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1、http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,视音频压缩编码技术的发展,北京广播学院,信息工程学院电视工程系,张琦,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,主要内容,一、数码率压缩编码基本技术,二、现在应用的国际压缩标准,三、 MPEG 编码标准的比较,(一） MPEG-1 （二） MPEG-2 （三） MPEG-4 （四） MPEG-7 （五） MPEG-21,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,一、码率压缩编码基本技术,1、信源的数码率和压缩的必要性 数字电视信号要求大容量存储器，传输数据率高。 4：2：2采样，8bit量化时，为： 216Mb/s，
2、 1GB硬盘存：1GB/27MB = 37s 的节目。 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，降低传输数据码率。 前提：压缩后图象质量要满足视觉要求。,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,2、信源码率压缩的可能性,信源数据存在各种冗余信息 1）空间冗余：相邻象素、相邻行信号的相关性； 2）时间相关冗余：相邻帧信号的相关性； 可压缩内容：冗余量信息论表述：信息量数据量冗余量； 注：冗余多余的、重复的。,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,信息已经成为经济的战略资源，而数据压缩成为多媒体信息处理的关键技术。 在多媒体的传输和处理中还有许多
3、问题需要进一步解决。例如，如何提高网上传输图像和视频的质量，如何通过网络在世界范围进行信息交换？ 解决这些问题仍需要提高压缩编码效率、分级和实用的转码方法。,3、 压缩编码的意义,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,4 、 MPEG码率压缩编码方式,预测编码，变换编码，熵编码。（1）熵编码：是无损编码。熵编码要预先知道或估测不同事件出现的概率。熵编码对出现概率大的事件用短码字编码，反之用长码字编码，使事件的平均码长缩短，实现码率压缩。,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,4、码率压缩编码方式,（2）预测编码,1）帧内预测编码,将当前像素实际值与其预测值的差值
4、进行量化编码称为预测编码。预测值由同一行前面的相临像素和上面相临行的相关像素来产生时，称为二维预测。二维预测可去除空间冗余。预测精度越高，编码效率越高。,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,4、码率压缩编码方式,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,4、码率压缩编码方式,2）帧间预测编码 帧间预测可去除空间冗余，差值概率分布更集中在0附近，可获更大压缩比。,帧差信号,帧间预测框图,链图,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,4、码率压缩编码方式,3) 预测编码的意义：画面上大部分是亮度变化缓慢的平坦部分和慢运动部分，空间和时间相关性强，差值信号
5、很小； 大部分差值集中在0附近，传送差值信号减小了原数据幅值范围。原图像信号的幅值分布概率均匀，而且差值的概率分布很不均匀，这就为后面的熵编码创造条件。,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,差值与原图象的概率分布,4、码率压缩编码方式,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,4、码率压缩编码方式,（3）变换编码变换编码，把空间域描写的图象变换到一个正交的变换域。 空域的一个NN个象素像块变成变换域的NN变换系数块。变换仅是表示方法的变换。原象块中的象素之间相关性很强；而变换系数能量 集中在直流和少数低频系数上，降低了冗余度。例，二维傅立叶变换，将空间域变换到频域
6、，在 水平和垂直方向上进行频谱展开。下图表示,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,水平方向8个像素数据从时域到频域的变换：图像信号被分解成为直流、低频到高频各种余弦成分； DCT系数表示各频率幅度的大小；,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,变换编码的基本系统：在存储器中将图象分成88的块，将块从空域变换到频域得88个系数F（u,v）。量化：对DCT系数进行量化，低频系数细量化，高频系数粗量化，并4舍5入，忽略接近或等于0的高频系数。将64个量化后系数进行游程编码，再VLC编码。接收端经解码、反量化和反变换恢复图像块。,4、码率压缩编码方式,http:/ 电
7、子发烧友 http:/ 电子技术论坛,变换编码系统框图,分块,DCT 变换,量化,编码,解码,反量化,反DCT变换,块 组合,输入数据,接收输出,信道,4、码率压缩编码方式,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,图像内容 DCT变换 例,返回,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,DCT 分块,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,每个系数都由原64个像素算出,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,二维DCT的反变换（IDCT）,x ，y = 0,1,N-1,每个重建像素幅值都由64个DCT系数算出,http:/ 电子发烧友 ht
8、tp:/ 电子技术论坛,88亮度块的DCT变换、量化例,0 i 7 0 u 7,j7,d,a,v7,v7,量化,DCT变换,0 u 7 0 u 7,v7,b,c,量化表,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,二维DCT变换的基图象,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,去空间相关性,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,88亮度块的DCT反变换、反量化处理例,e 反量化后的DCT系数 f 反DCT，重建像素样值 g 重建样值与原始值之差,591 110 20 32 24 0 0 036 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00
9、0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0,98 97 90 81 80 79 67 5097 96 89 80 79 78 66 4995 94 87 78 77 77 64 4793 92 85 76 75 74 62 4590 89 82 74 72 72 59 4388 87 80 71 70 69 57 4086 85 78 70 68 68 55 3985 84 77 69 67 67 54 38,0 5 5 1 5 3 1 00 5 5 1 5 3 1 00 5 5 1 5 2
10、 1 00 5 5 1 5 3 1 01 4 6 1 4 3 2 0 1 4 6 0 -4 4 2 11 4 6 1 4 3 2 00 5 5 2 5 2 1 -1,e,f,g,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,DCT系数的量化,DCT本身并不能进行码率压缩， DCT只是降低相关性（冗余度）。数据压缩从量化开始。量化对每个系数分别用大于1的数去除，对除得到的系数取整数，人眼对低频敏感，对高频不太敏感,对低频分量采取细量化，对高频分量采取粗量化，高频分量会多数变0。丢弃低能量高频系数不影响重建图像的主观质量。改变量化系数可改变压缩比。量化是有损压缩，产生块效应,http:/
11、电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,块效应,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,2、4：量化系数,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,量化系数的实际确定方法,量化系数的获得过程： 根据对大量能代表电视节目素材的各种图像序列进行主观评价的结果，对大量的量化系数进行优化，使图像的主观损伤最小，最后确定一系列具有代表性的量化系数。量化系数选择： 根据应用目的、性能、低延时、复杂度和价位等要求，在一些系数中选择。,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,之字形扫描,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,
