数字电视广播原理与应用-05.ppt

第第5 5章数字视音频压缩标准章数字视音频压缩标准 概概 述述5.1JPEGJPEG5.2MPEG-1MPEG-1和和MPEG-2MPEG-2概述概述5.3MPEG-2MPEG-2视频视频5.4MPEG-2MPEG-2系统系统5.5H.264H.2645.6数字音频压缩编码标准数字音频压缩编码标准5.75.1 5.1 概述概述5.1.1 ISO/IEC895.1.2 ITU5.1.3 相关标准发展过程相关标准发展过程 ISO/IEC JTC1ISO/IEC JTC1即国际标准化组织即国际标准化组织 (International Standardization(International Standardization Organization)/Organization)/国际电工委员会国际电工委员会(International(International ElectrotechnicElectrotechnic Committee)Committee)的第一联合技术委员会的第一联合技术委员会(Joint(Joint Technical Committee)Technical Committee)是一个信息技术领域是一个信息技术领域的国际标准化委员会。的国际标准化委员会。5.1.1 ISO/IEC89 JPEGJPEG是联合图像专家组的简称，负责静是联合图像专家组的简称，负责静止图像编码国际标准的制定，所制定的止图像编码国际标准的制定，所制定的JPEGJPEG，JBIGJBIG及及JPEG2000JPEG2000等标准在多媒体和数码相等标准在多媒体和数码相机等产品中得到了广泛应用。机等产品中得到了广泛应用。MPEGMPEG是运动图像专家组的简称，负责数是运动图像专家组的简称，负责数字视频，音频和其他媒体的压缩和解压缩处字视频，音频和其他媒体的压缩和解压缩处理等国际技术标准的制定工作，制定的标准理等国际技术标准的制定工作，制定的标准称为称为MPEG-XMPEG-X系列。系列。MPEG-1MPEG-1和和MPEG-2MPEG-2是是MPEGMPEG组组织制定的第一代视、音频压缩标准，为织制定的第一代视、音频压缩标准，为VCDVCD、DVDDVD及数字电视和高清晰度电视等产业的飞速及数字电视和高清晰度电视等产业的飞速发展打下了基础。发展打下了基础。MPEG-4MPEG-4是基于第二代视音频编码技术制是基于第二代视音频编码技术制定的压缩标准，以视听媒体对象为基本单元，定的压缩标准，以视听媒体对象为基本单元，实现数字视音频和图形合成应用、交互式多实现数字视音频和图形合成应用、交互式多媒体的集成，目前已经在流媒体领域得到应媒体的集成，目前已经在流媒体领域得到应用。用。MPEG-7MPEG-7是多媒体内容描述标准，支持对是多媒体内容描述标准，支持对多媒体资源的组织管理、搜索、过滤、检索。多媒体资源的组织管理、搜索、过滤、检索。MPEG-21MPEG-21的重点是建立统一的多媒体框架，的重点是建立统一的多媒体框架，为从多媒体内容发布到消费所涉及的所有标为从多媒体内容发布到消费所涉及的所有标准提供基础体系，支持连接全球网络的各种准提供基础体系，支持连接全球网络的各种设备透明地访问各种多媒体资源。设备透明地访问各种多媒体资源。国际电信联盟（国际电信联盟（ITUITU）是世界各国政府的）是世界各国政府的电信主管部门之间协调电信事务方面的一个电信主管部门之间协调电信事务方面的一个国际组织，分为电信标准部门（即国际组织，分为电信标准部门（即ITU-TITU-T）、）、无线电通信部门（即无线电通信部门（即ITU-RITU-R）和电信发展部门）和电信发展部门（即（即ITU-DITU-D）。）。ISO/IECISO/IEC和和ITUITU两个国际组织大多数情况两个国际组织大多数情况下独立制定相关标准，下独立制定相关标准，2020世纪世纪9090年代初期，年代初期，它们联合开发了它们联合开发了H.262/MPEG-2H.262/MPEG-2标准。标准。5.1.2 ITU 19971997年，年，ITU-T VCEGITU-T VCEG与与ISO/IEC MPEGISO/IEC MPEG再再次合作，成立了视频联合工作组（次合作，成立了视频联合工作组（Joint Joint Video TeamVideo Team，JVTJVT），），JVTJVT的工作目标是制定的工作目标是制定一个新的视频编码标准，以实现视频的高压一个新的视频编码标准，以实现视频的高压缩比，高图像质量，良好的网络适应性等目缩比，高图像质量，良好的网络适应性等目标。标。H.261H.261是最早出现的视频编码标准，目的是最早出现的视频编码标准，目的是规范会议电视和可视电话应用中的视频编是规范会议电视和可视电话应用中的视频编码。码。H.263H.263是低码率图像压缩标准，在技术上是低码率图像压缩标准，在技术上是是H.261H.261的改进和扩充，支持码率小于的改进和扩充，支持码率小于64kbit/s64kbit/s的应用。的应用。5.1.3 相关标准发展过程相关标准发展过程 MPEG-1MPEG-1标准的码率为标准的码率为1.2Mbit/s1.2Mbit/s左右，左右，支持图像格式为支持图像格式为CIFCIF（352352288288）的视频编码，）的视频编码，基本算法与基本算法与H.261/H.263H.261/H.263相似，也采用运动补相似，也采用运动补偿的帧间预测，二维偿的帧间预测，二维DCTDCT和和VLCVLC游程编码等。游程编码等。H.262/MPEG-2H.262/MPEG-2标准在标准在MPEG-1MPEG-1的基础上，的基础上，在提高图像分辨率和兼容数字电视等方面做在提高图像分辨率和兼容数字电视等方面做了一些改进。了一些改进。MPEG-4MPEG-4标准的基本视频编码器还是属于标准的基本视频编码器还是属于和和MPEG-2MPEG-2相似的一类混合编码器，不同的是相似的一类混合编码器，不同的是MPEG-4MPEG-4中采用了一些新的技术，如形状编码、中采用了一些新的技术，如形状编码、自适应自适应DCTDCT等等,尤其是引入了基于视听对象尤其是引入了基于视听对象（Audio-Visual ObjectAudio-Visual Object，AVOAVO）的编码，大）的编码，大大提高了视频通信的交互能力。大提高了视频通信的交互能力。新的视频编码标准新的视频编码标准H.264H.264在混合编码的框在混合编码的框架下引入了新的编码方式，提高了编码效率。架下引入了新的编码方式，提高了编码效率。在相同的重建图像质量下，在相同的重建图像质量下，H.264H.264比比MPEG-2MPEG-2节节约约50%50%左右的码率。左右的码率。5.2.1 JPEG简介简介5.2.2 JPEG压缩编码原理压缩编码原理5.2.3 JPEG压缩编码图像质量压缩编码图像质量5.2 JPEG5.2 JPEG JPEGJPEG标标准准由由多多个个部部分分组组成成，主主要要的的部部分分有有：Part Part 1 1基基本本的的JPEGJPEG标标准准，定定义义了了静静止止图图像像编编码码的的方方法法和和系系统统；Part Part 2 2确确定定符符合合Part Part 1 1标标准准的的软软件件规规则则和和检检查查方方法法；Part 3Part 3建立一系列对标准改进的扩展等。建立一系列对标准改进的扩展等。本节主要介绍本节主要介绍Part 1Part 1基本的基本的JPEGJPEG标准。标准。5.2.1 JPEG简介简介 JPEGJPEG有两种基本压缩方法。有两种基本压缩方法。（1 1）有损压缩方法：它是以）有损压缩方法：它是以DCTDCT为基础为基础的压缩编码方法，其压缩比较高。的压缩编码方法，其压缩比较高。（2 2）无损压缩方法，又称预测压缩方法，）无损压缩方法，又称预测压缩方法，是以二维是以二维DPCMDPCM为基础的压缩方式，解码后能为基础的压缩方式，解码后能完全精确地恢复原图像取样值，压缩比低于完全精确地恢复原图像取样值，压缩比低于有损压缩方法。有损压缩方法。JPEGJPEG还包括多种工作模式。还包括多种工作模式。（1 1）顺序编码）顺序编码(Sequential Encoding(Sequential Encoding）（2 2）逐次编码（）逐次编码（Progressive EncodingProgressive Encoding）（3 3）分级模式（）分级模式（hierarchicalhierarchical）基于基于DCTDCT的的JPEGJPEG编解码原理框图如图编解码原理框图如图5-15-1所示。所示。5.2.2 JPEG压缩编码原理压缩编码原理图图图图5-1JPEG5-1JPEG编编编编解解解解码码码码系系系系统统统统框框框框图图图图 JPEGJPEG编码算法主要有以下几个重要步骤：编码算法主要有以下几个重要步骤：（1 1）用用DCTDCT去除图像数据的空间冗余；去除图像数据的空间冗余；（2 2）用人眼视觉最佳效果的量化表来量）用人眼视觉最佳效果的量化表来量化化DCTDCT系数系数F(u,vF(u,v)，去除视觉冗余；，去除视觉冗余；(3)(3)对量化后的对量化后的DCTDCT系数系数F(u,vF(u,v)数据进数据进行熵编码，去除熵冗余。行熵编码，去除熵冗余。1.1.预处理预处理 分分割割指指的的是是把把源源图图像像分分割割成成相相互互不不重重叠叠的的矩矩形形块块，每每一一个个像像块块作作为为一一个个独独立立的的单单元元进行变换和编解码。进行变换和编解码。(1)(1)像块分割像块像块分割像块(Block(Block)为为了了提提高高编编码码效效率率，在在对对f(x,yf(x,y)作作DCTDCT变变换换之之前前，先先对对像像块块进进行行电电平平下下移移，即即直直流流电电平平下下移移128=2128=27 7，在在解解码码时时再再进进行行上上移移。电电平平下移后的像块下移后的像块f(x,yf(x,y)如表如表5-15-1（b b）所示。）所示。(2)(2)直流电平下移直流电平下移表表表表5-1 5-1 像像像像块样值块样值块样值块样值 对电平下移后的对电平下移后的f(x,yf(x,y)作作DCTDCT变换得到系变换得到系数块数块F(u,vF(u,v)，如表，如表5-2(a)5-2(a)所示。所示。2.DCT 2.DCT变换变换表表表表5-2 5-2 作作作作DCTDCT变换变换变换变换后的系数后的系数后的系数后的系数F(u,vF(u,v)用人眼视觉最佳效果的量化表来量化用人眼视觉最佳效果的量化表来量化DCTDCT系数系数F(u,vF(u,v)，去除视觉冗余。，去除视觉冗余。JPEGJPEG推荐了亮推荐了亮度信号和色度信号两种量化表，如表度信号和色度信号两种量化表，如表5-35-3所示。所示。3.3.量化量化表表表表5-3 5-3 亮度量化表亮度量化表亮度量化表亮度量化表Q(u,v)(aQ(u,v)(a)量化公式为量化公式为 其中其中F(u,vF(u,v)Q Q为量化后得到的系数。为量化后得到的系数。量化以后得到的系数量化以后得到的系数F(u,vF(u,v)Q Q如表如表5-2(b)5-2(b)所示。所示。在解码端进行反量化时，利用相同的量在解码端进行反量化时，利用相同的量化表化表Q(u,vQ(u,v)乘以乘以F(u,vF(u,v)Q Q，可以得到反量，可以得到反量化后重建的化后重建的DCTDCT系数系数F(u,vF(u,v)F(u,vF(u,v)=)=F(u,vF(u,v)Q QQ(u,vQ(u,v)量化之后右下角高频系数大部分为量化之后右下角高频系数大部分为0 0，在，在编码时为了制造更长的编码时为了制造更长的0 0游程提高编码效率，游程提高编码效率，采用之字形扫描读取法，如图采用之字形扫描读取法，如图5-25-2所示。所示。4.4.之字形扫描之字形扫描图图图图5-2 5-2 之字形之字形之字形之字形扫扫扫扫描描描描读读读读取方法取方法取方法取方法图图图图 对对DCDC系数采用差分编码（系数采用差分编码（DPCMDPCM），传送），传送当前块与前一个块之间的当前块与前一个块之间的DCDC系数差值。系数差值。DCDCi i=F=Fi i(0,0)-F(0,0)-Fi-1i-1(0,0)(0,0)其中其中F Fi i(0,0)(0,0)表示当前像块的直流系数，表示当前像块的直流系数，F Fi-1i-1(0,0)(0,0)表示前一像块的直流系数。表示前一像块的直流系数。DCDC系数系数的的DPCMDPCM编码示意图如图编码示意图如图5-35-3所示。所示。5.DC5.DC系数的系数的DPCMDPCM编码编码5-3 DC5-3 DC系数示意系数示意系数示意系数示意图图图图 为了消除码字中的统计冗余，对量化后为了消除码字中的统计冗余，对量化后的的DCTDCT系数系数F(u,vF(u,v)数据进行可变长熵编码。数据进行可变长熵编码。JPEGJPEG推荐的推荐的HuffmanHuffman码表如表码表如表5-45-4，表，表5-55-5，表，表5-65-6，表，表5-75-7所示。所示。6.6.可变长熵编码可变长熵编码表表表表5-4 5-4 幅度幅度幅度幅度值值值值的可的可的可的可变长变长变长变长二二二二进进进进制制制制编码编码编码编码表表表表表表表表5-5 5-5 亮度和色度直流系数的亮度和色度直流系数的亮度和色度直流系数的亮度和色度直流系数的HuffmanHuffman码码码码表表表表表表表表5-6 5-6 亮度交流系数的亮度交流系数的亮度交流系数的亮度交流系数的HuffmanHuffman码码码码表表表表表表表表5-6 5-6 亮度交流系数的亮度交流系数的亮度交流系数的亮度交流系数的HuffmanHuffman码码码码表表表表 续续续续表表表表表表表表5-7 5-7 色度交流系数的色度交流系数的色度交流系数的色度交流系数的HuffmanHuffman码码码码表表表表 解码是编码的逆过程，上述所讲例子解解码是编码的逆过程，上述所讲例子解码后重建的图像码后重建的图像f(x,yf(x,y)如表如表5-8(a)5-8(a)所示，所示，与表与表5-15-1（a a）原始图像）原始图像f(x,yf(x,y)相比较，它们相比较，它们之间有一定的误差之间有一定的误差e(x,ye(x,y)如表如表5-8(b)5-8(b)所示。所示。这个误差是由量化过程引起的，只要这个误这个误差是由量化过程引起的，只要这个误差控制在一定范围之内，人眼视觉是可以接差控制在一定范围之内，人眼视觉是可以接受的。受的。表表5-85-8解码后重建图像数据解码后重建图像数据f(x,yf(x,y)7.7.解码解码表表表表5-8 5-8 解解解解码码码码后重建后重建后重建后重建图图图图像数据像数据像数据像数据f(x,yf(x,y)在本例中，原像块为在本例中，原像块为8 88=648=64个像素，如个像素，如果每个像素用果每个像素用8 8比特编码（比特编码（8bit/pixel8bit/pixel），压），压缩前的总比特位数为：缩前的总比特位数为：8 88 88=5128=512。5.2.3 JPEG压缩编码图像质量压缩编码图像质量1.1.压缩比计算压缩比计算 对于自然景色图像，对于自然景色图像，422422色度格式，色度格式，分辨率为分辨率为720720576576，定长码，定长码16bit/pixel16bit/pixel（包（包括色度分量）的图像，经过括色度分量）的图像，经过JPEGJPEG编码后的压编码后的压缩比和图像质量如表缩比和图像质量如表5-9 5-9 所示。所示。2.2.图像质量图像质量表表表表5-9 JPEG5-9 JPEG压缩压缩压缩压缩后后后后图图图图像像像像质质质质量量量量5.3 MPEG-15.3 MPEG-1和和MPEG-2MPEG-2概述概述 5.3.1 MPEG-1概述概述5.3.2 MPEG-2概述概述 运动图像专家组（运动图像专家组（Moving Picture Moving Picture Experts GroupExperts Group，MPEGMPEG）在）在ISO/IEC/ISO/IEC/两个国际两个国际组织的联合技术委员会（组织的联合技术委员会（JTCIJTCI）领导下进行）领导下进行MPEGMPEG标准的制定。标准的制定。MPEG-1 MPEG-1 和和 MPEG-2MPEG-2在编码的基本技术上在编码的基本技术上是类似的，都是基于块的运动补偿编码技术。是类似的，都是基于块的运动补偿编码技术。MPEG-1MPEG-1和和MPEG-2MPEG-2视音频压缩编码分别在视音频压缩编码分别在VCDVCD中中和数字电视广播系统中得到了广泛应用。和数字电视广播系统中得到了广泛应用。MPEG-1 MPEG-1 的的最最终终完完成成日日期期是是19911991年年，是是用用于于数数字字存存储储媒媒体体活活动动图图像像及及相相关关声声音音的的编编码码标标准准。MPEG-1MPEG-1由由多多个个部部分分组组成成，其其中中主主要要的的部分有部分有5.3.1 MPEG-1概述概述 第一部分系统（第一部分系统（ISO/IEC11172-1ISO/IEC11172-1），系），系统部分是关于数字视频、音频和辅助数据等统部分是关于数字视频、音频和辅助数据等多路压缩数据流复用和同步的规定；第二部多路压缩数据流复用和同步的规定；第二部分视频（分视频（ISO/IEC11172-2ISO/IEC11172-2），视频部分是关），视频部分是关于位速率约为于位速率约为1.5 1.5 Mbit/sMbit/s的视频信号的压缩的视频信号的压缩编码的规定；编码的规定；第三部分音频（第三部分音频（ISO/IEC11172-3ISO/IEC11172-3），音），音频部分是关于每通道位速率为频部分是关于每通道位速率为64kbit/s64kbit/s、128kbit/s128kbit/s、192kbit/s192kbit/s的数字音频信号的压的数字音频信号的压缩编码的规定；第四部分符合测试，缩编码的规定；第四部分符合测试，ISO/IEC ISO/IEC 11172-411172-4；第五部分软件模拟，；第五部分软件模拟，ISO/IEC ISO/IEC 11172-511172-5。MPEG-1MPEG-1视频图像格式是视频图像格式是CIFCIF格式，如表格式，如表5-5-1010所示。所示。表表表表5-10 MPEG-15-10 MPEG-1视频图视频图视频图视频图像格式像格式像格式像格式 MPEG-1MPEG-1常用于压缩后输出比特率为常用于压缩后输出比特率为1.5Mbit/s1.5Mbit/s的应用，但是也可以用于高比特率的应用，但是也可以用于高比特率的应用。的应用。MPEG-2MPEG-2全全称称为为“运运动动图图像像及及有有关关声声音音信信息息 的的 通通 用用 编编 码码”，标标 准准 的的 文文 件件 编编 号号 为为ISO/IEC13818ISO/IEC13818。5.3.2 MPEG-2概述概述 MPEG-2MPEG-2由由多多个个部部分分组组成成，其其中中主主要要部部分分有有;第第一一系系统统部部分分（ISO/IEC13818-1ISO/IEC13818-1），是是关关于于多多路路音音频频、视视频频和和数数据据的的复复用用和和同同步步的的规规定定；第第二二视视频频部部分分（ISO/IEC13818-2ISO/IEC13818-2），主主要要涉涉及及各各种种比比特特率率的的数数字字视视频频压压缩缩编编解解码码的的规规定定；第第三三音音频频部部分分（ISO/IEC13818-3ISO/IEC13818-3），扩扩充充了了MPEG-1MPEG-1的的音音频频标标准准，使使之之成成为为多多通通道道音音频频编编码码系系统统；第第四四顺顺应应测测试试部部分分；第第五五软软件仿真部分等。件仿真部分等。（1 1）MPEG-2MPEG-2的组成的组成 在在许许多多情情况况下下，MPEG-2MPEG-2表表示示成成MPEG-1MPEG-1的的一个超集。一个超集。（2 2）MPEG-1MPEG-1与与MPEG-2MPEG-2的区别的区别 MPEG-2MPEG-2已已广广泛泛应应用用于于DVDDVD，SDTV SDTV 和和 HDTVHDTV数字电视广播中。数字电视广播中。（3 3）MPEG-2MPEG-2的应用的应用5.4 MPEG-2视频 5.4.1MPEG-2的型和级的型和级5.4.2 视频结构视频结构5.4.3 I.B.P图像压缩编码原理图像压缩编码原理5.4.4 视频基本码流结构视频基本码流结构5.4.5 MPEG-2解码解码5.4.6 MPEG-2的可分级编码的可分级编码 MPEG-2MPEG-2标准支持不同性能和不同复杂性标准支持不同性能和不同复杂性的解码器，应用范围广泛，充分考虑了各种的解码器，应用范围广泛，充分考虑了各种应用的不同要求，有较强的通用性。应用的不同要求，有较强的通用性。为了解决通用性和特定性的矛盾，为了解决通用性和特定性的矛盾，MPEG-MPEG-2 2标准规定了四种输入图像格式，称为级标准规定了四种输入图像格式，称为级（LevelLevel），从有限清晰度的），从有限清晰度的VCDVCD图像质量到图像质量到高清晰度的高清晰度的HDTVHDTV图像质量，提供了灵活的信图像质量，提供了灵活的信源格式。源格式。5.4.1MPEG-2的型和级的型和级 MPEG-2MPEG-2还规定了不同的压缩处理方法，还规定了不同的压缩处理方法，称为型（称为型（ProfileProfile）。按照不同的型和不同的）。按照不同的型和不同的级的组合，有级的组合，有2020种组合方式。但是在实际应种组合方式。但是在实际应用中只有其中的用中只有其中的1111种组合可以应用。种组合可以应用。MPEG-2MPEG-2型和级的定义及其组合如表型和级的定义及其组合如表5-115-11所示。所示。表表表表5-11 MPEG-25-11 MPEG-2的的的的级级级级和型和型和型和型 级表示级表示MPEG-2MPEG-2编码器输入端的信源图像编码器输入端的信源图像格式。图像格式分成四个级：低级，主级，格式。图像格式分成四个级：低级，主级，高高14401440级和高级。其中的数值表示一帧画面级和高级。其中的数值表示一帧画面内的水平方向的像素数内的水平方向的像素数垂直方向的像素数垂直方向的像素数帧频。帧频。1.1.级（级（LevelLevel）LLLL级级对对应应的的输输入入图图像像格格式式是是CIFCIF格格式式，即即3523522482483030或或3523522882882525，相相应应编编码码的的最大输出码率为最大输出码率为4Mbit/s4Mbit/s。（1 1）低级（）低级（Low Low LevelLevel，LLLL）MLML对对应应于于ITU-R601ITU-R601建建议议的的标标清清图图像像格格式式，即即 72072048048029.9729.97或或 7207205765762525，在在MPMLMPML中中最最高高允允许许码码率率为为15Mbit/s15Mbit/s，在在HPMLHPML中为中为20Mbit/s20Mbit/s。（2 2）主级（）主级（Main LevelMain Level）H-1440H-1440属属于于准准高高清清图图像像格格式式，在在MPH-MPH-1440L1440L中，最高允许码率为中，最高允许码率为60Mbit/s60Mbit/s。（3 3）高）高H-1440H-1440级（级（High-1440 LevelHigh-1440 Level）HLHL对应高清图像格式，即对应高清图像格式，即19201920108010803030或或19201920108010802525，在，在MPHLMPHL中最高码率为中最高码率为80Mbit/s80Mbit/s，在，在HPHLHPHL中为中为100Mbit/s100Mbit/s。（4 4）高级（）高级（High LevelHigh Level）MPEG-2MPEG-2规定了不同的压缩处理方法称为规定了不同的压缩处理方法称为“型型”。2.2.型（型（ProfileProfile）简简单单型型只只采采用用I I帧帧和和P P帧帧两两种种编编码码帧帧，SPMLSPML是是SPSP型中惟一的应用点。型中惟一的应用点。（1 1）简单型（）简单型（Simple Simple ProfileProfile，SPSP）主主型型采采用用了了I I帧帧、P P帧帧和和B B帧帧三三种种编编码码帧帧，增增 加加 了了 双双 向向 预预 测测 方方 法法（Bi-directional Bi-directional predictionprediction），在在相相同同比比特特率率的的情情况况下下，将将给给出出比比简简单单型型更更好好的的图图像像质质量量，可可实实现现效效率率较高的压缩。较高的压缩。（2 2）主型）主型(Main (Main ProfileProfile，MPMP)信信杂杂比比可可分分级级型型将将编编码码的的视视频频数数据据分分成成底层和增强层。底层和增强层。（3 3）信杂比可分级型（）信杂比可分级型（SNR SNR ScalableScalable，SNRPSNRP）空空间间可可分分级级型型允允许许多多分分辨辨率率编编码码技技术术，适合于视频业务相互操作的应用。适合于视频业务相互操作的应用。（4 4）空间可分级型（）空间可分级型（Spatial Spatial ScalableScalable，SSPSSP）与与其其他他型型相相比比，高高型型对对亮亮度度取取样样率率、最最大比特率和大比特率和VBVVBV缓存容量等都有了更高的要求。缓存容量等都有了更高的要求。（5 5）高型（）高型（High High ProfileProfile，HPHP）19961996年年MPEG-2MPEG-2增增加加了了422422型型，主主要要用用于于演演播播室室编编辑辑环环境境，可可提提供供较较高高的的图图像像质质量量，较好的色度分辨率，更高的比特率。较好的色度分辨率，更高的比特率。（6 6）422422型（型（422Profile422Profile）MPEG-1MPEG-1，MPEG-2MPEG-2的的视视频频结结构构是是相相同同的的，共共分分为为6 6层层。最最高高层层是是视视频频序序列列（Video Video SequenceSequence，VSVS）、其其次次是是图图像像组组（Group Group of of PicturesPictures，GOPGOP）、图图像像（PicturePicture）、像像条条（SliceSlice）、宏宏块块(MacroBlockMacroBlock，MB)MB)，最最低低层层是像块（是像块（BlockBlock），如图），如图5-45-4所示。所示。5.4.2 视频结构视频结构图图图图5-4 5-4 视频结视频结视频结视频结构构构构 视频序列也称图像序列，它是随机选取视频序列也称图像序列，它是随机选取节目的一个基本单元。节目的一个基本单元。1.1.视频序列层视频序列层(VS)(VS)图像组是将一个图像序列中连续的几个图像组是将一个图像序列中连续的几个图像组成一个小组，简称为图像组成一个小组，简称为GOPGOP。2.2.图像组层图像组层(GOP)(GOP)图像是一个独立的显示单元，也是图像图像是一个独立的显示单元，也是图像编码的基本单元，可分为编码的基本单元，可分为I I，P P，B B三种编码图三种编码图像。像。3.3.图像图像(Picture)(Picture)像条是发生误码后且不可纠正时，数据像条是发生误码后且不可纠正时，数据重新获得同步的基本单元。重新获得同步的基本单元。4.4.像条像条(Slice)(Slice)宏块是运动预测的基本单元。宏块是运动预测的基本单元。5.5.宏块宏块(MB)(MB)块又称为像块，是块又称为像块，是DCTDCT变换的基本单元。变换的基本单元。6.6.块（块（(Block)(Block)）MPEGMPEG算算法法达达到到了了很很高高的的压压缩缩比比，但但仍仍保保持持了了很很好好的的图图像像质质量量，单单靠靠帧帧内内编编码码是是不不可可能能达达到到的的。在在MPEGMPEG压压缩缩编编码码中中，主主要要通通过过DCTDCT变变换换和和运运动动预预测测技技术术来来压压缩缩空空间间冗冗余余和和时时间间冗余。冗余。5.4.3 I.B.P图像压缩编码原理图像压缩编码原理 MPEG-2MPEG-2定义了三种编码图像，它们是帧定义了三种编码图像，它们是帧内编码内编码I I帧、帧、前向预测编码前向预测编码P P帧和双向预测帧和双向预测（前向和后向预测）编码（前向和后向预测）编码B B帧。编码预测示意帧。编码预测示意图如图图如图5-65-6所示。所示。1.I1.I，P P，B B编码图像编码图像图图图图5-6 I5-6 I、B B、P P编码图编码图编码图编码图像示意像示意像示意像示意图图图图（1 1）帧内编码图像（）帧内编码图像（Intra pictureIntra picture）（2 2）前向预测编码图像（）前向预测编码图像（Predicated Predicated picturepicture）（3 3）双向预测编码图像）双向预测编码图像（BidrectionalBidrectional picture picture）MPEG-1MPEG-1和和MPEG-2MPEG-2编码器原理大致相同，编码器原理大致相同，其原理框图如图其原理框图如图5-85-8所示。所示。2.MPEG2.MPEG编码器工作流程编码器工作流程图图图图5-8 MPEG-25-8 MPEG-2压缩编码压缩编码压缩编码压缩编码原理框原理框原理框原理框图图图图 经经过过编编码码器器编编码码后后，6 6个个视视频频层层次次构构成成的的编编码码流流称称为为视视频频基基本本码码流流（Elementary Elementary Stream Stream，ESES），图图5-115-11所所示示为为简简化化的的基基本本码码流结构图。流结构图。5.4.4 视频基本码流结构视频基本码流结构图图图图5-11 5-11 视频视频视频视频基本基本基本基本码码码码流流流流结结结结构构构构 MPEG-2MPEG-2解解码码是是从从编编码码的的比比特特流流中中重重建建图图像帧，像帧，MPEG-2MPEG-2解码方框图如图解码方框图如图5-125-12所示。所示。5.4.5 MPEG-2解码解码图图图图5-12 MPEG-25-12 MPEG-2解解解解码码码码框框框框图图图图 分分级级（scalabilityscalability）编编码码可可以以使使原原本本一一体体的的码码流流呈呈现现一一种种分分级级结结构构，使使其其中中的的部部分分码码流流可可单单独独解解码码，从从而而可可得得到到不不同同的的分分辨辨率率和所需的码率。和所需的码率。一个一个N N层可分级码流结构如图层可分级码流结构如图5-135-13所示。所示。5.4.6 MPEG-2的可分级编码的可分级编码图图图图5-13N5-13N层层层层可分可分可分可分级码级码级码级码流流流流结结结结构示意构示意构示意构示意图图图图 SNRSNR分级编码将视频序列分成基本层和增分级编码将视频序列分成基本层和增强层两个视频层，这两层有相同的图像分辨强层两个视频层，这两层有相同的图像分辨率但有不同的图像精度。率但有不同的图像精度。1.SNR1.SNR可分级（可分级（SNR scalabilitySNR scalability）一个简化的一个简化的SNRSNR可分级编码原理框图如图可分级编码原理框图如图5-14 5-14 所示。所示。(1)(1)底层编码底层编码(2)(2)增强层编码增强层编码图图图图5-14 SNR5-14 SNR可分可分可分可分级级级级的的的的编码编码编码编码原理框原理框原理框原理框图图图图空间可分级编码过程如图空间可分级编码过程如图5-155-15所示。所示。2.2.空间可分级（空间可分级（Spatial ScalabilitySpatial Scalability）图图图图5-15 5-15 空空空空间间间间可分可分可分可分级编级编级编级编解解解解码码码码框框框框图图图图 在时间分级中，各层具有相同的帧尺寸在时间分级中，各层具有相同的帧尺寸和色度格式，但可以有不同的帧频。包含底和色度格式，但可以有不同的帧频。包含底层和增强层的时间可分级编码框图如图层和增强层的时间可分级编码框图如图5-165-16所示。所示。3.3.时间可分级（时间可分级（Temporal ScalabilityTemporal Scalability）图图图图5-16 5-16 时间时间时间时间可分可分可分可分级级级级的的的的编编编编解解解解码码码码器框器框器框器框图图图图5.5 MPEG-25.5 MPEG-2系统系统 5.5.1 系统复用系统复用5.5.2 PES流分析流分析5.5.3 节目流节目流PS5.5.4 传送流传送流TS5.5.5 码流中的时间信息码流中的时间信息5.5.6 节目专用信息（节目专用信息（PSI）5.5.7 码率控制码率控制 系系统统MPEG-2MPEG-2系系统统主主要要规规定定了了如如何何将将一一个个或或多多个个视视频频流流、音音频频流流和和其其他他辅辅助助数数据据流流复复合成一个码流以适应存储和传送的需要。合成一个码流以适应存储和传送的需要。5.5.1 系统复用系统复用 视音频数据流的系统复用框图如图视音频数据流的系统复用框图如图5-175-17所示。所示。1.1.单路节目复用器单路节目复用器图图图图5-17 MPEG-25-17 MPEG-2系系系系统统统统复用框复用框复用框复用框图图图图 如果在一个电视频道内传输多套数字电如果在一个电视频道内传输多套数字电视节目，需要将多套节目的视节目，需要将多套节目的TSTS再次复用，多再次复用，多路节目的复用系统框图如图路节目的复用系统框图如图5-185-18所示。所示。2.2.多路节目复用系统多路节目复用系统图图图图5-18 5-18 多路多路多路多路节节节节目复用框目复用框目复用框目复用框图图图图 ESES经过打包器将连续传输的数据流按一经过打包器将连续传输的数据流按一定的长度分段，切割成一个个单元包，称为定的长度分段，切割成一个个单元包，称为打包基本码流（打包基本码流（PaketizedPaketized Elementary Elementary StreamStream，PESPES）。）。PESPES流是编码器和解码器的流是编码器和解码器的直接连接形式。直接连接形式。PESPES包的结构如图包的结构如图5-195-19所示。所示。5.5.2 PES流分析流分析图图图图5-19 PES5-19 PES包的包的包的包的结结结结构构构构 PSPS复复用用器器将将一一个个或或几几个个具具有有公公共共时时间间基基准准的的PESPES包包组组合合成成单单一一的的码码流流，称称为为节节目目流流（Program Program StreamStream，PSPS）。PSPS码码流流的的数数据据结结构如图构如图5-205-20所示。所示。5.5.3 节目流节目流PS图图图图5-20 PS5-20 PS流的数据流的数据流的数据流的数据结结结结构构构构 PESPES流进入传输复用器中切割成一个个固流进入传输复用器中切割成一个个固定长度为定长度为188188字节的包，称为传输包。由传输字节的包，称为传输包。由传输包组成的数据流称为传送流（包组成的数据流称为传送流（Transport Transport StreamStream）TSTS流。流。TSTS流是各传输系统之间的连流是各