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1、数字电视技术题 目：活动图像压缩标准H.261专 业：学 号：姓 名： 日 期：摘 要：论文中首先概述了图像压缩技术的必要性和可能性，方法分类及解码方法，接下来介绍H.261标准的内容及技术标准，最后得出结论。 1. 概述随着高清晰度电视、多媒体计算机和ATM交换为标志的宽带综合业务数字网的出现和发展，信息科学技术领域正经历着最深远的变革。现代数字通信业务的发展，需要大量的存储、纪录和传输文件、真迹、图形、图片、气象云图、遥感图像等静止图像及可视电话、会议电视和广播电视等各类活动图像。他们不仅要求图像质量高、设备稳定可靠、能够利用现存的或发展中的通信通道，而且要求成本低廉，为此，必须采取视频压
2、缩图像数据的压缩措施，以保证实现优质的高速的图像传输。由于图像信息量特别大，存储时占有媒体容量特别多，在传输时占用信道容量大，所以图像压缩编码具有很重要的意义。利用图像相邻像素之间、相邻扫描行之间、活动图像相邻帧之间的相关性和人眼的视觉特性，可实现图像数据的高效压缩。图像编码是面向信源的一门信息处理的科学或技术。它以一定的质量损失为容限，按照某种方法从给定的原始图像中推拿出己简化或“被压缩”的数据表达。任意一幅原始图像的自然表达，并不总是为反映其本质所必需的，它们之中多少的存在与图形质量无关的冗余信息。图像压缩就是在保证图像质量的前提下，用最少量的数码或数码率来实现各类图像的数字存储，数字记录
3、和数字传输。70年代，会议电视一般采用模拟方式传输，我国的第一个会议电视系统就曾利用了模拟微波中继技术方式。当时传送一路会议电视需要960个话路带宽，显然很不经济。到了80年代，由于计算机技术、大规模集成电路的迅猛发展，数字图像压缩技术取得重大进展。因而会议电视开始采用了数字传输方式。随着科学技术发展，会议电视的传输码率在不断降低，使传输频带逐渐减少。图像数字化的关键是压缩编码技术。在保证一定的图像质量下，采用尽可能低的传输速率。早期视频会议，互不兼容的编码算法也是制约市场发展的一个重要因素。在ISDN向宽带B-ISDN发展的形势下，随着多媒体技术的应用日益发展、如电视电话和会议电视业务的需要
4、，1990年7月通过了关于实现会议电视编解码器的H.261建议。该建议适用于px64kbit/s码率，其中p=130。H.261于1990年12月获得CCITT批准，适合于活动图像的压缩编码，广泛用于会议电视和可视电话。这一国际标准促进了视频压缩编码实施实现技术的研究和发展。它是1938年以来电视图像编码领域40年研究的结晶，其基础和核心是混合编码技术，即带有运动补偿的的帧间预测编码+变换编码(2维DCT)+量化+可变长编码。引入CIF格式使标准用于不通的电视制式(如NTSC,PAL)。H.261标准是ITU-T为降低速率而制定的图像压缩编码标准，具有压缩比高，速率可变，图像质量好等优点，可用
5、于远程会议、各种目的的监控图像信息传输业务，同样，也可以应用于图像记录、图像检索等方面。采用H.261标准的图像传输和存储产品市场潜力大，经济效益好。H.261 是最早出现的视频编码建议，目的是规范 ISDN 网上的会议电视和可视电话应用中的视频编码技术。2. 图像信息的压缩编码进入信息时代，人们将越来越依靠计算机来获取和利用信息。而数字化后的视频和音频等媒体信息具有数据海量性，与硬件技术所能提供的计算机存储资源和网络带宽之间有很大差距。这样就对多媒体信息的存储和传输造成了很大困难，成为阻碍人们有效获取和利用信息的一个瓶颈问题。从计算机的软硬件发展水平及发展趋势来看，数字化的媒体信息数据以压缩
6、形式存储和传输仍将是最佳的选择。2.1图像压缩编码的必要性和可能性信息时代的重要特征是信息的数字化,数字化了的信息带来了“信息爆炸”。数字化的视频信号的数据量之大是非常惊人的。以数字电视为例：(1) SIF格式，NTSC制，彩色，4:4:4采样每帧数据量352*240*3=253Kb每秒数据量253*30=7.603Mbit/s一片CD-ROM可存帧数为650/0.253=2865帧/片一片CD-ROM节目时间为(650/7.603)/60=1.42分/片(2) ICCR格式，PAL制，4:4:4采样每帧数据量720*576*3=1.24MB每秒数据量1.24*25=31.3MB一片CD-RO
7、M可存帧数为650/1.24=524帧/片一片CD-ROM节目时间为650/31.1=20.9秒/片再以陆地卫星为例(水平，垂直分辨率分别为2340和3240，四波段，采样精度7位)，它的一幅图像的数据量为2340*3240*7*4=212Mbbit，按每天30幅计，每天数据量为212*30=6.36Gbit，每年的数据量高达2300Gbit。从以上列举的数据例子可以看出，数字化信息的数据量是何等庞大，这样大的数据量，无疑给存储器的存储容量，通信干线的信道传输率以及计算机的速度都增加了极大的压力。这个问题是图像技术发展中的一个非常棘手的瓶颈问题。解决这一问题，单纯用扩大存储器容量和增加通信干线
8、的传输率的办法是不现实的。数据压缩技术是个行之有效的方法，通过数据压缩手段把信息数据量降下来，以压缩形式存储和传输，既节约了存储空间，又提高了通信干线的传输效率，同时也使计算机能够实时处理视频信息，以保证播放出高质量的视频节目。那么，图像信息数据压缩可能性如何呢?从信息论观点来看，图像作为一个信源，描述信源的数据是信息量(信源熵)和信息冗余量之和。通过去除那些冗余数据可以使原来的图像数据极大的减少，图像数据压缩技术就是研究如何利用图像数据的冗余性来减少图像数据量的方法。信息冗余量有许多种，如空间冗余，结构冗余，知识冗余，视觉冗余等，数据压缩实质上是减少这些冗余量。可见，冗余量减少可以减少数据量
9、而不减少信源的信息量。下面将介绍一些常见的图像数据冗余的情况。(1)空间冗余这是静态图像存在的最主要的一种数据冗余。一幅图像记录了画面上可见景物的颜色，同一景物表面上各采样点的颜色之间往往存在着空间连贯性，但是基于离散像素采样来表示物体颜色的方式通常没有利用景物表面颜色的这种连贯性,从而产生了空间冗余。(2)时间冗余这是序列图像(电视图像，运动图像)表示中经常包含的冗余。序列图像一般为位于一时间轴区间内的一组连续画面，其中的相邻帧往往包含相同的背景和移动物体，只不过移动物体所在的空间位置略有不同，所以后一帧的数据与前一帧的数据有许多共同的地方，这种共同性是由于相邻帧记录了相邻时刻的同一场景画面
10、，所以称为时间冗余。(3) 结构冗余在有些图像的纹理区，图像的像素值存在着明显的分布模式。称为结构冗余，已知分布模式，可以通过某一过程生成相应图像。(4) 知识冗余有些图像的理解与某些知识有相当大的相关性。例如：人脸的图像有固定的结构。这类规律性的结构可由先验知识和背景知识得到，我们称此类冗余为知识冗余。(5) 视觉冗余事实表明，人类的视觉系统对图像场的敏感性是非均匀和非线性的。然而，在记录原始的图像数据时，通常假定视觉系统是线性和均匀的，对视觉敏感和不敏感的部分同等对待，从而产生了比理想编码更多的数据，这就是视觉冗余。(6) 图像区域的相似性冗余它是指在图像中的两个或多个区域所对应的所有像素
11、值相同或接近，从而产生了数据重复性存储，这就是图像区域的相似性冗余。(7) 纹理的统计冗余有些图像纹理尽管不严格服从某一分布规律，但是它在统计的意义上服从该规律。利用这种性质也可以表示图像的数据量，所以我们称为纹理的统计冗余。随着对人类视觉系统和图像模型的进一步研究，人们可能会发现更多的冗余性，使图像数据压缩编码的可能性越来越大，从而推动图像压缩技术的进一步发展。2.2图像压缩编码方法分类编码压缩方法有许多种，从不同的角度出发有不同的分类方法，比如从信息论角度出发可分为两大类：(1)冗余度压缩方法，也成无损压缩、信息保持编码或熵编码。具体的讲就是解码图像和压缩编码前的图像严格相同，没有失真，从
12、数学上讲是一种可逆运算。包括哈夫曼编码，算术编码，游程编码等。(2)信息量压缩方法，也称有损压缩、失真度编码或墒压缩编码。包括预测编码：DPCM，运动补偿；频率域方法：正交变换编码，子带编码；空间域方法：统计分块编码；模型方法：分形编码，模型基编码；1.预测编码(DPCM和运动补偿)预测编码是根据某一种模型，利用以前的(已收到的)一个或几个样值，对当前的(正在接收的)样本值进行预测，对当前样本实际值和预测值差值进行编码。显然如果模型足够好，图像样本时间上相关性很强，一定可以获得较高的压缩比。预测编码原理框图如图1所示。图1预测编码原理框图其中，XN为tN时刻图像样本值;XN根据tN时刻以前的样
13、本值X1，X2，X3，XN-1，对XN所作的预测值；eN=XN-XN差值信号；gN=eN一eN量化误差。预测编码方法的特点:算法简单,速度快,易于硬件实现;编码压缩比不太高,误差易于扩散,抗干扰能力差。2.变换编码(DCT和子带编码)变换编码的基本思路是，先将空域图像通过某种正交变换，获得一系列变换系数，在变换过程中，使图像变换系数能量相对集中，再对其变换系数进行区域量化，按其所含能量大小分配以不同的数据量(比特数)去描述(如高能量区域赋予多比特)，这样又可以提高压缩比。变换编码系统框图如图2所示。图2变换编码系统框图3.统计编码根据香农信息论观点，信源冗余度来自信源本身的相关性和信源内事件概
14、率分布的不均匀性。只要找到取出相关性和改变概率分布不均匀性的方法，也就找到了信源统计编码方法(也称嫡编码)。对图像信源来说,既存在帧内像素空间上的相关性，同时也存在像素值概率分布的不均匀性，也就获得了图像信源嫡编码方法。2.3图像压缩解码方法根据在图像压缩编码时采用的方法，我们可以采用相应的解码技术来对图像进行解压缩。一般系统的解码流程如图3所示。图3解码流程3. H.261建议3.1 H.261建议标准及内容1990年12月，CCITT为会议电视/可视电话提出了H。261建议，解决了不同厂商间的产品兼容性问题，推动了电视会议系统的迅猛发展。该建议适用于 P *64Kbit/s码率，并可实现不
15、同电视制式之间的连接。为了适用于不同的彩电制式，不论是625行还是525行的视频信号，都被编码成统一的中间格式(CIF)信号，即亮度信号的抽样结构是：每帧288行，每行360个像素；彩色信号的采样结构是144行/帧*180像素/行。帧频规定为29.97帧/秒，不隔行。CIF的抽样结构如图4所示：图4CIF抽样结果在视频复用单元中形成视频数据结构，每帧图像的开始有图像头，包括图像起始码，信息类型指示等。每帧分成若干个数据块组(GOB)，一个块组的大小为CIF图像的1/12或QCIF图像的1/3。每个块组又分成33个宏块。每个宏块有8*8像素的6个子块(4个亮度子块和2个色度信号)构成。这样一来，除了对每个宏块的地址、型式、量化类型、运动矢量、变换系数、结束指示等应有相应的码元外，对应每个GOB的起始码、地址、型式等也应配置相应的码元。H.261建议的编解码器方框如图5所示。图5H.261视频编解码器框图3.2 H.261建议的技术指标3.2.1关于H.261建议(1)传输速率视频编码信号的传输速率为P*64kbit/s(P=l-30)，即从64kbit/s到1.92Mbit/s，其算法必须能够实时操作，解码延时要短。(2)视频输入输出信号格式当P=l或2(即码率为64或128kbit
