多媒体技术视频编码标准

图 MPEG-1 syntax hierarchy
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MPEG1视频压缩算法
分割：
运动图像序列 图片组（GOP）
I B B P B B P …
图片
条（Slice）
块（Block）
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宏块 Macro Block
16
16 8
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MPEG1视频压缩算法
GOP的组成：
I帧： P帧：单向预测帧 B帧：双向预测帧 时间顺序 p1p2p3p4p5p6p7 编码顺序 p1p4p2p3p7p5p6 I帧是一个随机访问点。B图像不能作为其它图像的参 考帧。
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MPEG-2的标准号为ISO/IEC 13818，它主要由以下 几部分组成： MPEG-2系统（ MPEG-1 Systems ） MPEG-2视频编码标准（MPEG-2 Video） MPEG-2音频编码标准（MPEG-2 Audio） MPEG-2高级音频编码标准（MPEG-2 AAC）
与MPEG-1一样，MPEG-2只规定了码流结构和解 码器算法规则，而把实际编码器模型向设计者开 放，以提供更多的选择性和自由度。
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MPEG-2 Video
MPEG-2 Video与MPEG-1的基本编码算法相同， 只是增加了如下功能： （1）能够在很宽的范围内对不同分辨率和不同输出 比特率的图像信号有效的进行压缩。 （2）处理隔行扫描的视频信号的能力（场编码）。 （3）多样化的取样模式：4:2:0，4:2:2，4:4:4 （4）可伸缩（Scalable）的视频编码模式： Ⅰ 编码时可以在图像质量和数据速率之间作出调 整 Ⅱ 解码时只对码流的一部分进行解码和对码 流的全部进行解码能够分别获得不同质量的重建 图像。 32
可伸缩性编码模式
（1）信噪比伸缩性（Signal-to-Noise Scalability） （2）空间分辨率伸缩性（Spatial Scalability）
（3）时间分辨率伸缩性（Temporal Scalability）
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可伸缩性编码模式
绝对值： 均方误差： 平均绝对 帧差：
可伸缩性编码模式
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视频压缩标准对比（续）
MPEG2 H.262
运动图 像及其 伴音通 用编码 标准
时间
输入
1994年11月
352×288～1920×1152 采用频率为16、22.05、24 、32、44.1、 48kHz的线性PCM 1.5－80Mb/s、8-640 Kb/s(音频) 30－40
输出 压缩率
压缩算法 运动补偿帧间预测（单双向预测）＋ 应用
输出
甚低码 ≧ 100 率 活 动 压缩率 图 像 及 压缩算法 基于对象的新一代编码技术，注重交 其伴音 互性，即可包含自然对象，又可包含 编码标 人工合成对象 准 可应用范围很广、目前多用于因特网 应用 视频传输、流媒体应用
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视频压缩标准对比（续）
H.264
MPEG4 (Part10) MPEG4 AVC
时间
输入
2003年5月
多种分辨率格式
输出
压缩率
压缩率最高的视频压缩标准，比 MPEG4 Visual节约50％的码率 做了局部优化。更注重编码效率和可 靠性 视频广播、视频通信和存储媒体（CD DVD）等多种应用
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压缩算法 基于传统框架的混合编码系统，只是
应用
MPEG-1视频压缩标准
•
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•
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MPEG1视频编码算法
B帧编码 对于B 帧中的宏块进行编码时有更多的选择 （1）决定是否使用前向运动补偿，还是后向 运动补偿或者双向运动补偿 （2）决定使用帧间编码方式还是帧内编码 （3）决定宏块是否被编码 （4）决定是否改变量化因子
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MPEG1视频编码算法
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MPEG-2 通用视频压缩标准
H.263+>H.263>MPEG2 DCT 局部算法改进 可伸缩性
压缩算法 运动补偿帧间预测（单双向预测）＋
应用
通用电话交换网、局域网的视频通信
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视频压缩标准对比（续）
MPEG4 (Part 2) MPEG4 Visual
时间
输入
1999年
≧176×144的多种分辨率格式 4.6Kb/s～64Kb/s
Huffman
MPEG1视频编码算法
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AC量化 Zigzag 编码，AC系数表示为 （行程/幅度） 对（行程/幅度） 用 Huffman编码
MPEG1视频编码算法
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MPEG1视频编码算法
P 帧编码 对于P 帧中的宏块进行编码时有更多的选择 （1）决定是否用运动补偿 （2）决定对宏块使用帧间编码方式还是帧内 编码方式 （3）决定宏块是否被编码 （4）决定是否改变量化因子
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MPEG-4 视频压缩标准
运动估计与补偿 Macroblock size : 16 x 16 or (optionally) 8 x 8. Motion vectors: half-pixel resolution. 变换编码 DCT transform: 对运动补偿后的残差图像编码 quantisation zigzag scanning run-level coding. Variable-length coding
可伸缩性编码模式
可伸缩性编码模式
可伸缩性编码模式
可伸缩性编码模式
可伸缩性编码模式
可伸缩性编码模式
+
－
-
下采样 上采样
可伸缩性编码模式
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可伸缩性编码模式
可伸缩性编码模式
可伸缩性编码模式
可伸缩性编码模式
MPEG-4 视频压缩标准
MPEG-4从1994年开始工作，目标是为视听(audio-visual)数据 的编码和交互播放开发算法和工具，它是一个数据速率很低 的多媒体通信标准。MPEG-4 算法的核心是支持基于内容的 (content-based)的编码和解码功能，也就是对场景中使用分割 算法抽取的单独的物理对象进行编码和解码。
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视频压缩标准对比（续）
MPEG1
时间
1993年8月
数据传 视频：352×240×30，352×288×25 输入 输速率 音频：32、44.1、48kHz的线性PCM 为 1.5Mb/s、32-384 Kb/s(音频) 1.5Mb/s 输出 的数字 20~30 压缩率 存储媒 体运动 压缩算法 运动补偿帧间预测（单向预测＋双向 图像及 预测）＋DCT 其伴音 VCD、MP3、局域网视频传输 应用 编码标 准
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MPEG1视频压缩算法
为了在图像质量和数据速率之间作出调整，MPEG-1编码 器允许（1）选择I帧的频率和位置，（2）选择I和P之间双 向预测帧B的数目。
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MPEG1视频压缩算法
• GOP图像组 是一系列要连续编码的图像，一个 图像组中至少有一个I 帧，一个图像组可以以I 帧 或B帧开始，而结尾必须为I帧或P帧。 • 片Slice : 每幅图像分成一系列大小可变的块,最大 的可为 整幅图像，最小的可为一个宏块 • 定义片的目的是:在发生误码时,解码器可以丢弃 一个片 而不是一幅图像,同时可在片一个层次上 定义量化因子对码流校正
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MPEG-4 视频压缩标准
MPEG-4 Visual: 支持低码率应用(tens of kbps or less).
支持面向对象或面向内容的编码(object-based or content-based coding) 将一个视频场景（a video scene）当成前景和背景对象 （foreground and background objects）的集合而不仅仅是矩形 帧的序列. 特点：可以独立编码一个场景中的不同对象；复用场景成分； 不同来源的对象合成一个场景 ；更高的交互能力
国际视频压缩标准简介
主要内容
• 视频压缩标准发展历史
• MPEG系列压缩标准简介
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视频压缩标准发展历史
H.263 H.264 ITU: H.261 H.262 H.263+
ISO/IEC: MPEG1 MPEG2 MPEG4 (Part2)
MPEG4(Part10) MPEG7 MPEG21
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视频压缩标准对比
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MPEG1视频压缩算法
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MPEG1视频压缩算法
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运动补偿技术在宏块一级工作： • I帧：没有使用运动补偿预测， 与Baseline JPEG类似， I帧可用作预测P帧和B帧的参考帧。 • P帧：采用一个参考帧的运动补偿的帧间预测编码方 式， 当前P帧前面的I帧和P帧作为其参考帧，采用前 向预测（Farword Prediction）方式。I帧可用作预测P 帧和B帧的参考帧。 • B帧：采用两个参考帧的运动补偿的帧间预测编码方 式,当前B帧前后的I帧和P帧作为其参考帧，运动估计 补偿块可由三种方式获得：前向预测（Farword Prediction）方式，后向预测（backword Prediction） 和双向预测方式（Bidirection Prediction，均值）。B 19 帧不作参考帧。
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MPEG-4 Visual: 面向低码率应用
MPEG-4 视频压缩标准
输入格式：picture size （listed in the table） frame rate: up to 30 f/s 4 : 2 : 0 Y: Cr : Cb 帧的类型 ：Each frame is coded as an I- or P-frame. I-frame: only intra coded macroblocks P-frame: either intra- or inter-coded macroblocks.
H.261 p×64k b/s视频 编码标 准
时间 输入 输出 压缩率
1990年12月 176×144(QCIF) 352×288(CIF) 帧速率可变<=30 p×64kb/s(p=1,2,…,32) 20~30 小于MPEG1
压缩算法 运动补偿帧间预测与分块DCT相结合 应用
的混合编码 可视电话、视频会议等对称应用
DCT、可伸缩性、前向兼容 DVD、DVB、HDTV
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视频压缩标准对比（续）
H.263 H.263+
甚低码 率通信 的视频 编码标 准
时间
输入
1996年3月、1998年1月
QCIF、CIF、128×96(SubQCIF)、 704×576(4CIF)、1408×1152(16CIF)
输出
压缩率
30kb/s～
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MPEG1视频编码算法
B图像帧的压缩算法：
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MPEG1视频编码算法
I 帧编码 量化 对于DC的量化步长为8 对于AC的量化 QDCT(i,j)=8*DCT(i,j)/qQ(i,j) Q量化矩阵，q量化因子 ，量化因子在片 的标题中，也可在每个宏块
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DC量化 对DC系数差值编码为（size,amp） amp 表示幅值 size表示amp所需二进制位 Amp用反码表示， size用Huffman编码 例 DC差值为195 195＝(11000011)2 size=8,amp=11000011 size=8 111110 195 的码字11111011000011 -195 的码字11111000111100
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MPEG-1视频压缩标准
帧规格：352×288 25 帧 8 比特 1.5 表示 4:2:0
352×288×25×8×1.5
30Mb/s 352×240×30×8×1.5
MPEG视频 编码器
26 : 1
1.15Mb/s
输入、输出指标
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MPEG1视频编码器框架
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MPEG1视频视频压缩算法
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MPEG-4 视频压缩标准
MPEG1视频压缩算法
I图像帧的压缩算法：
在空间方向 上（帧内） ，MPEG－ 1压缩采用 JPEG压缩 算法来去掉 冗余信息。
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MPEG1视频压缩算法
P图像帧的压缩算法：
对于P宏块 ，MPEG－1 采用运动补 偿帧间预测 算法来去掉 时间轴上的 冗余信息。
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MPEG1视频编码算法
B图像帧的压缩算法：
MPEG-1标准号为ISO/IEC 11172，它由五部分组成： MPEG-1系统（ MPEG-1 Systems ）：规定视频数 据、声音数据及其他相关数据的同步合成技术 MPEG-1视频编码标准（MPEG-1 Video） MPEG-1音频编码标准（MPEG-1 Audio） MPEG-1一致性测试：详细说明如何测试比特数据 流和解码器是否满足MPEG-1前3个部分(Part1，2和 3)中所规定的要求。 MPEG-1软件模拟：一个技术报告，给出了软件执 行MPEG1前3个部分的运行结果。