過(guò)正交變換后，在變換域變成了同樣N×N的變換系數(shù)塊。變換前后的明顯差別是，在空間域像素塊中的像素之間存在著很強(qiáng)的相關(guān)性，能量分布比較均勻；經(jīng)過(guò)正交變換后，變換系數(shù)近似統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，基本去除了相關(guān)性，能量集中在直流和少數(shù)低頻系數(shù)上，去除了相關(guān)性，降低了冗余度。在變換域內(nèi)再進(jìn)行濾波、量化（與視覺(jué)特性匹配）及統(tǒng)計(jì)編碼，即可實(shí)現(xiàn)有效的碼率壓縮。

135.4數(shù)字視頻壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

自20世紀(jì)80年代后期，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）針對(duì)靜止圖像及活動(dòng)圖像的諸多不同應(yīng)用場(chǎng)合、傳輸速率、圖像分辨率和圖像質(zhì)量，先后制定了如JPEG、H.261、H.263、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21等一系列數(shù)字視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，極大地推動(dòng)了數(shù)字視頻