数字视频压缩标准

· 因特网 · 交互式视频 · 2D/3D计算机图形 8kb/s～ 35Mb/s
· 移动通信
MPEG-7 MPEG-21
多媒体 描述接口 多媒体 框架
· 多媒体数据库等
图像压缩国际标准
标准 标题 目标 比特率 应用场合
· ISDN视频会议
主要 编码技术
· DCT · 自适应量化 · 运动补偿预测 · 运动估计 · 霍夫曼编码 · H.261所有技术 · 双向运动补偿 · 半像素运动估计 · 高级运动估计 · 重叠运动补偿 · 算术编码
（AC）系数。
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由于两个相邻的8*8子块的DC系数相差很小,
所以对它们采用差分编码DPCM,可以提高压
缩比,也就是说对相邻的子块DC系数的差值
进行编码。8*8的其它63个元素是交流(AC) 系数,采用行程编码。
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DC系数占原来数组能量的 93%。
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表2 色度量化矩阵
17 18 24 47 99 99 99 99
18
24 47 99 99
21
26 66 99 99
26
56 99 99 99
66
99 99 99 99
99
99 99 99 99
99
99 99 99 99
99
99 99 99 99
99
99 99 99 99
99 99
99 99
99 99
用细量化，而对Cb和Cr采用粗量化。
静态பைடு நூலகம்像压缩国际标准
量化就是用DCT变换后的系数除以量化表中相对应的 量化阶后四舍五入取整。由于量化表中左上角的值较 小，而右下角的值较大， 因而起到了保持低频分量、
抑制高频分量的作用。
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7 3 8 2 7 3 9 1 1 64 1 56 7 4 8 3 7 4 1 64 1 65 1 65 1 65 9 4 9 1 9 1 1 66 1 66 2 9 2 1 1 01 9 1 1 65 1 02 1 11 9 3 9 5 2 2 1 02 3 0 2 9 9 4 8 3 1 01 1 75 8 4 9 2 8 2 1 03 8 2 1 0 8 2 8 2 1 2 2 1 1 02 9 2 7 4 0 82 82 82 10 83 73 73
• Z字型编码（ZigZag Scan）； • 使用差分脉冲编码调制（DPCM） 对直流系数（DC）进行编码； • 使用游程长度编码（RLE） 对交流系数（AC）进行编码； • 熵编码(Entropy Coding)。
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JPEG编码算法过程
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1
对图像进行编码前，将每个分量图像分割成 不重叠的8×8像素块， 每一个8×8像素块称为 一个数据单元（DU）。在彩色图像中， JPEG分 别压缩图像的每个彩色分量。虽然JPEG可以压缩 通常的红绿蓝分量，但在YCbCr空间的压缩效果 会更好。这是因为人眼对色彩的变化不如对亮度 的变化敏感，因而对色彩的编码可以比对亮度的 编码粗糙些，这主要体现在不同的采样频率和量 化精度上。因此，编码前一般先将图像从RGB空 间转换到YCbCr空间，再把各分量图像分割成 8×8数据块。
35
34
36
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48
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50
57
56
58
59
62
61
63
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5、熵编码
直流系数（DC）编码
8 X 8图像块经过DCT变换之后得到的DC直 流系数有两个特点，一是系数的数值比较大， 二是相邻8 X 8图像块的DC系数值变化不大。 根据这个特点，JPEG算法使用了差分脉冲调 制编码（DPCM）技术，即用前一数据块的 同一分量的DC系数作为当前块的预测值， 再对相邻图像块之间量化DC系数的差值进 行Huffman编码。
JPEG
· 因特网 数字照相 压缩比 · · 图像/视频 为2 编辑 ～30 · 因特网 · 移动通信 数字照相 压缩比 · · 遥感 为2 传真 ～50 · · 数字图书馆
JPEG2000
新一代 静态图 像编码 标准
1996.2 ～ 2000.12
图像压缩国际标准
标准 标题 目标 比特率 不超过 1.5Mb/s 应用场合 ·光盘存储 ·VCD ·视频监控 ·数字高清 晰度电视 ·高品质视频 ·卫星/有线电视 ·地面广播 主要 编码技术 ·JPEG所有技术 ·自适应量化 ·运动补偿预测 ·MPEG-1所有技术 ·基于帧/场的 运动补偿 ·扩展编码 ·容错编码
数字视频信息 处理与传输
数字视频压缩标准
图像压缩国际标准
近十年来，图像编码技术得到了迅速发展 和广泛应用，并且日臻成熟，其标志就是几个 图像压缩国际标准的制定。即关于静止图像的 编码标准JPEG和JPEG2000、关于电话/会议电视 的视频编码标准H.261,H.263和关于活动图像的 编码标准MPEG-1，MPEG-2, MPEG-4 和 H.264等。
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Z扫描模型
0 2 3 9 10 20 1 4 8 11 19 22 5 7 12 18 23 33 6 13 17 24 32 38 14 16 25 31 39 46 15 26 30 40 45 51 27 29 41 44 52 55 28 42 43 53 54 60
21
3、系数量化 在DCT处理中得到的64个系数中，低频分量 包含了图像亮度等主要信息。在从空间域到频 域的变换中，图像中的缓慢变化比快速变化更 易引起人眼的注意， 所以在重建图像时，低频 分量的重要性高于高频分量。因而在编码时可 以忽略高频分量， 从而达到压缩的目的，这也 是量化的根据和目的。
静态图像压缩国际标准
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若 DC 系数的动态范围为 -1024 ～ +1024 ，则
差值的动态范围为 -2047～ +2047。如果为每个
差值赋予一个码字，则码表过于庞大。因此，
－4 －1 1 0 －1 1 1 0 0
图
量化结果
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4、Z字型扫描
为了保证低频分量先出现,高频分量后 出现，以增加行程中连续”0”的个数,这63 个元素采用了”Z”字型(Zig—Zag)的排列 方法，可使大多出现在右下角的“0”值能 够连续起来。然后再对直流(DC)系数进行差 分编码DPCM，交流(AC)系数采用行程编码。
相同图像质量条件下， JPEG 文件拥有比其他
图像文件格式更高的压缩比。JPEG目前被广泛
应用于多媒体和网络程序中，是现今万维网 中使用最广泛的两种图像文件格式之一。JPEG 是一种有损压缩， 即在压缩过程中会丢失数 据，每次编辑JPEG图像后，图像就会被重复压 缩一次，损失就会有所增加。
6.2 静态图像压缩国际标准
JPEG (Joint Photographic Expert Group) MPEG (Motion Picture Experts Group)
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标准 标题 连续 色调 静态 图像 起止 日期 1986.3 ～ 1992.10 目标 比特率 应用场合 主要 编码技术 · DCT · 知觉量化 · 霍夫曼编码 · 算术编码 · JPEG所有技术 · 小波变换 · EBCOT · ROI编码 · 可扩展编码
91 82 82 91 82 91 90 91
图
源图像亮度数据块
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44 0 0 －1 －2 －1 0 0 1 0 3 －2 3 2 －3 －5 1 2 －1 －1 1 1 0 0 －1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0
－3 －3 －3 －1 －1 0 0 1 －1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0
静态图像压缩国际标准
在对图像采样时，可以采用不同的采样频率，这 种技术称为二次采样。由于亮度比色彩更重要，因而
对Y分量的采样频率可高于对 Cb、Cr的采样频率，这样
有利于节省存储空间。常用的采样方案有 YUV422 和
YUV411。把采样频率最低的分量图像中一个 DU所对应
的像区上覆盖的所有各分量上的 DU 按顺序编组为一个 最小编码单元（MCU ）。对灰度图像而言，只有一个Y 分量， MCU 就是一个数据单元。而对彩色图像而言，
MPEG-1
运动图像 及其伴音
MPEG-2
运动图像 及其伴音
1.5～ 35Mb/s
图像压缩国际标准
标准 标题
目标 比特率
应用场合
主要 编码技术 · MPEG-2所有技术 · 小波变换 · 运动估计/补偿 · 可扩展编码 · 位图形状编码 · 对象编码 · 动态网络编码
MPEG-4
音视频 对象的
通用编码
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（3） 无失真（Lossless）方式：
使用线性预测器，如DPCM， 而不是基于
DCT。
（4） 分层（Hierarchical）方式： 每个分辨率对应一次扫描， 处理时可以基于 DCT或预测编码，可以是渐进式，也可以是顺 序式。
在空间域将源图像以不同的分辨率表示，
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JPEG编码/解码器的流程
量化表 偏置 8×8 的源图像数据块 偏置 恢复的图像数据 IDCT 反量化 量化表 熵解码 码表 DCT 量化 熵编码 压缩数据 码表
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JPEG压缩算法的实现步骤：
• 离散余弦变换（DCT）；
• 量化（Quantization）；
99 99
99 99
99 99
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72
92
95
98
112
100
10
99
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在 JPEG 标准中，用具有 64 个独立元素的量化表
来规定DCT域中相应的64个系数的量化精度，使得对
某个系数的具体量化阶取决于人眼对该频率分量的视
觉敏感程度。理论上，对不同的空间分辨率、数据精 度等情况，应该有不同的量化表。不过，一般采用上 述量化表，可取得较好的视觉效果。之所以用两张量 化表，是因为 Y 分量比 Cb 和 Cr 更重要些，因而对 Y 采
Px64kb/s
H.261 的音视频 服务
Px64kb/s
(p:1～30)
H.263
低比特率 通信的 视频编码
8kb/s～ 1.5Mb/s
· POTS视频电话 · 桌面视频电话 · 移动视频电话
数字视频压缩标准
静态图像压缩国际标准
1、 JPEG 国际静止图像压缩标准
6.2 静态图像压缩国际标准
JPEG 是面向静态图像编码的国际标准。在
JPEG允许四种编码模式：
（1） 顺序式（Sequential）DCT方式：
从左到右、从上到下对图像顺序进行基
于离散余弦变换（DCT）的编码。DCT理论上
是可逆的，但在计算时存在误差，因而基于
DCT的编码模式是一种有损编码。
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（2） 渐进式（Progressive）DCT方式： 基于DCT，对图像分层次进行处理，从 模糊到清晰地传输图像（与GIF文件的交错 方式类似）。有两种实现方法，一种是频谱 选择法，即按Z形扫描的序号将DCT量化序数 分成几个频段，每个频段对应一次扫描， 每块均先传送低频扫描数据，得到原图概貌， 再依次传送高频扫描数据，使图像逐渐清晰； 另一种是逐次逼近法，即每次扫描全部DCT 量化序数，但每次的表示精度逐渐提高。
JPEG定义了三种系统：
基本系统（Baseline System）
扩展系统（Extended System）
失真压缩系统（Lossless System） 一个符合JPEG标准的编解码器至少要满 足基本系统的技术指标。 基本的JPEG算法 属于变换类编码，下面针对基于DCT的顺序 式基本系统编码来说明JPEG的编码方法。
以4:1:1的采样方案为例，则一个MCU由 4个Y分量的DU、
1个Cb分量的DU和1个Cr分量的DU组成。
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2、离散余弦变换（DCT）
对每个8×8的数据块进行DCT后， 得到
的64个系数代表了该图像块的频率成分，
其中低频分量集中在左上角， 高频分量分 布在右下角。其中 F(0,0)(即第一行第一 列元素)代表了直流(DC)系数,即8*8子块的 平均值,要对它单独编码,其余63个叫交流
表1 亮度量化矩阵
16 12 14 14 18 24 49 11 12 13 17 22 35 64 10 14 16 22 37 55 78 16 19 24 29 56 64 87 24 26 40 51 68 81 103 40 58 57 87 109 104 121 51 60 69 80 10 11 12 61 55 56 62 77 92 101