图像编码标准

1、第四章第四章 图象压缩编码标准图象压缩编码标准第一节第一节 MPEG动态图像压缩编码标准动态图像压缩编码标准一、一、MPEG的标准包括三部分：视频、音频、视音频同步的标准包括三部分：视频、音频、视音频同步 MPEG视频压缩技术是针对运动图象的数据压缩技术。在保证图象质量的前提下，视频压缩技术是针对运动图象的数据压缩技术。在保证图象质量的前提下，实现高压缩比的压缩算法。采用帧内图象数据压缩和帧间图象数据压缩技术，用于实现高压缩比的压缩算法。采用帧内图象数据压缩和帧间图象数据压缩技术，用于减少空域和时域冗余信息。减少空域和时域冗余信息。 MPEG算法对视频和音频信息组合起来处理，产生达到算法对视频

2、和音频信息组合起来处理，产生达到电视质量的视音频压缩格式的电视质量的视音频压缩格式的MPEG位流，位速率约为位流，位速率约为1.5Mbps，为，为MPEG1标准。标准。二、二、MPEG1视频压缩技术视频压缩技术MPEG1是第一个标准，主要应用于视频信号的数字化压缩存储。码率为是第一个标准，主要应用于视频信号的数字化压缩存储。码率为1.5Mbps，图象质量相当于图象质量相当于VHS的水平。其主要特点：的水平。其主要特点：1、 MPEG1将电视图象帧分三类将电视图象帧分三类 I、B、P2、 MPEG1的码流语法结构的码流语法结构 这个语法结构把图象压缩数据码流分为六层，每层或者支持一种信号处理过程

3、，这个语法结构把图象压缩数据码流分为六层，每层或者支持一种信号处理过程，或者支持一种系统功能。或者支持一种系统功能。块：块： MPEG算法中最小的编码单位，包含算法中最小的编码单位，包含88个像素，是图象信息之一：个像素，是图象信息之一：Y、U、V。 块帧内编码的块帧内编码的 基本单元。基本单元。宏块：宏块： MPEG算法中基本编码单元。包含算法中基本编码单元。包含16 16个图象块。宏块由四个亮度块、若干个图象块。宏块由四个亮度块、若干 个色差块及附加数据构成。附加数据包括宏块的编号、编码类型、量化参数、个色差块及附加数据构成。附加数据包括宏块的编号、编码类型、量化参数、 运动矢量等信息。运

4、动矢量等信息。 88图象块图象块 1616 宏块宏块图象片图象片一帧图象一帧图象图象组图象组图象组图象组图象序列图象序列图象片：图象政内的水平条图象片：图象政内的水平条 ，MPEG编码方案中的基本处理单元。因为条的编码与编码方案中的基本处理单元。因为条的编码与 相邻部分无关，条是自治单元。相邻部分无关，条是自治单元。图象：显示的基本单元。对应于图象序列中的单个帧，他由数据头和若干图象条构成。图象：显示的基本单元。对应于图象序列中的单个帧，他由数据头和若干图象条构成。图象组：图象组：12帧，帧，IBBPBBPBBPBB 序列层：最高层，它由一个数据头和若干个图象组组成。数据头包含图象大小、量化序

5、列层：最高层，它由一个数据头和若干个图象组组成。数据头包含图象大小、量化 矩阵等信息。矩阵等信息。 3、MPEG1的系统层的系统层 音频、视频以及其他辅助数据在编码后首先形成的码流，这被称为基本码流，音频、视频以及其他辅助数据在编码后首先形成的码流，这被称为基本码流，再将其连续的流划分为某种字长的数据包，并加入同步视、音频的时间标记等，最再将其连续的流划分为某种字长的数据包，并加入同步视、音频的时间标记等，最后形成单一流。由于数据包的包头可以按照语法的规定灵活地设置很多参数，使图后形成单一流。由于数据包的包头可以按照语法的规定灵活地设置很多参数，使图象、声音业务的发送和接受具有极大的灵活性。这

6、一标准只规定码流的语法和解码象、声音业务的发送和接受具有极大的灵活性。这一标准只规定码流的语法和解码过程，对于编码器如何形成码流没做出规定。过程，对于编码器如何形成码流没做出规定。输入视频输入视频输入音频输入音频视频压缩编码视频压缩编码音频压缩编码音频压缩编码系统时钟系统时钟系统复用系统复用与编码与编码MPEG1系统码流系统码流MPEG1码流的产生码流的产生MPEG1压缩比大约为压缩比大约为100：1 。VCD采用采用MPEG1，650MB -70分钟，分钟， 700MB -80分钟。不能进行精度编辑。分钟。不能进行精度编辑。三、三、MPEG2视频压缩技术视频压缩技术 MPEG2是运动图象及伴

7、音的通用压缩标准，克服了是运动图象及伴音的通用压缩标准，克服了 MPEG1许多缺陷，满足许多缺陷，满足日益增长的多媒体和数字电视的要求分辨率、传输率等技术。如数字存储媒体、会议日益增长的多媒体和数字电视的要求分辨率、传输率等技术。如数字存储媒体、会议电视电视/可视电话、数字电视、高清晰电视、广播、通信、网络等应用领域。可视电话、数字电视、高清晰电视、广播、通信、网络等应用领域。MPEG2 VIDEO定义不同的功能档（定义不同的功能档（5档：简单型档：简单型/SP、信噪比可调型、信噪比可调型/SNP、空间可、空间可调型调型/SSP、增强型、增强型/HP），），每档分不同的级（每档分不同的级（4级

8、）级）1、低级、低级LL 352288 25，面向，面向VCR与与MPEG1兼容；兼容；2、基本级、基本级ML 720 576 25 面向视频广播信号；面向视频广播信号；3、高、高1440级级 H1440 1440 112525 面向面向HDTV；4、高级、高级 HL 1920 112525 面向面向HDTV。 基本级的基本型基本级的基本型MPML，已被许多芯片采用，已被许多芯片采用，SP ML将在将在CATV和数字和数字VCR中采用，美国中采用，美国HDTV采用采用MP HL。 MPEG2标准支持固定比特率传送、可变比特率传送、随机访问、分级解码以标准支持固定比特率传送、可变比特率传送、随机

9、访问、分级解码以及一些特殊功能，如搜索、暂停、冻结等。及一些特殊功能，如搜索、暂停、冻结等。 MPEG2视频标准与视频标准与MPEG1兼容，兼容，并于并于 SDTV、HDTV向上或向下兼容。向上或向下兼容。 MPEG2标准作为计算机可处理的数据格式，主要应用于数字存储媒体、视频标准作为计算机可处理的数据格式，主要应用于数字存储媒体、视频广播和通信。存储媒体可直接与广播和通信。存储媒体可直接与MPEG2解码器相连，或者通过总线、局域网、解码器相连，或者通过总线、局域网、电信通信线路等手段相连电信通信线路等手段相连。功能型（功能型（P）增强型增强型 HP HP 专用专用 4:2:24:2:2空间可

10、分空间可分型型SSP SSP 4:2:04:2:0信噪比可信噪比可分型分型SNP SNP 4:2:04:2:0基本型基本型MPMP专用专用 4:2:04:2:0简单型简单型SP 4:2:04:2:0高（高（HLHL）HDTVHDTV192019201152 1152 2525192019201080 1080 3030HPHL100Mbps11.67MbMPHL80Mbps9.33Mb高高1440（H）HDTV1440 1152 1152 25 25 144014401080 1080 3030HPH80Mbps9.33MbSSP/H60Mbps7MbMPH60Mbps7Mb基本（基本（ML）

11、720480 480 30 30 720720576 576 25 25HPML20Mbps2.35MbSNPML15Mbps1.75MbMPML 15Mbps1.75MbDV格式格式SPML15Mbps低（低（LL）352240 240 30 30 352352288 288 25 25SNPLL4Mbps0.47Mb15Mbit/sMP/LL级（级（L）Mbps 位速率位速率 ； Mb 缓冲器容量缓冲器容量MPEG2的图象参数（隔行扫描）的图象参数（隔行扫描）电视制式电视制式PAL（625行行/50场）场）NTSC（525行行/60场）场）行频（行频（Hz）1562515734取样频率取样

12、频率Y：13.5MHz CB:6.75MHz CR:6.75MHz 每行亮度取样点每行亮度取样点864858亮度有效区像素亮度有效区像素720像素像素/行行 576行行/帧帧720像素像素/行行 480行行/帧帧色度有效区像素色度有效区像素360像素像素/行行 288行行/帧帧360像素像素/行行 240行行/帧帧像素传送速率像素传送速率15 .552兆像素兆像素/S码率（每像素码率（每像素8bit)124.416Mbps码率为码率为15Mbps时的压缩比时的压缩比8.29码率为码率为2Mbps时的压缩比时的压缩比62.2MPEG2与与MPEG1相比：取样频率和取样点提高一倍，像素的传输率和码

13、率相比：取样频率和取样点提高一倍，像素的传输率和码率提高提高4倍，水平清晰度达到倍，水平清晰度达到500线。线。 MPEG视频图像压缩算法的缺陷：视频图像压缩算法的缺陷： MPEG算法理论虽然已经非常成熟，但是在技术上却很难克服噪声、雪花和算法理论虽然已经非常成熟，但是在技术上却很难克服噪声、雪花和“鬼影鬼影”对压缩图像质量的影响，对于劣质的视频信号源，对压缩图像质量的影响，对于劣质的视频信号源，MPEG算法会将噪声算法会将噪声和缺陷放大，使图像进一步恶化，这就使得和缺陷放大，使图像进一步恶化，这就使得MPEG压缩方法对视频节目源有一定压缩方法对视频节目源有一定的要求。的要求。MPEG压缩标准

14、的压缩比可达压缩标准的压缩比可达200：1.这意味着这意味着99的数据要被丢掉。的数据要被丢掉。因此因此MPEG压缩法将导致图像细节信息的丢失而产生压缩失真，使压缩图像的质压缩法将导致图像细节信息的丢失而产生压缩失真，使压缩图像的质量有所下降。对于快速变化的背景，叶子沙沙作响的树林，波纹荡漾的水面（特量有所下降。对于快速变化的背景，叶子沙沙作响的树林，波纹荡漾的水面（特别是有太阳光反射的水面）。别是有太阳光反射的水面）。MPEG压缩算法有时反到会产生负面影响，使压缩压缩算法有时反到会产生负面影响，使压缩后的画面出现马赛克（小方块）现象，后的画面出现马赛克（小方块）现象，MPEG压缩算法对那些低

15、比度、光线柔和、压缩算法对那些低比度、光线柔和、边缘变化缓慢的视频图像具有最佳的压缩效果边缘变化缓慢的视频图像具有最佳的压缩效果。 MPEG-2用于宽带传输的图像，图像质量达到电视广播甚至用于宽带传输的图像，图像质量达到电视广播甚至HDTV的标的标准，和准，和MPEG-1相比，相比，MPEG-2支持更广的分率和比特率范围，将成为数字支持更广的分率和比特率范围，将成为数字图像磁盘（图像磁盘（DVD）和数字电视广播的压缩方式。这些市场将和计算机市场交）和数字电视广播的压缩方式。这些市场将和计算机市场交织在一起，从而使织在一起，从而使MPEG-2成为计算机的一种重要的图像压缩标准。这一点成为计算机的

16、一种重要的图像压缩标准。这一点非常重要，因为将非常重要，因为将MPEG-1的比特流解压缩时需要用到的比特流解压缩时需要用到MPEG-2的解压缩器。的解压缩器。 影响影响VCD图像质量的主要因素图像质量的主要因素 1 1、选原版录像节目、选原版录像节目 由于由于VCD采用采用MPEG算法对视频图像进行压缩，因此其图像质量将主要算法对视频图像进行压缩，因此其图像质量将主要取决于节目源的质量，因此在制做取决于节目源的质量，因此在制做VCD节目时最好使用高质量的视频节目节目时最好使用高质量的视频节目源，并尽量使用源带，因为录象带据量从而影响压缩图象的质量，为了提高源，并尽量使用源带，因为录象带据量从而

17、影响压缩图象的质量，为了提高信噪比，应尽可能消除来自器材的问题，每复制一次就增加一次背景噪声，信噪比，应尽可能消除来自器材的问题，每复制一次就增加一次背景噪声，噪声会大大增加。噪声会大大增加。 2 2、定期清理录像机，提高信号电平、定期清理录像机，提高信号电平 定期清洗录像机磁头，使用屏蔽性能较好的视频电缆，给录像机和电视定期清洗录像机磁头，使用屏蔽性能较好的视频电缆，给录像机和电视机设置公共地线。应该特别注意的是，录像带经录像机重放和视频缆线的传机设置公共地线。应该特别注意的是，录像带经录像机重放和视频缆线的传输后产生的信号失真要比输后产生的信号失真要比MPEG压缩失真影响与日俱更大。压缩失

18、真影响与日俱更大。 3、接口选择、接口选择在数字信号和模拟信号中，首选数字接口。在数字信号和模拟信号中，首选数字接口。在模拟的在模拟的RGB、YUV、S-Video(Y/C)和复合视频信号中，和复合视频信号中，RGB信号的图像信号的图像质量最高，其次是质量最高，其次是YUV和和S-Video,复合视频信号的图像质量最低，一般家用复合视频信号的图像质量最低，一般家用VHS录像机的输出是复合视频信啧，少数录像机的输出是复合视频信啧，少数VHS录像机具有录像机具有S-Video输出端口，输出端口，个人个人VCD制作系统通常使用制作系统通常使用VHS录像带作为视频节目源，因此其图像质量录像带作为视频节

19、目源，因此其图像质量必然要比专业音像出版社发行的必然要比专业音像出版社发行的VCD质量稍有逊色，如果质量稍有逊色，如果VHS录像布带有录像布带有S-Video输出端口，则要尽可能使用输出端口，则要尽可能使用S-Video信啧来提高信号源的质量。信啧来提高信号源的质量。 混混合合混混合合局局阵阵编编码码YR-YB-YRGBCVIDEO局局阵阵编编码码YR-YB-YRGB数数字字化化编编码码SDI / IEEE色色键键分分量量记记录录和和输输出出S-端端子子复复合合图图象象信信号号AUDIOA/D转转换换分分配配打打包包MPEG伴音伴音 CD伴音两个通道共包含伴音两个通道共包含1.4Mbit/秒的

20、数据流。听觉心理学研究表明，采用适秒的数据流。听觉心理学研究表明，采用适当的压缩技术，此数据流可以压缩到当的压缩技术，此数据流可以压缩到256Kbits/秒而不会感觉到任何失真。秒而不会感觉到任何失真。MPEG伴音利用这个结果，尽管一些伴音利用这个结果，尽管一些MPEG压缩器不支持高质量图像。压缩器不支持高质量图像。 MPEG伴音编码可以实现伴音编码可以实现3种压缩等级。种压缩等级。 等级等级I 是简单压缩是简单压缩, ,它是一种听觉心理的亚抽样编码；等级它是一种听觉心理的亚抽样编码；等级II加入了更高的精加入了更高的精度；等级度；等级III加入了非线性量化，加入了非线性量化，Huffman编

21、码和其他实现低速率高保真图像的先编码和其他实现低速率高保真图像的先进技术。依次下去的等级提供了高质量和越来越高的压缩率，但要求计算机有越进技术。依次下去的等级提供了高质量和越来越高的压缩率，但要求计算机有越来越强的压缩能力。来越强的压缩能力。MPEG 等级II可经把一个1.4Mbit/秒的立体声数据流压缩到32Kbit/秒-384Kbit/秒而保持高保真的声音，典型数据为48Kbit/s48Kbit/s。等级I的目标是每个通道192Kbit/秒，等级II的目标是每个通道128Kbit/秒，等级III的目标是每个通道64Kbit/秒。目标II要达到64Kbit/秒通道时不如等级III效果好，而在128Kbit/通道，等级II和等级III的效果一样，而且都比等级I效果好。正好上面所说的，每通道128Kbit/秒或者说256Kbit/秒可以达到很好的保真度。因此，等级II对于高保真立体声音响是必要的，但也已足够了。 MPEG-1支持设置为单声道，双声道，立体声或联合立体声的两个声音通道，支持设