视频压缩技术

视频压缩编码标准
• MPEG-1标准 • 图像类型：
– 分为I、P、B三种图像类型 – I:帧内（Intra）图像，帧内编码，可作为其它参考帧 – P:预测（Predicted）图像，帧间编码，参考前一副I或P图像，作 为运动补偿 – B:双向预测（Bi-predicted）图像，参考前后两方向的图像
数字视频
• 数字电视信号的编码参数
– 取样频率（fs）
• 例2：当会议电视采用CIF格式时，帧频为25帧/秒，总码率为： • 352*288*25*8=20.28Mbps • 例3：高级宽屏幕的HDTV（1250*1920），取4:2:0格式，亮 度fs=72MHz，色度fs=36MHz，总码率为： • 72*8+36*8/4=648Mbps
– 1幅CIF格式的图像分为 12个GOB（块组，Group of Block） – 1个块组分为 33个MB（宏块，MacroBlock） – 1个宏块分为 4个亮度块、 1个Cb块和1个Cr快 – 每个块又分为8*8个像素 – QCIF格式的图像包含 3个GOB
视频压缩编码标准
• 不论是CIF格式还是QCIF格式，帧频都约 等于30（29.97帧/秒），量化值取8bit，彩 色格式为4:2:0，则：
数字视频
• 黑白电视
– 每个像素只需要用一个幅值来表示其亮度
• 彩色电视
– 每个像素需要用三个值表示其亮度与色度
• RGB法 • YCbCr法
– 原理：人类视觉系统对亮度比对色度更敏感，因此使亮度 和色度分离。
数字视频
• 彩色电视取样格式
• 4:2:0这种格式广泛应用于数字电视、会议电视、 DVD等，对人的感觉而言，这种和前两种类似， 最适合于数字压缩
– CIF格式码率： 288*352*8*30*1.5=36.5Mbps – QCIF格式码率： 144*176*8*30*1.5=9.1Mbps
视频压缩编码标准
• H.263标准 • 共有5中图像格式
视频压缩编码标准
• MPEG-1标准 • 功能特点：
– 视频压缩编码，压缩后码率为1.5Mbps，用于 视频播放和视频存储；编码前必须将视频图像 转换成逐行扫描图像； – 录像机正放、暂停、快进、快退、慢放、随机 存储功能
视频压缩编码标准
• MPEG-2标准 • 编码复用系统 • MPEG-2码流分为三层：
– ES ES（基本流，Element Bit Stream Element Stream） – PES（分组基本码流，Packet Elementary Stream） – TS（复用后的传送码流，Transport Stream） 和PS（复用后的节目码流，Program Stream）
• 对于上述电视信号，218Mbps、20.28Mbps、 648Mbps都是没有经过压缩的码率
数字视频
• 视频处理
– 图像采集
由图像传感器实现，目前图像传感器 主要有CCD和CMOS
– 视频预处理
采集过程，即将实际景物转为图像信号过程中，总会 引入各种噪声和畸变失真，因此需要对图像进行预处 理，包括采用：伽马校正、图像插值、图像校正、白 平衡、图像增强和增益控制等技术
视频压缩编码标准
• MPEG-2标准 • 包括9个部分，主要有：
– ISO/IEC13818-1 系统:描述多个视频，音频和数据基本 码流合成传输码流和节目码流的方式 – ISO/IEC13818-2 视频:描述视频编码方法 – ISO/IEC13818-3 音频:音频，描述与MPEG-1音频标准 反向兼容的音频编码方法 – ISO/IEC13818-4 符合性:描述测试一个编码码流是否符 合MPEG-2码流的方法
视频压缩编码标准
• H.261标准
– CCITT发布的，码率为p*64kbps（p=1~30）， 为了满足会议和可视电话的需要 （p*64kbps（p=1~30）指编码后码率） （ ）指编码后码率） – 采用CIF（Common Intermediate Format）格 式
视频压缩编码标准
• CIF/QCIF格式中的视频信号结构
数字视频
• 数字电视信号取样
– 时间取样：N帧/秒
• 如果是逐行扫描，一帧则为一场；如果是隔行扫描， 一帧包括一顶场和一底场
– 空间取样：像素
• 一帧中，同一行由多个取样点（像素）构成
• 注意：时间取样和空间取样并非是取样的两种选 注意： 择方式，而是取样的前后两个步骤， 择方式，而是取样的前后两个步骤，先按照时间 取样， 取样，再按照空间取样
视频压缩技术
2011.6.26 Frank Sun
数字视频
• 数字电视
– – – – 优势 失真小、噪声低、质量高 易处理、易校正 容量大、节目多
• 举例：
– CATV频道中，550MHz到750MHz的带宽中 » 如果传送模拟电视，每个节目需要8MHz带宽，则只能传送 25套节目； » 如果传送数字电视，采用64QAM调制，频谱利用率为5.3， 每路节目用MPEG-2压缩为4Mbps，实际只需 4/5.3=0.75MHz带宽，传送节目数大约是模拟电视的11倍
数字视频
• 数字电视PCM原理 • 模拟转数字，需要取样、量化、编码三步
– 取样：连续 离散（时间上） – 量化：无数个幅值 有限多个幅值（空间上） – 编码：将量化后的信号用0或1表示，也成脉冲编码调制——PCM编 码
• A/D变换指模拟转数字，即为上述过程；相反，D/A变换 指数字转模拟，是上述过程的逆过程
视频压缩编码标准
• MPEG-2标准
• 档次（Profile）和级别（Level）
– 按所使用编码工具的集合分成5个档次来自百度文库– 按编码图像的分辨率分成4个级别
视频压缩编码标准
• MPEG-2标准 • 编码复用系统
– ES：由视频压缩编码后的视频 基本码流（Video ES）和音频 压缩后的音频基本码流（Audio ES）组成 – PES：把音、视频ES分别打包， 组成的分组长度可变 – TS、PS：若干个节目的PES复用 后输出为传输流TS和节目流PS， 分别用于传输和存储
数字视频
• 视频质量
– 主观法
– 客观法
视频压缩编码基本原理
• 预测编码 • 变换编码 • 熵编码
视频压缩编码标准
• 几个名词
– JPEG（Joint Photographic Experts Group） 联合图像专家组 – MPEG（Moving Photographic Experts Group） 活动图像专家组
数字视频
• 数字电视信号的编码参数
– 量化值（Qp）
• 每个取样值采取8bit表示，即256个灰度级
– 取样频率（fs）
• 例1：CCIR601建议的电视国际标准为：每幅画面625/50(625 行，每秒50场)和525/60的电视系统取样品率为： • fs=13.5MHz（Y信号） • fs=6.75MHz（Cb、Cr信号） • 倘若采用4:2:2格式时，电视信号总码率为： • 13.5*8+6.75*8*2=216Mbps