视频压缩技术

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数字视频信号是将模拟视频信号经过取样、 量化 和编码后形成的。 模拟电视有PAL、 NTSC等制式, 必然会形成不同制式的数字视频信号, 不便于国际数 字视频信号的互通。 1982年10月, 国际无线电咨询委员 会(CCIR, Consultative Committee for International Radio)通过了第一个关于演播室彩色电视信号数字编码 的建议, 1993年变更为ITU-R(国际电联无线电通信部
第6章 视频压缩技术
根据这个特点, 可以采用边缘检测自适应技术, 对于 图像的平缓区或正交变换后代表图像低频成分的系数 细量化, 对图像轮廓附近或正交变换后代表图像高频 成分的系数粗量化; 当由于景物的快速运动而使帧间 预测编码码率高于正常值时进行粗量化, 反之则进行
细量化。 在量化中, 尽量使每种情况下所产生的幅度
分, International Telecommunications Union-Radio
communications Sector)BT.601分量数字系统建议。
第6章 视频压缩技术
BT.601建议采用了对亮度信号和两个色差信号分
别编码的分量编码方式, 对不同制式的信号采用相同 的取样频率13.5 MHz, 与任何制式的彩色副载波频率 无关, 对亮度信号Y的取样频率为13.5 MHz。 由于色 度信号的带宽远比亮度信号的带宽窄, 对色度信号U 和V的取样频率为6.75 MHz。 每个数字有效行分别有 720个亮度取样点和360×2个色差信号取样点。 对每个 分量的取样点都是均匀量化, 对每个取样进行8比特精 度的PCM编码。
概率小的符号赋以长码, 从而在统计上获得较短的平
均码长。 所编的码应是即时可译码, 某一个码不会是 另一个码的前缀, 各个码之间无需附加信息便可自然
分开。
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1. 霍夫曼(Huffman)编码
霍夫曼(Huffman)编码是一种可变长编码, 编码 方法如图6-2所示。
(1) 将输入信号符号以出现概率由大至小为序排成 一列。
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另外, 人眼视觉对图像的空间、 时间分解力的要求与 对幅度分解力的要求也具有交换性, 对图像的幅度误 差存在一个随图像内容而变的可觉察门限, 低于门限 的幅度误差不被察觉, 在图像的空间边缘(轮廓)或时 间边缘(景物突变瞬间)附近, 可觉察门限比远离边缘 处增大3~4倍, 这就是视觉掩盖效应。
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通常用Q表示量化, 用Q-1表示反量化。 量化过程 相当于由输入值找到它所在的区间号, 反量化过程相 当于由量化区间号得到对应的量化电平值。 量化区间 总数远远少于输入值的总数, 所以量化能实现数据压 缩。 很明显, 反量化后并不能保证得到原来的值, 因 此量化过程是一个不可逆过程, 用量化的方法来进行 压缩编码是一种非信息保持型编码。 通常这两个过程 均可用查表方法实现, 量化过程在编码端完成, 而反
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这几个参数对525行、 60场/秒和625行50场/秒的制 式都是相同的。 有效取样点是指只有行、 场扫描正程 的样点有效, 逆程的样点不在PCM编码的范围内。 因 为在数字化的视频信号中, 不再需要行、 场同步信号 和消隐信号, 只要有行、 场(帧)的起始位置即可。 例 如, 对于PAL制, 传输所有的样点数据, 大约需要 200 Mb/s的传输速率, 传输有效样点只需要160 Mb /s左右的速率。
视频数据主要存在以下形式的冗余。
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1. 空间冗余 视频图像在水平方向相邻像素之间、 垂直方向相
邻像素之间的变化一般都很小, 存在着极强的空间相
关性。 特别是同一景物各点的灰度和颜色之间往往存 在着空间连贯性, 从而产生了空间冗余, 常称为帧内
相关性。
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2. 时间冗余
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色度信号的取样率是亮度信号取样率的一半, 常
称作4∶2∶2格式, 可以理解为每一行里的Y、 U、 V 的样点数之比为4∶2∶2。
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6.1.4 熵编码 熵编码(Entropy Coding)是一类无损编码, 因编码 后的平均码长接近信源的熵而得名。 熵编码多用可变 字长编码(VLC, Variable Length Coding)实现。 其基本 原理是对信源中出现概率大的符号赋以短码, 对出现
结构可由先验知识得到, 此类冗余称为知识冗余。
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5. 视觉冗余 人眼具有视觉非均匀特性, 对视觉不敏感的信息 可以适当地舍弃。 在记录原始的图像数据时, 通常假 定视觉系统是线性的和均匀的, 对视觉敏感和不敏感 的部分同等对待, 从而产生了比理想编码(即把视觉敏
感和不敏感的部分区分开来编码)更多的数据, 这就是
误差刚好处于可觉察门限之下, 这样能实现较高的数 据压缩率而主观评价不变。
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6. 图像区域的相同性冗余 在图像中的两个或多个区域所对应的所有像素值
相同或相近, 从而产生的数据重复性存储, 这就是图
像区域的相似性冗余。 在这种情况下, 记录了一个区 域中各像素的颜色值, 与其相同或相近的区域就不再
视觉冗余。 人眼对图像细节、 幅度变化和图像的运动 并非同时具有最高的分辨能力。
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人眼视觉对图像的空间分解力和时间分解力的要求具
有交换性, 当对一方要求较高时, 对另一方的要求就 较低。 根据这个特点, 可以采用运动检测自适应技术, 对静止图像或慢运动图像降低其时间轴抽样频率, 例 如每两帧传送一帧; 对快速运动图像降低其空间抽样 频率。
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6.1.2 视频信号的数字化和压缩 模拟电视信号(包括视频和音频)通过取样、 量化
后编码 为二进制数字信号的过程称为模数变换(A/D
变换)或脉冲编码调制(PCM, Pulse Coding Modulation), 所得到的信号也称为PCM信号, 其过程可用图6-1(a)
表示。 若取样频率等于fs、 用n比特量化, 则PCM信
概率 0 .4 0 .3 0 .1 0 .1 “0” 0 .0 6 “1” 0 .0 4
0 .4 0 .3 0 .1 0 .1 “0” 0 .1 “1”
0 .4 0 .3 “0” 0 .2 “1” 0 .1
0 .4 “0” 0 .3 “1” 0 .3
0 .6 “0” 0 .4 “1”
编码 1 00 0 11 0 10 0 0 10 10 0 10 11
(2) 将两处最小概率的符号相加合成为一个新概率, 再按出现概率的大小排序。 (3) 重复步骤(2), 直至最终只剩两个概率。 (4) 编码从最后一步出发逐步向前进行, 概率大的 符号赋予“0”码, 另一个概率赋予“1”码, 直至到达 最初的概率排列为止。
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输入电平 L1 L2 L3 L4 L5 L6
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模拟电视信号
取样
量化
编码
PCM信号
PCM信号
解码
插入滤波
模拟电视信号
取样脉冲 (a) (b)
图 6-1 电视信号的数字化和复原 (a) A/D变换; (b) D/A变换
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1. 奈奎斯特取样定理
理想取样时, 只要取样频率大于或等于模拟信号 中最高频率的两倍, 就可以不失真地恢复模拟信号, 称为奈奎斯特取样定理。 模拟信号中最高频率的两倍 称为折叠频率。 2. 亚奈奎斯特取样 按取样定理, 若取样频率fs小于模拟信号最高频率 fmax的2倍会产生混叠失真, 但若巧妙地选择取样频率,
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6.1 视频压缩的基本原理 6.2 静止图像压缩 6.3 活动图像编码 6.4 音频压缩的原理和标准 思考题和习题
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6.1 视频压缩的基本原理
6.1.1 视频信号压缩的可能性 视频数据中存在着大量的冗余, 即图像的各像素 数据之间存在极强的相关性。 利用这些相关性, 一部 分像素的数据可以由另一部分像素的数据推导出来, 结果视频数据量能极大地压缩, 有利于传输和存储。
图 6-2 霍夫曼(Huffman)编码
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2. 算术编码 霍夫曼编码的每个代码都要使用一个整数位, 如 果一个符号只需要用2.5位就能表示, 但在霍夫曼编码 中却必须用3个符号来表示, 因此它的效率较低。 与 其相比, 算术编码并不是为每个符号产生一个单独的
代码, 而是使整条信息共用一个代码, 增加到信息上
量化过程则在解码端完成。
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对量化区间标号(量化值)的编码一般采用等长编码
方法。 当量化分层总数为K时, 经过量化压缩后的二 进制数码率为lbK比特/量值。 在一些要求较高的场合, 可采用可变字长编码如哈夫曼编码或算术编码来进一 步提高编码效率。
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6.1.3 ITU-R BT.601分量数字系统
的每个新符号都递增地修改输出代码。
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假设信源由4个符号S1、 S2、 S3和S4组成, 其概
率模型如表6-1所示。 把各符号出现的概率表示在如图 6-3所示的单位概率区间之中, 区间的宽度代表概率值 的大小, 各符号所对应的子区间的边界值, 实际上是 从左到右各符号的累积概率。 在算术编码中通常采用 二进制的小数来表示概率, 每个符号所对应的概率区 间都是半开区间, 如S1对应[0, 0.001), S2对应 [0.001, 0.011)。 算术编码所产生的码字实际上是一 个二进制小数值的指针, 该指针指向所编的符号所对 应的概率区间。
在相邻场或相邻帧的对应像素之间, 亮度和色度 信息存在着极强的相关性。 当前帧图像往往具有与前、 后两帧图像相同的背景和移动物体, 只不过移动物体 所在的空间位置略有不同, 对大多数像素来说, 亮度 和色度信息是基本相同的, 称为帧间相关性或时间相 关性。
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3. 结构冗余
在有些图像的纹理区, 图像的像素值存在着明显 的分布模式。 如方格状的地板图案等。 已知分布模式, 可以通过某一过程生成图像, 称为结构冗余。 4. 知识冗余 有些图像与某些知识有相当大的相关性。 如人脸 的图像有固定的结构, 嘴的上方有鼻子, 鼻子的上方 有眼睛, 鼻子位于脸部图像的中线上。 这类规律性的
号的码率为nfs(比特/s)。 PCM编码既可以对彩色全电 视信号直接进行, 也可以对亮度信号和两个色差信号
分别进行, 前者称为全信号编码, 后者称为分量编码。
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PCM信号经解码和插入滤波恢复为模拟信号, 如 图6-1(b)所示, 解码是编码的逆过程, 插入滤波是把 解码后的信号插补为平滑、 连续的模拟信号。 这两个 步骤合称为数模变换(D/A变换)或PCM解码。
细量化, 也就是采用非均匀量化(或称非线性量化)。
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非均匀量化有两种方法, 一是把非线性处理放在
编码器前和解码器后的模拟部分, 编、 解码仍采用均 匀量化, 在均匀量化编码器之前, 对输入信号进行压
缩, 这样等效于对大信号进行粗量化, 小信号进行细
量化; 在均匀量化解码器之后, 再进行扩张, 以恢复 原信号。 另一种方法是直接采用非均匀量化器, 输入 信号大时进行粗量化(量化间距大) , 输入信号小时细 量化(量化间距小)。 也有采用若干个量化间距不等的 均匀量化器, 当输入信号超过某一电平时进入粗间距 均匀量化器, 低于某一电平时进入细间距量化器, 称 为准瞬时压扩方式。
令取样后频谱中的混叠分量落在色度分量和亮度分量
之间, 就可用梳状滤波器去掉混叠成分。
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3. 均匀量化和非均匀量化
在输入信号的动态范围内, 量化间隔幅度都相等 的量化称为均匀量化或线性量化。 对于量化间距固定 的均匀量化, 信噪比随输入信号幅度的增加而增加, 在强信号时固然可把噪波淹没掉, 在弱信号时, 噪波 的干扰就十分显著。 为改善弱信号时的信噪比, 量化间距应随输入信 号幅度而变化, 大信号时进行粗量化, 小信号时进行
记录各像素的值。 矢量量化方法就是针对这种冗余图
像的压缩方法。
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7. 纹理的统计冗余 有些图像纹理尽管不严格服从某一分布规律, 但
是在统计的意义上服从该规律, 利用这种性质也可以
减少表示图像的数据量, 称为纹理的统计冗余。 电视图像信号数据存在的信息冗余为视频压缩编码
提供了可能。
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