《图像信息原理教学课件》动态图像压缩标准.ppt

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1、动态图像压缩标准动态图像压缩标准1 1MPEG概述概述n nMPEG(Moving/MotionPictureExpertGroup)MPEG(Moving/MotionPictureExpertGroup)是活是活动图像专家组，负责开发电视图像数据和声音动图像专家组，负责开发电视图像数据和声音数据的编码、解码和它们的同步等标准。数据的编码、解码和它们的同步等标准。n n已经开发和正在开发的已经开发和正在开发的MPEGMPEG标准有：标准有：n n MPEG-1MPEG-1：数字电视标准，：数字电视标准，19921992年正式发布。年正式发布。n nMPEG-2MPEG-2：数字电视标准。：数

2、字电视标准。n nMPEG-3MPEG-3：已于：已于19921992年年7 7月合并到月合并到HDTVHDTV工作组。工作组。n nMPEG-4MPEG-4：多媒体应用标准：多媒体应用标准(1999(1999年发布年发布)。n nMPEG-5MPEG-5：尚未见到定义。：尚未见到定义。n nMPEG-6MPEG-6：尚未见到定义。：尚未见到定义。n n MPEG-7MPEG-7：多媒体内容描述接口标准：多媒体内容描述接口标准(正在研究正在研究)。2 2MPEG标准内容标准内容MPEG-1MPEG-1n nMPEG-1MPEG-1是针对当时具有这种数据传输率的是针对当时具有这种数据传输率的CD

3、-CD-ROMROM和网络而开发的，用于在和网络而开发的，用于在CD-ROMCD-ROM上存储上存储数字影视和在网络上传输数字影视。数字影视和在网络上传输数字影视。n nMPEG-1MPEG-1全称为全称为“信息技术信息技术用于数据速率用于数据速率高达大约高达大约1.5Mbit/s1.5Mbit/s的数字存储媒体的电视图像的数字存储媒体的电视图像和伴音编码和伴音编码”，由五个部分组成：，由五个部分组成：3 3MPEG标准内容标准内容n nMPEG-1SystemsMPEG-1Systems，规定电视图像数据、声音，规定电视图像数据、声音数据及其他相关数据的同步数据及其他相关数据的同步n nMP

4、EG-1Video,MPEG-1Video,规定电视数据的编码和解码，规定电视数据的编码和解码，n nMPEG-1Audio,MPEG-1Audio,规定声音数据的编码和解码，规定声音数据的编码和解码，n nMPEG-1ConformancetestingMPEG-1Conformancetesting，说明如何测试，说明如何测试比特数据流和解码器是否满足比特数据流和解码器是否满足MPEG-1MPEG-1前前3 3个部个部分分(Part1(Part1，2 2和和3)3)中所规定的要求。中所规定的要求。n nMPEG-1SoftwaresimulationMPEG-1Softwaresimula

5、tion，给出了用软件执，给出了用软件执行行MPEG-1MPEG-1标准前标准前3 3个部分的结果。个部分的结果。4 4MPEG-2n nMPEG-2MPEG-2n nMPEG-2MPEG-2标准是一个直接与数字电视广播有关的标准是一个直接与数字电视广播有关的高质量图像和声音编码标准。标准名称为高质量图像和声音编码标准。标准名称为“信息信息技术技术电视图像和伴音信息的通用编码。电视图像和伴音信息的通用编码。MPEG-2MPEG-2包含包含9 9个部分：个部分：MPEG-2SystemsMPEG-2Systems，规定电视图像数据、声音数，规定电视图像数据、声音数据及其他相关数据的同步据及其他相

6、关数据的同步 MPEG-2VideoMPEG-2Video，规定电视数据的编码和解码，规定电视数据的编码和解码 MPEG-2AudioMPEG-2Audio，规定声音数据的编码和解码，规定声音数据的编码和解码5 5MPEG-2MPEG-2ConformancetestingMPEG-2SoftwaresimulationMPEG-2ExtensionsforDSM-CC，数字存储媒体命令和控制扩展协议MPEG-2AAC，是多声道声音编码算法标准MPEG-2Extensionforrealtimeinterfaceforsystemsdecoders，系统解码器实时接口扩展标准MPEG-2DSM

7、-CC，一致性扩展测试6 6MPEG-4MPEG-4MPEG-4MPEG-4是为视听(audio-visual)数据的编码和交互播放开发算法和工具，是一个数据速率很低的多媒体通信标准。MPEG-4的目标是要在异构网络环境下能够高度可靠地工作，并且具有很强的交互功能。MPEG-4将应用在移动通信和公用电话交换网PSTN上，并支持可视电话、电视邮件、电子报纸和其他低数据传输速率场合下的应用。7 7MPEG-4MPEG-4n nMPEG-4MPEG-4文件有文件有6 6个部分，它们是：个部分，它们是：MPEG-4SystemsMPEG-4Systems系统标准系统标准 MPEG-4VideoMPEG

8、-4Video电视图像标准电视图像标准 MPEG-4AudioMPEG-4Audio声音标准声音标准 MPEG-4ConformanceTestingMPEG-4ConformanceTesting一致性测试标准一致性测试标准 MPEG-4ReferencesoftwareMPEG-4Referencesoftware参考软件参考软件 MPEG-4DeliveryMultimediaIntegrationMPEG-4DeliveryMultimediaIntegrationFramework(DMIF)Framework(DMIF)传输多媒体集成框架传输多媒体集成框架8 8MPEG-7MPEG

9、-7MPEG-7的工作于1996年启动，叫做多媒体内容描述接口(MultimediaContentDescriptionInterface)，MPEG-7的目的是制定一套描述符标准，用来描述各种类型的多媒体信息及它们之间的关系，以便更快更有效地检索信息。MPEG-7涉及的媒体材料可包括静态图像、图形、3D模型、声音、话音、电视以及在多媒体演示中它们之间的组合关系。9 9MPEG-7MPEG-7MPEG-7的应用领域包括：的应用领域包括：n n数字图书馆数字图书馆(Digitallibrary)(Digitallibrary)，例如图像目录、，例如图像目录、音乐词典等；音乐词典等；n n多媒体目

10、录服务多媒体目录服务(multimediadirectory(multimediadirectoryservices)services)，例如黄页，例如黄页(yellowpages)(yellowpages)；n n广播媒体的选择，例如无线电频道，广播媒体的选择，例如无线电频道，TVTV频频道等；道等；n n多媒体编辑，例如个人电子新闻服务，多媒多媒体编辑，例如个人电子新闻服务，多媒体创作等等体创作等等n n潜在应用的应用领域包括：教育、娱乐、新潜在应用的应用领域包括：教育、娱乐、新闻、旅游、医疗、购物等等。闻、旅游、医疗、购物等等。1010MPEG数据流的分层结构数据流的分层结构(1)(1)

11、运动图像序列：包含一个表头运动图像序列：包含一个表头(定义了图像宽、高、像定义了图像宽、高、像素长宽比、帧速率、位速率、缓冲区尺寸等重要参数素长宽比、帧速率、位速率、缓冲区尺寸等重要参数)，一组或多组图像和序列结束标志；，一组或多组图像和序列结束标志；(2)(2)图片组：由一系列图像组成，可以从运动序列中随机图片组：由一系列图像组成，可以从运动序列中随机存取；存取；(3)(3)图像：由一个亮度信号和两个色度信号组成；图像：由一个亮度信号和两个色度信号组成；(4)(4)块：由一个块：由一个8X88X8的亮度信息或色度信息组成；的亮度信息或色度信息组成；(5)(5)宏块：由一个宏块：由一个16X1

12、616X16的亮度信息和两个的亮度信息和两个8X88X8的色度信息的色度信息构成；构成；(6)(6)图像切片：由一个或多个连续的宏块构成。图像切片：由一个或多个连续的宏块构成。1111MPEG数据流的分层结构数据流的分层结构1212MPEG视频压缩算法的基本思路视频压缩算法的基本思路冗余及解决方法(1)时间冗余：各帧图像在时间方向上的相关性；(2)空间冗余：像素间的相关性解决方法：n用帧间预测和运动补偿解决时间冗余n用变换编码和预测编码解决空间冗余MPEG算法面临的问题：n在保证画面质量前提下每帧单独编码，不能保证高压缩比；n为了满足随机访问有最好方法是每帧单独编码；1313MPEG视频压缩算

13、法的基本思路视频压缩算法的基本思路 解决办法：解决办法：n n使用使用3 3种画面：内帧种画面：内帧I I、预测帧、预测帧P P和内插帧和内插帧B Bn n内帧单独编码，经过中度压缩，可以作为内帧单独编码，经过中度压缩，可以作为随机访问点；随机访问点；n n预测帧以参考帧预测帧以参考帧(I(I或或P)P)为基础编码，又作为基础编码，又作为后面预测帧的参考帧；为后面预测帧的参考帧；n n内插帧以前后两个参考帧为基础编码，本内插帧以前后两个参考帧为基础编码，本身不能作为参考帧。内插帧的压缩率最高。身不能作为参考帧。内插帧的压缩率最高。1414MPEG视频压缩算法的基本思路视频压缩算法的基本思路15

14、15三种帧的压缩算法三种帧的压缩算法1 1、内帧图像、内帧图像II的压缩算法的压缩算法n n帧内图像帧内图像I I不参照任何过去的或者将来的其他图不参照任何过去的或者将来的其他图像帧，压缩编码采用类似像帧，压缩编码采用类似JPEGJPEG压缩算法；压缩算法；n n如果电视图像是用如果电视图像是用RGBRGB空间表示的，则首先把空间表示的，则首先把它转换成它转换成YCrCbYCrCb空间表示的图像。空间表示的图像。2 2、预测帧图像、预测帧图像PP的压缩算法的压缩算法n n编码单位：编码单位：16X1616X16的图像宏块的图像宏块3 3、内插帧、内插帧B B的压缩算法的压缩算法n n采用双向预

15、测，方法和采用双向预测，方法和P P图像类似图像类似，1616电视图像的结构电视图像的结构n nMPEGMPEG编码器算法允许选择编码器算法允许选择I I图像、图像、P P图像和图像和B B图图像数目。例如，对于快速运动的图像，像数目。例如，对于快速运动的图像，I I图像的图像的频率可以选择高一些，频率可以选择高一些，B B图像的数目可以选择图像的数目可以选择少一点；对于慢速运动的图像，帧内图像少一点；对于慢速运动的图像，帧内图像I I的频的频率可以低一些，而率可以低一些，而B B图像的数目可以选择多一图像的数目可以选择多一点。在实际应用中还要考虑媒体的速率。点。在实际应用中还要考虑媒体的速率

16、。n nMPEGMPEG三种图像的压缩后的典型值三种图像的压缩后的典型值(比特比特)，可，可以看到，以看到，I I帧图像的数据量最大，而帧图像的数据量最大，而B B帧图像的帧图像的数据量最小。数据量最小。1717电视图像的结构电视图像的结构1818H.261和和H.263标准标准H.261H.261n n由由 CCITTCCITT于于19901990年年制制定定，是是国国际际上上第第一一个个视视频频压压缩标准，应用领域为：电视电话和会议电视缩标准，应用领域为：电视电话和会议电视n nH.261H.261的的全全称称：视视听听业业务务速速率率为为Px64Kb/sPx64Kb/s的的视视频频编译码

17、编译码n nP=1P=1，2 2时时仅仅支支持持四四分分之之一一通通用用交交换换格格式式(QCIF)(QCIF)的的视频格式视频格式(176x144)(176x144)，用于帧速低的可视电话；，用于帧速低的可视电话；n n P=6P=6时时 可可 支支 持持 通通 用用 交交 换换 格格 式式 CIFCIF的的 视视 频频 格格 式式(352x288)(352x288)的会议电视。的会议电视。n n压缩算法的核心：运动估值预测和压缩算法的核心：运动估值预测和DCTDCT编码编码n n贡贡献献：除除自自身身的的应应用用领领域域外外，视视频频数数据据格格式式、运运动动估估算算与与补补偿偿、DCTD

18、CT变变换换、量量化化和和熵熵编编码码等等技技术术被被后后来来的的MPEG-1MPEG-1和和MPEG-2MPEG-2所借鉴和采用。所借鉴和采用。1919H.261和和H.263标准标准H.263n1995年制定，适用于PSTN(PublicSwitchTelephoneNetwork，公共交换电话网)n目的：能在现有的电话网上传输活动图像，能够基于电话线路(PSTN)实现可视电话和视频会议系统，已成为一般的低比特率视频编码标准n基本算法：帧间预测和DCT混合编码n4种可协商选择的编码方法：无限制范围的运动矢量、基于语法的算法编码方法、高级预测和PB帧n两种编码模式：帧内编码和帧间编码n进一步发展：H.263+(H.263版本2)，增加了12种新的协商模式和附加特性，以扩大协议的应用范围，提高重建图像的主观质量以及加强对编码比特率的控制。2020