（信息与通信工程专业论文）motion+jpeg2000视频编码技术研究.pdf

摘要 2 0 0 2 年j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ( 联合图像专家小组：j p e g ) 制订了 基于j p e g 2 0 0 0 的运动图像标准：m o t i o nj p e g 2 0 0 0 ( 即j p e g 2 0 0 0p a r ti i i ，简称 为m j 2 或m j 2 k ) ，该标准对视频序列各帧独立采用j p e g 2 0 0 0 编码，各帧编码数 据完全独立，编码得到的视频序列具有可分级性( s c a l a b l e ) 。与其他视频编码标 准相比，m o t i o nj p e g 2 0 0 0 抗干扰能力强、生成的编码序列易于编辑，因此目前 越来越多地应用于数码相机，数字摄像机( d i g i t a lv i d e o ：d v ) 、数字影院、视频 编辑器、监控、远程医疗等领域，2 0 0 5 年好莱坞7 大影业巨头联合确定m o t i o n j p e g 2 0 0 0 为未来数字影院标准，得到工业界和娱乐界支持的m o t i o nj p e g 2 0 0 0 标准必在不久的将来大展身手。本文针对当前m o t i o nj p e g 2 0 0 0 的应用领域，探 讨了m o t i o nj p e g 2 0 0 0 编码中的某些关键技术。 在总容量一定的条件下，采用可变码率编码可以得到图像质量稳定的序列。 本文首先研究了m o t i o nj p e g 2 0 0 0 可变码率编码问题，提出了针对非实时应用、 基于率失真函数预测的可变码率控制算法和针对实时处理、适合硬件实现的可变 码率控制方案。基于率失真函数预测的码率控制算法仅选择序列中部分帧进行 j p e g 2 0 0 0 编码，同时记录各编码帧率失真函数，位于各编码帧之间的未编码帧 的率失真函数则根据帧间相关性由已知信息预测得到。与以往文献中的可变码率 控制方法相比，基于率失真函数预测的码率控制算法在码控所需存储容量相同的 条件下可获得质量更加平滑的编码序列。在本文提出的实时可变码率控制方案 中，将参加码控各帧的率失真函数记录在一组查找表中，通过在查找表组中搜索 适当截止门限，平滑存储器组中各帧的编码质量。该方法延迟固定、查找表结构 适合硬件快速完成截止门限的搜索工作，该方案适用于分辨率、压缩率固定的消 费电子产品( 如d v ，数码相机等) 。 m o t i o nj p e g 2 0 0 0 标准中各帧独立地采用j p e g 2 0 0 0 编码，j p e g 2 0 0 0 的压缩 后率失真最优化( p o s tc o m p r e s s i o nr a t ed i s t o r t i o no p t i m i z a t i o n ：p c r d o p t ) 码控算 法在t i e r l 阶段编码结束后才进行，在t i e r l 阶段必须对所有码块的所有扫描通道 ( p a s s ) 编码并记录其对应的率失真函数，需要占用大量存储空间和编码时间， 而一些t i e rl 阶段生成的编码未能进入最终合成的码流，造成存储容量和编码量 的巨大浪费。当编码帧率较高时，这些浪费阻碍了m o t i o nj p e g 2 0 0 0 实时编码的 实现，本文接着研究了如何利用m o t i o nj - p e g 2 0 0 0 视频特性尽早终止各帧 j p e g 2 0 0 0 编码时t i e r l 阶段不必要的编码，减少编码器对存储容量的需求和编码 计算的浪费，提出了一种m o t i o nj p e g 2 0 0 0 码率控制算法，利用相同场景各帧率 失真函数相似、j p e g 2 0 0 0 编码能够精确控制生成码率的特点，根据已编码帧的 率失真信息估计出同一场景待编码帧截止门限的下限，对那些率失真斜率小于该 值的扫描通道停止编码。为了进一步减少编码量，本文对算法做了进一步改进， 在t i e r l 阶段增加反馈机制，每个码块编码结束后重新判断后续码块的编码停止 门限，使得后续码块的编码停止门限逐渐接近图像的实际截止门限。该算法适用 于任何压缩率。 支持感兴趣区域( r e g i o no f i n t e r e s t i n g ：r o i ) 编码是j p e g 2 0 0 0 m o t i o nj p e g 2 0 0 0 的重要特征，在用于远程医疗会诊等方面的m o t i o nj p e g 2 0 0 0 系统中通常希望能 够支持动态r o i 编码，即l 的i 区域、优先级可以在编码过程中变化。本文第三 章探讨了感兴趣区域编码问题，提出了二种动态、码块优先的r o i 编码算法 d i r c 、d w a r c ，二者均支持多个感兴趣区域有各自独立的优先级并且优先级可 以在编码过程中动态改变，其生成码流与标准完全兼容。d i r c 算法在各编码层 ( 1 a y e r ) 对r o i 和背景分别设定目标码率，在最终形成的码流中感兴趣区域码块 其在各层的截止门限由高码率确定，而背景码块对应的截止门限由低码率决定。 d w a r c 算法可以精确控制r o i 编码生成码率，在标准j p e g 2 0 0 0 编码基础上统 计并调整r o i 、背景各自生成比特数，使得r o i 获得更好的编码质量。 编码码流在网络、无线信道中传输时，数据可能发生错误或丢失，本文第四 章探讨了m o t i o nj p e g 2 0 0 0 错误掩盖( e r r o rc o n c e a l m e n t ：e c ) 技术。不同子带错 误对图象质量影响不同，其中低频子带错误影响最严重，本文提出了一种当低频 子带完全被破坏时利用视频序列的时域参考信息进行错误掩盖的算法。算法以正 确接收的、与受损帧属于同一场景的帧做参考帧，对受损帧和参考帧分别用s o b e l 算子提取边缘信息，根据边缘图像运动估计结果将受损帧分为高运动帧、部分高 运动帧和完全低运动帧，对前二种帧用运动补偿法重构图像，对完全低运动帧用 代替法修复l l 子带数据。文章进一步讨论了在高频子带、l l 子带均发生错误的 情况下如何应用该算法恢复l l 子带。实验证明了算法的有效性。 关键词：m o t i o nj p e g 2 0 0 0 编码，码率控制，可变码率控制，感兴趣区域编 码，错误掩盖 a b s t r a c t t h ej o i n tp h o t og r a p h i ce x p e r t sg r o u ps u b m i t t e das t a n d a r d ：m o t i o nj p e g 2 0 0 0f o r m o v i n gi m a g e si n2 0 0 2 m o t i o nj p g 2 0 0 0 ( m j 2 ) c o d e se a c hf r a m ei ns e q u e n c e i n d e p e n d e n t l yu s i n gj p e g 2 0 0 0 t h ec o m p r e s s e db i t s t r e a mi ss c a l a b l e c o m p a r e dt o o t h e r v i d e oc o d i n gs t a n d a r d ，m o t i o nj p e g 2 0 0 0h a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha s r o b u s t n e s s ，e a s ye d i t i n ga n de t c i ti sw i d e l yu s e di nd i g i t a lc i n e m a , d i g i t a lc a m e r a , d i g i t a lv i d e o ，h i g h q u a l i t yf r a m e b a s e dv i d e or e c o r d i n ga n de d i t i n g ，r e m o t es u r v e i l l a n c e a n de t c s e v e nh o l l w o o d sg i a n t ss e l e c t e dm o t i o nj p e g 2 0 0 0a sc o m p r e s s i o ns t a n d a r dt o b eu s e di nd i g i t a lc i n e m as y s t e mi n2 0 0 5 w i t hs u p p o r to fe n t e r t a i n m e n ta n di n d u s t r i a l c o m m u n i t y ，m o t i o nj p e g 2 0 0 0h a sp r o m i s i n gf u t u r e t h ep a p e rp r o b e si n t om o t i o n j p e g 2 0 0 0k e yt e c h n o l o g y si ni t sa p p l i c a t i o nf i e l d f i r s t l y , t h ep a p e rd i s c u s s e sv a r i a b l eb i t r a t ec o n t r o li nm o t i o nj p e g 2 0 0 0 a c c o r d i n g t oh u m a nv i s u a ls y s t e m ，s e q u e n c ew i t hc o n s i s t e n tq u a l i t yp r e s e n th i g h e rp e r f o r m a n c e t h ep a p e rp r o p o s e sar a t ec o n t r o la l g o r i t h m ，b a s e do nr a t e - d i s t o r t i o nf u n c t i o np r e d i c t i o n ， f o rn o n - r e a l t i m ea p p l i c a t i o n i ta l s op r e s e n t sav a r i a b l er a t ec o n t r o lm e t h o df o rr e a l t i m e a p p l i c a t i o n i nt h ep r o p o s a lm e t h o d sf o rn o n r e a l t i m ea p p l i c a t i o n ，o n l yp a r t so ff r a m e s i ns e q u e n c ea r ec o d e da n dt h e i rr a t e d i s t o r t i o nf u n c t i o n sa r er e c o r d e d f o rt h o s e u n c o d e df r a m e s ，t h e i rr a t e d i s t o r t i o nc h a r a c t e r sa lep r e d i c t e da c c o r d i n gt ok n o w n i n f o r m a t i o n c o m p a r e dt op r e v i o u sa l g o r i t h m s ，t h ep r o p o s e dm e t h o da c h i e v em o r e c o n s i s t e n tb i t s t r e a mw h i l ea c q u i r i n gs a m eb u f f e r sf o rr a t ec o n t r 0 1 i nt h ep r o p o s a l m e t h o df o rr e a l t i m e a p p l i c a t i o n ，e a c hb u f f e r t h a ts t o r e sac o d e df r a m eh a sa c o r r e s p o n d i n gl o o k u pt a b l e l o o k u pt a b l ei n s t e a do fd i s c r e t ef u n c t i o ni su s e dt or e c o r d t h er a t e - d i s t o r t i o nf u n c t i o n t h el o o k u pt a b l ei ss u i t a b l ef o rh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o nt o f i n dt h et h r e s h o l d t h em e t h o dh a sc o n s t a n td e l a ya n dc a nb eu s e df o rt h o s ec o n s u m e r e l e c t r o n i c sp r o d u c t sw h i c hh a sc o n s t a n tr e s o l u t i o na n dc o m p r e s s i o nr a t i o ( s u c ha sd i g i t a l v i d e oa n dd i g i t a lc a m e r a ) m o t i o nj p e g 2 0 0 0c o d ee a c hf r a m eu s i n gj p e g 2 0 0 0 t h er a t ec o n t r o la l g o r i t h mi n j p e g 2 0 0 0c o d i n gi sc a l l e dp c r d o p t ( p o s tc o m p r e s s i o nr a t ed i s t o r t i o no p t i m i z a t i o n ) s i n c et h er a t ec o n t r o li sp r o c e e d e da f t e rt h et i e r lc o d i n g ，t h ee n c o d e rh a st oc o d ea l l p a s s e sa n dr e c o r da l lr a t e d i s t o r t i o nc h a r a c t e r sf o re a c hc o d e b l o c ke v e nt h o u g hl o t so f p a s s e sw i l lb ed i s c a r d e di nt h ef i n a lc o d e s t r e a m i tw i l lc a u s e sg r e a tw a s t ee s p e c i a l l ya t l o wb i t r a t ec o d i n g w h e nt h ev i d e oh a sh i g h e rf r a m er a t e ，t o om u c hw a s t i n gt i m ei n f l i e db l o c k sr e a l t i m er e a l i z t i o nf o rm o t i o nj p e g 2 0 0 0 t h ep a p e rt h e nf o c u so nh o wt o d e c i d et r u n c a t i o nt h r e s h o l da ss o o na sp o s s i b l ei nt i e r lc o d i n g ar a t ec o n t r o lm e t h o di s p r o p o s e df o rm o t i o nj p e g 2 0 0 0 i tu t i l i z e st w of e a t u r e so fm j 2 ：a c c u r a t er a t ec o n t r o l a n dr a t e - d i s t o r t i o nc o r r e l a t i o na m o n gf r a m e so ft h es a m es c e n e i td e t e r m i n e st h ei n i t i a l c u t o f ft h r e s h o l df o rt h ec o d i n gf r a m ea c c o r d i n gt ot h ep r e v i o u sf r a m e 担c h a r a c t e ra n d a v o i d se n c o d i n gu n n e c e s s a r yc o d i n gu n i t s w et h e na d df e e d b a c ks c h e m ei nt h e p r o p o s a lm e t h o dt of u r t h e rd e c r e a s et h ec o m p u t a t i o nc o s ti nt i e r1 n e wc u t o f ft h r e s h o l d i sd e c i d e da f t e re a c hp a s sc o d i n g w i t hm o r ec o d e b l o c kc o d e d ，t h ec u t o f ft h r e s h o l d c o m e st ot h ea c t u a lt h r e s h o l dg r a d u a l l y t h ec o d i n gc o s ti nt i e r li sd e c r e a s e df u r t h e r t h ep r o p o s e dm e t h o di se f f i c i e n ta ta n yc o m p r e s s i o nr a t i o r e g i o no fi n t e r e s t ( r o i ) i sa ni m p o r t a n tf e a t u r eo fj p e g 2 0 0 0 m o t i o nj p e g 2 0 0 0 d y n a m i cr o ic o d i n gi so f t e nr e q u i r e di nr e m o t em e d i c a ls y s t e ma n ds u r v e i l l a n c eo n e s i nd y n a m i cr o ic o d i n g ，b o t ht h er o ir e g i o na n di t sp r i o r i t yc a nb em o d i f i e df r e e l y c h a p t e r3d i s c u s st h er o ic o d i n gi nj p e g 2 0 0 0 m o t i o nj p e g 2 0 0 0 t w od y n a m i cr o i a l g o r i t h m ，b a s e do nc o d e b l o c k , d i r ca n dd w a r ca r ep r o p o s e d t h ep r o p o s e d s t r a t e g i e sp r o d u c eaf u l l yc o m p l i a n tj p e g 2 0 0 0c o d e s t r e a m t h e ya l l o wt r a n s m i s s i o no f d i f f e r e n tr o i sw i t hd i f f e r e n tp r i o r i t i e sa n ds u p p o r td y n a m i cd e l i n e a t i o no ft h e m t h e d e c o d e rt h ep r o p o s a la l g o r i t h m sr e q u i r e di sc o m p a t i b l ew i t hj p e g 2 0 0 0s t a n d a r d t h e d i r cr e a r r a n g e st r u n c a t i o np o i n tf o re v e r yc o d e b l o c ki ne a c hl a y e r i ta s s i g n sh i g h e r b i t r a t et or o ia n dl o w e rb i t r a t et on o n r o ia n dc o m b i n e st h e mt oc o d e s t r e a m t h e d w a r cc a na c h i e rt h ea c c u r a t eb i t r a t ec o n t r o li ne a c hl a y e r f i r s t l y , t h ei m a g ei s e n c o d e da sn o r m a l t h e ni tr e a l l o c a t e st h eb i t sa l l o c a t e df o rr o ia n db a c k g r o u n d b y t h i sw a y , r o ic a na c h i e v eh i g h e rp e r f o r m a n c e d a t am a yb ed a m a g e do rm i s s e dw h i l et r a n s m i t t e di ni n t e r n e to rw i r e l e s sc h a n n e l c h a p t e r4i sa b o u tt h ee r r o rc o n c e a l m e n tt e c h n i q u ef o rm o t i o nj p e g 2 0 0 0 t h e i n f l u e n c eo fd a m a g e ds u b b a n dd e p e n d so nt h es u b b a n df l e q u e n c y e r r o ri nl o w f r e q u e n c ys u b b a n dh a st h ew o r s te f f e c t f o rt h ew o r s ts i t u a t i o n ：a l ld a t ei nl ls u b b a n d a r ed a m a g e d ，w ep r o p o s ear e c o n s t r u c t i o nm e t h o d i tc h o o s ear e f e r e n c ef l a m e ，w h i c hi s r e c e i v e dc o r r e c t l ya n db e l o n g st ot h es a m es c e n ea st h ec o r r u p t e do n e t h es o b e l o p e r a t o ri sa p p l i e dt og e te d g ei m a g eo fr e f e r e n c ef r a m ea n dt h ec o r r u p t e do n e a c c o r d i n gt om o t i o ne s t i m a t i o n r e s u l tf o re d g ei m a g e s ，t h ec o r r u p t e df r a m ei s c a t e g o r i e di n t of l a m ew i t hh i g hm o t i o n ，f l a m ew i t hp a r to fm o t i o na n ds t i l lf l a m e t h e r e p l a c e m e n tm e t h o di sa p p i e dt or e c o n s t r u c tl ls u b a n df o rs t i l lf l a m e ，w h i l em o t i o n c o m p e n s a t i o ni sa p p l i e dt o o t h e rf r a m e s t h ep a p e ra l s od i s c u s s e st h em e t h o d 扫 e f f e c t i v e n e s sw h e no t h e rs u b b a n d ，a sw e l la sl ls u b b a n d , o c c u r sm i s t a k e t h e e x p e r i m e n t sp r o v et h em e t h o d 担v a l i d i t y k e yw o r d s ：m o t i o nj p e g 2 0 0 0c o d i n g ，b i t r a t ec o n t r o l ，v a r i a b l eb i t r a t ec o n t r o l ， r e g i o no fi n t e r e s t ，e r r o rc o n c e a l m e n t 符号说明 英文缩写英文全称中文含义 a a c 斟 b p p b b b s h i r b p r c c b c b r d c c d i r c d b r c d w t d w a r c d v e b c o t e c f e c f i f o f p r c g g d g s b m i d s m j 2 m 1 2 w t m a x s h i f t m s b a d v a n c e da u d i oc o d i n g a u d i o m d e o b i tp e rp i x e l b i t p l a n e b y b i t p l a n es h i f t b i d i r e c t i o np r e d i c t i o nr a t ec o n t r o l c o d e b l o c k c o n s t a n tb i tr a t e d i f f e n t i c a lc h a i nc o d i n g d y n a m i ci n t e r a c t i v er o ic o d i n g d o u b l eb u f f e rr a t ec o n t r o l d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o n n d i r cw i t ha c c u r a t er a t ec o n t r o i d i g i t a lv i d e o e m b e d d e db l o c k c o d i n g w i t h o p t i m i z e dt r u n c a t i o n e r r o rc o n c e a l m e n t f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n f i r s ti nf i r s to u t f o r w a r dp r e d i c t i o nr a t ec o n t r o l g e n e r a l i z e dg a u s s i a nd e n s i t y g e n e r a ls c a l i n gb a s e dm e t h o d i n t e r e s t e dd i r e c t i o n a ls e t s m o t i o nj p e g 2 0 0 0 m o d i f i e di t e r a t i v em e t h o dw i t h t r u n c a t i o nt ot a r g e tb i t m a x i m u ms h i r m o s ts i g n i f i c a n tb i t 高级音频编码 音视频 比特每象素 逐个位平面移位 双向预测码率控制 码块 固定码率 差分链编码 动态交互感兴趣区域 编码 双存储器码率控制 离散小波变换 精确码率控制的d i r c 数码摄像机 优化截断的嵌入式分 块编码 差错掩盖 前向纠错 先进先出 前向预测码率控制 广义高斯密度 通用基于缩放比例算 法 感兴趣方向集合 运动j p e g 2 0 0 0 改进的按码率截取迭 代算法 最大移位算法 最高有效位 m j e c e x m d c p c r d o p t p s b s h i r p o c s r c w i c t r ds l o p e r o i s b r c s a d s a d w t v b r m o t i o nj p e g 2 0 0 0e r r o rc o n c e a l m e n t 基于边缘提取的 b a s e do ne d g ee x t r a c t i o n m o t i o nj p e g 2 0 0 0 差错 掩盖 m u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d i n g多描述编码 p o s t c o m p r e s s i o n r a t e d i s t o r t i o n 压缩后率失真最优化 o p t i m i z a t i o n p a r t i a ls i g n i f i c a n tb i t p l a n e ss h i f t 部分有效位平面移位 p r o j e c to nc o n v e xs e t s 凸集投影 r a t ec o n t r o lw i t hi n i t i a l c u t o f f 确定初始截止门限的 t h r e s h o l d 码率控制 r a t e d i s t o r t i o ns l o p e 率失真斜率 r e g i o no f i n t e r e s t感兴趣区域 s i n g l eb u f f e rr a t ec o n t r o l单存储器码率控制 s u m m e da b s o l u t ed i s t o r t i o n 绝对误差和 s h a p e - a d a p t i v e d i s c r e t e w a v e l e t 形状自适应小波变换 w a n s f c i r i l l v a r i a b l eb i tr a t e 可变码率 附件四 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：& p 刁年c 9 月乙日 附件五 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 i 不保密酣。 ( 请在以上方框内打“”) 一躲降， 吼母7 月影日 指导教师签名狮兮 日期： 9 0 年习月 e 1 上海交通大学博士学位论文 2 0 0 7 年5 月 1 1 视频编码发展概况 第一章绪论 视觉是人类获取信息的主要渠道，据统计视觉信息占信息总量的7 0 以上， 随着电视、电影等娱乐咨讯的发展，视频图像在信息传播中占有越来越重要的地 位。视频图像数据量极大，为了减少传输量，我们必须对视频图像信息编码压缩。 图像压缩是通过删除图像数据中冗余的或不必要的部分来减小图像数据量的技 术。在过去的l o 多年问，视频编码技术在学术界与工业界的共同努力下取得了 突飞猛进的发展。主要的视频标准包括i t u t 在h 2 6 x 系列【2 l - - - f 习和i s o i e c 制订 的m p e g 系列i n - - - 1 3 1 。 m p e g 系列标准的演变是由几个指标综合推动的：目标应用、时间和空间分 辨率、码率、压缩率和视频音频质量。最初的m p e g i 用于在c d r o m 上存储视 频信号，目标数据传输率为1 5 m b p s ，目前已成为视频标准的一个子集：c p b 流， m p 3 则是m p e g la u d i ol a y e r i i i 框架的实现。为了获得如c c i r 6 0 1 建议的视频质 量，满足d v b 、h d t v 和d v d 应用的需求，制订了传输数据率为3 m b p s 1 0 m b p s 的运动图像及其伴音的编码标准m p e g 2 ，它与m p e g l 完全兼容并且提供低码率 和多声道的扩展。m p e g 2 在m p e g 3 被淘汰的情况下，承担了m p e g 3 的功能。 m p e g 4 的出现意味着m p e g 标准的巨大转变，其根本特征是引入了a v 对象 ( a u d i o v i s u a l 对象) ，相关操作面向对象。它不仅针对某一固定码率( 1 0 k 一- 1 m b i t s ) 视频音频编码，还注重多媒体系统的交互性和灵活性，主要应用有：w e b 网上的音频点播、窄带无线数字广播、w e b 网上的视频服务、移动设备上的交互 式多媒体、数字多媒体广播、电子节目指南、w e b 网上的虚拟现实( v r ) 体验、 虚拟场所、交互式本地多媒体等。 i t u t 制订的h 2 6 3 标准针对低码率视频编码，是i t u t 在电路交换和分组 1 上海交通大学博士学位论文2 0 0 7 年5 月 交换网络上制定的多媒体信息传输系列标准之一，在码率低于3 0 k b t i s 时提供基 本的视频质量，其基本的编码模型( b a s e l i n e ) 亦是m p e g 4 标准的简单档次( s i m p l e p r o f i l e ) 。h 2 6 4 从标准制定到颁布一直是l t u 、m p e g 、d v d 、d v b 、3 g p p 等 工业化组织共同推进的视频编码国际标准，在众多行业巨擘的推动下，h 2 6 4 技 术应用迅速进入到视频服务、媒体制作发行、固定及移动运营网络、平台开发、 设备终端制造、芯片开发等多个领域，使视频压缩技术能够在较低带宽上提供高 质量的图像传输，适合国内运营商用户量大、接入网骨干网带宽相对有限的状况。 在同等的画质下，h 2 6 4 比上一代编码标准m p e g 2 平均节约6 4 的传输码流， 比m p e g 4a s p 要平均节约3 9 的传输码流，在有限的带宽资源下进一步提高图 像质量。 j p e g 2 0 0 0 t 6 r - - t l o 】是i 圭tj o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ( 联合图像专家小组： j p e g ) 制订的新一代图像压缩标准，该标准的代号为i s o 仃e c l 5 4 4 4 或i t u t t 8 0 0 。 2 0 0 2 年1 1 月j p e g 提出了将j p e g 2 0 0 0 图像编码技术应用于视频的j p e g 2 0 0 0p a r ta s 分 8 1 ，即动态j p e g 2 0 0 0 部分：m o t i o nj p e g 2 0 0 0 ( 简称m j 2 或m j 2 k ) 。m o t i o n j p e g 2 0 0 0 是主要以第l 部分【6 j 的附加文件格式为基础的视频编码标准，它继承了 j p e g 2 0 0 0 图像编码的特点。与现有的m p e g 、h 2 6 x 系列视频压缩标准不同，m o t i o n j p e g 2 0 0 0 只进行帧内编码，没有运动估值和帧间预测编码，生成文件中允许包含 一个或多个j p e g 2 0 0 0 压缩图像序列，与声音、元数据同步后存储为m j 2 的文件格 式。为了实现与其它视频编码标准的互操作性，其设计中努力实现与现有 j p e g 2 0 0 0 、m p e g 4 的兼容【1 4 】 p s 。 1 2m o t i o nj p e g 2 0 0 0 介绍 1 2 1 、m o t i 0 1 1j p e g 2 0 0 0 特点 与以往视频编码标准相比，m o t i o nj p e g 2 0 0 0 具有如下特征【1 4 】- 【1 6 1 ： 一最佳帧内压缩性能：m o t i o nj p e g 2 0 0 0 基于集静态图像压缩技术之大成的 j p e g 2 0 0 0 ，综合了小波变换和嵌入式算术编码器的技术优势，采用独特 的压缩后率失真最优化处理，可以达到任何码率下最佳图像质量。 2 上海交通大学博士学位论文2 0 0 7 年5 月 _ 硬件实现简单：完全采用帧内压缩技术，在保持压缩性能的同时降低了 硬件实现的复杂度。 _ 易于编辑：m p e g 、h 2 6 x 的帧间压缩使得各帧数据不独立，码流格式复 杂，删除或插入一帧数据要涉及众多操作，对其中某帧的操作要依赖于 其前后帧并影响后续帧，因此在码流级编辑数据非常困难。m o t i o n j p e g 2 0 0 0 编码中各帧数据独立，因此可以非常方便地插入、移动、删除 或任意修改一帧而丝毫不涉及其他帧。m o t i o nj p e g 2 0 0 0 还提供任意区域 的随机访问，用户可以在不解压情况下直接对某帧的某个区域作翻转缩 放等几何操作。 一 可缩放的性能：j p e g 2 0 0 0 所采用的p c r d o p t 是一种全新的码率控制方 法，把码率控制、压缩编码分离开来，得到的图像在码率下降的同时能 保持率失真最优。由于m o t i o nj p e g 2 0 0 0 编码得到的是一组j p e g 2 0 0 0 图 像序列，用户甚至可以对不同帧指定不同的压缩率。解码端可以采用分 级( s c a l a b l e ) 解码，若只需较低图像质量时则只提取较少编码数据提高 解码速度。 提供有损和无损压缩功能：其它运动图像压缩标准均不提供无损压缩， 对于高端应用如医学图像和卫星遥感图像，无损压缩有时是必须的；对 一些需要高清晰度的应用如广播级的视频编辑，无损压缩也有很大的吸 引力。 _ 基于内容的快速搜索：m o t i o nj p e g 2 0 0 0 提供了注释功能，可以把注释内 容集成在码流中，方便用户在影片内快速定位。 _ 有效抑制传输误码：m o t i o nj p e g 2 0 0 0 采用帧内压缩，错误帧不会对其他 编码帧造成影响。此外对每个码块单独编码的方式亦防止错误在码块间 扩散，数据包格式中对最重要的码流统计信息采用了能有效抑制误码的 编码方法，还提供了可选的同步标记、内容列表标记和包开始结束标记 来帮助检测误码。 格式兼容性好：其采用的文件格式m j 2 在设计之初就充分考虑了与现有 格式的兼容问题，可和m p e g 4 、q u i c k t i m e 、j p e g 2 0 0 0 等标准格式兼容。 3 上海交通大学博士学位论文2 0 0 7 年5 月 1 2 2m o t i o nj p e g 2 0 0 0 应用领域 随着视频应用的发展，预计m o t i o nj p e g 2 0 0 0 可以在如下领域得到广泛应用 【1 4 】【1 6 】： 一远程监控：目前监控记录图像大多使用录像带等模拟设备，得到的图像质量 差且不便于存储和检索。常用视频m p e g 编码压缩率虽高，但由于采用帧间 压缩，高速运动的物体可能编码后出现马赛克现象，不利于观察突发事件； m o t i o nj p e g 2 0 0 0 在高压缩率下仍有较好的图像质量，并且对重点区域可以 进行感兴趣编码，获得更高清晰度用于识别；其所加的标注便于检索；图像 可以打包成为m j 2 格式的影片，方便保存和整理，根据时间准确定位，提高 了监控工作效率。由于码率较低和抗误码性能好，还可应用于无线远程监控 和因特