数字视频技术4(1)教材

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1、 数字视频技术 第四章 视频编码国际标准 2012年4月 L o g o 4.1 视频数据压缩编码 4.2 视频编解码标准简介 4.5 MPEG-1视频编码和解码 主要内容 4.3 视频数据编码方法 4.4 音频数据压缩编码原理 重点 了解 4.6 MPEG-2视频编码和解码 重点 L o g o 4.4 视频数据压缩编码 视频压缩必要性 u按照ITU601的建议，传输1秒钟的PAL制式信号的原始 数据量为 720*576*8*2*25=169Mbit=21MB/S 1GB硬盘存：1GB/21MB = 49s 的节目 u结论：要使数字电视信号适合于实际存储和传输，必须 压缩数据量，降低传输数据

2、码率。 u前提：压缩后图象质量要满足视觉要求。 4.1.1 基本原理 L o g o 数据压缩可降低信息的数据量，以压缩编码的形式存 储和传输，既节约存储空间，又提高通信信道的传输效 率。 视频数据相关性很强，有很大冗余度。 信息冗余的种类有空间冗余、时间冗余、视觉冗余等 。 L o g o 数字视频压缩的可能性 v空间冗余 同一帧图像，相邻像素间的相似性（亮度、色度）所形 成的冗余。 先去除冗余数据再进行编码，则使每个像素的平均比特数 下降，就是通常所说的帧内编码。 L o g o v时间冗余 p视频图像序列中的某帧图像的某一取样点的亮 度和色度信息，与其在时间轴上相邻两帧的相应 位置上的取

3、样点存在极强的相关性。 p利用这种相邻两帧之间的相关性，可以采用一 定的编码方法，消除时间冗余。 数字视频压缩的可能性 L o g o t+1 t 时域冗余 空域冗余 DCT L o g o v符号冗余 符号冗余也称编码表示冗余。 p 图像和声音信号可看做是一个随机信号序列，在时间和空间 上均具有统计特性。不同的信号出现的概率不同，若用相同 的比特数来表示，则会存在冗余。 p采用可变长编码技术，对出现概率大的符号用短码字表示， 对出现概率小的符号用长码字表示，则可去除符号冗余，从 而节约码字，这就是熵编码的思想。 数字视频压缩的可能性 L o g o v视觉冗余 视觉冗余度是相对于人眼的视觉特

4、性而言的。 人类的视觉系统对于图像的注意是非均匀和非线性的 ，并不是对图像中的任何变化都能感知。 v 压缩视觉冗余的核心思想是去掉那些相对人眼而言 是看不到的或可有可无的图像数据。对视觉冗余的 压缩通常反映在各种具体的压缩编码过程中。 人眼对颜色的空间分辨力低于对亮度信 号的分辨力。 人眼对画面静止部分的空间分辨力高于 对运动部分的空间分辨力。 人眼对亮度的感觉存在视觉阈值，随着 图像内容的变化而变化。 对屏幕的中心区失真敏感，对屏幕四周 的失真不敏感。 数字视频压缩的可能性 L o g o 视频压缩方法的分类 v 从信息论角度出发，按解码后的重建图像和压缩编码 前的原始图像是否完全相同，可将

5、图像压缩编码方法 分为：无损压缩和有损压缩。 v 无损压缩，又称冗余度压缩编码、无失真编码或熵编码。 最常用的无损压缩编码方法有霍夫曼(Huffman)编码、算术编码 和游程编码(Run-Length Encoding，RLE)等。 v 有损压缩，也称为信息量压缩编码、失真度编码或熵压缩编码。 有损压缩编码方法利用了人类视觉的感知特性，允许压缩 过程中损失一部分信息. 常见的有损压缩编码方法有：预测编码、变换编码、子带 编码、基于模型的编码等。 L o g o v 帧内压缩和帧间压缩 帧内压缩即空间压缩，仅考虑本帧的数据，而不考虑相 邻帧之间的冗余信息，即消除空间冗余，一般采用有损压缩。 压缩

6、比较低。 帧间压缩也称时间压缩，是基于视频或动画相邻两帧间 的相关性进行压缩的。就是消除时间冗余，一般采用无损压缩 方式。 v 在编码过程中，常常混合使用多种压缩技术，达到最佳压缩效果 。 视频压缩方法的分类 其他分类方法： 按图像的不同属性可分为单色、彩色、多谱色图像编码 从图像的灰度层次上可分为多灰度编码、二值图像编码 按图像的运动状态分为静止图像序列的压缩编码、运动图像序 列的压缩编码 L o g o 4.2 视频编解码标准简介 v 目前国际上制定视频编解码技术的组织有两个，一个是 “国际电联（ITU-T）”，另一个是“国际标准化组织（ISO ）”。 v ITU-T制定的标准有H.261

7、、H.263、H.263+等，H.26X系 列侧重网络传输，注重数据传输的实时性，而且只是视频编 码。 v ISO下属的MPEG( Moving Picture Experts Group-运动 图象专家组)开发制定的标准有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等 ，主要针对活动图像和音频编码 。 v 而H.264则是由两个组织联合组建的联合视频组（JVT） 共同制定的新数字视频编码标准，所以它既是ITU-T的H.264 ，又是ISO/IEC的MPEG-4高级视频编码（Advanced Video Coding，AVC），而且它将成为MPEG-4标准的第10部分。 L o g o 4.2 视

8、频编解码标准简介 v JPEG是由ISO和IEC组成的Joint Photographic Experts Group(联合图像专家组)的缩写，主要致力于制定连续色调 、多级灰度、静态图像的数字图像压缩编码标准。常用的基 于离散余弦变换（DCT）的编码方法，是JPEG算法的核心内 容。 v JPEG采用的是帧内压缩方式，图像清晰、稳定，适于视 频编辑，而且可以灵活设置每路的视频清晰度和压缩帧数。 其压缩后的格式可以读取单一画面，因此可以任意剪接，特 别适用与安防取证的用途。 L o g o 视频编码标准发展历程 u ISO/IEC MPEG p MPEG-1, MPEG -2, MPEG-4,

9、 MPEG-4 AVC/H.264, MPEG HVC u ITU-T VCEG p H.261, H.262(MPEG-2), H.263, H.264, VCEG H.NGC u 中国 AVS p AVS-P2, AVS-S u 下一代标准？ p 方向、技术？ 年代 MPEG-1 1993 2001 1997 2005 MPEG-4 AVC/H.264 1989 MPEG-2 MPEG-4 2013 AVS 下一代标准 20092017 L o g o 视频编码标准发展历程 L o g o H.261和H.263标准 1988年CCIT(现ITU-T)制定了电视/会议电视的H.261建议草

10、 案(数码率=p*64kbit/s,p=1,.,30)。 H.261H.261标准标准适用于电视适用于电视 电话和电视会议，因此推荐的图象编码算法必须是实时处理的电话和电视会议，因此推荐的图象编码算法必须是实时处理的 ，并要求最小延迟时间和严格的唇音同步。，并要求最小延迟时间和严格的唇音同步。当p 取1或2时，速 率只能达到64-128kbit/s，由于速率较低只能传清晰度不高的 图象（主要是肩上人头像），适合于面对面的电视电话会议； 当p6，速率384kbit/s时，速率较高，可以传输清晰度尚好的 图象，适用于电视会议。 H.261是第一个实用的数字视频编码标准,它使用了混合编 码框架，包括

11、了基于运动补偿的帧间预测，基于离散余弦变换 的空域变换编码，量化，zig-zag扫描和熵编码。 H.261编码时 基本的操作单位称为宏块。H.261使用YCbCr颜色空间，并采用 4:2:0色度抽样，每个宏块包括16x16的亮度抽样值和两个相应 的8x8的色度抽样值。 L o g o H.263是H.261的后继标准,是一个较为成熟的标准， 它是帧间预测和变换编码的混合算法，压缩比较高，常 用于超低速率的图象传输,能适应误码率高的信道,具备 容错能力。 H.263+是在H.263的基础上以增加编码的可选项的形 式改进的,但编码效率更高,适用范围更大,增加了一些改 进编码的方法,也提高了抗误码的

12、能力。主要应用方向仍 是低码流的视频业务,用于PSTN以及无线接入的高误码率 的通信环境。 H.261和H.263标准 L o g o MPEG-4 u MPEG-4的着眼点在于解决低带宽上音视频的传输 问题，在164KHZ的带宽上，MPEG-4平均可传57帧/ 秒。采用MPEG-4压缩技术的网络型产品可使用带宽较 低的网络，如PSTN，ISDN,ADSL等，大大节省了网络 费用。 MPEG-4的最高分辨率可达720576，接近DVD画面 效果，基于图像压缩的模式决定了它对运动物体可以保 证有良好的清晰度。MPEG-4所有的这些优点，使它成 为当前网络产品生产厂商开发的重要趋势之一。 L o

13、g o u MPEG-2、MPEG-4、MPEG-4 AVC（简称AVC，也称 JVT、H.264）、AVS是目前音视频产业可以选择的信源 编码标准，MPEG-2是第一代信源标准，其余三个为第 二代标准； u前三个标准是由MPEG专家组完成的，第四个是我国自 主制定的； u从主要技术指标编码效率比较： uMPEG-4是MPEG-2的1.4倍； uAVS和AVC相当，都是MPEG-2两倍以上。 L o g o 3.4 视频编码方法 1950 差分预测 编码调制 隔行编码 B帧 P帧 场景自适 应编码 块运动估计 DCT 宏块 混合编码 哈夫曼 编码 变换编码 运动矢 量预测 视频 对象 基于对象

14、 的可分级 编码 容错 一般的 B帧 高级的去块 效率虑波 基于位平面的 可伸缩编码 高精度运 动补偿 基于上下文 的算术编码 2014 多视 编码 分布式 编码 19991985 专利可免费使用专利可免费使用 L o g o 4.3 视频数据编码方法 4.3.1 熵编码 4.3.2 预测编码 4.3.3 变换编码 主要内容 L o g o 熵编码的基本原理就是去除信源在空间和 时间上的相关性，去除图像信源像素值的 概率分布不均匀性，使编码码字的平均码 长接近信源的熵而不产生失真。 4.3.1 熵编码 L o g o 信息论中，熵是用于度量信息量的一个概 念，指的是具体数据所含的平均信息量，

15、定义为在不丢失信息的前提下描述该信息 内容所需的最小比特数。 信息数据压缩在理论上压缩的最大极限是 信息熵。 建立在随机过程的统计特性基础上，根据 信息出现概率的分布特性而进行，是无损 压缩编码。 4.3.1 熵编码 L o g o 对信源X的各个符号的自信息量取统计 平均，可得到每个符号的平均信息量为 ： 信源X的信息熵H(X) ，单位为比特 (bit)，含义是信源X发出任意一个符号 的平均信息量。 4.3.1 熵编码 L o g o 4.3 视频数据编码方法 4.3.1 熵编码 4.3.2 预测编码 4.3.3 变换编码 主要内容 4.3.1.1霍夫曼编码 4.3.1.2算术编码 4.3.

16、1.3游程编码 L o g o 4.3.1.1 霍夫曼编码 霍夫曼编码编码 是一种可变变字长编码长编码 。 基本原理是频繁使用的数据用较短的代码代替，较少使 用的数据用较长的代码代替，每个数据的代码各不相同 。它在变长编码中是最佳的。 L o g o 4.3.1.1 霍夫曼编码 具体步骤骤 1.统计每个符号出现的概率。 2.把概率按从小到大的顺序从左到右地进行排列。 3.选出最小的两个值，把他们概率之和作为分支点的概率。 4.重复步骤3，直到最后得到概率之和为1的根。 5.对形成的二叉树的每个分枝赋值，左边标“0”，右边标 “1” 。把从最上面的根到最下面的叶子经过的“0”、“1”序列串 连起来，就得到各个符号对应的霍夫曼编码。 L o g o 霍夫曼树的构建 霍夫曼编码实际上构造了一个码树，码树从最上层的端 点开始构造，直到树根结束。这里举个例子说明如何生成霍 夫曼树。假设对由a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8八个信源 符号组成的源信息字符串:“a