第十二讲 运动图像压缩标准精选PPT.ppt

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1、第十二讲第十二讲 运动图像压缩标准运动图像压缩标准第1页，此课件共39页哦13.1电视图象数据率电视图象数据率oITU-R BT.601标准数据率标准数据率 n在在PAL、NTSC和和SECAM彩色电视制之间确定彩色电视制之间确定一个共同的数字化参数一个共同的数字化参数n使用使用4:2:2的采样格式，亮度信号的采样格式，亮度信号Y的采样频率的采样频率选择为选择为13.5 MHz/s，而色差信号，而色差信号Cr和和Cb的的采样频率选择为采样频率选择为6.75 MHz/s 第2页，此课件共39页哦10.1电视图象数据率电视图象数据率o亮度亮度(Y):n858样本样本/行行525行行/帧帧30帧帧/

2、秒秒10比特比特/样本样本=135兆比特兆比特/秒秒(NTSC)n864样本样本/行行625行行/帧帧25帧帧/秒秒10比特比特/样本样本=135兆比特兆比特/秒秒(PAL)oCr(R-Y):n429样本样本/行行525行行/帧帧30帧帧/秒秒10比特比特/样本样本=68兆比特兆比特/秒秒(NTSC)n429样本样本/行行625行行/帧帧25帧帧/秒秒10比特比特/样本样本=68兆比特兆比特/秒秒(PAL)oCb(B-Y):n429样本样本/行行525行行/帧帧30帧帧/秒秒10比特比特/样本样本=68兆比特兆比特/秒秒(NTSC)n429样本样本/行行625行行/帧帧25帧帧/秒秒10比特比

3、特/样本样本=68兆比特兆比特/秒秒(PAL)o总计总计:27兆样本兆样本/秒秒10比特比特/样本样本=270兆比特兆比特/秒秒第3页，此课件共39页哦10.1电视图象数据率电视图象数据率o如屏幕分辨率为如屏幕分辨率为720 x480，子采样是，子采样是4:1:1则则n亮度亮度(Y):o7204803010=104 Mb/s(NTSC)o7205762510=104 Mb/s(PAL)n色差色差(Cr，Cb)o23602403010=52 Mb/s(NTSC)o23602882510=52 Mb/s(PAL)n总计总计:156 Mb/so如果每个样本的采样精度由如果每个样本的采样精度由10比特

4、降为比特降为8比特，彩色数比特，彩色数字电视信号的数据传输率就降为字电视信号的数据传输率就降为125 Mb/s。第4页，此课件共39页哦VCD数据率估算数据率估算oVideo-CD存储器来存储数字电视，数据传输率可达到存储器来存储数字电视，数据传输率可达到1.4112 Mb/s，其中电视信号的数据传输率为，其中电视信号的数据传输率为1.15 Mb/so如果存储如果存储125Mb/s的数字电视信号就需要对它进行高度压缩，压缩的数字电视信号就需要对它进行高度压缩，压缩比高达比高达125/1.15=109:1o把把NTSC和和PAL数字电视转换成公用中分辨率格式数字电视转换成公用中分辨率格式CIF的

5、数字电视，相当于的数字电视，相当于VHS(Video Home System)的质量：的质量：n3522403081.5=30 Mb/s(NTSC)n3522882581.5=30 Mb/s(PAL)。o彩色电视信号存储到彩色电视信号存储到CD盘上所需要的压缩比为：盘上所需要的压缩比为：n30/1.15=26:1。n是是MPEG-1技术所能获得的压缩比。技术所能获得的压缩比。第5页，此课件共39页哦DVD数据率估算数据率估算o电视图像的数据率压缩成平均为电视图像的数据率压缩成平均为3.5 Mb/s 4.7 Mb/s时非专家难于区分电视图像时非专家难于区分电视图像在压缩前后的之间差别。在压缩前后

6、的之间差别。o按照数字电视信号的平均数据传输率为按照数字电视信号的平均数据传输率为4.1 Mb/s来计算，压缩比要达到：来计算，压缩比要达到：n125/4.10=31:1 第6页，此课件共39页哦10.2数据压缩算法数据压缩算法种类内容压缩方法统计空间冗余像素间的相关性变换编码，预测编码特性时间冗余时间方向上的相关性帧间预测，移动补偿图像构造冗余图像本身的构造轮廓编码，区域分割知识冗余收发两端对人物的共有认识基于知识的编码视觉冗余人的视觉特性非线性量化，位分配其他不确定性因素第7页，此课件共39页哦视频压缩基本方法视频压缩基本方法 o 在空间方向上，图像数据压缩采用在空间方向上，图像数据压缩采

7、用JPEG(Joint Photographic Experts Group)压缩算法来去掉冗余信息。压缩算法来去掉冗余信息。o 在时间方向上，图像数据压缩采用移动在时间方向上，图像数据压缩采用移动补偿补偿(motion compensation)算法来去掉算法来去掉冗余信息。冗余信息。第8页，此课件共39页哦图象分类图象分类o帧内图像帧内图像I，预测图像，预测图像P和双向预测图像和双向预测图像B第9页，此课件共39页哦帧内图象压缩帧内图象压缩第10页，此课件共39页哦I图象压缩基本过程图象压缩基本过程o如果电视图像是用如果电视图像是用RGB空间表示的，则首先把它转换成空间表示的，则首先把它转

8、换成YCrCb空空间表示的图像。间表示的图像。o每个图像平面分成每个图像平面分成88的图块，对每个图块进行离散余弦变换的图块，对每个图块进行离散余弦变换DCT(discrete Cosine Transform)。oDCT变换后经过量化的交流分量系数按照变换后经过量化的交流分量系数按照Zig-zag的形状排序，然后的形状排序，然后再使用无损压缩技术进行编码。再使用无损压缩技术进行编码。oDCT变换后经过量化的直流分量系数用差分脉冲编码变换后经过量化的直流分量系数用差分脉冲编码DPCM(Differential Pulse Code Modulation)，交流分量系，交流分量系数用行程长度编码

9、数用行程长度编码RLE(run-length encoding)，o然后再用霍夫曼然后再用霍夫曼(Huffman)编码或者用算术编码。编码或者用算术编码。第11页，此课件共39页哦预测图像预测图像P的压缩编码算法的压缩编码算法 o预测图像的编码也是以图像宏块预测图像的编码也是以图像宏块(macroblock)为基本编码单元，一个宏块定为基本编码单元，一个宏块定义为义为IJ像素的图像块，一般取像素的图像块，一般取1616。o预测图像预测图像P使用两种类型的参数来表示：一使用两种类型的参数来表示：一种参数是当前要编码的图像宏块与参考图像种参数是当前要编码的图像宏块与参考图像的宏块之间的差值，另一种

10、参数是宏块的移的宏块之间的差值，另一种参数是宏块的移动矢量。动矢量。第12页，此课件共39页哦预测图象预测图象P第13页，此课件共39页哦预测图象编码预测图象编码o假设编码图像宏块假设编码图像宏块MPI是参考图像宏块是参考图像宏块MRJ的最佳匹配块，它们的差值就是这两的最佳匹配块，它们的差值就是这两个宏块中相应像素值之差。个宏块中相应像素值之差。o对所求得的差值进行彩色空间转换，并作对所求得的差值进行彩色空间转换，并作4:1:1的子采样得到的子采样得到Y，Cr和和Cb分量值，分量值，o然后仿照然后仿照JPEG压缩算法对差值进行编码，压缩算法对差值进行编码，计算出的移动矢量也要进行霍夫曼编码。计

11、算出的移动矢量也要进行霍夫曼编码。第14页，此课件共39页哦预测图象原理图预测图象原理图第15页，此课件共39页哦移动矢量计算移动矢量计算第16页，此课件共39页哦差值最小判断差值最小判断绝对值最小：绝对值最小：均方误差最小：均方误差最小：平均绝对帧差最小：平均绝对帧差最小：第17页，此课件共39页哦二维对数搜索法二维对数搜索法 第18页，此课件共39页哦三步搜索法三步搜索法第19页，此课件共39页哦对偶搜索法对偶搜索法 第20页，此课件共39页哦MPEG-2的配置和等级的配置和等级 o信噪比可变性信噪比可变性(Signal-to-Noise Scalability)n图像质量的折中，对于数据

12、率比较低的解码器使用比较低的信噪比，图像质量的折中，对于数据率比较低的解码器使用比较低的信噪比，而对数据率比较高的解码器则使用比较高的信噪比而对数据率比较高的解码器则使用比较高的信噪比 o空间分辨率可变性空间分辨率可变性(Spatial Scalability)n图像的空间分辨率的折中，对于低速率的接受器使用比较低的图像的空间分辨率的折中，对于低速率的接受器使用比较低的图像分辨率，而对于数据率比较高的接受器使用比较高的图像图像分辨率，而对于数据率比较高的接受器使用比较高的图像分辨率分辨率 o时间分辨率可变性时间分辨率可变性(Temporal Scalability)n图像在时间方向上分辨率的折

13、中图像在时间方向上分辨率的折中 第21页，此课件共39页哦MPEG-2的配置的配置配置(Profile)算法(Algorithms)High(高档)支持由空间分辨率可变配置(Spatial Scalable Profile)提供的所有功能和其他规定功能子采样格式：YUV 4:2:2 用于进一步提高图像质量Spatial scalable(空间分辨率)支持信噪比可变配置(SNR Scalable Profile)提供的所有功能和空间分辨率可变(Spatial scalable coding)算法(2层)。子采样格式：YUV：4:2:0SNR scalable(信噪比可变)支持基本配置(Main

14、Profile)提供的所有功能和信噪比可变编码(SNR scalable coding)算法(2层)子采样格式：YUV：4:2:0Main(基本)非可变速率编码算法支持随机存取，B图像预测方式 子采样格式：YUV：4:2:0Simple(简化)除不支持基本配置(Main Profile)提供的B图像预测功能外，基本配置的其他所有功能都支持 子采样格式：YUV：4:2:0第22页，此课件共39页哦MPEG-2的等级的等级 等级(Level)参数(Parameters)说明1920 samples/line1920 样本/行HIGH1152 lines/frame1152 行/帧(高级)60 fr

15、ames/s60 帧/秒80 Mb/s80 兆比特/秒1440 samples/line 1440 样本/行HIGH 14401152 lines/frame1152 行/帧(高级1440)60 frames/s60 帧/秒60 Mb/s60 兆比特/秒第23页，此课件共39页哦MPEG-2的等级的等级720 samples/line720 样本/行MAIN576 lines/frame576 行/帧(基本级)30 frames/s30 帧/秒15 Mb/s15 兆比特/秒352 samples/line352 样本/行LOW288 lines/frame288 行/帧(低级)30 frame

16、s/s30 帧/秒4 Mb/s4 兆比特/秒第24页，此课件共39页哦MPEG-2配置与等级配置与等级(等级配置)Simple(简化型)Main(基本型)(信噪比可变型)(空间分辨率可变型)(高档型)High(高级)4:2:01920115260 80 Mb/sI,P,B4:2:0,4:2:21920115260 80 Mb/sI,P,BHigh-1440(高级1440)4:2:01440115260 60 Mb/sI,P,B4:2:01440115260 60 Mb/sI,P,B4:2:0,4:2:21440115260 60 Mb/sI,P,B第25页，此课件共39页哦MPEG-2配置与等

17、级配置与等级(等级配置)Simple(简化型)Main(基本型)(信噪比可变型)(空间分辨率可变型)(高档型)Main(基本级)4:2:072057630 15 Mb/sI,P4:2:072057630 15 Mb/sI,P,B4:2:072057630 15 Mb/sI,P,B4:2:072057630 20 Mb/sI,P,BLow(低级)4:2:035228830 4 Mb/sI,P,B4:2:035228830 4 Mb/sI,P,B第26页，此课件共39页哦MPEG-4编码标准编码标准oMPEG-4 Video编码算法支持由编码算法支持由MPEG-1和和MPEG-2提提供的所有功能，

18、包括对各种输入格式下的标准矩形图像、帧供的所有功能，包括对各种输入格式下的标准矩形图像、帧速率、位速率和隔行扫描图像源的支持。速率、位速率和隔行扫描图像源的支持。oMPEG-4 Video算法的核心是支持内容基算法的核心是支持内容基(content-based)的编码和解码功能，也就是对场景中使用分割的编码和解码功能，也就是对场景中使用分割算法抽取的单独的物理对象进行编码和解码。算法抽取的单独的物理对象进行编码和解码。o实现预想的内容基交互等功能，实现预想的内容基交互等功能，MPEG-4 Video验验证模型引进了一个叫做证模型引进了一个叫做“电视图像对象区电视图像对象区(Video Obje

19、ct Plane，VOP)”的概念的概念。第27页，此课件共39页哦电视图像对象区电视图像对象区第28页，此课件共39页哦电视图象对象区电视图象对象区o编码器输入的是任意形状的图像区，图像区的形状和位置也可随帧的变化而编码器输入的是任意形状的图像区，图像区的形状和位置也可随帧的变化而改变。改变。o属于相同物理对象的连续的电视图像对象区属于相同物理对象的连续的电视图像对象区(VOP)组成电视图像对象组成电视图像对象(Video Objects，VO)。oMPEG-4可单独对属于相同电视图像对象可单独对属于相同电视图像对象(VO)的电视图像区的电视图像区(VOP)的形状、移动的形状、移动(moti

20、on)和纹理和纹理(texture)信息进编码和传送，或者把它们编码成一个单独的电视图信息进编码和传送，或者把它们编码成一个单独的电视图像对象层像对象层(Video Object Layer，VOL)。o电视图像对象层电视图像对象层(VOL)的信息也包含在编码后的位流的信息也包含在编码后的位流(bitstream)中，信息包括中，信息包括各种电视图像对象层各种电视图像对象层(VOL)的电视图像在接收端应该如何进行组合，以便重构的电视图像在接收端应该如何进行组合，以便重构完整的原始图像序列。完整的原始图像序列。oMPEG-4采用内容基编码方法的重要优点是，使用合适的和专门的对象基移采用内容基编码

21、方法的重要优点是，使用合适的和专门的对象基移动预测工具动预测工具(object-based motion prediction tools)可以明显提高场景可以明显提高场景中电视图像对象的压缩效率。中电视图像对象的压缩效率。第29页，此课件共39页哦电视图像编码方案电视图像编码方案 oMPEG-4 Video验证模型对每个电视图像对象验证模型对每个电视图像对象(VO)的形状、移动和纹的形状、移动和纹理信息进行编码形成单独的理信息进行编码形成单独的VOL层，以便能够单独对电视图像对象层，以便能够单独对电视图像对象(VO)进行解码。进行解码。o如果输入图像序列只包含标准的矩形图像，就不需要形状编码

22、，在这如果输入图像序列只包含标准的矩形图像，就不需要形状编码，在这种情况下，种情况下，MPEG-4 Video使用的编码算法结构也就与使用的编码算法结构也就与MPEG-1和和MPEG-2使用的算法结构相同。使用的算法结构相同。oMPEG-4 Video验证模型对每个电视图像对象区验证模型对每个电视图像对象区(VOP)进行编码进行编码使用的压缩算法是在使用的压缩算法是在MPEG-1和和MPEG-2 Video标准的基础上标准的基础上开发的，它也是以图像块为基础的混合开发的，它也是以图像块为基础的混合DPCM和变换编码技术和变换编码技术(hybrid DPCM/Transform coding)。

23、oMPEG-4编码算法也定义了帧内电视图像对象区编码算法也定义了帧内电视图像对象区(I-VOP)编码方式和帧编码方式和帧间电视图像对象区预测间电视图像对象区预测(P-VOP)编码方式，它也支持双向预测电视图像编码方式，它也支持双向预测电视图像对象区对象区(B-VOP)方式。方式。o在对电视图像对象区在对电视图像对象区(VOP)的形状编码之后，颜色图像序列分割成宏块进的形状编码之后，颜色图像序列分割成宏块进行编码行编码 第30页，此课件共39页哦I-VOP和和P-VOP编码方式和宏块结构编码方式和宏块结构 第31页，此课件共39页哦MPEG-4 Video编码器的算法编码器的算法 第32页，此课

24、件共39页哦MPEG-4电视序列编码举例电视序列编码举例 第33页，此课件共39页哦电视图像分辨率可变编码电视图像分辨率可变编码 o电视图象分辨率电视图象分辨率n空间分辨率是指一帧图像包含的行数与每行显示的像素数空间分辨率是指一帧图像包含的行数与每行显示的像素数之乘积之乘积n时间分辨率是指每秒种显示或者传输的图像帧数。时间分辨率是指每秒种显示或者传输的图像帧数。o可变编码目的可变编码目的n设置电视图像分辨率可变编码功能的一个重要目的是为了能够灵设置电视图像分辨率可变编码功能的一个重要目的是为了能够灵活支持性能不同活支持性能不同(例如不同带宽例如不同带宽)的各种电视接收或显示设备，或的各种电视接

25、收或显示设备，或者支持要求浏览电视数据库等方面的应用。者支持要求浏览电视数据库等方面的应用。n另一个目的是提供分层次的电视图像数据位流，这样可按另一个目的是提供分层次的电视图像数据位流，这样可按应用所要求的先后次序进行传输。应用所要求的先后次序进行传输。第34页，此课件共39页哦图象可变编码图象可变编码oMPEG-2也有电视图像分辨率可变编码功也有电视图像分辨率可变编码功能，但它是以图像的帧为基础进行编码。能，但它是以图像的帧为基础进行编码。oMPEG-4电视图像分辨率可变编码是以任电视图像分辨率可变编码是以任意形状的电视图像对象区意形状的电视图像对象区(VOP)为基础进行为基础进行编码。编码

26、。第35页，此课件共39页哦图象分辨率可变举例图象分辨率可变举例第36页，此课件共39页哦HDTV格式格式第37页，此课件共39页哦HDTV格式格式垂直方向行数 水平方向像素长宽比图像速率1035192016:960I*30P*24P*720128016:960P 30P 24P48070416:9和4:360I 60P 30P 24P4806404:360I 60P 30P 24P*I表示隔行扫描；表示隔行扫描；P表示非隔行扫描表示非隔行扫描*HDTV的长宽比为的长宽比为16:9；NTSC,PAL和和SECAM为为4:3*支持整数和非整数帧速率支持整数和非整数帧速率(60.00,59.94；30.00,29.97；24.00,23.98)第38页，此课件共39页哦HDTV压缩方法压缩方法o电视图像压缩以电视图像压缩以MPEG-2 Video标准为基标准为基础，采样基本型配置础，采样基本型配置(Main Profile)，等级，等级从基本级（从基本级（Main Level)到高级到高级(High Level)。o声音压缩以声音压缩以AC-3系统为基础，采样频率为系统为基础，采样频率为48 kHz，支持，支持5个环绕声和个环绕声和1个超低频声道。个超低频声道。第39页，此课件共39页哦