第4章 运动图像压缩技术
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第28页 2013年9月22日星期日
第4章 MPEG压缩编码技术 一、MPEG标准简介
MPEG的全称是运动图像专家组——Moving Picture Experts Group 是专门制定多媒体领域内的国际标准的一个组织，该 组织成立于1988年，由全世界大约300名多媒体技 术专家组成。 MPEG标准是面向运动图像压缩的一个系列标准。 最初MPEG专家组的工作项目是3个，即在1.5Mbps， lOMbps，40Mbps传输速率下对图像编码，分别命 名为MPEG-1，MPEG-2，MPEG-3。l992年， MPEG-2适用范围扩大到HDTV，能支持MPEG-3的 所有功能，因而MFEG-3被取消。
第19页
2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
二、基本原理
第20页
2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
第21页
2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
第22页
2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
具体编码模式：累进编码、锥形(金字塔形)编码和熵 编码三种。 1.累进编码模式 在低速下传送一幅粗糙的图像，然后再逐步求精。 某些用户如果不需要高质量的图片，仅以浏览为目 的，这种做法是相当有用的。实现累进编码要求足 够的缓冲空间存储整个图像中已量化的DCT系数。
第17页
2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
JPEG的目标如下： 1)达到(近乎)完美的图像质量。 2)可以压缩任何连续色调的静止图像，包括灰度和彩 色，任意色彩和空间和大多数尺寸。 3)可适用于大部分通用的计算机平台，硬件条件适中。
第18页
2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
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2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
第一节 视频信号数字化
视频信号数字化处理的一些基本方式，如取样、量 化、编码和D/A转换等，与音频信号基本相同。 但由于视频信号自身的特点，其数字化处理也有其 特殊性，主要表现在取样结构和取样频率上。
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2013年9月22日星期日
第4章
第12页
2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
(四)传输速率
在分量数字化中，亮度信号的取样频率为13.5MHz， 两个色差信号为6.75MHz，量化数为8，于是视频数 字信号的码率为： R＝ (13.5×8十 (6.75×8) × 2)Mbit/s＝216Mbit/s 可见它比数字音频的码率1.41Mbit/s要高得多，这就 对数字视频电路提出了更高的要求，这也是要采取 数据压缩的原因。
第13页
2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
二、视频信号数字标准
视频信号数字标准有两个：主要标准和普通标推。 主要标准：4:2:2标准，这是电视演播室的标准。 4:2:2 标准的水平清晰度可达480线，传输码率216Mbit/s。 数字光盘DVD采用此标准。 普通标准：2:1:1标准，这是低档的标准。2:1:1标准的 水平清晰度只有240线，传输码率l08Mbit／s。数字 光盘VCD采用此标准。 两种标准具有兼容性，即可以互相转换。当从4:2:2标 准转到2:1:1标推时，取样点数减少一半，称为数字 抽取；当从2:1:1标准转到4:2:2标准时，取样点数将 增加一倍，称为数字内插。
MPEG压缩编码技术
一、视频信号数字化的特点
视频信号指的是彩色全电视信号(FBAS)：亮度信号、 色度信号、行场同步信号、行场消隐信号及其他辅 助信号组成。
第4页
2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压Leabharlann Baidu编码技术
常用的电视制式：NTSC制和PAL制。 PAL制即625/50制，场频为50HZ，两场为1帧，帧频 为25Hz，每帧有625行。根据隔行扫描原理，每一场 由312.5行组成，每一帧为625行，由此构成一幅完整 的电视图像。同步信号和消隐信号是始终不变的， 变化的是亮度信号，它随图像的明暗程度而变化。 视频信号与音频信号的区别： 一：由于亮度信号被同步信号和消隐信号分成一段一 段的，在时间上成为不连续； 二：音频信号的频率范围只有0~20kHz，而视频信号 的频率范围则达0~6MHz，两者之间相差很大。
第6页 2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
(一)视频信号的取样结构
无论何种制式，电视屏幕上的一幅完整图像都是以 隔行扫描的形式进行的，既有水平扫描又有垂直扫 描。这样在取样时就产生了取样点的分布问题，因 取样而构成图像上的样点排列方式称为取样结构。 视频取样结构：移动型、固定型
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2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
2.锥度编码模式 对一幅原始图像的分辨率按照水平方向和垂直方向不 断变化，相邻的两分辨率相差为2的倍数。 编码过程： 首先将原始图像信息进行滤波，再以原设定的2的倍 数为因子对滤波的结果进行“下行采样(downsampled)” 从而降低原始图像的分辨率。然后对已降低分辨率的 图像进行有损或无损方式编码。接着对低分辨率图像 解码，进行“上行采样(upsampled)”。相邻的两分辨 率的差值可用任何一种编码方式编码。重复上述步骤， 直到要编码图像达到完整的分辨率。注意，编码方式 可以是有损编码或无损编码，或者先是有损编码再是 无损编码。在低码率情况下锥形模式的性能优于JPEG 的其他编码模式。
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第4章
MPEG压缩编码技术
(二)取样频率
在电视信号中，取样频率考虑因素：亮度、色差、其他因素。
1、亮度信号的取样频率 1)与被取样信号的带宽有关 根据奈奎斯特取样定理，取样频率 至少是信号上限频率的2倍。对PAL制要求5.8－6MHz带宽， NTSC为5.6 MHz带宽。 2)混叠要求 为了保证取样后的混叠噪声足够小，要求取样频率 是信号带宽的2.2－2.7倍，对PAL制信号，取样频率至少应为 12.72～13.2MHz，为留有余量，应大于13.2MHZ。 3)正交取样结构的要求 取样频率必须是行频的整数倍。 4)制式兼容要求 为了使NTSC和PAL两种制式兼容、必须采用同 一 种 取 样 频 率 ， 而 PAL 制 行 频 为 l5625Hz，NTSC 制 行 频 为 15734Hz。二者的最小公倍数为2.25MHz。 综合以上因素， 将亮度信号的取样频率定为13.5MHz。
第25页
2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
JPEG的性能，用质量与比特率之比来衡量，是相当 优越的，尤其是它的复杂度之低和使用时间之长。 对于8bit的彩包照片的有损模式，亮度元素占8bit精 度，两种色度元素也各占8bit的精度，但采样率只有 原来的一半。因此，输入图像平均每像素只有16bit， 于是在0.5bit/像素下，其压缩率为32:1，2bit/像素的 压缩图像与原图像区别不大，0.25bit/像素的图像质 量中等。JPEG曾对0.083bit/像素的图像作了测试，发 现它仅能达到可以辨认的程度，因此，这个比率并 不在标准中提及。
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2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
码电平是指对模拟信号的量化级电平。 若对亮度信号采用8位均匀量化，可获得256个量化级， 即码电平从0－255，对应二进制的00000000— 11111111。 由于电路工作的不稳定性、陡峭的前置滤波器和孔阑 校正电路造成的过冲及钳位过程中的过渡过程等， 亮度信号可能超过这一动态范围而产生过载性限幅。 为了避免这一现象，256个量化级要进行分配，把亮 度 信 号 的 峰 峰 值 定 为 1 V， 便 其 电 平 变 化 范 围 为 0.063V一0.922V，对应的量化级数便从16—235，共 220级，在256个量化级中上端保留20级，下端保留 16级作为保护带；
JPEG除了基本模式，同时拥有多种有损或无损的编码 模式。 无损编码模式指的是数据经编码处理后，数据信息没 有任何损失，经解码处理可以完全恢复原来的数据。 典型的例子是计算机软件的压缩处理，如ZIP、RAR 等。 有损的编码模式指的是数据经编码处理后，数据信息 次要部分被丢失，经解码处理不能完全恢复原来的 数据。典型的例子是MPEG编码压缩。
第8页 2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
2.色度信号的取样频率
为了获得满意的彩色图像，两个色差信号应有2MHz 带宽，另外，考虑到混叠噪声、取样频率应为行频 的整数倍、制式的兼容性等要求，色差信号的取样 频率取6.75MHz。 图4-4为亮度信号和色差信号的取样点，其中圆圈为 亮度信号的取样点，三角为色差信号的取样点。
第27页
2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
l张12cm的光盘容量为6.25G bit，这样1张光盘只能存 储： 6.25Gbit/166Mbit/s＝37.7s。 对于一个2小时的电影节目，若要存在光盘里，则需 要2×60×60s/37.7s张＝19l张光盘，这显然是远远不 能满足实际要求的。 另一方面，166Mbit/s的码率对传输处理电路的技术 要求也很高。因此，必须对数据进行大幅度的压缩。 目前，活动图像数字信号压缩扩展的标准是MPEG标 准
第9页
2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
(三)量化位数和码电平的分配
信号的信噪比与量化位数有关。 单极性信号，其信噪比与量化位数的关系： S／Ng＝6n十10.8 n为量化位数 量化位数越大，信噪比越高。
综合考虑图像质量和设备技术要求等因素，采用8位量 化数比较合理，此时信噪比可达到59dB。
第11页 2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
两个色差信号与亮度信号不一样，它们以零 电平为中心上下分布。中心零电平对应的量 化级数为128，二进制表示为l0000000。另外 上下保护带各留16个量化级，即两个色差信 号共占用224级，从16—240，对应的二进制 为00010000一11110000。
第14页 2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
第15页
2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
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2013年9月22日星期日
第4章 第二节
MPEG压缩编码技术
静画数字压缩编码
一、JPEG标准简介 JPEG 是 Joint Photograph Experts Group 的缩写，这是 一个在1986年CCITT和ISO联合成立的一个图像专家 组-----联合影像专家组 JPEG标准即多灰度连续色调静态图像压缩编码，这是 一个适用于彩色和单色多灰度或连续色调静止数字 图像的压缩标准。
第4章
MPEG压缩编码技术
4.1 4.2
4.3
视频信号数字化 静画数字压缩编码
活动图像压缩编码
4.4
音频信号压缩编码
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2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
重点:活动图像MPEG压缩编码技术。 MPEG:MPEG-l、MPEG-2、MPEG-3、 MPEG-4等。(传输码率) MPEG压缩编码技术，是数字光盘设备 (VCD、DVD)的核心
第26页
2013年9月22日星期日
第4章 MPEG压缩编码技术 第三节 活动图像压缩编码
视频图像信号经数字化后，数据量变的非常庞大。 按电视信号数字化的标准，1帧信号有效行为576， 每秒传递25帧(PAL制)。 1行视频传号，若取720个像点，每个像点用16位量 化，则1行视频信号的为： 数字码=720×16 bit=11520bit。 码率=l1520×576×25bit／s＝166Mbit/s。
第5页 2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
对视频信号数字化的方式：全信 号数字化和分量数字化 全信号数字化：对图C信号直接进 行数字化 分量数字化：对图a、d和e信号分 别进行数字化，然后利用时分 复合方法进行处理。 分量数字化由于省去了电视信号 的反复解码和编码，亮度信号 和色差信号被分开处理，相互 间不存在干扰，同时对制式的 兼容性也好，所以目前普遍采 用分量数字化。
第24页 2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
3.熵编码
JPEG标准的熵编码分为两步。
一、将系数转换为中间符号序列， 二、这些符号进行Huffman编码或算术编码。 8×8块的DC值采用差分编码，AC系数的中间符号序 列的差异性比DC系数的差异性略大。DC系数和AC 系数的统计量不一样，它们采用了不同的Huffman表。
第4章 MPEG压缩编码技术 一、MPEG标准简介
MPEG的全称是运动图像专家组——Moving Picture Experts Group 是专门制定多媒体领域内的国际标准的一个组织，该 组织成立于1988年，由全世界大约300名多媒体技 术专家组成。 MPEG标准是面向运动图像压缩的一个系列标准。 最初MPEG专家组的工作项目是3个，即在1.5Mbps， lOMbps，40Mbps传输速率下对图像编码，分别命 名为MPEG-1，MPEG-2，MPEG-3。l992年， MPEG-2适用范围扩大到HDTV，能支持MPEG-3的 所有功能，因而MFEG-3被取消。
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第4章
MPEG压缩编码技术
二、基本原理
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MPEG压缩编码技术
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第4章
MPEG压缩编码技术
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第4章
MPEG压缩编码技术
具体编码模式：累进编码、锥形(金字塔形)编码和熵 编码三种。 1.累进编码模式 在低速下传送一幅粗糙的图像，然后再逐步求精。 某些用户如果不需要高质量的图片，仅以浏览为目 的，这种做法是相当有用的。实现累进编码要求足 够的缓冲空间存储整个图像中已量化的DCT系数。
第17页
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第4章
MPEG压缩编码技术
JPEG的目标如下： 1)达到(近乎)完美的图像质量。 2)可以压缩任何连续色调的静止图像，包括灰度和彩 色，任意色彩和空间和大多数尺寸。 3)可适用于大部分通用的计算机平台，硬件条件适中。
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MPEG压缩编码技术
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第4章
MPEG压缩编码技术
第一节 视频信号数字化
视频信号数字化处理的一些基本方式，如取样、量 化、编码和D/A转换等，与音频信号基本相同。 但由于视频信号自身的特点，其数字化处理也有其 特殊性，主要表现在取样结构和取样频率上。
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第4章
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第4章
MPEG压缩编码技术
(四)传输速率
在分量数字化中，亮度信号的取样频率为13.5MHz， 两个色差信号为6.75MHz，量化数为8，于是视频数 字信号的码率为： R＝ (13.5×8十 (6.75×8) × 2)Mbit/s＝216Mbit/s 可见它比数字音频的码率1.41Mbit/s要高得多，这就 对数字视频电路提出了更高的要求，这也是要采取 数据压缩的原因。
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MPEG压缩编码技术
二、视频信号数字标准
视频信号数字标准有两个：主要标准和普通标推。 主要标准：4:2:2标准，这是电视演播室的标准。 4:2:2 标准的水平清晰度可达480线，传输码率216Mbit/s。 数字光盘DVD采用此标准。 普通标准：2:1:1标准，这是低档的标准。2:1:1标准的 水平清晰度只有240线，传输码率l08Mbit／s。数字 光盘VCD采用此标准。 两种标准具有兼容性，即可以互相转换。当从4:2:2标 准转到2:1:1标推时，取样点数减少一半，称为数字 抽取；当从2:1:1标准转到4:2:2标准时，取样点数将 增加一倍，称为数字内插。
MPEG压缩编码技术
一、视频信号数字化的特点
视频信号指的是彩色全电视信号(FBAS)：亮度信号、 色度信号、行场同步信号、行场消隐信号及其他辅 助信号组成。
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第4章
MPEG压Leabharlann Baidu编码技术
常用的电视制式：NTSC制和PAL制。 PAL制即625/50制，场频为50HZ，两场为1帧，帧频 为25Hz，每帧有625行。根据隔行扫描原理，每一场 由312.5行组成，每一帧为625行，由此构成一幅完整 的电视图像。同步信号和消隐信号是始终不变的， 变化的是亮度信号，它随图像的明暗程度而变化。 视频信号与音频信号的区别： 一：由于亮度信号被同步信号和消隐信号分成一段一 段的，在时间上成为不连续； 二：音频信号的频率范围只有0~20kHz，而视频信号 的频率范围则达0~6MHz，两者之间相差很大。
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MPEG压缩编码技术
(一)视频信号的取样结构
无论何种制式，电视屏幕上的一幅完整图像都是以 隔行扫描的形式进行的，既有水平扫描又有垂直扫 描。这样在取样时就产生了取样点的分布问题，因 取样而构成图像上的样点排列方式称为取样结构。 视频取样结构：移动型、固定型
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MPEG压缩编码技术
2.锥度编码模式 对一幅原始图像的分辨率按照水平方向和垂直方向不 断变化，相邻的两分辨率相差为2的倍数。 编码过程： 首先将原始图像信息进行滤波，再以原设定的2的倍 数为因子对滤波的结果进行“下行采样(downsampled)” 从而降低原始图像的分辨率。然后对已降低分辨率的 图像进行有损或无损方式编码。接着对低分辨率图像 解码，进行“上行采样(upsampled)”。相邻的两分辨 率的差值可用任何一种编码方式编码。重复上述步骤， 直到要编码图像达到完整的分辨率。注意，编码方式 可以是有损编码或无损编码，或者先是有损编码再是 无损编码。在低码率情况下锥形模式的性能优于JPEG 的其他编码模式。
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MPEG压缩编码技术
(二)取样频率
在电视信号中，取样频率考虑因素：亮度、色差、其他因素。
1、亮度信号的取样频率 1)与被取样信号的带宽有关 根据奈奎斯特取样定理，取样频率 至少是信号上限频率的2倍。对PAL制要求5.8－6MHz带宽， NTSC为5.6 MHz带宽。 2)混叠要求 为了保证取样后的混叠噪声足够小，要求取样频率 是信号带宽的2.2－2.7倍，对PAL制信号，取样频率至少应为 12.72～13.2MHz，为留有余量，应大于13.2MHZ。 3)正交取样结构的要求 取样频率必须是行频的整数倍。 4)制式兼容要求 为了使NTSC和PAL两种制式兼容、必须采用同 一 种 取 样 频 率 ， 而 PAL 制 行 频 为 l5625Hz，NTSC 制 行 频 为 15734Hz。二者的最小公倍数为2.25MHz。 综合以上因素， 将亮度信号的取样频率定为13.5MHz。
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MPEG压缩编码技术
JPEG的性能，用质量与比特率之比来衡量，是相当 优越的，尤其是它的复杂度之低和使用时间之长。 对于8bit的彩包照片的有损模式，亮度元素占8bit精 度，两种色度元素也各占8bit的精度，但采样率只有 原来的一半。因此，输入图像平均每像素只有16bit， 于是在0.5bit/像素下，其压缩率为32:1，2bit/像素的 压缩图像与原图像区别不大，0.25bit/像素的图像质 量中等。JPEG曾对0.083bit/像素的图像作了测试，发 现它仅能达到可以辨认的程度，因此，这个比率并 不在标准中提及。
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MPEG压缩编码技术
码电平是指对模拟信号的量化级电平。 若对亮度信号采用8位均匀量化，可获得256个量化级， 即码电平从0－255，对应二进制的00000000— 11111111。 由于电路工作的不稳定性、陡峭的前置滤波器和孔阑 校正电路造成的过冲及钳位过程中的过渡过程等， 亮度信号可能超过这一动态范围而产生过载性限幅。 为了避免这一现象，256个量化级要进行分配，把亮 度 信 号 的 峰 峰 值 定 为 1 V， 便 其 电 平 变 化 范 围 为 0.063V一0.922V，对应的量化级数便从16—235，共 220级，在256个量化级中上端保留20级，下端保留 16级作为保护带；
JPEG除了基本模式，同时拥有多种有损或无损的编码 模式。 无损编码模式指的是数据经编码处理后，数据信息没 有任何损失，经解码处理可以完全恢复原来的数据。 典型的例子是计算机软件的压缩处理，如ZIP、RAR 等。 有损的编码模式指的是数据经编码处理后，数据信息 次要部分被丢失，经解码处理不能完全恢复原来的 数据。典型的例子是MPEG编码压缩。
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第4章
MPEG压缩编码技术
2.色度信号的取样频率
为了获得满意的彩色图像，两个色差信号应有2MHz 带宽，另外，考虑到混叠噪声、取样频率应为行频 的整数倍、制式的兼容性等要求，色差信号的取样 频率取6.75MHz。 图4-4为亮度信号和色差信号的取样点，其中圆圈为 亮度信号的取样点，三角为色差信号的取样点。
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MPEG压缩编码技术
l张12cm的光盘容量为6.25G bit，这样1张光盘只能存 储： 6.25Gbit/166Mbit/s＝37.7s。 对于一个2小时的电影节目，若要存在光盘里，则需 要2×60×60s/37.7s张＝19l张光盘，这显然是远远不 能满足实际要求的。 另一方面，166Mbit/s的码率对传输处理电路的技术 要求也很高。因此，必须对数据进行大幅度的压缩。 目前，活动图像数字信号压缩扩展的标准是MPEG标 准
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MPEG压缩编码技术
(三)量化位数和码电平的分配
信号的信噪比与量化位数有关。 单极性信号，其信噪比与量化位数的关系： S／Ng＝6n十10.8 n为量化位数 量化位数越大，信噪比越高。
综合考虑图像质量和设备技术要求等因素，采用8位量 化数比较合理，此时信噪比可达到59dB。
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MPEG压缩编码技术
两个色差信号与亮度信号不一样，它们以零 电平为中心上下分布。中心零电平对应的量 化级数为128，二进制表示为l0000000。另外 上下保护带各留16个量化级，即两个色差信 号共占用224级，从16—240，对应的二进制 为00010000一11110000。
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第4章 第二节
MPEG压缩编码技术
静画数字压缩编码
一、JPEG标准简介 JPEG 是 Joint Photograph Experts Group 的缩写，这是 一个在1986年CCITT和ISO联合成立的一个图像专家 组-----联合影像专家组 JPEG标准即多灰度连续色调静态图像压缩编码，这是 一个适用于彩色和单色多灰度或连续色调静止数字 图像的压缩标准。
第4章
MPEG压缩编码技术
4.1 4.2
4.3
视频信号数字化 静画数字压缩编码
活动图像压缩编码
4.4
音频信号压缩编码
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MPEG压缩编码技术
重点:活动图像MPEG压缩编码技术。 MPEG:MPEG-l、MPEG-2、MPEG-3、 MPEG-4等。(传输码率) MPEG压缩编码技术，是数字光盘设备 (VCD、DVD)的核心
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第4章 MPEG压缩编码技术 第三节 活动图像压缩编码
视频图像信号经数字化后，数据量变的非常庞大。 按电视信号数字化的标准，1帧信号有效行为576， 每秒传递25帧(PAL制)。 1行视频传号，若取720个像点，每个像点用16位量 化，则1行视频信号的为： 数字码=720×16 bit=11520bit。 码率=l1520×576×25bit／s＝166Mbit/s。
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第4章
MPEG压缩编码技术
对视频信号数字化的方式：全信 号数字化和分量数字化 全信号数字化：对图C信号直接进 行数字化 分量数字化：对图a、d和e信号分 别进行数字化，然后利用时分 复合方法进行处理。 分量数字化由于省去了电视信号 的反复解码和编码，亮度信号 和色差信号被分开处理，相互 间不存在干扰，同时对制式的 兼容性也好，所以目前普遍采 用分量数字化。
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第4章
MPEG压缩编码技术
3.熵编码
JPEG标准的熵编码分为两步。
一、将系数转换为中间符号序列， 二、这些符号进行Huffman编码或算术编码。 8×8块的DC值采用差分编码，AC系数的中间符号序 列的差异性比DC系数的差异性略大。DC系数和AC 系数的统计量不一样，它们采用了不同的Huffman表。