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第三章视频压缩国际第三章视频压缩国际标准标准第1页，共131页，编辑于2022年，星期二3.2 H.26 x标准标准3.2.1 H.261标准一.概述 1、1990年12月CCITT（国际电报电话咨询委员会）（后改 为IUT-国际电信联盟）通过。2、为P 64kb/s视听业务的视频编码器 P=1，230，又称P 64标准 3、应用 H261为N-ISDN上开展可视通信业务而提出。可视电话，会议电视。第2页，共131页，编辑于2022年，星期二二、图像格式 1 1、CIFCIF和和QCIFQCIF格式格式 CIF Common Intermediate Format,CIF Common Intermediate Format,通用中间格式通用中间格式 QCIF Quarter CIF QCIF Quarter CIF 第3页，共131页，编辑于2022年，星期二2、主要参数 CIFCIFQCIFQCIFY Y抽抽样频样频率率6.75MHz6.75MHz3.375 MHz3.375 MHzCrCr，CbCb抽抽样频样频率率3.375 MHz3.375 MHz1.6875 MHz1.6875 MHzY Y有效有效样样点点/行行352352176176CrCr，CbCb有效有效样样点点/行行1761768888Y Y有效行有效行/帧帧288288144144CrCr，CbCb有效行有效行/帧帧1441447272Y：亮度信号 Cr：红色差信号 Cb：兰色差信号由上表可见，QCIF是取CIF纵横像素的各一半。第4页，共131页，编辑于2022年，星期二n n3、Y、C样点位置 第5页，共131页，编辑于2022年，星期二n n4、帧结构 （1 1）一帧）一帧CIFCIF由由1212个组块（个组块（GOB-GROUP OF BLOCKGOB-GROUP OF BLOCK）组成，（组成，（QCIFQCIF由由3 3个组块组成）个组块组成）A.A.图图 CIFCIF QCIFGOB1GOB1GOB2GOB2GOB3GOB3 BGOB编号：从左到右，从上到下第6页，共131页，编辑于2022年，星期二 （2 2）每个块组（）每个块组（GOBGOB）由）由3333个宏块（个宏块（MB-MB-MACROBLOCKMACROBLOCK）组成）组成 A.A.图图 BMB编号：从左到右，到上到下 CMB是运动补偿的基本单元 第7页，共131页，编辑于2022年，星期二（3 3）每个宏块（）每个宏块（MBMB）由）由6 6块（块（B-BLOCKB-BLOCK）组成。）组成。（其中：（其中：4 4个个Y Y块和块和2 2个色差块个色差块一个一个CbCb，一个，一个CrCr组成）组成）A A图图 B BB B编号如图所示编号如图所示 C CB B是是DCTDCT的基本单元，即基本编码单元的基本单元，即基本编码单元 DD每块（每块（B B）由）由8 8 8 8像素组成，像素编号：从左到右，从上到像素组成，像素编号：从左到右，从上到下。下。4 4个个Y Y块和块和CbCb，CrCr对应图面上的同一区域。对应图面上的同一区域。第8页，共131页，编辑于2022年，星期二n n三、数据结构 1 1、分四层、分四层 图象层：图象层：P Layer P Layer（picture layerpicture layer）块组层：块组层：GOB LayerGOB Layer 宏块层：宏块层：MB LayerMB Layer 块块 层：层：B LayerB Layer第9页，共131页，编辑于2022年，星期二 P图像标题（帧头）主要内容：（1）帧开始码，（2）帧计数码，（3）帧类型码，如CIF或QCIF等，（4）备用插入信息码 GOB标题主要内容：(1)块组开始，（2）块组编号，（3）块组量化步长，（4）备份信息码，MB标题主要内容：（1）地址码，（2）类型码（帧内，帧间，运动补偿，滤波器用否，等）,(3)量化步长，（4）运动矢量第10页，共131页，编辑于2022年，星期二n n四、源编码器 1.1.方框图方框图 q：量化变换系数 qZ：量化步长指示P：帧内/帧间指示 v：运动矢量F：环路滤波开关指示 t：宏块图像发送与否指示第11页，共131页，编辑于2022年，星期二 （1 1）混合编码方式：以运动补偿帧间预测和分块）混合编码方式：以运动补偿帧间预测和分块DCTDCT为为 基础的基础的混合编码算法。混合编码算法。A A帧内，帧间模式帧内，帧间模式 a a、帧内模式：、帧内模式：k1,k2k1,k2上位置上位置 对原图像进行对原图像进行DCT Q DCT Q 熵编码。熵编码。b b、帧间模式：、帧间模式：k1,k2k1,k2下位置下位置 （运动补偿预测编码），对帧间预测误差上进行（运动补偿预测编码），对帧间预测误差上进行 DCT Q DCT Q 熵编码熵编码 B B 量化：对量化：对DCTDCT变换系数进行量化变换系数进行量化 。压缩压缩 C C 熵编码：游程编码（熵编码：游程编码（RLCRLC），变长编码），变长编码 （VLCVLC），对符号冗余度进行无损压缩编码。），对符号冗余度进行无损压缩编码。（2 2）传输缓冲器）传输缓冲器 协调编码器输出和传输网络位率，充分利用网络传输位率，对于协调编码器输出和传输网络位率，充分利用网络传输位率，对于恒定输出码率：恒定输出码率：第12页，共131页，编辑于2022年，星期二 （3 3）编码器控制器）编码器控制器 A A根据缓冲器来的信息控制量化步长根据缓冲器来的信息控制量化步长 B B控制编码模式（帧内，帧间）控制编码模式（帧内，帧间）C C宏块传送与否。宏块传送与否。（4 4）熵编码器熵编码器 除了对量化后的除了对量化后的DCTDCT系数编码外，还要把许多附加信息组织系数编码外，还要把许多附加信息组织到（复用）数据流中去，这些信息包括：到（复用）数据流中去，这些信息包括：A A帧内帧内/帧间编码标志（帧间编码标志（P P）B B宏块发送与否标志（宏块发送与否标志（t t）C C使用量化表（使用量化表（q q）DD运动矢量（运动矢量（v v）E E环路滤波器用与否（环路滤波器用与否（f f）这里熵编码也被称为：多路编码器，复用编码器。这里熵编码也被称为：多路编码器，复用编码器。第13页，共131页，编辑于2022年，星期二n n2、帧内、帧间编码判断方法：以以MBMB为单位，比较前后两帧图像的相关性，通常相关性小为单位，比较前后两帧图像的相关性，通常相关性小采用帧内，相关性强采用帧间模式。下面给出一种帧内、帧间采用帧内，相关性强采用帧间模式。下面给出一种帧内、帧间编码判断方法。编码判断方法。设设P P（x x，y y）为前帧）为前帧MBMB像素值，像素值，C C（x x，y y）为当前帧）为当前帧MBMB像素值。像素值。前帧前帧MBMB亮度信号方差亮度信号方差VARORVAROR为：为：前后帧像素差方值，前后帧像素差方值，VARVAR 第14页，共131页，编辑于2022年，星期二 1）当VAR64，或VARVAR6464且VARORVARORVARVAR时时，用用帧帧间；间；2）当当VARVAR64，且，且VARVARVAROR时，用帧内。时，用帧内。该判据可用下图表示：该判据可用下图表示：值得说明的是值得说明的是H。261261标准，没有包括上述判定方法，因标准，没有包括上述判定方法，因此可以使用其它判定方法。此可以使用其它判定方法。第15页，共131页，编辑于2022年，星期二.3、量化：1)采用均匀量化采用均匀量化 2)直流系数量化步长固定为8 8 3)其它系数，不同MBMB可用不同步长，但每个可用不同步长，但每个MB步长相同。第16页，共131页，编辑于2022年，星期二 4 熵编码 由行程编码和Huffman编码二部分组成。（1）行程编码）行程编码 A、对8888量化系数（块）采用Z Z字形扫描处理，得到一维量化系数序列。使低频系数数据排在高频系数之 前，增加连零的个数，以利于熵编码。如图所示：如图所示：第17页，共131页，编辑于2022年，星期二B将一维量化系数序列变成若干对数据（行程将一维量化系数序列变成若干对数据（行程/幅值）行幅值）行程：指连零的个数程：指连零的个数;幅值：连零后的非零系数数幅值：连零后的非零系数数 值。值。例子：设块量化系数入图所示。第18页，共131页，编辑于2022年，星期二 A.0 5 3 0 3 1 0 0 A.0 5 3 0 3 1 0 0 1 0 1 0 B B（1/51/5），（），（0/30/3），（），（2/-12/-1），（），（56/156/1）（2 2）对（行程）对（行程/幅值）进行幅值）进行HuffmanHuffman编码编码第19页，共131页，编辑于2022年，星期二n n6、附加信息的复用规定 从前从前H.261H.261方框图（源编码器中）可知，编码数据流中除了块数据方框图（源编码器中）可知，编码数据流中除了块数据外，与原始图像的帧，块组和宏块相对应，还需传帧，块组和宏块的结外，与原始图像的帧，块组和宏块相对应，还需传帧，块组和宏块的结构信息以及宏块量化编码的有关其它信息，例如量化表地址、运动矢量构信息以及宏块量化编码的有关其它信息，例如量化表地址、运动矢量等附加信息，现介绍附加信息的复用规定：等附加信息，现介绍附加信息的复用规定：(1)(1)图像层（图像层（picture layerpicture layer）A APSCPSC图像启动码图像启动码 20bit 20bit 其值为：其值为：0000 0000 0000 0001 00000000 0000 0000 0001 0000 第20页，共131页，编辑于2022年，星期二 B BTRTR时间参考时间参考 5bit5bit，表示帧号，形成方法是将前面的图像头的值增，表示帧号，形成方法是将前面的图像头的值增1 1，再加，再加上自最近一次发送后未发送的图像数目。（即在抽帧情况下，上自最近一次发送后未发送的图像数目。（即在抽帧情况下，在计算帧号时应计入未编码传送的数目）在计算帧号时应计入未编码传送的数目）C CPTYPEPTYPE形成信息，形成信息，6bit 6bit Bit1 Bit1，分裂屏幕指示，分裂屏幕指示，“0”0”非非“1”1”是是 Bit2Bit2，文件摄像机指示，文件摄像机指示 Bit3 Bit3 凝固图像释放指示凝固图像释放指示 Bit4 Bit4 图像格式指示，图像格式指示，“0”0”为为QCIFQCIF，“1”1”为为CIF CIF Bit5 Bit5，6 6 备用备用 DDPEIPEI附加插入信息指示：附加插入信息指示：当当PEI=1PEI=1时，其后跟时，其后跟9bit9bit，其中前，其中前8bit8bit是是PARE(PARE(即图像层附加即图像层附加信息信息)，1bit1bit为另一个为另一个PEIPEI，若它仍为为，若它仍为为1 1，则后面再接着传送个一个，则后面再接着传送个一个8bit8bit附加信息，直至附加信息，直至PEI=0PEI=0，后面没有，后面没有PSPAREPSPARE为止。为止。E EPSPAREPSPARE附加信息，附加信息，8bit8bit。第21页，共131页，编辑于2022年，星期二n n（2）块组层（GOB Layer）A.块组启动码块组启动码GBSC GBSC 16bit 16bit，码字为，码字为0000 0000 0000 00010000 0000 0000 0001 B.B.组号组号GNGN 4bit,4bit,表示块组的号码（表示块组的号码（112112），），C.C.量化器信息量化器信息QUANTDQUANTD 5bit5bit，表示，表示1 13131各量化系数中的某一个量化系数。它在任何后续的各量化系数中的某一个量化系数。它在任何后续的QUANTDQUANTD取代前都指示宏块组所使用的量化器。取代前都指示宏块组所使用的量化器。D.D.附加插如信息指示附加插如信息指示GEIGEI，及附加信息，及附加信息GSAPREGSAPRE，与图像层，与图像层PEIPEI和和PAPAREPAPARE相似，只是这些附加信息嵌在块码流中。相似，只是这些附加信息嵌在块码流中。第22页，共131页，编辑于2022年，星期二n n（3）宏块（MB Layer）宏块的数目较多，为了节省码字，基本上采用可变长编码（宏块的数目较多，为了节省码字，基本上采用可变长编码（VLCVLC）A A宏块地址宏块地址MBA MBA MBA MBA总是含在发送宏块中，若某些宏块所在的图像部分没有总是含在发送宏块中，若某些宏块所在的图像部分没有信息，则该宏块将不发送。信息，则该宏块将不发送。B B形成信息形成信息MTYPEMTYPE 可变长码字该宏块的有关信息。可变长码字该宏块的有关信息。C C量化器量化器MQUANMQUAN a a）仅当）仅当MTYPEMTYPE指出指出MQUANTMQUANT存在时才有存在时才有MQUANTMQUANT b b）5bit5bit，MQUANTMQUANT码字与码字与GQUANTGQUANT相同相同 DD码块图案码块图案CBP CBP 用以说明当前用以说明当前MBMB哪几块编码传送。哪几块编码传送。第23页，共131页，编辑于2022年，星期二 （4）块层（B Layer）由变换系数（由变换系数（TCOFEETCOFEE）和跟随其后的块终止标号（）和跟随其后的块终止标号（EOBEOB）组成。）组成。n n 7、BCH编码：（1 1）BCHBCH（n n，k k），循环冗余校验码），循环冗余校验码 n=511 n=511 码长码长 k=493 k=493 信息码元长信息码元长 n-k=18 n-k=18 校验码元长校验码元长第24页，共131页，编辑于2022年，星期二 （2 2）纠错帧安排）纠错帧安排 A A帧群；帧群；8 8帧组成一帧群帧组成一帧群 （a a）一帧：帧首）一帧：帧首 数据数据 校验码校验码 1 493 181 493 18 （b b）帧首：每个帧首仅一位，用于同步，八个帧首为）帧首：每个帧首仅一位，用于同步，八个帧首为S1S1到到S8,S8,各帧各帧首码位规定为：（首码位规定为：（S1S2S8=00011011S1S2S8=00011011）第25页，共131页，编辑于2022年，星期二 B B数据结构：数据结构：（a a）FiLFiL：1 1位，称为填满指示位，称为填满指示 FiL=1FiL=1，表明其后有，表明其后有492492位数据位数据 FiL=0FiL=0，表明后面无数据，此时，表明后面无数据，此时492492位全取位全取1 1。（b b）492492位有效数据位有效数据 （3 3）BCHBCH码纠错能力码纠错能力 BCHBCH码的码长码的码长n n，信息码元，信息码元k k和纠错个数和纠错个数t t之间的关系之间的关系 n-kmt n=2m-1 式中，式中，mm为大于为大于3 3的整数，能纠正所有不大于的整数，能纠正所有不大于t t个随机错误。个随机错误。现在：现在：n=511=2n=511=29 9-1 -1 m=9m=9 n-k=189t t=2 n-k=189t t=2 即可纠正即可纠正2 2位误错。位误错。每帧的每帧的511511位到达解码器后，解出信息码元位到达解码器后，解出信息码元493493，当发现，当发现2 2位或位或2 2位以下的错误，可以自动纠正。位以下的错误，可以自动纠正。第26页，共131页，编辑于2022年，星期二n n3.2.3 H.263标准 H.263标准制定于1995年，是ITU-T针对64kbit/s以下的低比特速率视频应用而制定的标准。它的基本算法与H.261基本相同，但进行了许多改进，使得H.263标准获得了更好的编码性质。改进主要包括支持更多的图像格式、更有效的运动预测、效率更高的三维可变长编码代替二维可变长编码以及增加了4个可选模式。第27页，共131页，编辑于2022年，星期二n n1 1、支持的图像格式和数据组织、支持的图像格式和数据组织 1 1）支持）支持5 5种数据格式种数据格式参数参数Sub-QCIFSub-QCIFQCIFQCIFCIFCIF4CIF4CIF16CIF16CIFY Y有效取有效取样样点数点数/行行12812817617635235270470414081408U U，V V有效取有效取样样点数点数/行行64648888176176352352704704Y Y有效行数有效行数/帧帧969614414428828857657611521152U U，V V有效行数有效行数/帧帧48487272144144288288576576第28页，共131页，编辑于2022年，星期二 2）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，是否支持其他格式由用户决定。3）与H.261相同，H.263仍然采用图像层P、块组层GOB、宏块层MB和块层B四个层次的数据结构。第29页，共131页，编辑于2022年，星期二4）H.263H.263的编码器框图 H.263编码器中没有环路滤波器。这是因为编码器中没有环路滤波器。这是因为H.263H.263采取采取了更为有效的半像素精度运动矢量预测，环路滤波器作了更为有效的半像素精度运动矢量预测，环路滤波器作用已经不明显。用已经不明显。第30页，共131页，编辑于2022年，星期二n n2、运动预测 1）半像素精度运动矢量预测 所谓半像素预测，就是在整像素精度预测后再执行半像素精度预测。即首在搜索窗中以整像素精度进行块全匹配搜索，获得最佳匹配块后，再以半像素的精度在最佳匹配块1像素的范围内执行搜索。第31页，共131页，编辑于2022年，星期二n n 进行半像素精度运动预测需要获得半像素位置的幅度值，H.263通过线性插值获得。如图316所示。第32页，共131页，编辑于2022年，星期二n n2）运动矢量预测编码 对运动矢量采用预测编码。预测编码采用与当前宏块相邻的三个宏块的运动矢量的均值作为预测值，如图3.17所示。当相邻宏块不在当前块组时，按照下列规则处理：如果只有一个相邻宏块在块组外，则令该宏块运动矢量为零计算预测值；如果有两个宏块在块组外，则直接取剩下的宏块的运动矢量作为预测值。第33页，共131页，编辑于2022年，星期二n nMV：当前宏运动矢量n nMV1，MV2，MV3：用来预测的相邻宏块运动矢量n n：GOB边界第34页，共131页，编辑于2022年，星期二n n3、四种可选模式 无限制运动矢量模式、基于语法的算术编码模式、先进预测模式和PB图像模式。n n1）无限制运动矢量模式 在此种模式下，运动矢量可以指向图像以外的区域，这种模式可以改善边缘宏块的预测效果，尤其适合较小的图像格式（比如 QCIF）。采用这种模式时。指向图像外部的参考像素用最近的边缘像素替代。如图3.18所示。第35页，共131页，编辑于2022年，星期二n nPA有一部分位于预测帧之外，将该部分分为1，2，4三个小部分。1中的像素点的像素值由预测帧上边缘的相应像素点的像素值代替。2中的像素点的像素值由预测帧右上角的相应像素点的像素值代替。4中的像素点的像素值由预测帧右边缘的相应像素点的像素值代替。第36页，共131页，编辑于2022年，星期二n n2）基于语法的算术编码模式 在相同图像质量下，基于语法的算术编码模式可以把比特率降低5%左右 3）先进预测模式 先进预测模式包含两方面的内容，一方面，在编码端它允许将一个宏块分成四个块分别进行运动估计和补偿，使估计更为精确；另一方面，在解码端它还允许采用重叠块的运动补偿方法（OBMC），这样可以明显地消除由块编码所带来的方块效应 第37页，共131页，编辑于2022年，星期二n n 在先进预测模式中，既可以对一个宏块使用一个运动矢量，也可以对宏块的每个亮度块各使用一个运动矢量。当一个宏块使用4个运动矢量时，色度块的运动矢量是4个亮度块运动矢量和的1/8。哪些宏块采用4个运动矢量取决于编码器。n n对运动矢量仍采用预测编码，取三个预测矢量的均值作为预测值。不过预测矢量MV1、MV2、MV3的位置有所变化，如图319所示，其中，粗线代表宏块边界。第38页，共131页，编辑于2022年，星期二n n预测矢量MV1、MV2、MV3的位置有所变化，如图319所示，其中，粗线代表宏块边界。第39页，共131页，编辑于2022年，星期二n n采用OBMC时，解码端的亮度预测值是由三个运动矢量计算得到的三个预测值的加权和。n n这三个运动矢量是：当前宏块的运动矢量、最靠近当前像素的两个宏块（上下取一个，左右取一个）的运动矢量。如果一个宏块采用四个运动矢量，这三个运动矢量是：当前块的运动矢量、最靠近当前像素的运动矢量。色度预测值不采用OBMC技术。第40页，共131页，编辑于2022年，星期二n n下面举例说明OBMC技术。设最靠近预测样点的两个块分别位于当前块的上方和左方，它们的运动矢量分别是（x1，y1）、（x2，y2），它们确定的样点亮度预测值分别为s1，s2；设当前块的运动矢量为（x0，y0），它确定的样点亮度预测值为s0，则待预测样点亮度的预测值为：式中：（i，j）为当前样点的坐标；H0、H1、H2分别是加权矩阵 第41页，共131页，编辑于2022年，星期二第42页，共131页，编辑于2022年，星期二n n4）PB图像模式n nPB帧，一个PB帧由一个P帧和一个B帧组成，一起编码。n n其中P帧即在缺省模式中采用帧间编码的帧，P帧由前面已经编码的P帧或者I帧来预测。n n而B帧在时间上处于前一P帧（或者I帧）和当前P帧之间，由二者进行双向预测，这种关系如图321所示。第43页，共131页，编辑于2022年，星期二n n B帧的前项运动矢量MVF和后向运动矢量MVB由下式获得。n nMV为当前P帧的运动矢量，TR0为前P帧与前一P帧的时间间隔，TRB为B帧与前一P帧的时间间隔，MVD为矢量修正值 第44页，共131页，编辑于2022年，星期二n n1995年制定H.263标准后，ITU-T于1998年和2000年相继通过了H.263的第二版和第三版，称为H.263+和H.263+。在这两个版本中，一共添加了15个新的可选模式，并修改了一个H.263的已有模式，有效的提高了编码效果。第45页，共131页，编辑于2022年，星期二3.3 JPEG标准标准 3.3.1 JPEG一.概述概述 1 1、JPEG Joint Photographic Experts Group JPEG Joint Photographic Experts Group 联合图联合图 片专家组片专家组的缩写的缩写 2 2、时间：、时间：19881988年提出标准草案，年提出标准草案，19901990年年3 3月通过，并命名为月通过，并命名为JPEGJPEG。19921992年正式成立国际标准年正式成立国际标准 3 3、应用：连续色调静止图像压缩（只要处理速度足够、应用：连续色调静止图像压缩（只要处理速度足够 快，也可以快，也可以用于实时视频压缩）用于实时视频压缩）JPEGJPEG应用面广，可以适应各种不同的应用场合应用面广，可以适应各种不同的应用场合第46页，共131页，编辑于2022年，星期二n n采用JPEG算法对全活动视频图像进行压缩编码的另一种方法，是运动JPEG(Motion JPEG),简称M-JPEG，它是通过对JPEG标准进行扩展来支持活动图像的压缩。M-JPEG首先通过对相邻帧图像进行简单的帧间预测得到预测误差，然后利用JPEG算法对预测误差进行编码。第47页，共131页，编辑于2022年，星期二 4 4、四种运行模式：、四种运行模式：（1 1）基于）基于DCTDCT的顺序工作模式的顺序工作模式 （2 2）基于）基于DCTDCT的渐进工作模式的渐进工作模式 （3 3）无失真编码工作模式）无失真编码工作模式 （4 4）多分辨工作模式）多分辨工作模式 5 5、二种编码方法、二种编码方法 （1 1）HuffmanHuffman码码 （2 2）算术编码）算术编码 6 6、三种工作系统、三种工作系统 （1 1）基本系统）基本系统 （2 2）扩展系统）扩展系统 （3 3）信息保持系统）信息保持系统 是不同编码方法和工作模式的不同组合。是不同编码方法和工作模式的不同组合。JPEGJPEG编解码器必须支持基本系统，其他系统作为选择项，根据不同编解码器必须支持基本系统，其他系统作为选择项，根据不同应用目的进行取舍。应用目的进行取舍。第48页，共131页，编辑于2022年，星期二 二.基本系统简介基本系统简介 1 1、编、解码方框图、编、解码方框图 基本压缩编码方法与基本压缩编码方法与H.261H.261帧内模式类似。帧内模式类似。第49页，共131页，编辑于2022年，星期二 2 2、DCTDCT系数量化系数量化 （1 1）均匀量化）均匀量化 （2 2）不同位置采用不同的量化步长）不同位置采用不同的量化步长利用人眼视觉特性进行量利用人眼视觉特性进行量 化化是是JPEGJPEG标准的一个特点（例如：附表标准的一个特点（例如：附表2 2，表，表3 3）分亮度量化表（表分亮度量化表（表2 2）和色度量化表（表）和色度量化表（表3 3）其量化计算公式：其量化计算公式：F F（U U，V V）为）为DCTDCT系数；系数；S S（U U，V V）量化步长，）量化步长，QQ（U U，V V）量化）量化系数系数 3 3、熵编码：、熵编码：（1 1）对直流系数采用）对直流系数采用DPCMDPCM编码编码 A A直流系数直流系数DCDC：QQ（0 0，0 0）为直流系数，用）为直流系数，用DCDC表示，如图表示，如图3.2-13.2-1。代表本块的平。代表本块的平均亮度均亮度。第50页，共131页，编辑于2022年，星期二 B BDPCMDPCM：（对相邻子块直流系数进行：（对相邻子块直流系数进行DPCMDPCM编码编码 D=DCi-DC i-1D=DCi-DC i-1 DCi DCi：当前块图像的直流系数：当前块图像的直流系数 DC i-1DC i-1：为前一块图像的直流系数：为前一块图像的直流系数 （2 2）对交流系数进行行程编码：）对交流系数进行行程编码：A A交流系数交流系数ACijACij 除直流系数外的除直流系数外的6363个系数为交流系数，用个系数为交流系数，用ACijACij表示。表示。B B交流系数进行行程编码交流系数进行行程编码第51页，共131页，编辑于2022年，星期二 （3 3）编码过程（与）编码过程（与H.261H.261类似）类似）A A对经对经Z Z形扫描形成的一维形扫描形成的一维ACAC系数序列构成若干符号对（中系数序列构成若干符号对（中间符号序列）；对直流差分数构成符号对；符号对由符间符号序列）；对直流差分数构成符号对；符号对由符 号号1 1和和符号符号2 2组成。组成。符号符号1 1 符号符号2 2 （行程，位长）（行程，位长）（振幅）（振幅）行程：连续行程：连续0 0的个数的个数 非零系数大小（非零系数大小（DCDC：差分值，：差分值，ACAC：非：非0 0系数）系数）位长：后续位长：后续ACAC（非（非0 0）系数的编码位长）系数的编码位长 第52页，共131页，编辑于2022年，星期二 B B 对上述符号对进行变长编码（对上述符号对进行变长编码（HuffmanHuffman编码），通过查相应编码），通过查相应编码表得到。编码表得到。(a)由符号由符号1 1查编码表得一编码查编码表得一编码 对直流系数符号查直流差分表。对直流系数符号查直流差分表。对交流系数查交流系数表。对交流系数查交流系数表。（b b）由符号）由符号2 2查表得一编码，查正负值幅度查表得一编码，查正负值幅度 表得（补：表表得（补：表1010）（c c）由符号）由符号1 1和符号和符号2 2查得编码，组成该符号对的码子。查得编码，组成该符号对的码子。第53页，共131页，编辑于2022年，星期二 （4）例子 设某一亮度子图像设某一亮度子图像DCTDCT系数量化后的系数如图系数量化后的系数如图3.2-23.2-2所示，求该子所示，求该子图像图像JPEGJPEG编码后的数据，（设前一个子图像的编码后的数据，（设前一个子图像的DCDC系数量化值为系数量化值为1212）解：解：a)a)经经Z Z形扫描得一维系数序列形扫描得一维系数序列,（15 0 2 -1 1 1 0 0 1 EOB15 0 2 -1 1 1 0 0 1 EOB）b)b)符号对：对于符号对：对于DCDC系数，其系数，其D=DCi-DC i-1=15-12=3D=DCi-DC i-1=15-12=3第54页，共131页，编辑于2022年，星期二第55页，共131页，编辑于2022年，星期二3.3 MPEG标准标准一、概述1、MPEG：是Moving Picture Experts Group(活动图像专家组1988年ISO设立)的缩写。（其任务是研究视频，音频压缩）为制定动态图像压缩标准而设立的专家组。2、主要三种标准（1）MPGE-1 A1992年通过 B以压缩码速率为0.9-1.5Mb/s的视频信号为目标。D应用：数字存储媒体第56页，共131页，编辑于2022年，星期二（2）MPEG-2 A1994.11通过 B为MPEG-1标准的扩展 C支持2-100Mb/s速率的数字视频 D应用：高品质广播电视，DVD，DVB，CATV，HDTV等。（3）MPEG-4 A1998.11通过 B位率64Kb/s，超低码率视频压缩标准。C主要应用：移动多媒体通信第57页，共131页，编辑于2022年，星期二3、主要由三部分组成：(1)MPEG视频(2)MPEG音频(3)MPEG系统：信号格式，压缩视频、音频数据流的复合和同步。4、MPEG视频压缩算法，必须具备与存储相适应的性质：(1)能够随机访问(2)快进/快退检索，倒放(3)音像同步(4)可编辑性(5)灵活的视频格式第58页，共131页，编辑于2022年，星期二3.3.1 MPEG-13.3.1 MPEG-1 MPEG-1采用SIF视频格式，SIF（Source Input Format）称为源输入格式,也称作标准交换格式（Standard Interchange Format）,有35228825和35224030两种选择。1、视频码流结构公分6个层次（1）图像序列层（seguence）指整个一个被处理的连续图像（MPEG-1：逐行扫描。）由序列头，一个或若干图像组和序列结束标志组成序列头给出图像尺寸，帧率码率，帧组数等信息，比特率、缓冲器容量大小等解码器所需信息。插入附加序列头有助于实现随机访问和编辑 第59页，共131页，编辑于2022年，星期二（2）图像组层（GOPGroup of Picture）由图像组头和一系列图像帧组成。第一帧必须是I帧。头给出组内帧数，帧的顺序，等信息时间、图像组终止码、编辑断点连接码等参数。图像组进行随机存取单元第60页，共131页，编辑于2022年，星期二（3）图像层（picture）是图像组的基本单元，为独立的显示单元 亮度和色度之间的格式：4：1：1 由头和片层数据组成 头给出帧（图像）类型（I.P.B），帧编号，帧内片数等。第61页，共131页，编辑于2022年，星期二（4）片层（Slice）目的，防止错误扩散 片层最大相当于每幅图像的宏块总数，最小时只有一个唯一的宏块。同一片内宏块的次序从左到右，从上到下。是进行再同步的单元，在每条开始，对运动矢量和DCT系数值作DPCM的预测值，都重新置到零，这可防止解码时的错误积累。头给出同步，片编号，片内宏块数等信息。第62页，共131页，编辑于2022年，星期二（5）宏块层（MB）由4个88像素组成的Y块和两个88像素组成的色度块组成。是进行运动补偿的基本单元。（6）块层（B）88像素组成，为最小图像处理单元，进行DCT的单元。数据结构图：第63页，共131页，编辑于2022年，星期二第64页，共131页，编辑于2022年，星期二第65页，共131页，编辑于2022年，星期二2、三种编码图像帧（1）I帧（Intro Coded Frame，内帧）类似于H.261的帧内编码模式。A对像素块进行二维DCT（类似JPEG）B作为其它图像帧编码的参考帧 C作为随机存取点 D压缩比不高，但没有误码扩散。（8倍左右）（2）P帧（Predictively Coded Frame,预测帧）类似于H.261的帧间模 式。A利用前面的I 帧或P帧进行预测编码，（即对预测误差进行编码传 送。）B是预测B帧或下一个P帧的参考帧 C压缩比较I帧高，但误码会扩散。（30倍左右）第66页，共131页，编辑于2022年，星期二（3）B帧（Bidirectiondly Predictively Coded Frame,双方预测帧IBBPBBP AB帧插在I-P或P-P帧之间。B同时利用前面和后面（P帧或I帧）图像进行预测。C不作为参考帧 D与H.261相比，是MPEG的特点，提高了压缩比，改善了图像质量。（50倍左右）第67页，共131页，编辑于2022年，星期二（3）I、B帧数目 A、I帧使用频率和在视频流的位置的选择，是根据满足图像序列中随机 存取和景物切换的需要而定。典型每秒钟2次，即在15帧中案排1次。B、B帧在I、P帧间安排的数目，基于编码器中存储器的数量和正在编码图像的性质等 a)B帧数 压缩比 图像质量 实时性 b)典型数：插入2个B帧。第68页，共131页，编辑于2022年，星期二3、编码器(1)方框图。其中 V：运动矢量 q：量化系数 I：帧内/帧间指示 p：图像类型第69页，共131页，编辑于2022年，星期二与H.261相似主要不同之处：A两个帧存储器B帧重排 输入：IBBPBBP 输出：IPBBPBB B帧编码需要两个参考帧。C有三个控制开关。第70页，共131页，编辑于2022年，星期二（2）I帧编码 （A）S1，S2，S3，开关处于I位置。(B)第71页，共131页，编辑于2022年，星期二（C）要求精量化 帧内编码块的信号频率范围较宽，则应采用细粗量化器进行精确编 码，否则，对于哪些光滑的块，很小的误差都会产生可观察的块边界（即块效应）采用多种专用量化表，按图像内容分类制定量化表：a)0.5系数保留 b)按宏块图像反差调整量化表：宏块反差：c)按输出码率高低，调整量化表。第72页，共131页，编辑于2022年，星期二（3）P帧编码 （A）S1，S2，S3开关处于P位置 （B）找出运动矢量：以I帧（或P帧）图像作为参考 （C）运动补偿预测 （D）计算预测误差 （E）对预测误差编码（F）用粗量化。由于预测误差主要是高频信号，可采用粗粒度量化器。第73页，共131页，编辑于2022年，星期二（4）B帧编码 帧重排后，输出帧序为IPBBPB，对B帧编码时，前面的I，P帧（或P，P帧）已存入编码器图中的I，P帧存储器。AS1，S2，S3开关处于B位置。B找出运动矢量（以I，P为参考帧）C运动补偿预测 D计算预测误差 E预测误差编码：由于S3断开，,输出，不存入存储器，不作为参考帧。F粗量化第74页，共131页，编辑于2022年，星期二4、解码器(1)方框图第75页，共131页，编辑于2022年，星期二(2)I(2)I帧解码帧解码第76页，共131页，编辑于2022年，星期二(3.)P帧解码(4).B帧解码第77页，共131页，编辑于2022年，星期二n n3.3.2 MPEG-2标准标准n n1、概述n n（1 1）向下兼容）向下兼容MPEG-1MPEG-1和和H.261标准。（由MPEG-1MPEG-1发展发展而来）而来）n n（2 2）作为通用标准，适用于更广泛的应用场合，能满足广