数字电视原理第5章视频压缩编码标准课件

第5章 视频压缩编码标准
H.264 /AVC标准是当前国际上最新的图像编码标准。它 被ITU命名为H.264，ISO/IEC则把此标准叫做国际标准14496 －10(MPEG-4(10))高级图像编码(AVC)。制定此标准的主要目 的就在于增强图像的压缩效率和改善图像数据在网络中的传 输。H.264标准在当前图像标准中压缩效率是最高的，它比 H.263标准提高将近一倍。本章首先介绍H.264标准的制定背 景，然后讲述标准的应用范围和技术特点，最后简述整个标 准的编码流程，这样可更好地理解解码过程。
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由于H.261标准是用于电视电话和电视会议，因此推荐的 图像编码算法必须是实时处理的，并且要求最小的延迟时间 (因为图像必须和语音密切配合，否则必须延迟语音时间)。 当P取1或2时，速率只能达到128 kb/s，由于速率较低，只能 传清晰度不太高的图像，因此适合于面对面的电视电话。当 P≥6时，速率大于或等于384 kb/s，则速率较高，可以传输清 晰度尚好的图像，所以适用于电视会议。
基于我国专家多年参与MPEG国际标准制定的经验，2002年 6月成立的“数字音/视频编、解码技术标准工作组”联合国内从 事数字音/视频编、解码技术研发的科研机构和企业，提出了我 国自主的数字音/视频编、解码技术标准AVS(Audio Video coding Standard)。于2003年年底完成的AVS 1.0标准具有四个特点：
像素纵横比=纵:横= 3 : 4 11:12 288 352
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可见，像素纵横比为11∶12，接近于方形。亮度分量Y的像素 数为色度分量Cb或Cr像素数的4倍，而Y分量像素的面积等于色 度分量Cb或Cr像素的面积，可见，色度分量的清晰度比亮度分 量的清晰度低，这对整个图像清晰度基本无影响，因为人眼对 色度的分辨率本来就低，所以可以利用这种心理视觉冗余度来 减少色度像素数。
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5.2.1 图像格式 图像纵横比和每帧图像的纵、横像素数是图像的基本格式，
并且由此可以推算像素的纵横比。为了使现行各种电视制式， 即PAL、NTSC、SECAM制的图像比较容易地转换为电视电话 的图像格式，从而便于相互交换，并且速率又较低，H.261采 用通用中间格式CIF。CIF规定图像亮度分量Y的横向像素为 352个，纵向像素为288个。图像色度分量Cb、Cr的纵、横像素 数均为亮度分量的一半。另外，图像尺寸的纵横比为3∶4，与 常规模拟电视屏幕尺寸比例一致。由此可以推算像素的纵横比
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H.262也相当于MPEG-2，它是由ITU与ISO/IEC 联合开发的，目前这个标准已经成功地应用在DVD(数字化视 频光盘)、数字广播、数字电视等诸多领域。为了满足低速率 视频通信的应用需要，ITU又推出了适于在速率低于64 kb/s的 信道上传输的H.263视频编码标准。H.263算法所用的基本结构 来自H.261，并在H.261的基础上做了许多重要改进。1998年， ITU推出的H.263+是H.263的第二版，它在前一版的基础上提 供了12个新的可选模式和其它特征，进一步提高了压缩编码性 能。ITU在对H.263标准进行不断的改进和完善的过程中制定 了近期目标和远期目标。近期目标是H.263++(H.263第三版， 2000年制定)，而远期目标就是于1998年开始制定的H.26L标准。
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图5.1.1表示出了视频压缩编码标准的发展历程，其中横 虚线以上表示由ITU制定的压缩编码标准，横虚线以下表示 由ISO/IEC制定的标准，压在横虚线上的方框表示由ISO/IEC 与ITU联合制定的压缩编码标准。
第5章 视频压缩编码标准 图 5.1.1 视频压缩编码标准的发展历程
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2001年，ISO的活动图像专家组(MPEG)和ITU的视频编码 专家组(VCEG)组成联合视频专家组(JVT)共同推进视频压缩技 术的发展，在2001年9月JVT的第一次会议上制定了以H.26L为 基础的H.264标准草案和测试模型TML-9 (Test Model Long Team Number 9)。2003年3月，JVT形成了最终标准草案，分别 提交ITU和ISO/IEC，其中该标准在ITU标准中被称为H.264， 在ISO/IEC标准中被称为MPEG-4的第10部分——先进视频编 码(AVC)。
第5章 视频压缩编码标准 2. ITU颁布的标准 国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)
是联合国的一个专门机构，是国际电信界最权威的标准修订组 织。1972年12月，电信标准化部、无线电通信部和电信发展部 承担着ITU的实质性标准制定工作。其中，电信标准化部门由 原来的国际电报电话咨询委员会(CCITT)和国际无线电咨询委员 会(CCIR)的标准化部门合并而成，其主要职责是实现国际电信 联盟有关电信标准化的目标，使全世界的电信标准化。H.261是 国际电报电话咨询委员会(CCITT)制定的第一个视频编码标准， 它的数码率是P×64 kb/s，主要应用于ISDN (Integrated Services Digital Network)、ATM(Asynchronous Transfer Mode)等宽带信 道上实时的传输声音和图像信息，不适合在PSTN(Public Switched Telephone Network) 和移动通信网等带宽有限的网络上 应用。
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5.1 视频压缩编码标准的发展历程
视频压缩编码标准的制定工作主要是由国际标准化组织 (ISO/IEC)和国际电信联盟(ITU) 完成的。到目前为止，由上述 两个国际组织制定了MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4(2) 以及 MPEG-4 (10)和H.261、 H.262、H.263、H.263+、H.263++、 H.264等有关视频压缩编码的国际标准。表5.1.1 按时间顺序给 出了各种视频压缩编码标准。
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亮度分量的纵向像素为288个，实际上相当于88行扫描线， 这是考虑到当前两种电视制式为625行／25帧和525行／30帧， 都是隔行扫描和每帧为2场，所以两种制式的场扫描行数为625 ／2和525／2，而288扫描行就是由这两种场扫描行数转换来的， 即取这两种场扫描行数的平均值：
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由表5.1.1和图5.1.1可见，图像压缩编码标准可分为两大 系列：MPEG-X和H.26X。MPEG-X是由国际标准化组织(ISO) 和国际电工委员会(IEC)提出的标准，H.26X 是由国际电信联 盟 (ITU)标准委员会提出的，它们在数据格式和输出码率之间 有如表5.1.2所示的对应关系。
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但在制定过程中，MPEG组织深深感到人们对多媒体信 息特别是对视频信息的需求由播放型转向了基于内容的访问、 检索和操作，所以修改了计划，制定了现在的MPEG-4 。 MPEG-7和MPEG-21不是针对视频压缩的标准。MPEG-7旨在 解决对多媒体信息描述的标准问题，并将该描述与所描述的 内容相联系，以实现快速、有效的检索。MPEG-21的目标是 定义一个交互式多媒体框架，跨越大范围内不同的网络和设 备，使用户能够透明而广泛地使用多媒体资源。
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第5章 视频压缩编码标准 4. 我国制定的AVS标准 我国是ISO/IEC组织的正式成员国，国家信标委下属的多媒
体分委员会与ISO/IEC JTC1/SC29直接对口。从2000年5月开始， 我国科研单位开始跟踪并参与JVT标准的制定工作，目前已有多 项技术提案递交到JVT标准，有些技术已经被JVT标准所接收。
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MPEG-2作为计算机可处理的数据格式，主要应用于数字存储 媒体、视频广播和通信领域，它的数码率为2～40 Mb/s。随着 用户对音频和视频等宽带业务的需求和宽带网络的迅速发展， MPEG-2的视频流逐渐被用户接受，VOD(Video On Demand， 视频点播)视频流典型速率将达到3～6 Mb/s。 另外，HDTV (High Definition Television ，高清晰度电视)的出现，是视频业 务发展的另一个高级阶段。MPEG组织于1999年1月正式公布 了MPEG-4(1)版本，1999年12月又公布了MPEG-4(2)版本。 MPEG组织的初衷是制定一个针对视频会议、视频电话的超低 比特率(64 kb/s以下)编码的标准，并打算采用第二代压缩编码 算法，以支持甚低数码率 (Very Low Bit Rate)的应用。
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1. ISO/IEC颁布的标准 国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)是目前世界上最大、最具权威性的国际 标准化专门机构。国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)是世界上最早的国际性电工 标准化机构。MPEG-1是由ISO和IEC共同委员会中的MPEG组 织于1992年制定的。它最初用于数字信息存储体上活动图像及 其伴音的编码，其数码率为1.5 Mb/s，图像采用CIF(Common Intermediate Format)格式(352×288像素或352×240像素)，每 秒30帧，两路立体声伴音的质量接近CD音质，该标准广泛应 用于VCD。MPEG-2是由ISO的活动图像专家组和ITU的第15研 究组于1994年共同制定的，在ITU的标准中，被称为H.262。
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3. 超高清晰度成像(HRI)建议(ITU-R BT.1201) ITU-R BT.1201 建议书提出了超高清晰度成像(HRI)格式 和规范建议。该建议的提出主要考虑到如下因素： (1) 超高清晰度图像能够在诸如计算机图形、印刷、医疗、 电影及电视等领域里作为未来的图像系统使用; (2) 世界各国正在进行有关超高清晰度图像的研究和应用 试验; (3) 为了经济地实现超高清晰度图像系统，应该建立世界 通用标准; (4) 超高清晰度图像信号传送时，数据压缩技术起着重要 作用。 HRI典型空间分辨率的级别的建议如表5.1.3所示。
(1) 性能高，在性能上比最新的国际标准H.264略高，比 MPEG-2高两倍以上;
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(2) 复杂度低，算法的复杂度比H.264低; (3) 实现成本低，软件和硬件实现成本都比H.264低; (4) 专利授权费用低。 AVS工作组希望以此技术标准为契机，提高我国音/视频芯 片、整机和软/硬件系统的核心竞争力，为我国数字电视等AV产 业的跨越式发展提供重要的技术支撑。
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5.2 H.261标准
1984年国际电报电话咨询委员会的第15研究组建立了一个 专家组专门研究电视电话的编码问题，所用的电话网络为综合
业务数据网络ISDN，当时的目标是推荐一个图像编码标准，其 传输速率为m×384 kb/s，m=1，2，3，4，5。这里384 kb/s在 ISDN中称为H0通道。另有基本通道B的速率为64 kb/s，6×B＝ 384 kb/s。5×H0=30×B=1920 kb/s为窄带ISBN的最高速率。后 来因为以384 kb/s速率作为起始点偏高，广泛性受限制，另外跨 度也太大，灵活性受影响，所以改为P×64 kb/s，P=1,2,…,30。 最后又把P扩展到32，因为32×64 kb/s=2084kb/s，其中2084=211, 基本上等于2 Mb/s，实际上已超过了窄带ISDN的最高速率1920 kb/s，最高速率也称通道容量。经过5年以上的精心研究和努力， 终于在1990年12月完成和批准了CCITT推荐书H.261，即“采用 P×64 kb/s的声像业务的图像编解码”，H.261简称P×64。