《数字视频处理第6章数字视频编码标准》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字视频处理第6章数字视频编码标准（69页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第6章 数字视频编码标准,6.1 概述 6.1.1 视频图像编码国际标准 近年来，国际标准化组织ISO、国际电工委员会IEC和国际电信联盟ITU-T相继制定了一系列视频图像编码的国际标准，有力地促进了视频信息的广泛传播和相关产业的巨大发展。,6.1.2 视频编码标准化组织,1ISO MPEG 2 ITU-T VCEG 3JVT,6.2 JPEG与JPEG2000,6.2.1 JPEG简介 1JPEG简介 2 数据结构 3 基本系统的编码/解码 （1）DC系数的编码 （2）AC系数的编码,图6-1 JPEG标准编/解码框图,6.2.2 JPEG2000,1 JPEG2000简介 JPEG2000
2、标准的主要特点有： 高压缩率 渐进传输 感兴趣区域编码 码流的随机访问与处理 良好的容错性和开放的框架结构。,2.系统框架,图6-2 JPEG2000编码框图,3 DC位移、分量变换和分片,如果输入图像以无符号数表示，则在进行小波变换前，JPEG2000标准要求对数据进行DC位移，即所有样值减去2p-1，其中p是样值所用二进制位数。,ICT把把彩色图像由RGB空间变换到YCbCr空间，RCT把彩色图像由RGB空间变换到YUV空间，其变换式为,图6-3 JPEG2000分量编码器,4小波变换和量化,对于无损压缩，标准默认使用LeGall(5,3)滤波器实现可逆小波分解，对于有损压缩，标准默认使用
3、Daubechies(9,7)滤波器。 除了采用卷积来实现小波变换外，标准也支持采用其他算法来实现小波变换。,JPEG2000标准采用标量量化 分为两种情况,对无损编码，所有的量化步长为1； 对有损编码，每一个图像片分解后的每个子带采用一个量化步长，各个子带步长一般不同。,5熵编码,图6-4 码块内扫描顺序 图6-5 上下文,图6-6 码块按层装配,6.3 H.26X,H.26X是由ITU-T制定的视频压缩标准，主要有H.261、H.262、H.263、H.264等。,6.3.1 H.261,H.261标准的码率为p64kbs，其中p为整数，且满足1p30，对应的码率为64kbs 192Mbs
4、。,1数据组织和系统框架,H.261标准将CIF和QCIF格式的数据结构划分为四个层次：图像层（P）、块组层（GOB）、宏块层（MB）和块层（B）。,图6-7 H.261图像分层结构,图6-8 H.261的码流结构,图6-9 H.261的编码框图,2帧间/帧内模式选择,可根据交流能量的大小来决定编码方式：当帧内交流能量大于帧间交流能量时，采用帧间编码，反之采用帧内编码；当帧间帧内交流能量都很小时，采用更加节省码率的帧间编码。,设xk(i,j)和xk-1(i,j)分别是当前帧和参考帧宏块的亮度信号值，则参考帧的帧内交流能量为： 而前后帧间交流能量为：,3量化,对帧内编码模式所产生的直流系数，用步
5、长为8的均匀量化器进行量化。对其他所有的系数，则采用设置了死区的均匀量化器来量化，量化器的步长取自区间2，62。,所有在死区内的系数均被量化为0，其它的系数则按照设定的步长进行均匀量化。标准规定，在一个宏块内除了采用帧内编码所得的直流系数外，所有其他系数采用同一个量化步长。宏块间可以改变量化步长。,4运动预测,H.261的运动预测以宏块为单位，由亮度分量来决定运动矢量，匹配准则有最小绝对值误差、最小均方误差、归一化互相关函数等，标准并没有限定选用何种准则，也没有限定使用何种搜索方法进行搜索。,6.3.2 H.263,H.263的改进主要包括支持更多的图像格式、更有效的运动预测、效率更高的三维可
6、变长编码代替二维可变长编码以及增加了四个可选模式。,1数据组织与系统框架,H.263规定，所有的解码器必须支持Sub-QCIF和 QCIF格式，所有的编码器必须支持Sub-QCIF和 QCIF格式中的一种，其是否支持他格式由用户决定。,H.263规定，一行中的所有像素只能属于一个GOB，因此对于不同的格式，一个GOB所包含的MB是不同的，对应的行数也是不同的 。,图6-10 H.263中QCIF的分层结构,图6-11 H.263编码器框图,2运动预测,1）半象素精度运动矢量预测 2）运动矢量的差分编码,图6-13 运动矢量预测编码,3可选模式,1）无限制运动矢量模式 2）基于语法的算术编码模式
7、 3）先进预测模式 4）PB 图像模式,6.3.3 H.264,1结构框架 2VCL的数据组织 3档次 4编解码器结构 5宏块预测,6变换 7重排序 8改进的熵编码 9去块效应滤波器,6.4 MPEG,MPEG系列标准阐明了编码解码的过程，严格规定的编码后产生的数据流的句法结构，但并没有规定编码解码的算法。,6.4.1 MPEG-1,MPEG-1的正式名称是“用于数字存储媒体的1.5Mbits以下的活动图像及相关音频编码”（ISO/IEC 11172），它包括五个部分：系统、视频、音频、一致性和软件。,1 数据组织和整体框架,MPEG-1采用源输入格式SIF（Source Input Form
8、at），有35228825和35224030两种选择。此外，可以通过约束参数集进行图像分辨率参数设置，编码更大的图像。,图6-22 MPEG-1分层结构,图6-23 MPEG-1视频压缩码流结构,MPEG-1定义了四种类型的图像帧,I帧P帧B帧 D帧,图6-24 MPEG-1编码框图,2 . 量化,与H.261不同，采用帧内编码时，MPEG-1考虑了人类视觉系统的特性，针对不同的频率系数采用不同的量化步长，并且对直流系数采用了预测编码，利用当前块左边相邻的块进行预测。,3. 宏块编码,MEPG-1以宏块作为基本编码单位，宏块内不能改变量化参数。根据图像帧的不同，宏块的编码方法有所不同。,6.4
9、.2 MPEG-2,1MPEG-2概述 根据应用的不同，MPEG-2的码率范围为1.5Mbits100Mbits，一般情况下，只有码率超过4Mbits 的MPEG-2视频，其视频质量才能明显优于MPEG-1。,2数据组织和视频编码框架,根据其档次与级别的不同，MPEG-2支持分辨率由高到低的多种图像类型。MPEG-2支持三种取样格式，即4:2:0、4:2:2和4:4:4。,图6-25 4:2:0的取样格式的不同,图6-26 帧图像结构,3档次和级别,MPEG-2定义了简单档次（SP）、主用档次（MP）、信噪比可分级档次（SNRP）、空间域可分级档次（SSP）、高档次（HP）5个档次。 MPEG
10、-2定义了低级别（LL）、主用级别（ML）、高1440级别（H14L）和高级别（HL）4个不同的级别。,4.DCT变换，变换系数量化和扫描,当输入逐行扫描视频时，MPEG-2的DCT变换与MPEG-1完全相同。输入隔行扫描视频时，如果以场图像为单位进行编码，宏块内所有行均来自同一场，正常划分块和进行DCT；如果以帧图像为单位进行编码，则可以分为基于帧和基于场的DCT变换。,基于帧的DCT,先把顶场和底场合并成一幅帧图像，再把帧图像分割成多个宏块，每个宏块分成多个88块，每个块均由顶场、底场的扫描行交替而成.,图6-27 基于帧的亮度宏块划分方式,基于场的DCT,就是把帧图像宏块的8行顶场扫描行
11、划分为2个块，8行底场扫描行也划分为2个块 .,图6-28 基于场的亮度宏块划分方式,图6-29 交错扫描顺序,5.运动估计与补偿,（1）帧预测模式 （2）场预测模式 （3）预测模式 （4）DP预测模式,6. 分级编码,所谓可分级编码，就是将整个码流划分为基本层和增强层，解码器需要具备解码基本层的能力以获得基本质量图像 .,图6-31 时间分层编码器框图,图6-32 空间可分级编码器框图,图6-33 信噪比可分级编码器帧间编码,6.4.3 MPEG-4,1MPEG-4概述 （1）特点 （2）数据类型 （3）编码工具 （4）视频对象,2数据组织和编码框架,按照从上至下的顺序，MPEG-4采用视频
12、序列、视频会话VS、视频对象（VO）、视频对象层VOL、视频对象平面组GOV）和视频对象平面VOP的6层结构。,图6-34 MPEG-4分层数据结构,图6-35 MPEG-4编码框图,3. 档次和级别,在MPEG-4标准中，一个档次是一组工具的组合，能够实现一定的功能。具体应用时，根据需求实现某些档次即可。,4矩形帧编码,1）简单档次 2）先进简单档次 3）先进实时简单档次,5任意形状区域的编码,1）基本方法,（1）形状编码 （2）纹理编码 （3）运动编码 （4）Sprite编码,2）核心档次 3）主要档次 4）有效先进编码档次 5）N-bit档次,6可分级视频编码,1）可分级编码方法,空间可分级 时序可分级 精细粒度可分级,2）简单分级档次 3）核心分级档次 4）精细粒度分级档次,7纹理编码,1）分级纹理档次 2）先进分级纹理档次,8演播室质量的编码,1）简单演播室档次 视频格式 变换和量化 形状编码 片结构 2）核心演播室档次,9合成视频场景的编码,MPEG-4包括了很多用于合成视频（动画等）和自然视频（来自真实自然世界的视频场景）处理的对象和工具。基于动画纹理和动画网格对象支持代表形状和运动的网格的编码，人脸与人体的动画工具可以实现人脸或人体的建模和编码。,
