数字视频处理 第6章数字视频编码标准.ppt

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1、第第6章章数字视频编码标准数字视频编码标准6.1概述概述6.1.1视频图像编码国际标准视频图像编码国际标准近年来，国际标准化组织ISO、国际电工委员会IEC和国际电信联盟ITU-T相继制定了一系列视频图像编码的国际标准，有力地促进了视频信息的广泛传播和相关产业的巨大发展。6.1.2视频编码标准化组织视频编码标准化组织1ISO MPEG2 ITU-T VCEG3JVT6.2JPEG与与JPEG20006.2.1JPEG简介简介1JPEG简介简介2数据结构数据结构3基本系统的编码基本系统的编码/解码解码（1）DC系数的编码（2）AC系数的编码图图6-1JPEG标准编标准编/解码框图解码框图6.2.

2、2JPEG20001JPEG2000简介简介JPEG2000标准的主要特点有：高压缩率 渐进传输 感兴趣区域编码 码流的随机访问与处理 良好的容错性和开放的框架结构。2.系统框架系统框架图图6-2JPEG2000编码框图编码框图3DC位移、分量变换和分片位移、分量变换和分片如果输入图像以无符号数表示，则在进行小波变换前，JPEG2000标准要求对数据进行DC位移，即所有样值减去2p-1，其中p是样值所用二进制位数。ICT把把彩色图像由把把彩色图像由RGB空间变换到空间变换到YCbCr空空间，间，RCT把彩色图像由把彩色图像由RGB空间变换到空间变换到YUV空间，其变换式为空间，其变换式为 图6

3、-3 JPEG2000分量编码器 4小波变换和量化小波变换和量化对于无损压缩，标准默认使用LeGall(5,3)滤波器实现可逆小波分解，对于有损压缩，标准默认使用Daubechies(9,7)滤波器。除了采用卷积来实现小波变换外，标准也支持采用其他算法来实现小波变换。JPEG2000JPEG2000标准采用标量量化标准采用标量量化分为两种情况分为两种情况1)对无损编码，所有的量化步长为1；2)对有损编码，每一个图像片分解后的每个子带采用一个量化步长，各个子带步长一般不同。5熵编码熵编码 图图6-4 6-4 码块内扫描顺序码块内扫描顺序 图图6-5 6-5 上下文上下文 图图6-6 6-6 码块

4、按层装配码块按层装配6.3 6.3 H.26XH.26XH.26X是由ITU-T制定的视频压缩标准，主要有H.261、H.262、H.263、H.264等。6.3.1H.261H.261标准的码率为p64kbs，其中p为整数，且满足1p30，对应的码率为64kbs 192Mbs。1数据组织和系统框架数据组织和系统框架H.261标准将CIF和QCIF格式的数据结构划分为四个层次：图像层（P）、块组层（GOB）、宏块层（MB）和块层（B）。图图6-7H.261图像分层结构图像分层结构图图6-8H.261的码流结构的码流结构图6-9 H.261的编码框图 2帧间帧间/帧内模式选择帧内模式选择可根据交

5、流能量的大小来决定编码方式：当帧内交流能量大于帧间交流能量时，采用帧间编码，反之采用帧内编码；当帧间帧内交流能量都很小时，采用更加节省码率的帧间编码。设xk(i,j)和xk-1(i,j)分别是当前帧和参考帧宏块的亮度信号值，则参考帧的帧内交流能量为：而前后帧间交流能量为：3量化量化对帧内编码模式所产生的直流系数，用步长为8的均匀量化器进行量化。对其他所有的系数，则采用设置了死区的均匀量化器来量化，量化器的步长取自区间2，62。所有在死区内的系数均被量化为0，其它的系数则按照设定的步长进行均匀量化。标准规定，在一个宏块内除了采用帧内编码所得的直流系数外，所有其他系数采用同一个量化步长。宏块间可以

6、改变量化步长。4运动预测运动预测H.261的运动预测以宏块为单位，由亮度分量来决定运动矢量，匹配准则有最小绝对值误差、最小均方误差、归一化互相关函数等，标准并没有限定选用何种准则，也没有限定使用何种搜索方法进行搜索。6.3.2H.263H.263的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四个可选模式。1数据组织与系统框架数据组织与系统框架H.263规定，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，其是否支持他格式由用户决定。H.263规定，一行中的所有像素只能属于

7、一个GOB，因此对于不同的格式，一个GOB所包含的MB是不同的，对应的行数也是不同的。图图6-10H.263中中QCIF的分层结构的分层结构图6-11 H.263编码器框图 2运动预测运动预测1）半象素精度运动矢量预测）半象素精度运动矢量预测2）运动矢量的差分编码）运动矢量的差分编码 图6-13 运动矢量预测编码 3可选模式可选模式1）无限制运动矢量模式）无限制运动矢量模式2）基于语法的算术编码模式）基于语法的算术编码模式3）先进预测模式）先进预测模式4）PB图像模式图像模式6.3.3H.2641结构框架结构框架2VCL的数据组织的数据组织3档次档次4编解码器结构编解码器结构5宏块预测宏块预测

8、6变换变换7重排序重排序8改进的熵编码改进的熵编码9去块效应滤波器去块效应滤波器6.4 6.4 MPEGMPEGMPEG系列标准阐明了编码解码的过程，严格规定的编码后产生的数据流的句法结构，但并没有规定编码解码的算法。6.4.1MPEG-1MPEG-1的正式名称是“用于数字存储媒体的1.5Mbits以下的活动图像及相关音频编码”（ISO/IEC 11172），它包括五个部分：系统、视频、音频、一致性和软件。1数据组织和整体框架数据组织和整体框架MPEG-1采用源输入格式SIF（Source Input Format），有35228825和35224030两种选择。此外，可以通过约束参数集进行图

9、像分辨率参数设置，编码更大的图像。图6-22 MPEG-1分层结构 图6-23 MPEG-1视频压缩码流结构 MPEG-1定义了四种类型的图像帧定义了四种类型的图像帧 I帧 P帧 B帧 D帧 图6-24 MPEG-1编码框图 2.量化量化与H.261不同，采用帧内编码时，MPEG-1考虑了人类视觉系统的特性，针对不同的频率系数采用不同的量化步长，并且对直流系数采用了预测编码，利用当前块左边相邻的块进行预测。3.宏块编码宏块编码MEPG-1以宏块作为基本编码单位，宏块内不能改变量化参数。根据图像帧的不同，宏块的编码方法有所不同。6.4.2MPEG-21MPEG-2概述概述根据应用的不同，MPEG

10、-2的码率范围为1.5Mbits100Mbits，一般情况下，只有码率超过4Mbits 的MPEG-2视频，其视频质量才能明显优于MPEG-1。2数据组织和视频编码框架根据其档次与级别的不同，MPEG-2支持分辨率由高到低的多种图像类型。MPEG-2支持三种取样格式，即4:2:0、4:2:2和4:4:4。图6-25 4:2:0的取样格式的不同 图6-26 帧图像结构 3档次和级别档次和级别MPEG-2定义了简单档次（SP）、主用档次（MP）、信噪比可分级档次（SNRP）、空间域可分级档次（SSP）、高档次（HP）5个档次个档次。MPEG-2定义了低级别（LL）、主用级别（ML）、高1440级别

11、（H14L）和高级别（HL）4个不同的个不同的级别级别。4.DCT变换，变换系数量化和扫描变换，变换系数量化和扫描当输入逐行扫描视频时，MPEG-2的DCT变换与MPEG-1完全相同。输入隔行扫描视频时，如果以场图像为单位进行编码，宏块内所有行均来自同一场，正常划分块和进行DCT；如果以帧图像为单位进行编码，则可以分为基于帧和基于场的DCT变换。基于帧的基于帧的DCTDCT先把顶场和底场合并成一幅帧图像，再把帧图像分割成多个宏块，每个宏块分成多个88块，每个块均由顶场、底场的扫描行交替而成.图6-27 基于帧的亮度宏块划分方式 基于场的基于场的DCTDCT就是把帧图像宏块的8行顶场扫描行划分为

12、2个块，8行底场扫描行也划分为2个块.图6-28 基于场的亮度宏块划分方式 图6-29 交错扫描顺序 5.运动估计与补偿运动估计与补偿（1）帧预测模式）帧预测模式（2）场预测模式）场预测模式（3）预测模式）预测模式（4）DP预测模式预测模式6.分级编码分级编码所谓可分级编码，就是将整个码流划分为基本层和增强层，解码器需要具备解码基本层的能力以获得基本质量图像.图6-31 时间分层编码器框图 图6-32 空间可分级编码器框图 图6-33 信噪比可分级编码器帧间编码 6.4.3MPEG-41MPEG-4概述概述（1）特点）特点（2）数据类型）数据类型（3）编码工具）编码工具（4）视频对象）视频对象

13、2数据组织和编码框架数据组织和编码框架按照从上至下的顺序，MPEG-4采用视频序列、视频会话VS、视频对象（VO）、视频对象层VOL、视频对象平面组GOV）和视频对象平面VOP的6层结构。图6-34 MPEG-4分层数据结构 图6-35 MPEG-4编码框图 3.3.档次和级别档次和级别在MPEG-4标准中，一个档次是一组工具的组合，能够实现一定的功能。具体应用时，根据需求实现某些档次即可。4 4矩形帧编码矩形帧编码1）简单档次）简单档次2）先进简单档次）先进简单档次3）先进实时简单档次）先进实时简单档次5 5任意形状区域的编码任意形状区域的编码1）基本方法）基本方法（1）形状编码（2）纹理编

14、码（3）运动编码 （4）Sprite编码2）核心档次）核心档次3）主要档次）主要档次4）有效先进编码档次）有效先进编码档次5）N-bit档次档次6 6可分级视频编码可分级视频编码1）可分级编码方法）可分级编码方法空间可分级时序可分级精细粒度可分级2）简单分级档次）简单分级档次3）核心分级档次）核心分级档次4）精细粒度分级档次）精细粒度分级档次7 7纹理编码纹理编码1）分级纹理档次）分级纹理档次2）先进分级纹理档次）先进分级纹理档次8 8演播室质量的编码演播室质量的编码1）简单演播室档次）简单演播室档次视频格式变换和量化形状编码片结构2）核心演播室档次）核心演播室档次9合成视频场景的编码合成视频场景的编码MPEG-4包括了很多用于合成视频（动画等）和自然视频（来自真实自然世界的视频场景）处理的对象和工具。基于动画纹理和动画网格对象支持代表形状和运动的网格的编码，人脸与人体的动画工具可以实现人脸或人体的建模和编码。