視頻壓縮編碼

視頻壓縮編碼第1頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)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(duì)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(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)PAL制、SECAM制每一條掃描行采樣864個(gè)樣本有效樣本數(shù)720個(gè)對(duì)NTSC制每一條掃描行采樣858個(gè)樣本有效樣本數(shù)720個(gè)（3）有效顯示分辨率第4頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)率第5頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(jì):

270兆比特/秒ITU-RBT.601標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)率第6頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)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(jì):

207Mb/s

如果每個(gè)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(hào)的數(shù)據(jù)傳輸率就降為166Mb/s。

ITU-RBT.601標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)率第7頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月單速光驅(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(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章視頻壓縮編碼第9頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、P×64Kb/s電視圖像壓縮編碼（通信）二、MPEG壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)（存儲(chǔ)）學(xué)習(xí)內(nèi)容第10頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(chǎng)合學(xué)習(xí)目標(biāo)第11頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)ISO(InternationalStandardizationOrganization-ISO)，國(guó)際電子學(xué)委員會(huì)IEC(InternationalElectronicsCommittee-IEC)，國(guó)際電信協(xié)會(huì)ITU(InternationalTelecommunicationUnion-ITU)20世紀(jì)90年代制定了三個(gè)重要的多媒體國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。JPEG標(biāo)準(zhǔn)、MPEG標(biāo)準(zhǔn)和H．261標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織第12頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、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(fù)責(zé)制定電視圖像通信編碼標(biāo)準(zhǔn)的專家組。

1990年公布了H.261標(biāo)準(zhǔn)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(duì)面的臺(tái)式可視通信（可視電話）

P>=6，適用于電視會(huì)議（VideoConferencing）第13頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(hào)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(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(biāo)準(zhǔn)的編譯碼器都必須能實(shí)時(shí)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(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月…………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(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P×64Kb/s電視圖像壓縮編碼算法運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幀間預(yù)測(cè)DCT量化熵編碼…………傳送編碼前處理PAL信號(hào)16×16像素塊信道源編碼

PAL/CIF

去噪

糾錯(cuò)碼傳送緩沖器

幀內(nèi)壓縮幀間壓縮第18頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月幀間預(yù)測(cè)（Ymn）N和(Ymn）N-1變化很小統(tǒng)計(jì)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(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月H.261與MPEG不兼容H.261在實(shí)時(shí)編碼時(shí)比MPEG所占用的CPU運(yùn)算量少得多。劇烈運(yùn)動(dòng)的圖像比相對(duì)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(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月H.263簡(jiǎn)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(dòng)圖像H.263的編碼速度快，其設(shè)計(jì)編碼延時(shí)不超過150ms；碼率低，在512K乃至384K帶寬下仍可得到相當(dāng)滿意的圖像效果，十分適用于需要雙向編解碼并傳輸?shù)膱?chǎng)合,如可視電話和網(wǎng)絡(luò)條件不是很好的場(chǎng)合H.263建議草案于1995年11月完成。第21頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、MPEG壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)—簡(jiǎn)介

活動(dòng)圖像專家組(MOVINGPICTUREEXPERTGROUP)負(fù)責(zé)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(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱“MPEG標(biāo)準(zhǔn)”。

MPEG-1數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)1992開發(fā)MPEG-2數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)MPEG-3合并到高清晰度電視(HDTV)組MPEG-4多媒體應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)第22頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、MPEG壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)—簡(jiǎn)介（1）MPEG視頻壓縮：進(jìn)行全屏幕動(dòng)態(tài)視頻圖像的數(shù)據(jù)壓縮，動(dòng)態(tài)視頻圖像的傳輸速率為1.5Mbit/s。（2）MPEG音頻壓縮：進(jìn)行數(shù)字音頻信號(hào)的壓縮,數(shù)字音頻信號(hào)的傳輸速率是64Kbit/s、128Kbit/s和192Kbit/s。（3）MPEG系統(tǒng)：MPEG標(biāo)準(zhǔn)的算法、軟件和硬件。MPEG標(biāo)準(zhǔn)分為三部分：第23頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、MPEG壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)—必要性一張B5紙300dpi，6.61MB/頁(yè)98頁(yè)/CD-ROM激光唱盤44.1kHz，16位，立體聲1小時(shí)/CD-ROM數(shù)字音頻磁帶48kHz，16位，2小時(shí)/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(chǔ)第24頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、MPEG壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)—必要性電話8000樣本數(shù)/秒×12比特/樣本=96kbps寬帶語(yǔ)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(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、MPEG壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)—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(chǔ)媒體第26頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、MPEG壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)—基本思想時(shí)間冗余第27頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月動(dòng)態(tài)圖像在幀與幀之間表現(xiàn)出的特點(diǎn):動(dòng)態(tài)圖像以每秒25幀播放，在如此短的時(shí)間內(nèi)，畫面通常不會(huì)有大的變化；在畫面中變化的只是運(yùn)動(dòng)的部分，靜止的部分往往占有較大的面積；即使是運(yùn)動(dòng)的部分，也多為簡(jiǎn)單的平移。二、MPEG壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)—基本思想第28頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)間方向上，圖像數(shù)據(jù)壓縮采用幀間預(yù)測(cè)去掉冗余信息。二、MPEG壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)—基本思想第29頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月處理方法：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(shí)，根據(jù)前一幀的畫面和這兩幀之間的不同構(gòu)造出當(dāng)前的畫面。為解決在實(shí)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(gè)原始幀的方法加以解決。二、MPEG壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)—基本思想第30頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(gè)圖像平面分為8×8的圖塊，對(duì)每個(gè)圖像塊進(jìn)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(jìn)一步壓縮。P為預(yù)測(cè)幀，利用相鄰I幀或P幀的統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，畫面分成16×16的子圖像塊，再分別向前或向后預(yù)測(cè)。B圖像稱為雙向預(yù)測(cè)幀,利用前后的I、P幀圖像之間的差異進(jìn)行壓縮。MPEG的3種圖像類型第31頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(jìn)行預(yù)測(cè)和壓縮。對(duì)于視頻圖像和動(dòng)畫，幀之間變化的內(nèi)容產(chǎn)生動(dòng)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(cè)編碼第32頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月動(dòng)態(tài)圖像壓縮主要解決的問題：

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

壓縮系統(tǒng)對(duì)比兩幀對(duì)應(yīng)位置的像點(diǎn)，有變化的像點(diǎn)運(yùn)算結(jié)果為0，否則為1。通過簡(jiǎn)單的運(yùn)算，即可識(shí)別圖像的活動(dòng)成分，并進(jìn)行相應(yīng)的編碼，達(dá)到壓縮的目的。幀的預(yù)測(cè)編碼第33頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月幀的預(yù)測(cè)編碼1、條件像素補(bǔ)充法：比較兩幀對(duì)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(rèn)為兩個(gè)像素有變化，證明像素在畫面上是活動(dòng)的。把所有經(jīng)過比較判定有變化的像素保存在緩沖存儲(chǔ)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(jì)，在可視電話中用條件補(bǔ)充法傳送的像素只占全部像素的6%左右第34頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是MPEG標(biāo)準(zhǔn)采用的主要技術(shù)，特別適用于可視電話系統(tǒng)和電視會(huì)議系。由于畫面活動(dòng)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(dòng)狀態(tài)并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)向量的計(jì)算然后加以補(bǔ)償最后再利用幀間預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)最終的壓縮目的。幀的預(yù)測(cè)編碼第35頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月預(yù)測(cè)與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償示意圖

第36頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第37頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)主要用于對(duì)活動(dòng)圖像以及伴音信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼。主要特點(diǎn)：1、滿足以約1.5Mb/s的速率傳輸視頻信號(hào)3、對(duì)分辨率(NTSC制式為352×240；PAL制式為352×288)的圖像進(jìn)行壓縮2、適用于VCD第38頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)4、有四個(gè)組成部分：視頻、音頻和系統(tǒng)和測(cè)試驗(yàn)證。5、對(duì)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(zhǎng)編碼以及差分脈沖編碼（DPCM）。幀間壓縮采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)編碼和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償內(nèi)插編碼。第39頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(diǎn)播和遠(yuǎn)程教育。6、具有CD音質(zhì)，圖像質(zhì)量基本與VHS家用錄像機(jī)相當(dāng)MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)第40頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MPEG-1不能滿足日益增長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)第41頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主要特點(diǎn)：1、壓縮信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)使用的解碼器一般同時(shí)支持MPEG-1和MPEG-2兩種標(biāo)準(zhǔn)。4、提供廣播級(jí)的圖像質(zhì)量和CD級(jí)的音質(zhì)MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)第42頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(hào)達(dá)到廣播級(jí)質(zhì)量；最高壓縮比為200：1，大多數(shù)情況下達(dá)不到最高壓縮比。6、適用于數(shù)字電視廣播(DVB）、HDTV和DVD的運(yùn)動(dòng)圖像及其伴音的壓縮編碼。對(duì)于PAL制式，采用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行音頻信號(hào)壓縮；對(duì)于NTSC制式。采用AC3音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)第43頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)間分辨率25-30幀/秒50-60場(chǎng)/秒位速率1.5Mb/s15Mb/s質(zhì)量相當(dāng)于VHS相當(dāng)于MTSC/PAL電視壓縮率20-3030-40MPEG1與MPEG2典型的編碼參數(shù)第44頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)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(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)1、存儲(chǔ)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(dòng)場(chǎng)景下也節(jié)省近一半的容量。主要特點(diǎn)：2、清晰度較高第46頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)視頻的另一個(gè)解決方案就是采用H.263通訊標(biāo)準(zhǔn)，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(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MPEG-