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1、数字电视原理,第五章 数字电视的国际标准,信息工程系,2,2019/10/20,5.4 JPEG标准,JPEG的目标： JPEG用于连续变化的静止图像 连续变化是指灰度等级和颜色两方面的连续变化 静止图像数据压缩标准 JPEG Joint Photo-Graphic Experts Group 联合图像专家组 从1986年正式开始制订,由多个国际组织联合制定: 国际标准组织 ISO 国际电报电话咨询委员会 CCITT(后改为国际电信联盟ITU)。 国际电工委员会(IEC)也参加合作 1992年7月通过了标准的第一部分，后又对有关测试标准草案(即标准的第二部分)作了进一步修改,信息工程系,3,2
2、019/10/20,5.4 JPEG标准,JPEG包含两种基本压缩方法： 有损压缩：基于DCT的有损压缩，又称为基线顺序编解码(Baseline Sequential Codec)方法 无损压缩：又称预测压缩方法 JPEG编码压缩的基本算法与H.261的帧内模式相似，JPEG标准的图像压缩是在本帧内进行, 与前后帧无关 JPEG可用于活动图像压缩编码，只不过压缩方法只限于帧内进行，不作运动补偿和帧间差运算。这种用于活动图像的压缩技术称作：M-JPEG(Motion-JPEG), 主要用于高质量图像压缩编码方案中，例如电视台节目编辑中,信息工程系,4,2019/10/20,5.4 JPEG标准,
3、1. 基于DCT的编码器和解码器 基于DCT的JPEG编码器：,信息工程系,5,2019/10/20,5.4 JPEG标准,基于DCT的JPEG解码器：,信息工程系,6,2019/10/20,5.4 JPEG标准,JPEG标准中的像素 以NTSC制为例，它的视频最高频率为4.2MHz，故抽样频率可取8.4MHz至9MHz NTSC制 行频 行周期 每行的显示时间 若设抽样频率,信息工程系,7,2019/10/20,5.4 JPEG标准,则 时间内的抽样数N如下式所示 抽样数N:一行中的显示区或称有效像素区中的像素数,信息工程系,8,2019/10/20,5.4 JPEG标准,像素形状 又称为纵
4、横比，按JPEG标准规定像素纵横比为1：1，也就是像素为正方形 例如上述NTSC制中一行像素为480个，若像素纵横比为1：1，图像尺寸纵横比为3：4，则一帧图像应有的行数为48034360行 光栅转换或扫描转换：NTSC制一帧图像为525行，其中包含两场，若扣除两场的场消隐所需74行，则余451行,转换到360行,则需要并行。按 ，则每10行需要并成8行，这就是图像光栅处理中常用的光栅转换或扫描转换,信息工程系,9,2019/10/20,5.4 JPEG标准,JPEG压缩流程示意图,信息工程系,10,2019/10/20,5.4 JPEG标准,2. 离散余弦变换和DCT系数量化 JPEG标准是
5、将“二维”空间的图像数据用离散余弦变换DCT公式变换到二维频域成为二维频率系数。变换后的系数经量化矩阵量化 亮度量化矩阵 色度量化矩阵,信息工程系,11,2019/10/20,5.4 JPEG标准,量化矩阵量化 正量化： 式中 为DCT系数， 为量化步长 反量化 ：,信息工程系,12,2019/10/20,5.4 JPEG标准,经Zig-Zag扫描后，把二维量化系数转换为一维数据序列，以便进行熵编码 这种低频在前高频在后Zig-Zag扫描的排列方式也称带状编码，因为它和频带由低到高呈带状一致。这和量化步长逐步提高的方式一致，所以也称门限系数排列方式 对于直流分量DC进行差分脉冲编码,信息工程系
6、,13,2019/10/20,5.4 JPEG标准,3. 熵编码器 熵编码也称无损编码或无误差编码。熵编码分为两个步骤，其一为中间熵编码，其二是可变长度熵编码 JPEG标准的DCT变换编码、解码过程及熵编码的具体操作方法请见附录,信息工程系,14,2019/10/20,5.4 JPEG标准,4. 数据交换格式,信息工程系,15,2019/10/20,5.5 MPEG-1标准,MPEG-1目标 MPEG-1标准的设计思想是在1Mbit/s到1.5Mbit/s的低带宽条件下，提供尽可能高的图像质量（包括音频，以下所指图像均包括音频）。针对CD-ROM、光盘的视频存储和放像所制定的数字电视标准 VC
7、D使用MPEG-1标准，图像尺寸为352288，标准速率为1.2Mbit/s MPEG是活动图像专家组(Moving Picture Expert Group)的英文缩写，MPEG的任务是开发活动图像及其声音的数字编码标准，成立于 1988年。它是国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)联合技术委员会 l(JTC l)的第 29分委员会(S29)的第 l l工作组(WG l l)，其全称是 WG l l of SI 29 of ISOIEC JTC l,信息工程系,16,2019/10/20,5.5 MPEG-1标准,ISO的活动图像专家组(MPEG)在1991年11月提出了ISO
8、11172标准的建议草案，通称MPEG-l标准。该标准予 1992年 l 1月被通过， l993年 8月公布,信息工程系,17,2019/10/20,5.5 MPEG-1标准,1. MPEG-1标准的内容 ISO/IEC 11172 包括三大部分: ISO/IEC 11172-1 第一部分 系统 ISO/IEC 11172-2 第二部分 视频 ISO/IEC 11172-3 第三部分 音频 MPEG-l标准可以处理各种类型的活动图像，其基本算法对于压缩水平方向 352个像素、竖直方向 288个像素的空间分辨力，每秒 24/25/30幅画面的运动图像有很好的效果 在MPEG-l标准中的一帧图像的
9、概念不同于电视中帧的概念，前者一定是逐行扫描的图像，如果待处理信号是隔行扫描的图像，则编码前必须将其转换成逐行扫描的格式,信息工程系,18,2019/10/20,5.5 MPEG-1标准,MPEG-1标准采用了一系列技术以获得高压缩比 对色差信号进行亚采样，减少数据量 采用运动补偿技术减少帧间冗余度 做二维DCT变换去除空间相关性 对DCT系数进行量化，舍去不重要的信息，将量化后的DCT系数按照频率重新排序 将DCT系数进行变字长熵保持编码 对每数据块的直流分量(DC)进行预测差分编码,信息工程系,19,2019/10/20,5.5 MPEG-1标准,在 MPEG-l标准中，考虑到压缩比和随机
10、存取这对矛盾，一共定义了四种图像类型： I帧图像： 帧内帧图像，采用帧内编码，不参照其他图像 P帧图像：预测帧图像，参照前一幅 I帧或 P帧图像做运动补偿编码 B帧图像：双向预测帧图像，参照前一幅和后一幅 I帧或 P帧图像做双向运动补偿编码 D类图像：直流(DC)图像，这类图像中只含直流分量，是为快放功能而设计的,信息工程系,20,2019/10/20,5.5 MPEG-1标准,帧内图像I的压缩编码算法框图,信息工程系,21,2019/10/20,5.5 MPEG-1标准,预测图像P的压缩编码算法框图,信息工程系,22,2019/10/20,5.5 MPEG-1标准,双向预测图像B的压缩编码算
11、法框图,信息工程系,23,2019/10/20,5.5 MPEG-1标准,I 帧、P帧和B帧图像的依赖关系,信息工程系,24,2019/10/20,5.5 MPEG-1标准,图像的显示顺序和编码顺序 显示顺序： 编码顺序：,信息工程系,25,2019/10/20,5.5 MPEG-1标准,I帧、P帧、B帧的数据字节和压缩比,信息工程系,26,2019/10/20,5.5 MPEG-1标准,编解码延时问题 由于编码顺序和显示顺序之间的差异,带来编、解码总延时达0.81秒时间 这种延时对广播性质的图像传输不会带来任何影响，因为用户并不能发现发射端与接收端信号起始时间的差异 对于交互性质的图像传输，
12、例如，数字会议电视则带来十分不便。因为甲方图像传至乙方经编码、解码要延时0.81秒时间; 乙方图像传至甲方经编码、解码也要延时0.81秒时间, 这样，如果甲对乙提一个问题，则1.82秒以后才能得到回答,信息工程系,27,2019/10/20,5.5 MPEG-1标准,解决编解码延时过长问题 减少B帧使两个I帧之间的帧数减少，则编、解码总延时下降，甚至可以把B帧、P帧全部取消，这样，可以得到0延时。这种方式也称M-JPEG(Motion-JPEG)方式。但此时的压缩比降到了5:17:1 延时与压缩倍数是互相矛盾的,信息工程系,28,2019/10/20,5.5 MPEG-1标准,2. MPEG-1视频流数据结构 视频流数据由以下部分组成： 1.视频序列 2.图像组 3.图像 4.片 5.宏块,信息工程系,29,2019/10/20,5.5 MPEG-1标准,MPEG-1视频流结构,2019/10/20,信息工程系,30,Question Time,
