数字电视第六章数字电视的国际标准

CH6数字电视的国际标准

6.1国际标准概述表6-1是常用视频数据压缩标准标准编号全称应用JPEGISO／IECl0918多灰度静止图像的数字压缩编码图片压缩、数码相机H.261ITU-T建议H.261p×64kb/s视听业务的视频编解码器会议电视、可视电话H.263ITU-T建议H.263低于64kb／s的窄带通信信道的视频编码可视电话MPEG-1ISO／IEC11172具有1.5Mb／s数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的编码VCD、电视监控MPEG-2ISO／IEC13818通用的运动图像及其伴音的编码DVD、SDTV、HDTVMPEG-4ISO／IEC14496

音视频通用对象编码IP网、交互视频视频压缩编码标准的制定工作主要由国际标准化组织(ISO/IEC)和国际电信联盟(ITU)完成。1/13/20231信息工程系图6-1视频压缩编码标准的发展历程1/13/20232信息工程系6.1.1电视演播室数字编码国际标准CCIR601对不同制式电视信号：(1)采用亮度信号Y和两个色差信号（R-Y）和（B-Y）分量编码，其取样频率分别为13.5MHz

、

6.75MHz

、6.75MHz

。(2)

选取8bit均匀量化(256个量化级，即码电平从0～

255，相当于二进制00000000～11111111)，在抽样、量化前须对三个分量信号进行γ校正。(3)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，即4∶2∶2

格式。(现ITU-R)1/13/20233信息工程系CCIR601数字电视编码1/13/20234信息工程系6.1.2静态图像数据压缩标准JPEG

JPEG是数字图像压缩国际标准，包括两种基本压缩方式：（JointPictureExpertGroup）1、无损压缩（预测压缩）2、有损压缩联合照片(静止)图像专家组以DCT变换为基础的压缩方法，其压缩比较高，是JPEG标准的基础。以二维DPCM为基础的压缩方式，解码后能完全精确地恢复原图像采样值，其压缩比低于有损压缩方法。1/13/20235信息工程系6.1.3H.26x标准包括H.261、H.262、H.263和H.264等视频编码标准。

H.261标准的信号适合在较高速率的ISDN数字网上传输，H.262是图像质量较高的图像压缩标准，H.263是极低速率的视频编码标准，H.264在性能上超越H.263，是AVC或MPEG-4第四部分，可用于视频会议。1/13/20236信息工程系6.1.4．MPEG标准

MPEG是ISO和IEC两个国际组织的联合技术委员会(JTCI)领导下的“活动图像专家组”的英文简称，1988年成立以来已经制定了包括MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21等多个数字视频／数字音频压缩编码标准。（MovingPictureExpertGroup）1/13/20237信息工程系6.1.5超高清晰度成像(HRI)建议(ITU-RBT.1201)

ITU-RBT.1201建议书提出了超高清晰度成像(HRI)格式和规范建议。1/13/20238信息工程系6.16JVT标准

H.264/AVC特点：(JointVideoTeam)

JVT是由ISO/IECMPEG和ITU-TVCEG成立的联合视频工作组（JointVideoTeam），致力于新一代数字视频压缩标准的制定。JVT标准在ISO/IEC中的正式名称为：MPEG-4AVC(part10)标准；在ITU-T中的名称:H.264。

1、和以往标准相比最多可节省50％的码率，使存储容量大大降低；2、不同分辨率、码率下都能提供较高的视频质量；3、易于视频会议、视频电话，更易实现网络传输。1/13/20239信息工程系6.1.7．AVS标准1.AVS视频编码标准内容（Audio

Video

coding

Standard）是由我国的“数字音视频编解码技术标准工作组”制定的。AVS

1.0包括系统、视频、音频和一致性等标准支撑部分。包括：变换/量化、预测/变长编码、环路滤波器、帧间预测、熵编码器和场编码。图6-1AVS视频编码器方框图前5个模块使用不受专利保护的公开技术，后个3模块)，是创新技术。1/13/202310信息工程系(1)高效比MPEG-2编码效率高2倍，与H.264编码效率相当。(2)复杂度低编码复杂度相当于H.264的30％，解码复杂度相当于H.264的70％。AVS只有2个参考图像，最小运动补偿块为8×8；许多在HD-TV和HD-VD(HighDefinitionVideoDisk高清晰度视盘)应用中不需要的编码工具被删除，与MPEG-2系统兼容。电视台现有的基于MPEG-2编辑与传输系统不需要改变。(3)许可费低

MPEG-2许可费为20元，而AVS初步定为1元。2.AVS标准的特点1/13/202311信息工程系6．2H.261标准6.2.1概述

1990年12月国际电报电话咨询委员会(CCITT)通过H.261标准，是一种用于双向通信的ITU标准，主要用于在综合业务数字网ISDN上传输电视电话会议等低码率的多媒体领域。采用p×64kbit/s的声像业务的图像编解码，其中p=1,2,…，32，为实现低成本，只用Y、U、V为4∶2∶0的一种格式。帧格式有两种，CIF（352288）和QCIF（176144）。1/13/202312信息工程系6.2.2H.261标准的图像格式其中CIF(CommonIntermediateFormat)为通用中间格式，QCIF(QuarterCIF)为1/4通用中间格式，SQCIF为扩展的通用中间格式，4CIF为4倍的通用中间格式，16CIF为16倍的通用中间格式。1/13/202313信息工程系H.261图像的数据结构3.宏块(MB)2.宏块组(GOB)1.图像（P）4.像块(Block)8×8像素1/13/202314信息工程系6.2.3H.261信源编码器图6-2H.261编码器方框图采用基于运动补偿的帧间预测和对原始图像数据进行8×8共64个像素的DCT（设置自适应量化器；再采用Huffman或算术变字长编码（VCL）实现熵编码。图像输入以宏块MB为单位输入，MB中包含亮度信号Y的4个8×8像素方块，色度信号Cb、Cr的各一个8×8像素方块，共6个8×8像素方块。1/13/202315信息工程系1、帧内编码模式帧内帧I图像采用帧内编码，不参考其它图像帧而只用本帧信息进行编码。编码图像仅经DCT，量化器和比特流编码器即生成编码比特流，而不经过预测环处理。DCT直接应用于原始的图像数据。游程编码RLE(run-lengthcoding)差分脉冲编码调制(DPCM)图6-3帧内图像I的压缩编码算法框图1/13/202316信息工程系2、帧间编码模式前向预测帧P

(Predictivecodedpicture)前向预测编码帧图像，参照前一幅I帧或P帧图像做运动补偿的帧间预测图6-4预测图像P的压缩编码算法框图原图像先与帧存储器中的预测图像比较，算出运动矢量，由此矢量和参考帧生成预测图像。而后将原图像与预测像素差值所生成的差分图像数据进行DCT变换，再经量化器和比特流编码器生成输出编码比特流。进行更有效的；通常用于进一步预测之参考。1/13/202317信息工程系

6.2.4H.261信源解码器图6-5H.261解码器方框图1/13/202318信息工程系6.3JPEG标准6.3.1基于DCT的编码器和解码器图6-6JPEG编解码原理框图1/13/202319信息工程系1、DCT的编码原理(1)DCT变换(2)量化输入端把原始图像分成8×8像素块(Block)之后送入DCT变换器，目的是去除图像数据的空间冗余。利用人眼的视觉特性设计量化表。1611101624405161121214192658605514131624405769561417222951878062182237566810910377243555648110411392496478871031211201017292959811210010399亮度量化表色度量化表171824479999999918212666999999992426569999999999476699999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999991/13/202320信息工程系(3)之字形扫描(4)可变长熵编码编码之前，需要把二维的变换系数矩阵转换为一维序列。为消除码字中的统计冗余，采用可变长熵编码。1/13/202321信息工程系6.3.2数据交换格式图6-7数据交换格式1/13/202322信息工程系6.4MPEG标准6.4.1MPEG-1标准（MovingPictureExpertGroup）

MPEG主要是针对活动图像及相应声音及数字存储媒体的压缩编码标准。

MPEG-1用于高至1.5Mb/s的数字存储媒体的活动图像和相应的音频编码。基本目标是将活动的视频图像及伴音压缩编码处理成一个既包括视频又含音频信息的复合二进制比特流，同时保持图像和声音的同步，压缩比可高达200：1，相当VHS画质。MPEG-1视频编码算法对H.261的重要改进，增加了B图像帧（双向预测编码图像）和图像组的概念。1/13/202323信息工程系1、MPEG-1标准的内容该标准最主要的三部分：MPEG系统，MPEG视频和MPEG音频。亮度、色度块均由8×8个像素组成，块是MPEG-1中最小的图像处理单元，由4个8×8的亮度块和两个8×8的色度块组成。MPEG-1允许用户在任何两参数帧（I或P帧）之间安排任意幅B帧。MPEG-1标准的出现极大地推动了VCD以及影视节目存储的应用与发展。1/13/202324信息工程系MPEG-1编解码过程图6-8MPEG-1编解码过程图6-10通信处理板电路框图图6-9MPEG-1解码器系统实现框图缓存器来平滑时变的数码率，以便和信道的码率相匹配。1/13/202325信息工程系2、MPEG中的三种图像类型（1）帧内帧/I帧(Intra-Frame)（2）前向预测帧/P帧(Predicated-Frame)是帧内压缩，不使用运动补偿，提供中等的压缩比。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。根据前面的I帧或P帧进行预测，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。1/13/202326信息工程系它基于前后的两个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。（3）双向预测帧/B帧(Bidirectinal-Frame)B帧本身不作为基准，因此可在提供更高的压缩比的情况下不传播误差。图6-11双向预测图像B的压缩编码算法框图1/13/202327信息工程系I

帧、P帧和B帧图像的依赖关系

I帧、P帧、B帧的数据字节和压缩比

B帧有较高的压缩比，所以视频编码器总编码效率提高；I帧和P帧的压缩比不高，可保证较高的重建图像质量。1/13/202328信息工程系1）码流组成2）传输码流组成码流顺序1/13/202329信息工程系Ⅰ图像序列层（VideoSequencelayer）Ⅱ图像组层（GroupofPicture）Ⅲ图像层（Picture）Ⅳ宏块条/片层（Slice）Ⅴ宏块层（Macroblock）Ⅵ块层（Blocklayer）3．MPEG-1视频流结构图6-12MPEG-1视频流结构1/13/202330信息工程系（六个层次）视频流分层结构图6-13MPEG-1视频流分层结构1/13/202331信息工程系指整个一个被处理的连续图像。

(1)图像序列层MPEG-1中，图像序列只有逐行扫描方式；MPEG-2中，图像序列不仅有逐行扫描，也有隔行扫描方式。不论何种扫描方式，一个图像序列总是以序列头（）开始，后面跟一个图像组的头，然后是一个或几个图像。序列头中包含了图像尺寸、宽高比、图像速率等信息。图像序列由序列中一个图像终止码（）加以结束。为保证能随时进入图像序列，序列头是重复发送的。1/13/202332信息工程系是将一个图像序列中连续的几个具有相互关系的图像组成一组，目的为方便随机存取和编辑。一个图像组总是I帧开头，图像组包含了时间信息。(2)图像组层(3)图像层图像组对于MPEG-1总是有效的，但对MPEG-2并非是固定的，也就是说，图像序列在MPEG-2中不一定要分组。由图像层头和宏块条层数据组成。图像是基本编码单元，也是一个独立的显示单元，可作为一个整体被显示器显示。1/13/202333信息工程系图像数据分成包括若干个连续宏块的宏块条，其顺序与扫描一致。每个宏块条从条层头开始，后面跟着若干个连续的宏块。宏块条是重新同步单元，当一个宏块条发生误码又不可纠正时，解码器可以跳到下一个宏块条的起始，直到准确地找到下一个宏块条并正确解码。宏块条提供一种方便的机制来限制误码的传播，宏块条的数目影响到压缩效率。(4)宏块条层(条带层)1/13/202334信息工程系（5）宏块层是宏块条层下层，由宏块头加块层数据构成。宏块是进行运动补偿（帧间编码）的基本单位，其运动补偿所须的运动矢量的确定（实际是较为精确的估值），以宏块在参考图像上作匹配为依据。宏块其实不仅包括一个亮度矩阵，还包括两个色度矩阵。图6-14MPEG-2宏块结构1/13/202335信息工程系宏块层下是块层，是MPEG码流中的最低层。每个块是一个8×8像素的数据阵列。与宏块不一样，块只包含一种信号元素，即它或是亮度数据阵列，或是某种色度数据阵列。块是进行DCT的基本单元，宏块在进行DCT处理之前被分成若干快。在帧内编码时，由于不存在预测补偿，直接进行DCT编码。

(6)块层1/13/202336信息工程系综上所述，组成MPEG视频数据流的各个层次都与一定的信号处理有关。视频序列：节目的随机进入点；

图像组：视频编辑的随机进入点；图像或帧：编码处理的单位；宏块条：用于同步的单位；宏块：运动补偿的单位；像块：DCT处理的基本单元。1/13/202337信息工程系6.4.2MPEG-2标准由ISO/IEC的MPEG专家组与ITU-T的ATV的图像编码专家组于1994年共同制定。主要包括系统、视频、音频、一致性、参考软件、数字存储媒体的命令与控制、高级音频编码、10比特视频编码和实时接口9个部分。应用范围包括标准清晰度电视、高清晰度电视和MPEG-1的工作范围。MPEG-2的解码器可以对MPEG-1码流进行解码。1/13/202338信息工程系1．MPEG-2系统部分图6-15简化MPEG-2系统框图1/13/202339信息工程系

MPEG-2节目

码流的组成图6-16MPEG-2节目码流组成示意图1/13/202340信息工程系典型节目码流解码器1/13/202341信息工程系图6-17MPEG-2传送码流组成示意图

(2)MPEG-2传送码流的组成1/13/202342信息工程系2．图像部分(1)级(levels)(2)类(profiles)图像编码的可分级性是MPEG-2及其以上标准的显著特征之一,指接收机可视具体情况对编码数据流进行部分编码。分级编码的重要目标是对具有不同带宽、显示能力和用户需求的接收机提供灵活支持，使多媒体应用环境中可实现视频数据库浏览和多分辨率回放的功能。为适应适应不同的数字电视体系，MPEG-2有4种输入格式，用级加以划分；用类划分不同编解码技术处理方法。MPEG-2有5个类，类之间存在向后兼容性，若接收机能解码用高类工具编码的图像，也能解码用较低类工具编码的图像。1/13/202343信息工程系1/13/202344信息工程系3、MPEG2编码器图6-18MPEG2编码器原理框图1/13/202345信息工程系两层空间可分级编码器。对基本层，先将原视频进行空间下采样，然后进行DCT变换、量化和VLC编码。通过将每2×2个像素用它们的平均值替换，可实现4:1比率的空间下采样。用更复杂的预滤波器可以减少下采样图像的重叠效应，但以增加复杂度作为代价。对增强层，进行以下工作：①通过反量化和IDCT重建基本层图像；②对基本层图像进行空间上采样。每个像素复制4次可实现1:4比率的空间上采样。③从原始图像中减去上采样的基本层图像；④对残差进行DCT变换，并用小于基本层的量化参数进行量化；⑤用VLC编码量化比特。由于增强层使用了较小的量化参数，它可以达到比基本层更高的质量。1/13/202346信息工程系4.MPEG-2视频解码器TS流ESVLDMCIQIDCT+MB解复用+I(P)帧存储P帧存储MV1MV2I,PB重建图像量化参数帧重排图6-19MPEG-2视频解码器示意图

TS流经解复用输出视频基本流ES和运动矢量MV。ES经IQ反量化和IDCT变换后输出重建的宏块差值MB。

解码直接用TS流中传输来的运动矢量MV进行准确的运动补偿，从帧存储器中读出匹配宏块MC，在加法器中与宏块差值MB相加，还原出相应的P、B图像，重新排列成编码前原始的图像顺序。解码所需许多参数如运动预测值和量化参数等都在传输码流中以规定的句法元素格式提供给接收端使用。1/13/202347信息工程系两层空间可分级解码器。对基本层，解码器工作与不分级的视频解码器完全一样。对增强层，须接收到两层，用VLC解码，进行反量化和IDCT变换。然后上采样基本层图像。把上采样的基本层图像与增强层的细节相结合形成增强层解码视频。基本层压缩比特流增强层压缩比特流VLCQDCT原视频IQIDCT+VLCQDCT-上采样下采样(a)编码器(b)解码器VLDIQIDCT+基本层解码的视频增强层解码的视频VLDIQIDCT图6-20MPEG2编解码器示意图1/13/202348信息工程系5.数字电视接收的基本原理(MPEG-2解码)1/13/202349信息工程系6.4.3MPEG-4标准1.概述

MPEG-4于2000年年初正式成为国际标准，是适应多媒体应用的“音频视频对象编码”标准，针对低比特率的远程会议和要求高比特效率的相关应用。

MPEG-4不只是具体算法，是针对数字电视、交互式绘图应用（影音合成内容）、交互式多媒体等整合及压缩技术的需求而制定的国际标准。它为视音频的通信、存取和管理提供更为灵活的格式和框架。其目标是：支持多种多媒体的应用，特别是多媒体信息基于内容的检索和访问，可根据不同应用需求现场配置解码器。应用范围包括实时视听通信、多媒体通信、远地监测/监视、VOD、家庭购物/娱乐等。1/13/202350信息工程系2.MPEG-4标准架构

MPEG-4提供不同视频标准源格式、码率、帧频下矩形图像的有效编码，同时也将支持基于内容的图像编码。图6-21MPEG-4支持的码率和相应功能图

MPEG-4可对合成的面部与人体进行参数化描述；对面部与身体活动信息以参数化的数据流进行描述；支持具有纹理映射功能的静态/动态网格编码；支持视点有关应用（ViewDependentApplication）中的纹理编码。1/13/202351信息工程系1/13/202352信息工程系(1)极低比特率视频VLBV功能层

（VeryLowBitRateVideo）适用5-64kbits/s视频操作与应用，支持较低的空间分辨率（低于352×288像素）和较低的帧频（低于15Hz）。VLBV核心支持的专用功能：1）实时多媒体应用：支持矩形图像序列的有效编码，具有高编码效率、高精度、高容错度、低延时等特点。2）多媒体数据库应用：支持多媒体数据库的存储、随机存取以及FF/FR(快进/快退)等功能与操作。图6-22MPEG-4甚低码率编码1/13/202353信息工程系(2)高低比特率视频HBV功能层适用范围为64kbits/s-4Mbits/s，同样支持上述VLBV功能，但它支持较高的空间与时间分辨率。（HighBitRateVideo）1）基于内容的交互性，可对不同来源的视、音频对象进行合成。

2）高效的压缩性，采用了基于对象(Object-Based)编码等的第二代编码技术。3）通用的访问性。具有鲁棒性和纠错功能，从而保证在易出错的通信环境下实现安全的低码率编码和传输。MPEG-4特点：1/13/202354信息工程系3.MPEG-4视频位流的层次数据结构由视频序列、视频对象、视频对象层、视频对象平面、视频包、宏块和块组成，如图所示。图6-20MPEG-4视频的层次结构视频段序列VS层视频对象VO序列层视频对象层VOL序列层视频对象平面VOP层视频包VP（GOB）层宏块MB层块层1/13/202355信息工程系

(2)视频对象VO(VideoObject)：

MPEG―4自然视频码流的层次化数据结构分为如下五层：(1)视频序列VS(Video

Sequence)：

VS对应于场景的电视图像信号，是整个场景在各段时间的图像。VS也由一个或多个VO构成。

VO对应于场景中的人、物体或背景，它可以是任意形状。是从VS中提取的不同视频对象。1/13/202356信息工程系

(3)视频对象层VOL(Video

ObjectLayer)(4)视频对象平面组GOV(Group

ofVOP)

VOL指VO码流中包括的纹理、形状和运动信息层。VOL用于实现分级编码。

GOV层是可选的。GOV由多个VOP组成。GOV提供了比特流中独立编码VOP的起始点，以便于实现比特流的随机存取。1/13/202357信息工程系

(5)视频对象平面VOP(VideoObjectPlane)：

VOP可以独立地进行编码(I―VOP)，也可以运用运动补偿编码(P―VOP和B―VOP)，VOP可以是任意形状的。VOP（VideoObjectPlane）视频对象面：表示视频对象形成的画面，其形状可以是任意的，当VOP是矩形时，则图像编码还原成传统图像编码。1/13/202358信息工程系综上所述，组成MPEG4视频数据流的各个层次都与一定的信号处理有关。视频序列VS：节目的随机入口；视频对象：场景中的特定对象；视频对象层VOL：实现纹理、形状和运动信息分级编码；视频对象平面VOP：视频对象形成的画面；视频包VP（GOB）：VOP编码的起始点，实现比特流随机存取；

宏块MB：运动补偿的单位；像块：DCT处理的基本单元。1/13/202359信息工程系采用基于对象的编码理念，即在编码时将一幅景物分成若干在时间和空间上相互联系的视频频对象VO

分别编码，再经过复用传输到接收端，然后再对不同的对象分别解码，从而组合成所需要的视频和音频。这样既方便对不同对象采用不同编码和表示方法，又利于不同数据类型间的融合，且方便实现对各种对象操作及编辑。如，将一个卡通人物放在真实场景中，或者将真人置于一个虚拟的演播室里，还可在互联网上方便的实现交互，根据自己的需要有选择的组合各种视频音频以及图形文本对象。4.MPEG-4视频编解码1/13/202360信息工程系(1)MPEG-4基于对象的编码方法每个场景由单独编码的视频对象VO组成；每个VO可有几个可分级的层(基层和增强层)组成，这些层称为视频对象层VOL；每个VOL依次组成了在时间上有序的快照序列，称为视频对象面VOP；对每个VOP，编码器处理其形状、运动和纹理特征；形状信息的编码是通过用一个矩形框界定并将矩形框分成多个宏块MB(MacroBlocks)来完成，形状、运动和纹理信息在MB层进行复合

。1/13/202361信息工程系（2）基于VOP的视频编码

MPEG-4的编码和解码是针对VOP进行的，编码时首先由输入的视频序列通过与用户的交互形成一个VOP，然后针对每一个VOP分别进行编码，最后将所有的VOP编码结果合成一个视频数据流。1/13/202362信息工程系1）视频对象VO2）视频对象平面VOP(VideoObject)是视频序列中的人物或具体的景物(例如电视新闻中的播音员或是电视剧中一辆奔驰的汽车)，也可以是由计算机图形技术生成的二维或三维图形。是视频对象在某一时刻的采样，同一对象连续的VOP称为视频对象。

MPEG-4在编码过程中针对不同VO采用不同的编码策略，即对前景VO的压缩编码尽可能保留细节和平滑；对背景VO则采用高压缩率的编码策略，甚至不予传输而在解码端由其他背景拼接而成。MPEG-4支持任意形状图像与视频的编解码。1/13/202363信息工程系3