图像压缩编码标准

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• 它有以下几个任务： (1)对音频、视频、数据、控制等基本比特流起系统 复用的作用。 (2)提供用于恢复时间基准的时间标志，缓冲器初始 化和管理，音频和视频的解码时间，显示时间。 (3)给解码器提供一种信息(PSI)，使之更容易和更迅 速地找到所需节目。 (4)给误差恢复，有条件接入，随机接入，数字存储 控制提供支持。 视频或音频编码器的输出被打成PES，然后在PS复用 器中被组合成PS或在TS复用器中被组合成TS，前者用于 相对无误差的环境，后者用于有噪声媒质。
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⑥块：块是MPEG码流的最底层，每个块 是一个8 × 8 像素的数据矩阵。每个块中 只含有一种信号元素，即它或是亮度数 据矩阵，或是某中色度数据矩阵。块是 进行DCT运算的单位，宏块在进行DCT 运算之前要被分成若干个块。
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MPEG-2的压缩步骤
1、 离散余弦变换。 2、 量化器。 3、 Z字形扫描与游程编码。 4、 熵编码。 5、 运动估值 6、 运动补偿
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MPEG中的三种图像类型即码流组成 ①三种图像类型 MPEG是基于DCT、运动补偿和Huffman编 码算法的，在压缩中使用了帧内压缩和帧间压 缩两种方式。MPEG使用三种类型的图像，即： I帧 P帧 B帧
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• I帧是帧内压缩 由于I帧不依赖于其他帧，所以是随 机存取的入点，同时是解码中的基准帧。 一个图像组总是以I帧开头的，I帧压缩 可以得到6:1的压缩比。
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• 支持不同分辨率格式之间的兼容。 • MPEG-2以空间和时间可分级方法提供 空间和时间不同分辨率视频格式之间的 兼容。 • MPEG-2后向兼容MPEG-1。 • MPEG-2图象格式不仅包括了MPEG-1的 图象格式，还包括了符合CCIR.601 的 SDTV数字演播室图象格式和HDTV数字 演播室图象格式。
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图像压缩编码标准
主要内容 一、JPEG和JPEG2000标准
二、MPEG标准
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H.261、H.263、H.264（会议电视） JPEG、JPEG2000（静止图像） MPEG-1（VCD） MPEG-2（数字电视） MPEG-4（多媒体通信）
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JPEG
在复用器(MUX)中视音频PES 组成PS流和TS流。PS流中 按视音频的存取单元进行复用，它们的PES包长度不固定，而 TS流在其复用器中被划分成固定长度188字节的小包。
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TS流包的构成
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188字节中分包头和净荷两大部分，包头内又分 两层，一层是固定长度4字节的链接层，另一层是 可变长度的自适应层。 第1个字节的包同步用于使接收端于发送端建立 包同步，数据值固定为“01000111” 。13bit的PID 为包标识符,指出净荷中包含的数据信息类型。建 立包同步后，按接收端可利用PID值提取出需要 的TS包内容。一个包内的净荷只能属于同一类型 的信息，例如某一种视频节目、音频节目或某类 数据等。
MPEG-7
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MPEG和JPEG的主要差别
• JPEG和MPEG相同点采用了DCT帧内图像数据压缩 编码。 • MPEG视频压缩技术是针对运动图像的数据压缩技 术。为了提高压缩比，帧内图像数据压缩和帧间图 像数据压缩技术同时使用。 • MPEG采用了三种图像，帧内图、预测图和双向预 测图。有效地减少了冗余信息。对于MPEG来说， 帧间数据压缩、运动补偿和双向预测。 • 在JPEG压缩算法中，针对静态图像对DCT系数， 而MPEG中视频信号包含有静止画面（帧内图）和 运动信息（帧间预测图）等不同的内容，采用非均 匀量化。
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• P帧根据前面的I帧或P帧进行预测(向前预 测)，使用运动补偿算法进行压缩，因而 压缩比要比I帧高，数据量平均达到I帧的 1/3左右。P帧是对前后的B帧和后继的P 帧进行解码的基准帧。P帧本身是有误差 的，如果P帧的前一个基准帧也是P帧， 就会造成误差传播。
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• B帧基于前后的两个I、P帧或P、P帧，它 使用双向预测，数据量平均可以达到I帧 的1/9左右。B帧本身不作为基准，因此 可以在提供更高的压缩比的情况下不传 播误差。
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MPEG-2编解码器和MPEG-1异同
①MPEG-1只处理逐行扫描的电视图像而MPEG2既处理逐行扫描也处理隔行扫描，因此编码 器中要有场/帧决策的功能； ②DCT有二种： 帧DCT或场DCT； ③运动估计有四种：场预测、帧预测、双基预测 和16×8的运动补偿； ④压缩编码方式均采用运动检测补偿、DCT、量 化、哈夫曼编码、游程编码。
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四级
• Low Level(低级)：类似H.261中的CIF格式； • Wain Level(主级)：相应于普通电视 • High 1440 Level(高1440级)：大致相当于 具有每行1440个采样的HDTV； • High Level(高级)：大致相当于每行1920个 采样的HDTV。
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② 码流组成 一个GOP（图像组）由一串I、B、P帧组成，起始 为I帧。GOP的长度是一个I帧到下一个I 帧的间隔，一般 是一秒内有两个I帧，用来作为随机存取的入口。 在MPEG-2中没有规定GOP的结构，帧重复方式可 以是I、P，I、B，I、B、P，I、B、B、P，甚至全部是I 帧。B帧和P帧要求计算机有更强的功能。有些压缩器不 能产生B帧或者连P帧也不能产生，则图像的压缩结果将 有很明显的间断。 在MPEG-1中，每个I帧图像含有152Kb，P帧图像含 有80Kb， B帧图像含有23Kb，一个典型GOP由1个I帧、 3个P帧、 8个B帧组成。
特点
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MPEG的视频数据流结构 Ⅰ 图像序列层（Video Sequence layer） Ⅱ 图像组层（Group of Picture） Ⅲ 图像层（Picture） Ⅳ 宏块条/片层 （Slice） Ⅴ 宏块层（Macro block） Ⅵ 块层（Block layer）
现代电视技术 MPEG的视频数据流结构
特点
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MPEG-2
MPEG-2的压缩比可达50:1
压缩后的数字活动图像信号和相应音频信 号码率可达几Mb/s。
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组成
• 第一系统部分：主要涉及多路音频、 视频和数据的复用和同步； • 第二视频部分：主要涉及各种比特 率的数字视频编码； • 第三音频部分：扩充了MPEG-1的音 频标准，使之成为多通道音频编码系 统，达到了5.1声道之多。
• JPEG是联合图像专家组的缩写 （Joint Photographic Experts Group ） • 主要用于计算机静止图像的压缩，在用 于活动图像时，其算法仅限于帧内，便 于编辑。 • JPEG标准的算法是基于DCT(离散余弦变 换)和可变长编码。
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JEPG压缩编码算法的计算步骤
1、 正交离散余弦变换
2、 量化
3、Z字形编码
4、 使用差分脉冲编码调制（DPCM）对直流系 数DC进行编码
5、 使用行程长度编码对交流系数（AC）进行 编码 6、 熵编码
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JPEG2000特点
高压缩比 连续色调图像压缩和二值图像压缩 无失真压缩和有失真压缩 渐进传输：先传输图像的轮廓，然后逐 步传输数据，不断提高图像质量，以满 足用户的需要。 • 固定比特率、固定尺寸 • 对码流的随机访问和随机处理 • • • •
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①图像序列：：是一个被处理的连续图像，是由图 像组构成的，它包含序列头、若干个图像组层的数据 以及序列终止符。
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②图像组(GOP) ：图像组是为方便随机存 取而加的，其结构和长度均为可变的， 图像组是随机存取视频单位，它由定义 的一组或多组帧内编码帧（I帧）或非帧 内编码帧（P帧或B帧）图像构成。每组 包括组头，图像层数据，时间信息。
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• 视频序列都可以分为两层： 基本层 增强层 • 基本层提供了视频序列的基本信息 • 增强层提供了视频序列更高的分辨率和 细节； • 基本层可以单独传输和解码，而增强层 则必须与基本层一起传输和解码。
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五类
• 简单类：与Main Profile相同，只是不用B帧， 这是为了节约RAM； • 主类：图像质量合乎一定要求，允许有一定 损伤，不具有可分级性； • 信噪比可选类：比Main Profile改进之处是信 噪比可分级； • 空间尺寸可选类：空间分辨率方面也可分级； • 高质量类：支持4∶2∶2并全面可分级(宏块 的组成是：4个Y块+2个Cb块 +2个Cr块)；
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MPEG-4的应用
• • • • • 实时通信（视频会议、可视电话等） 移动多媒体（PDA等） 交互媒体存储（DVD等） 交互视频游戏 节目制作及广播业务等。
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• MPEG-7能对各种不同类型的多媒体信息 进行标准化的描述，并将该描述与所描 述的内容相联系，以实现快速有效的搜 索。 MPEG-7目标是使视听内容像文本 那样容易被搜索。既可应用于存储，也 可用于流式应用(如广播)，还可以在实时 或非实时环境下应用，如：数字图书馆、 广播媒体选择、多媒体编辑等，应用潜 力很大。
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MPEG的基本理论
MPEG（Moving Picture Expert Group） “活 动图像专家组” 包括三个部分： • 系统： • 视频： • 音频：
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• （1）在图象和声音的质量上高于可视电话和 会议电视的声象质量，至少应达到VHS家用录 象机的声象质量。 • （2）压缩后的数码率应能存储在光盘、数字 录音带DAT或可写磁光盘等媒体中。 • （3）压缩后的码率应与目前的计算机网络传 输码率相适配，即为1.2Mbps -1.5Mbps。 • （4）在通信网络上它能适应多种通信网络
MPEG-4并不仅仅着眼于定义不同码 流下的压缩编码标准，而是更多的强调 多媒体通信的交互性和灵活性，以及多 工业领域的融合。
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MPEG-4特点
• • • • • 基于内容的交互性 对不同来源的视音频对象进行合成 高压缩比 灵活多样的存取 定义了编解码器和码流的不同类和级,从 而支持各种码率（5kbps至4Mbps）、格 式(逐行和隔行)、分辨率。
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• ③图像：图像是独立的显示单位，也是 基本编码单位，由图像头和宏块条层数 据组成。在MPEG-2中，图像可以是逐 行的，或隔行的，MPEG-1是逐行的。
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• ④宏块条：包含若干个连续的宏块，是重新 同步单位。宏块条的设置是防止误码的扩散。
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⑤宏块：宏块层由宏块头加块层数据组成，图像以亮 度数据矩阵为基准分为16×16像素的宏块，宏块是进行运动 补偿的基本单位。一个宏块包含４个8 × 8的亮度块，还包 含㈠ 两个8 × 8色度块(R-Y和B-Y各一个，4:2:0取样时)、 ㈡四个8 × 8色度块( R-Y和B-Y各两个，4:2:2取样)或㈢ 八 个8×8色度块 ( R-Y和B-Y各四个， 4:4:4 取样时) 。
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ATSC中的系统复用
现代电视技术 压缩层：
根据规定信源编码标准将输入的数据流予以码率压缩， 产生出视频基本流（ES）和音频基本流, 视频编码标准采用 MEPG-2，音频编码标准采用MUSICAM压缩技术。 传送层：将ES打包，形成打包基本流（PES），并实现视音 频PES的复用，组成复用的节目流(PS ) 或传送流（TS ）。 PES包的长度为一个存取单元，视频存取单元为一个图像帧， 音频为一个音频帧。图像帧有I、B、P帧之分，它们的PES长 度不相同。