视频信息压缩与处

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1、第4章 视频信息压缩与处理,4.7 图像压缩技术标准,视频编码发展简史,H.261 (1988),MPEG-1 (1993),H.263 (1995),H.263+ (1998),H.263+ (2000),H.264 ( MPEG-4 Part 10 ) (2003),MPEG-4 v1 (1999),MPEG-4 v2 (2000),MPEG-4 v3 (2001),1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2003,ISO/IEC,JPEG (1992),ITU-T,MPEG-2 (H.262) (1994),AVS,4.7.1 图像种类与编码标准,

2、按图像的质量，图像可大致分为: 高质量视频 中等质量的视频 低质量的视频 从1986年开始ITU、ISO、IEC等国际组织先后制定了适用于不同场合中的不同图像压缩标准 运动图像序列中消除相关性的方法： 利用DCT来压缩图像空间域的冗余度； 利用运动补偿预测以减少图像时间域的冗余度 利用视觉加权量化以减少图像“灰度域”冗余度 利用熵编码减少图像“频率域”上同级特性方面的冗余度,4.7.2 静止图像压缩编码标准JPEG,JPEG是英文Joint Photographic Experts Group的缩写，即联合图像专家组。该标准是一种适用于静止图像压缩算法的国际标准。在JPEG算法中，共包含四种运

3、行模式，其中一种是基于DPCM的无损压缩算法，另外三种是基于DCT的有损压缩算法。其要点如下：,无损压缩编码模式：采用预测法和哈夫曼编码（或算术编码）以保证重建图像与原图像完全相同（设均方误差为零），可见无失真。 基于DCT的顺序编码模式:根据DCT变换原理，从上到下，从左到右顺序地对图像数据进行压缩编码。信息传送到接收端时，首先按照上述规律进行解码，从而还原图像。在此过程中存在信息丢失，因此这是一种有损图像压缩编码。 基于DCT的累进编码模式：它也是以DCT变换为基础的，但是其扫描过程不同。它是通过多次扫描的方法来对一幅图像进行数据压缩。其描述过程是由粗到细逐步累加的方式进行的。图像还原时，

4、在屏幕上首先看到的是图像的大致情况，而后逐步地细化，直到全部还原出来为止。 基于DCT的分层编码模式：这种模式是以图像分辨率为基准进行图像编码的。它首先是从低分辩率开始，逐步提高分辨率，直至与原图像的分辨率相同为止。图像重建时也是如此。可见其效果与基于DCT累进编码模式相似，但其处理起来更复杂，所获得的压缩比也更高一些。,（1）无损压缩编码 在传真机、静止画面的电话电视会议应用中，根据其特点JPEG采用DPCM（差分脉冲编码调制）无损压缩编码方案，其编码过程如图4-45所示。,（2）基于DCT的顺序编码模式 图4-47表示了一种基于DCT顺序编码与解码过程的系统框图。,（3）基于DCT的累进操

5、作方式编码,顺序方式： 每个图像分量的编码一次扫描完成的； 累进方式： 图像分量编码要经过多次扫描才完成。 累进方式 第一次扫描只进行一次粗糙图像的扫描压缩， 以相对于总的传输时间快得多的时间传输粗糙图像， 并重建一帧质量较低的可识别图像； 在随后的扫描中再对图像作较细的压缩， 这时只传递增加的信息，可重建一幅质量提高一些的图像。这样不断累进， 直到满意的图像为止。 需在量化器的输出与熵编码的输入之间，增加一个足以存储量化后DCT系数的缓冲区，对缓冲区中存储的DCT系数多次扫描， 分批编码。,（4） 基于DCT的分层操作方式,(1)把原始图像空间分辨率降低。 (2)对已降低分辨率的图像采用基于

6、DCT的顺序方式、累进方式或无失真预测编码中的任何一种编码方法进行编码。 (3)对低分辨率的图像解码，重建图像，使用插值滤波器，对它插值，恢复图像的水平和垂直分辨率。 (4)把分辨率已升高的图像作为原始图像的预测值，对它们的差值采用基于DCT的顺序方式、累进方式或用无失真方式进行编码。 (5)重复(3)、(4)直到图像达到完整的分辨率编码。,JPEG2000,2000年12月公布的新的JPEG 2000标准(ISO 15444), 其目标是在高压缩率的情况下, 如何保证图像传输的质量。 JPEG2000与JPEG的区别： 采用了以小波变换为主的多分辨率编码方式 统一了面向静态图像和二值图像的编

7、码方式 既支持低比率压缩又支持高比率压缩,JPEG2000的主要特点： (1)高压缩率。与JPEG相比，可修复约30的速率失真特性。JPEG和JPEG2000在压缩率相同时， JPEG2000的信噪比将提高30左右； (2)无损压缩。预测编码作为对图像进行无损编码的成熟方法被集成在JPEG2000中； (3)渐进传输。JPEG2000可实现以空间清晰度和信噪比为首的各种可调节性，从而实现渐进传输，即具有“渐现”特性； (4)感兴趣区域压缩。JPEG2000 支持所谓的“感兴趣区域”。,测试结果表明，JPEG2000压缩效果更优秀，特别是在高压缩比的情况下。 JPEG2000纠错能力很强，在文件

8、传输中，有恢复丢失数据包的能力。 可以指定最后文件的大小。,4.7.3 H.261与H.263,1. H.261 视频数据格式 建议规定采用CIF（通用中间格式）和QCIF格式（1/4CIF）作为视频输入格式，如表4-6所示。 视频编码系统 H.261是ITU-T制定的视频压缩编码标准，也是世界上第一个得到广泛承认的、针对动态图像的视频压缩标准，而且其后出现的JPEG标准、MPEG系列标准、H.262以及H.263等数字视频压缩标准的核心都是H.261。,视频编码器原理 采用帧内编码 采用帧间预测编码 工作状态的确定 H.261标准的数据结构,图像数据层次结构,帧,QCIF,块组,1,2,3,

9、4,5,6,宏块,8,CIF,块,8,图像层是由帧首和12个块组层构成。其中帧首包括一个20比特帧起始码和其他标志信息，如帧数、视频格式（CIF/QCIF）等。 块组层是由GOB首和33个宏块构成，其中GOB首中包含16bit块组编号、块组量化步长等标志信号。 宏块层是由宏块首和其后面的6个数据块构成，MB首包括宏块地址、类型信息、运动矢量数据和编码块图样等信息。 块层是由DCT系数（TCOEFT）和块结束符（EOB）组成。每块包含88个数据。,H.263 H.263与H.261的区别 H.263标准是一种甚低码率通信的视频编码方案。所谓甚低码率视频编码技术是指压缩编码后的码率低于64kbit

10、/s的各种压缩编码方案.它是以H.261为基础，其编码原理和数据结构都与H.261相似，但存在下列区别： H.263能够支持更多图像格式 H.263建议的两种运动估值 采用半精度像素的预测值和高效的编码 提高数据压缩效率,四种有效的压缩编码方法 无约束运动矢量算法 基于语法的算术编码 高级预测模式 PB帧模式,4.7.4 MPEG系列,MPEG是Moving Picture Experts Group的英文缩写，其含义是活动图像专家组。 MPEG-1是1993年8月正式通过的技术标准，其全称为“适用于约1.5Mbit/s以下数字存储媒体的运动图像及伴音的编码”。 MPEG-2是1994年11月

11、发布的“活动图像及其伴音通用编码”标准，该标准可以应用于（2.048Mbit/s20Mbit/s）的各种速率和各种分辨率的应用场合之中。如多媒体计算机、多媒体数据库、多媒体通信、常规数字电视、高清晰度电视以及交互式电视等。 MPEG-4是1999年1月公布了该标准的V1.0版本，同年12月公布了V2.0版本。该标准主要应用于超低速系统之中，例如多媒体Internet、视频会议和视频电视等个人通信、交互式视频游戏和多媒体邮件、基于网络的数据业务、光盘等交互式存储媒体、远程视频监视及无线多媒体通信。特别是它能够满足基于内容的访问和检索的多媒体应用，并且其编码系统是开放的，可随时加入新的有效算法模块

12、。,MPEG-7是2000年11月颁布的称为“多媒体内容描述接口”的标准。定义该标准的目的是指定出一系列的标准描述符来描述各种媒体信息。这种描述与多媒体信息的内容有关，这样将便于用户进行基于内容和对象的视听信息的快速搜索。可见MPEG-7与其他MPEG标准的不同之处在于它只提供了与内容有关的描述符，并不包括具体的视音频压缩算法，而且还未形成与内容提交有关的所有标准的总框架。 MPEG-21的全称为“多媒体框架”。该标准的目的在于为多媒体用户提供透明而有效的电子交易和使用环境。,1、MPEG-1,MPEG-1标准是由三个部分构成 第一部分是系统部分，编号为11172-1。它描述了几种伴音和图像压

13、缩数据的复用以及加入同步信号后的整个系统。 第二部分为视频部分，主要规定了图像压缩编码方法，编号为11172-2。 第三部分为音频部分，主要规定了数字伴音压缩编码，编号为11172-3。可见MPEG-1标准的基本任务就是将视频与其伴音统一起来进行数据压缩，使其码率可以压缩到1.5Mbit/s左右，同时具有可接收的视频效果和保持视音频的同步关系。,（1）系统部分 MPEG-1标准的系统部分主要按定时信息的指示，将视频和音频数据流同步复合成一个完整的MPEG-1比特流，从而便于信息的存储与传输。在此过程将向数据流中加入相关的识别与同步信息，这样在接收端，可以根据这些信息，从接收数据流中分离出视频与

14、音频数据流，并分别送往各自的视频、音频解码器进行同步解码和播放。,（2）视频部分 与H.261标准相似，MPEG-1标准也采用带运动补偿的帧间预测DCT变换和VLC技术相结合的混合编码方式。但MPEG-1在H.261的基础上进行的重大的改进，具体如下： 输入视频格式 MPEG-1视频编码器要求其输入视频信号应为逐行扫描的SIF格式，如表4-6所示。如果输入视频信号采用其他格式，如ITU-R BT601，则必须转换成SIF格式才能作为MPEG-1的输入。,预测与运动补偿 MPEG-1定义了三种类型的帧：分别是I图像帧、P帧和B帧。 I图像帧是一种帧内编码图像帧。它是利用一帧图像中的像素信息，通过

15、去除其空间冗余度而达到数据压缩的。 P图像帧是一种预测编码图像帧。它是利用过去一个I图像帧或P图像帧，采用带运动补偿的帧间预测的方法进行编码。该图像帧可以为后续的P帧或B帧进行图像编码时提供参考。 B图像帧是一种双向预测编码图像帧。它是利用其前后的图像帧（I帧或P帧）进行带运动补偿的双向预测编码而得到的，如图4-55所示。它本身不作为参考使用，所以不需要进行传送，但需传送运动补偿信息。,视频码流的分层结构 MPEG-1数据码流也同样采用层次结构，其结构如图4-56所示。可见其最基本单元是块，下面分别进行介绍。,MPEG-1视频编/解码原理 MPEG-1视频编/解码器的原理框图如图4-57所示。

16、从图中可以看出，其功能包含帧间/帧内预测、量化和VLC编码。,2、MPEG-2,在MPEG-2标准中除包括系统、视频和音频三部分外，还包括符合性测试、软件、数字存储媒体的指令和控制等六部分内容。 系统部分 MPEG-2系统部分的基本功能是能将一个或多个视频、音频及其它数据的基本流组合成一个或多个可供存储和传输的码流，因此其中应提供用于多个码流解码时的同步、交织与控制等信息。,MPEG-2系统结构,节目流与传送流 MPEG-2的节目流是由有共同时间基准的一个或多个打包基本流组合而成，多个有共同时间基准的音频和视频基本流，经过编码又可构成多个节目流。所有的基本流将在同步情况下进行解码，其组成如图4-60所示，可见节目流的长度是可变的，一般相对传送流而言，长度较长。,视频部分 MPEG-2的视频标准是在MPEG-1的基础上进行了重大的改进和扩充，主要体现在以下几方面： 设置了“按帧编码”和“按场编码”两种模式。 引入“可分级型”的概念 规定了三种色差取样格式 扩展DCT扫描