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1、第第5章章 数字视频数字视频 (3)内内 容容1. MPEG概述2. MPEG-1视频的编码3. MPEG-1视频的解码2022/6/42南京大学多媒体技术研究所1. MPEG概述概述视频压缩编码的标准视频压缩编码的标准oITU-T标准n用于ISDN视频会议的 H.261(Px64)标准n用于PSTN可视电话的 H.263标准n用于ATM/B-ISDN视频会议的 H.262标准oISO/IEC 国际标准n用于VCD的ISO 11172(MPEG-1 video)标准n用于数字电视和DVD的ISO/IEC 13818(MPEG-2 video) 标准n用于交互式多媒体应用的视听编码标准 MPEG
2、-4o企业(公司)标准: AVI, QuickTime, RealVideo2022/6/44南京大学多媒体技术研究所视频压缩编码的国际标准视频压缩编码的国际标准ITU-TJointITU-T/MPEGMPEGH.261H.263 H.263+ H.263+H.262/MPEG-2H.26LMPEG-1MPEG-4 84 86 88 90 92 94 96 98 00 02 04MPEG-72022/6/45南京大学多媒体技术研究所MPEG -1标准标准ooMPEG-1MPEG-1标准(ISO/IEC11172). 1992年发布。用于1.51.5MbpsMbps数据传输率的运动图像及其伴音的
3、编码。主要应用于 VCD，MP3音乐等.oMPEG-1在JPEG和H.261等优秀标准的基础上, 对参加竞争的14个方案,通过反复协调而得到统一,从而成为先进、合理、质量高、成本低的优秀标准. oMPEG-1促进了大规模集成电路专用芯片的发展, 为多媒体技术和产品的繁荣立下了功劳。2022/6/46南京大学多媒体技术研究所MPEG-1: 一系列一系列 “第一第一”o第一个集成的视频/音频标准 : ISO/IEC 11172-1 (Systems), -2 (Video), -3 (Audio)o第一个定义“接收者”而不是“传送者”的视音频标准o第一个与视频格式无关的编码标准 (NTSC/PAL
4、/SECAM)o第一个由几乎所有相关视/音频企业联合制定的标准o第一个纯软件标准o第一个包含软件实施的标准2022/6/47南京大学多媒体技术研究所MPEG-1 的评价的评价(应用应用)oVideo CD ( several tens million players sold in PR of China)o“The” format of audio and video for PCnWindows 95/NT/98 contain an MPEG-1 software decoderoMPEG-1 Audio (recently, layer 3) is widely used for We
5、b musicoDigital Audio Broadcasting (DAB) utilises MPEG-1 Audio (adopted in Europe and Canada)oLightweight MPEG-1 video cameras are on sale2022/6/48南京大学多媒体技术研究所MPEG-1 Requirements(在大约1.5Mb/s数码率的情况下,获得质量可接受的A/V信息;适合于CD-ROM,DAT,硬盘,可写光盘等数字存储 介质;可在N-ISDN、LAN等通信网络上传输)1 random access 2 fast forward/backwar
6、d search3 reverse playback 4 A/V synchronization5 robustness to errors 6 small encoding/decoding delay7 editability 8 format flexibility9 cost tradeoff2022/6/49南京大学多媒体技术研究所MPEG-1的内容的内容oISO/IEC11172-1 : system audio,video,data等如何组织成一个复合的比特流;如何同步等.oISO/IEC11172-2 : video video 信号的压缩编码oISO/IEC11172-3 :
7、 audio audio 信号的压缩编码oISO/IEC11172-4 : Conformance testing MPEG-1的一致性测试oISO/IEC11172-5 : Software simulation MPEG-1软件模拟2022/6/410南京大学多媒体技术研究所MPEG -2标准标准ooMPEG-2MPEG-2标准(ISO/IEC13818). 1994年发布。主要针对数字电视特别是高清晰度电视(HDTV) 的视频及伴音信号，典型传输速率为10Mbps，与MPEG-1兼容，适用于1.5Mbps60Mbps甚至更高速率的编码范围。 2022/6/411南京大学多媒体技术研究所M
8、PEG -2标准（续）标准（续）o以MPEG-2作为视音频压缩标准的数字卫星电视数字卫星电视数字卫星电视数字卫星电视已在欧美形成了很大市场；o美国高级电视联盟(ATV Grand Alliance)和欧洲数字视频广播计划(Digital Video Broadcast Project)先后决定将MPEG -2用于高清晰度电视高清晰度电视高清晰度电视高清晰度电视( (HDTV)HDTV)广播中;o新一代的数字视盘数字视盘数字视盘数字视盘DVDDVD采用MPEG-2作为其视音频压缩标准(注:欧、美 、日在视频方面采用MPEG-2标准,而在音频方面则采用AC-3标准)。2022/6/412南京大学多
9、媒体技术研究所MPEG-2的评价的评价(应用应用)oSeveral tens of million set top boxes for satellite and cable have been soldoDigital television VHF/UHF broadcastingoMore than xxx million DVD players soldoThe MPEG-2 4:2:2 profile is being adopted in the television production industryoMPEG-2 has created the entirely new di
10、gital television industry worth 30 billion USD 2022/6/413南京大学多媒体技术研究所MPEG -4标准标准ooMPEG-4 MPEG-4 标准(ISO/IEC l4496) . “Coding of audio-visual objects”1999年5月形成国际标准(版本1), 2001-2002形成版本2，是一种基于对象的视(音)频编码标准,目标是支持各种多媒体应用(主要侧重于对多媒体信息内容的访问)o主要目标ncompression and manipulation of audio and visual objects, the w
11、eb page paradigm applied to audio and video!2022/6/414南京大学多媒体技术研究所MPEG -7标准标准ooMPEG-7MPEG-7标准(ISO/IEC l5938). 2001年9月形成。它是“多媒体内容描述接口” (Multimedia Content Description Interface)的标准, 该标准将确定各种类型的多媒体信息的标准描述方法, 可应用于数字图书馆、各种多媒体目录服务、广播媒体的选择，以及多媒体编辑等领域。2022/6/415南京大学多媒体技术研究所MPEG -21标准标准ooMPEG-21MPEG-21标准标准标
12、准标准. . (Multimedia Framework)多媒体框架标准适合于多种应用领域的各种类型用户对各种类型内容的传送和使用，可通过大范围的网络和设备允许对多媒体资源的透明和增强使用2022/6/416南京大学多媒体技术研究所2 MPEG-1视频的编码视频的编码视频压缩编码概述视频压缩编码概述视频流码率的计算视频流码率的计算宽: pixels(160, 320, 640, 720, 1280, 1920, )长: pixels(120, 240, 480, 485, 720, 1080, )量化位数: bits(1, 4, 8, 15, 16, 24, )fps: frames per
13、second (5, 15, 20, 24, 30, )压缩率:(1, 6, 24, )长宽量化位数fps压缩率= bits/sec2022/6/419南京大学多媒体技术研究所视频数据量视频数据量(压缩前，in gigabytes)（3 bytes/pixel, 30 frames/sec）640 x480 320 x240160 x1201280 x720 (压缩后，每小时的数据量，in megabytes)2022/6/420南京大学多媒体技术研究所视频应用与码率、分辨率的关系视频应用与码率、分辨率的关系分辨率码率(Mb/s)HDTVCCIR601CIF/SIFQCIF0 1 2 6 20
14、 MPEG-1H.261MPEG-22022/6/421南京大学多媒体技术研究所视频数据压缩编码的依据视频数据压缩编码的依据o每一帧画面内部的信息有很强的相关性;o相邻画面之间有高度的相容性;o运动可以估测（Motion Estimation）;o人眼的视觉特性有利于数据的压缩.2022/6/422南京大学多媒体技术研究所视频压缩编码技术的评价准则视频压缩编码技术的评价准则o码率(bitrate)o重建图像的质量o编码/解码延时o错误修复能力o算法复杂程度2022/6/423南京大学多媒体技术研究所MPEG-1视频视频压缩的基本方法压缩的基本方法 在空间域:采用JPEG(Joint Photo
15、graphic Experts Group)压缩算法来去掉画面内部的冗余信息。 在时间域:采用运动补偿(motion compensation)算法来去掉画面之间的冗余信息。 2022/6/424南京大学多媒体技术研究所MPEG-1视频视频编编/解码总框图解码总框图预处理压缩编码存储和/或传输解码数字视频CCIR 601后处理显示2022/6/425南京大学多媒体技术研究所预处理与画面分类预处理与画面分类CCIR 601(PAL)的预处理的预处理亚采样滤波器13031U,V/8-29088138880-29Y/256i-3 i-2 i-1 i i+1 i+2 i+3720 x576360 x5
16、76720 x288360 x288180 x288YU,V360 x288(SIF)180 x144(SIF)2022/6/427南京大学多媒体技术研究所MPEG-1画面预处理中的亚采样画面预处理中的亚采样1 使用滤波器对亮度（色度）象素进行平滑处理：-29088138880-29Y/256i-3 i-2 i-1 i i+1 i+2 i+31331U,V/8亚采样前：10 12 20 30 35 15 19 11 11 19 26 45 80 90 92 902 2 采用亚采样降低分辨率采用亚采样降低分辨率采用亚采样降低分辨率采用亚采样降低分辨率5923/256=23平滑处理：亚采样后: 12 32 23 9 12 49 95 922022/6/428南京大学多媒体技术研究所画面的分类画面的分类oIntra-picture ( I画面 )不需要参考其它画面而独立进行压缩编码的画面;oPredicted-picture ( P画面 )参考前面已编码的 I 或 P画面进行预测编码的画面;oBidirectional-picture ( B画面 )既参考前面的I或P画面、又参考后面的I或P
