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1、第8章 MPEG压缩技术*第1页8.1 视频信号数字化内容提要8.2 MPEG标准8.3 MPEG-4电视图像编码8.4 电视图像分辨率可变编码8.5 数字视频交互技术DVI8.6 多媒体内容描述接口MPEG-78.1 视频信号数字化 n 视频信号数字化处理的一些基本方式，如取样 、量化、编码和D/A转换等，与音频信号基本相 同。n 但由于视频信号自身的特点，其数字化处理也 有其特殊性，主要表现在取样结构和取样频率上 。 n 视频信号指的是彩色全电视信号(FBAS)：亮度 信号、色度信号、行场同步信号、行场消隐信号 及其他辅助信号组成。n 常用的电视制式：NTSC制和PAL制。PAL制即625
2、/50制，场频为50HZ，两场为1帧，帧频为 25Hz，每帧有625行。根据隔行扫描原理，每一场由 312.5行组成，每一帧为625行，由此构成一幅完整的电视 图像。同步信号和消隐信号是始终不变的，变化的是亮度 信号，它随图像的明暗程度而变化。n 视频信号与音频信号的区别：1、由于亮度信号被同步信号和消隐信号分成一段一段的 ，在时间上成为不连续；2、音频信号的频率范围只有020kHz，而视频信号的频 率范围则达06MHz，两者之间相差很大。视频信号数字化的特点n 对视频信号数字化的方式：全信号 数字化和分量数字化n全信号数字化：对图C信号直接进行 数字化n分量数字化：对图a、d和e信号分别 进
3、行数字化，然后利用时分复合方法 进行处理。n分量数字化由于省去了电视信号的反 复解码和编码，亮度信号和色差信号 被分开处理，相互间不存在干扰，同 时对制式的兼容性也好，所以目前普 遍采用分量数字化。视频信号数字化的方式视频信号的取样结构n 无论何种制式，电视屏幕上的一幅完整图像都是以隔行 扫描的形式进行的，既有水平扫描又有垂直扫描。这样在 取样时就产生了取样点的分布问题，因取样而构成图像上 的样点排列方式称为取样结构。n 视频取样结构：移动型、固定型取样频率在电视信号中，取样频率考虑因素：亮度、色差、其他因素。1、亮度信号的取样频率 1)与被取样信号的带宽有关 根据奈奎斯特取样定理，取样频率
4、至少是信号上限频率的2倍。对PAL制要求5.86MHz带宽， NTSC为5.6 MHz带宽。2)混叠要求 为了保证取样后的混叠噪声足够小，要求取样频 率是信号带宽的2.22.7倍，对PAL制信号，取样频率至少应 为12.7213.2MHz，为留有余量，应大于13.2MHZ。 3)正交取样结构的要求 取样频率必须是行频的整数倍。 4)制式兼容要求 为了使NTSC和PAL两种制式兼容、必须采用同 一种取样频率，而PAL制行频为l5625Hz，NTSC制行频为 15734Hz。二者的最小公倍数为2.25MHz。 综合以上因素， 将亮度信号的取样频率定为13.5MHz。色度信号的取样频率n 为了获得满
5、意的彩色图像，两个色差信号应有2MHz 带宽，另外，考虑到混叠噪声、取样频率应为行频的 整数倍、制式的兼容性等要求，色差信号的取样频率 取6.75MHz。n 图4-4为亮度信号和色差信号的取样点，其中圆圈为 亮度信号的取样点，三角为色差信号的取样点。 第8页量化位数和码电平的分配n信号的信噪比与量化位数有关。n单极性信号，其信噪比与量化位数的关系：n SNg6n十10.8 n为量化位数n量化位数越大，信噪比越高。n综合考虑图像质量和设备技术要求等因素，采用8位 量化数比较合理，此时信噪比可达到59dB。 量化位数和码电平的分配n码电平是指对模拟信号的量化级电平。n若对亮度信号采用8位均匀量化，
6、可获得256个量化 级，即码电平从0255，对应二进制的00000000 11111111。n由于电路工作的不稳定性、陡峭的前置滤波器和孔 阑校正电路造成的过冲及钳位过程中的过渡过程等 ，亮度信号可能超过这一动态范围而产生过载性限 幅。为了避免这一现象，256个量化级要进行分配 ，把亮度信号的峰峰值定为1V，便其电平变化范围 为0.063V一0.922V，对应的量化级数便从16235 ，共220级，在256个量化级中上端保留20级，下端 保留16级作为保护带；n 两个色差信号与亮度信号不一样，它们以 零电平为中心上下分布。中心零电平对应的 量化级数为128，二进制表示为l0000000。 另外
7、上下保护带各留16个量化级，即两个色 差信号共占用224级，从16240，对应的二 进制为00010000一11110000。传输速率n 在分量数字化中，亮度信号的取样频率为 13.5MHz，两个色差信号为6.75MHz，量化数 为8，于是视频数字信号的码率为：n R (13.58十 (6.758) 2)Mbit/s 216Mbit/sn 可见它比数字音频的码率1.41Mbit/s要高得 多，这就对数字视频电路提出了更高的要求， 这也是要采取数据压缩的原因。 视频信号数字标准 n 视频信号数字标准有两个：主要标准和普通标推。n主要标准：4:2:2标准，这是电视演播室的标准。 4:2:2 标准的
8、水平清晰度可达480线，传输码率216Mbit/s。数 字光盘DVD采用此标准。 n普通标准：2:1:1标准，这是低档的标准。2:1:1标准的水 平清晰度只有240线，传输码率l08Mbits。数字光盘 VCD采用此标准。n两种标准具有兼容性，即可以互相转换。当从4:2:2标准 转到2:1:1标推时，取样点数减少一半，称为数字抽取； 当从2:1:1标准转到4:2:2标准时，取样点数将增加一倍， 称为数字内插。*第14页*第15页n视频图像信号经数字化后，数据量变的非常 庞大。按电视信号数字化的标准，1帧信号有 效行为576，每秒传递25帧(PAL制)。n1行视频传号，若取720个像点，每个像点
9、用 16位量化，则1行视频信号的为：n数字码=72016 bit=11520bit。n码率=l152057625bits166Mbit/s。 nl张12cm的光盘容量为6.25G bit，这样1张光盘只能存 储：6.25Gbit/166Mbit/s37.7s。n对于一个2小时的电影节目，若要存在光盘里，则需要 26060s/37.7s张19l张光盘，这显然是远远不能满 足实际要求的。n 另一方面，166Mbit/s的码率对传输处理电路的技术要 求也很高。因此，必须对数据进行大幅度的压缩。目 前，活动图像数字信号压缩扩展的标准是MPEG标准8.2 MPEG标准简介n MPEG的全称是运动图像专家
10、组Moving Picture Experts Group 是专门制定多媒体领域内的国际标准的一个组织，该组 织成立于1988年，由全世界大约300名多媒体技术专家 组成。 MPEG标准是面向运动图像压缩的一个系列标准。 最初MPEG专家组的工作项目是3个，即在1.5Mbps， 10Mbps，40Mbps传输速率下对图像编码，分别命名为 MPEG-1，MPEG-2，MPEG-3。l992年，MPEG-2适 用范围扩大到HDTV，能支持MPEG-3的所有功能，因而 MPEG-3被取消。MPEG-1MPEG-1即“用于数字存储媒体运动图像及其伴音 速率为1.5Mbps的压缩编码”。 MPEG-1的
11、任务主要是，将视频信号及其伴音以 可接收的重建质量压缩到约1.5Mbps的码率， 并复合成一个单一的MPEG位流，同时保证视 频和音频的同步。MPEG-1MPEG-1标准分4个部分： MPEG系统：定义音频、视频及有关数据的同步 ； MPEG视频：定义视频数据的编码和重建图像所 需的解码过程，亮度信号分辨率为360240，色 度信号分辨率为180120； MPEG音频：定义音频数据的编码和解码； 一致性测试。MPEG-1nMPEG-1标准没有规定编码器和解码器的体系结 构或实现方法，但提出了功能和性能上的要求。n此外，MPEG算法编码过程和解码过程是一种非 镜像对称算法，也就是说运动图像的压缩
12、编码过 程与还原解码过程是不对称算法，解码过程要比 编码过程相对简单。n实际上，MPEG-1和MPEG-2只规定了解码的方案 ，重点将解码算法标准化。因而用硬件实现 MPEG算法时，人们首先实现MPEG的解码器， 如CCube公司CL450解码器系列。nMPEG音频压缩算法是第一个高保真音频数据压缩国际标准 ，它同时可完全独立应用。MPEG音频标准具有如下特点： （1）音频信号采样率可以是32kHz，44.1kHz或48kHz； （2）压缩后的比特流可以按4种模式(128、192、256和 384kbit/s)之一支持单声道或双声道； （3）压缩后的比特流具有预定义的比特率之一； （4）MPE
13、G音频标准提供3个独立的压缩层次； （5）编码后的比特流支持循环冗余校验CRC； （6）MPEG音频标准支持在比特流中载带附加信息MPEG-1n MPEG视频是MPEG标准的核心。n 为满足高压缩比和随机访问两方面的要求， MPEG采用预测和插补两种帧间编码技术。n MPEG视频压缩算法中包含两种基本技术：一 种是基于1616子块的运动补偿技术,用来减少帧 序列的时域冗余；另一种是基于DCT的压缩，用 于减少帧序列的空域冗余，在帧内压缩及帧间预 测中均使用了DCT变换。运动补偿算法是当前视 频图像压缩技术中使用最普遍的方法之一。MPEG-1MPEG压缩编码基本原理活动图像能用编码压缩：一是图像
14、数据本身的冗 余度，二是人眼的视觉特性 1.视频图像数据的冗余 1)同一幅图像里，各个像素之间存在冗余。 2)帧帧之间，也存在信息冗余。 2.人的视觉特殊性 1)对亮度比对彩色敏感。 2)空间错觉感 3)时间错觉感 由于视觉特性方面存在这种时间错觉和空间错觉， 因此眼睛观察景物有以下规律：1)静止物体比移动物体的视觉感受要高。 2)慢速移动的物体比快速移动的物体视觉感受要高 。 3)对画面边缘位置的感应速度快，而对边缘尺寸的 感应速度要慢。 4)对倾斜物体，不论是水平方向或垂直方向，感觉 都不敏感。 5)对亮度信号的感觉比对色度信号的感觉敏感。 n利用这些视觉特性和规律，对数字信号 的信息量安
15、排上作适当调整，这就是数 据压缩。要把这些视觉特性和规律用于 数据压缩，还需要定量化、数字化，这 就需要通过视觉实验来完成。在活动图像的数据编码压缩时，具体采用的技术 主要有三项；1)帧内全帧编码 对于不变化或变化很少的图 像以及单一的彩色，减少其编码的比特数。如 单一的蓝天、不动的青山等背景可用少量的编 码数据来传送。2)前后帧差进行预测编码(帧间预测编码) 对 活动图像进行编码时，图像的背景等不动的部 分仍沿用其数据，不再逐一编码，而只检测出 现在画面与前一画面之间动作变化的差值，对 其差值进行编码传送。3)利用码的出现频度 对于出现频繁程度高的 码数减少。帧内编码技术n帧内编码技术，也称
16、为空域冗余压缩，是对同一幅图像 内的不同的空间部位(同一时域)进行压缩。nMPEG编码压缩的帧内编码技术也是采用DCT技术。首 先，将图像分为8 8的像素块(宏块)，作为压缩处理的 基本单位。然后，依靠“Z”扫描，对像素块进行离散余 弦变换(DCT)。得到64个DCT系数，这些系数代表不同 空间频率成分的大小。第三步是根据视觉心理特征量化 表对DCT系数进行量化处理，使低频系数值减小，高频 系数值被抑制为零。最后，对量化后的系数进行可变长 编码(VLC)处理，以短码表示常用码，以零的个数值表 示所有的零位,这样使数据大大压缩。帧内编码技术DCT变换n DCT是一种数学处理方法，类似于傅立叶变 换。它是把空域中的88像素值变换到频域， 成为各种频率系数。其中高频系数反映图像的 细节，低频系数反映图像的主要特征。n 好处：n 一：第一项系
