3-流媒体编解码技术

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1、网络流媒体技术陈能干数据压缩分类无损压缩利用数据的统计冗余进行压缩，可完全回复原始数据而不引 起任何失真，但压缩率是受到数据统计冗余度的理论限制， 一般为2:1到5:1.这类方法广泛用于文本数据，程序和特殊应 用场合的图像数据(如指纹图像，医学图像等)的压缩。经常 使用的无损压缩方法有 Shannon-Fano 编码，Huffman 编 码，游程(Run-length)编码，LZW(Lempel-Ziv-Welch)编码 和算术编码等。有损压缩所谓有损压缩是利用了人类对图像或声波中的某些频率成分 不敏感的特性，允许压缩过程中损失一定的信息；虽然不能 完全回复原始数据，但是所损失的部分对理解原始

2、图像的影 响缩小，却换来了大得多的压缩比。有损压缩广泛应用于语 音，图像和视频数据的压缩。常见的声音、图像、视频压缩基本都是有损的。视频压缩编码标准简介MPEG(ISO运动图像专家组)MPEG1MPEG2MPEG4ITU-T(国际电信联盟远程通信标准化组)H.261H.263H.264MPEG2视频压缩原理MPEG系列简介简称全称支持码率适用场合标准编号 时间MPEG-1Coding of moving pictures and associated audio for digital storage media at up to about 1,5 Mbit/s适用1.5M左右 最高可达4-

3、5MVCD,CD-ROMISO/IEC 111721992MPEG-2Generic coding of moving pictures and associated audio information适用3-10M 最高可达80MDTV,HDTV,D VDISO/IEC 138181994MPEG-4Coding of Audio-Visual Objects0.1k-10M 较MPEG2更适 合低带宽互联网及无 线传输,交互 式电视ISO/IEC 144961999MPEG-7Multimedia Content Description Interface/ISO/IEC 15938200

4、1MPEG-21 Multimedia Framework/ISO/IEC 210002004MPEG1MPEG1将视频数据压缩成1-2MB/S的标准 数据流，对于动作不激烈的视频信号能获 得较好的图像质量。但如果图像对象动作 激烈时，图像有可能产生马赛克现象，它 主要用于家用VCD，它需要的存储空间较 大。MP3是MPEG1-Layer3的简称。MPEG2MPEG-2可提供并能够提供广播级的视像和 CD级的音质。由于MPEG-2在设计时的巧妙 处理，使得大多数MPEG-2解码器 也可播放 MPEG-1格式的数据，如VCD。除了做为DVD 的指定标准外，MPEG-2还可用于为广播，有 线电视网

5、，电缆网络以及卫星直播 (DirectBroadcastSatellite)提供广播级的数字 视频。MPEG-2可提供一个较广的范围改变压缩比， 以适应不同画面质量，存储容量，以及带宽的 要求。已能适用于HDTV。MPEG4MPEG4标准是针对对象的压缩方式，不同 于MPEG1,MPEG2简单地将图像分成一些 像块，而是根据图像内容，将其中的对象 （物品、人物、背景）分离出来，并分别 进行帧内、帧间编码压缩，并允许在不同 的对象之间灵活分配码率，对重要的对象 分配较多的字节，对次要的对象分配较少 的字节，从而大大提高了压缩比，使其在 较低的码率下获得较好的效果。MPEG4特点高压缩比(低码率)

6、适用于网络传输面向对象的压缩方式有利交互式应用MPEG4高清电视方面性能不如MPEG2算法不固定，各厂商都可以开发自己的兼 容算法。视频压缩编码标准简介MPEG(ISO运动图像专家组)MPEG1MPEG2MPEG4ITU-T(国际电信联盟远程通信标准化组)H.261H.263H.264MPEG2视频压缩原理ITU-T系列简介（1）H.261 是ITU-T 为在综合业务数字网(ISDN)上开展双向 声像业务(可视电话、视频会议)而制定的，速率为 64kb/s的整数倍。H.262 视频编码标准（又称MPEG-2）由MPEG-1 扩充 而来，支持隔行扫描。使用十分广泛，几乎用于所有的 数字电视系统，

7、适合标清和高清电视，适合各种媒体传 输，包括卫星、有线、地面等，都能有效地传输。H.263 是最早用于低码率视频编码的ITU-T 标准，是 ITU-T 为低于64kb/s 的窄带通信信道制定的视频编码标 准。它是在H.261 基础上发展起来的。H.263 与H.261 相比采用了半象素的运动补偿，并增加了4 种有效的压 缩编码模式。随后出现的第二版(H.263+)及H.263+增 加了许多选项，使其具有更广泛的适用性。ITU-T系列简介（2）H.264 是由ISO/IEC 与ITU-T 组成的联合视频组(JVT)制定的新 一代视频压缩编码标准。1996 年制定H.263标准后，ITU-T 的

8、视频编码专家组(VCEG)开始了两个方面的研究：一个是短期研 究计划，在H.263 基础上增加选项(之后产生了H.263+与 H.263+)；另一个是长期研究计划，制定一种新标准以支持低 码率的视频通信。长期研究计划产生了H.26L 标准草案，其目 标是研制出新的压缩标准，与以前的任何标准相比，效率要提 高一倍，同时具有简单、直观的视频编码技术，网络友好的视 频描述，适合交互和非交互式应用（广播、存储、流煤体）。2001 年，ISO 的MPEG 组织认识到H.26L 潜在的优势，随后 ISO 与ITU 开始组建包括来自ISO/IEC MPEG与ITU-T VCEG 的联合视频组(JVT)，JV

9、T 的主要任务就是将H.26L 草案发展为 一个国际性标准。于是，在ISO/IEC中该标准命名为 AVC(Advanced Video Coding)，作为MPEG-4 标准的第10 个 选项；在ITU-T 中正式命名为H.264标准。该标准在2003 年3 月正式获得批准。视频压缩编码标准简介MPEG(ISO运动图像专家组)MPEG1MPEG2MPEG4ITU-T(国际电信联盟远程通信标准化组)H.261H.263H.264MPEG2视频压缩原理MPEG2视频压缩原理参考材料郭 斌, MPEG-2压缩编码技术原理应用. 北京广播 学院电视工程系. http:/ 299581437.htmlM

10、PEG-2视频流的分层图像序列层(VSL-Video Sequence Layer)图像组层 (GOPL-Group of Pictures Layer)图像层(PL-Picture Layer)宏块条层(SL-Slice Layer)宏块层(ML-Macroblock Layer)块层(BL-Block Layer)图像类型MPEG编码中使用了 3 种类型的图像：帧内图(I)、预测图 (P)和内插图(B)(双向预测)。 这样做的原因， 一是考虑随机访 问视频存储的重要性，二是运动补偿值可以显著降低位速率。 帧内图(I)： 经过中度压缩， 可作为随机访问点。 预测图(P)： 以参照图(前一个I

11、或P)为基础进行编码， 它 又是后面预测图的参照图。 内插图(B)： 又称为插补图，它的压缩比最高，用双向预 测方式则需要前后两个参照图。但它本身不可以作为参照图使用，所以既不会引起增值误 差，又减少了噪声的影响(因为是两个图像的平均)。 图 3 19 MPEG视频帧间预测及关系 MPEG-2视频流的分层示意图像分割为宏块条，若干图像组成图像组，图像组组成视频流图 MPEG动态图像编码数据流格式图 3 16 MPEG数据体系结构亮度信号Y由偶数行和列组成，色度信号U和V分别取Y 信号在水平和垂直方向的一半。图3 -17中，表示了Y、U和V 位置上的关系。每 4 个亮度值与两个色度值(一个U、一

12、个V) 相联系，U和V的位置相同， 图上重叠在一起。宏块：一个宏块由一个1616的亮度信息和两个88的色 度信息组成，即包括 4 个亮度块， 两个色度块(一个U块， 一 个V块)。 图3 -17是它们的空间分布图， 图3 -18中数字标明 数据流的次序。 图像切片： 由一个或多个连续的宏块组成。 宏块在图像 切片中的次序是从左到右， 从上至下。 图像切片在处理误差 时十分重要。 若一个数据串包含一个误差， 解码器可以跳到 下一切片的开始位置。在一个数据串中使用的图像切片越多 ， 误差隐蔽就越好。 MPEG2压缩技术运动补偿预测消除时间冗余。消除时间冗余和不随时间变化的图像细节。二维离散余弦变换

13、消除空间冗余。消除观众不可见、不重要的图像细节。熵编码消除信息熵冗余。采用类似霍夫曼编码方法，使bit数减少到理论上的 最小值。空间冗余空间冗余是静态图像中存在的最主要的一种数据冗余。同 一景物表面上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 用这种连贯性。例如：图像中有一片连续的区域，其像素 为相同的颜色，空间冗余产生。时间冗余时间冗余是序列图像中经常包含的冗余。一组连续的画面 之间往往存在着时间和空间的相关性，但是基于离散时间 采样来表示运动图像的方式通常没有利用这种连贯性。例 如：房间里的两个人在聊天，在这个聊天的过程中，背景 （房间和家具

14、）一直是相同的，同时也没有移动，而且是 同样的两个人在聊天，只有动作和位置的变化。信息熵冗余信源编码时，当分配给某个码元素的比特数使编码后单位 数据量等于其信源熵，即达到其压缩极限。但实际中各码 元素的先验概率很难预知，比特分配不能达到最佳，实际 的单位数据量大于信源熵时，便存在信息熵冗余。例：霍夫曼变长编码一组字符A, B, C, D, E, F, G出现的频率分别是9, 11, 5, 7, 8, 2, 3 ，设计最经济的编码方案。编码方案：A：00，B：10，C：010，D：110，E：111，F：0110，G： 0111.压缩比较定长：3*9+3*11+3*5+3*7+3*8+3*2+3

15、*3 = 135变长：2*9+2*11+3*5+3*7+3*8+4*2+4*3 = 120图 MPEG的简化的图像编码框图1. 帧内编码技术运动图像和静止图像一样，都具有很高的空间冗余度， 所以也需要进行帧内编码。运动图像的帧内编码技术应用的对 象是帧内图(I图)、 帧内宏块和预测误差块。它主要采用的是 JPEG推荐的ADCT(自适应DCT)技术，详见3.3节内容。 ADCT技术主要步骤为： (1) DCT变换； (2) 量化； (3) 行程编码； (4) 哈夫曼编码。 DCT变换中，MPEG和JPEG以及H261的标准一样， 都使用88 DCT方法。其过程分为： 计算变换系数；变换系数量化；

16、Z形扫描重组数据。DCT 输入信息范围是-255, 255， 输出信号范围是-2048, 2048， 这可以为最精密的数字化仪表提供足够的精度。逆变换 精度采用了H261标准的规定，这样可以控制在执行不同的逆变换时所产生的舍入误差。 DCT系数的量化处理是一个关键步骤。MPEG综合了 JPEG和H261标准的优点，采用自适应量化，精确地量化DCT系数。具体作法是：根据人的视觉感受受频率的影响，对高频 用较粗的量化器。 2. 帧间压缩运动补偿技术 运动补偿预测技术是应用最广的降低时间冗余的方法， 是许多可视电话压缩算法的基础，CCITT标准H261就是其 中之一。 运动补偿技术假设每一当前帧都可以以前面某一帧为原 型经