数字电视原理第四章

数字电视原理第4章数字图像压缩编码的国际标准第4章数字图像压缩编码的国际标准

前面我们讨论了数字图像数据压缩的必要性、可能性和可行性。讨论了数字图像压缩的基本原理，但是从软硬件如何实现，从工程上如何实现还未展开讨论。要做到工程实现，还有许许多多地技术问题。第4章数字图像压缩编码的国际标准首先，制定标准的问题。为了使先进的图像数据压缩技术和高性能的数字图像处理技术获得更广泛的应用，必须对图像压缩编码技术建立一个能在全世界范围通用的标准规范。第4章数字图像压缩编码的国际标准实现标准化的目的：处理后的数据信号才能在相同性能指标和相同容量的数据网络中传送或储存设备中储存；世界各国设备生产厂家的产品才具有兼容性和通用性；才能投入大批量开发生产，大幅度降低产品成本，才能使图像数据压缩技术得到迅速应用和推广。实现图像压缩编码技术标准化的国际组织

国际标准化组织(ISO)国际电话电报咨询委员会(CCITT)国际电工委员会(IEC)联合图片专家组(JPEG)活动图像专家组(MPEG)常见数字图像压缩编码的标准一，H.261标准、H.264标准、H.263建议；二，MPEG－1、MPEG－2、MPEG－4、MPEG－7、MPEG－21；三，JPEG、JPEG－2000；四，我国拥有自主知识产权的AVS；标准产生的背景（传输的信道）；标准的应用场合；标准的编码、解码的过程；图像数据的组织；标准的特点及相互比较；常见数字图像压缩编码的国际标准H．261标准，通常称为p×64标准。主要用于可视电话和电视会议的声像业务，已于1990年由CCITT完成并通过。JPEG标准，其目标是对静止彩色图片实现数据压缩，主要用于卫星图片的传输与储存，图像文献资料处理与储存，新闻图片、彩色印刷图片的传输与储存等，此标准于1991年由JPEG完成并通过。

常见数字图像压缩编码的国际标准MPEG标准的目标是对高质量全彩色活动图像实现压缩标准化，使经过压缩和解码复原后的图像质量达到广播电视的质量指标，同时要求对伴音的声音数据进行压缩处理和传输。该标准已于1992年完成并通过，目前已有MPEG－1、MPEG－2、MPEG－4、MPEG－7、MPEG－21、H．26I及H．264等多种标准。4．1H．261标准4．1．1H．261标准的由来与用途H．261标准方案的开发目标是利用CCITT(ConsultativeCommitteeonInternationalTelephoneandTelegraph)推荐的综合业务数据网络(ISDN)一次群即基群通道，来实现可视电话和电视会议数字图像信号的实时传送。在当时的条件下，互联网和光纤通信还没有发展到现代的程度，实现图像数据的传输还得依靠传统的通信网，语音通信信道的带宽还不能满足图像数据的实时传输的要求，为此将多路语音通信话路并行使用。传统的的语音音通信信信道道的特特点：：一次群群通道道容量量(北北欧标标准)为2048kb／／s，，包含32路路数字字电话话信号号，每每路数数字电电话信信号的的数据位位率为为2048kb／／s÷÷32＝64kb／／s，，此数值值称为为基本本通道道位率率，以以B表表示。。起初，，CCITT推推荐图图像压压缩标标准为为m×384kb／s，m＝1～5。传统的的语音音通信信信道道的特特点：：384kb／s是来来自6×B=6×64kb／／s=384kb／／s，，称为H0通道。。当m＝5时，，则数数据位位率为为m×384kb／s＝5×H0＝5××6××B＝＝1920kb／s，这相当当于30路路数字字电话话的最最高位位率。。由于选选384kb／／s位位率作作为起起点太太高，，于1988年CCITT通通过了了p××64kb／s(p=1，2，……，30)视视音频编编码标标准。。最后后，又又把p扩展展到32，，故压压缩后后的最高高位率率不应应超过过32×64kb／／s。。这实实际上上又达达到了数数据综综合业业务网网络(ISDN)一一次群群的最最高位位率，，约为2Mb／s。该该标准准于1990年年完成成，并并由CCITT正式推推荐为为H．．261标标准，，简称称p××64标准准。国际电电话电电报咨咨询委委员会会CCITT于于1985年开开始制定H．261标准准，这这个建建议主主要针针对会会议电电视、、可视电话话等应应用，，且当当时考考虑到到H．．261标标准面面临世世界上两种种不同同电视视的扫扫描行行数与与帧数数的标标准，，即525／／30和625／25两两种互互不兼兼容的的标准准问题题，CCITT为H．261找出出一种种通用用的中中间格格式CIF(CommonIntermediateFormat)，这这样一一来，，625／／25和和525／／30都都可可以以通通过过预预处处理理和和后后处处理理模模块转转换换到到CIF或或从从CIF转转换换而而来来。。1．．会会议议电电视视会议议电电视视是是通通过过电电信信网网络络将将远远在在各各地地的的多多个个会会议点点连连接接起起来来，，以以互互送送声声音音和和图图像像的的方方式式召召开开会会议议的一一种种通通信信方方式式。。该该方方式式还还可可传传送送文文件件和和图图表表及及计计算机机数数据据文文件件，，使使远远在在各各地地的的与与会会者者好好像像在在同同一一个个会议议室室开开会会。。会会议议电电视视不不仅仅可可用用于于开开会会，，还还可可应应用用在远远程程教教育育、、远远程程医医疗疗诊诊断断及及远远程程监监控控等等许许多多领领域域中。。会会议议电电视视既既节节约约时时间间和和资资金金，，又又大大大大提提高高了了工工作效效率率。。2．．可可视视电电话话1964年年美美国国贝贝尔尔实实验验室室首首先先研研制制成成功功PicturephoneI型型电电话话，，以以后后日日本本、、法法国国等等国家家先先后后研研制制出出可可视视电电话话，，但但由由于于这这些些可可视视电话话均均采采用用模模拟拟传传输输方方式式，，占占用用频频带带宽宽，，传传输成成本本高高，，很很长长一一段段时时间间未未能能得得到到发发展展。。20世世纪纪80年年代代以以来来，，图图像像压压缩缩编编码码技技术术的的快快速速发展展，，同同时时促促进进了了可可视视电电话话的的健健康康发发展展。。1986年年美美国IBM公公司司研研制制成成在在PSTN网网上上传传送送黑黑白白静静止止图图像像的的可视视电电话话机机，，日日本本也也相相继继研研制制成成功功此此类类的的可可视视电电话话机，，并并于于1988年年制制定定了了日日本本TTC（（电电报报电电话话技技术术委委员会会））标标准准。。继继MPEG－－1及及MPEG－－2压压缩缩编编码码标标准发发布布之之后后，，于于1995年年11月月ITU发发布布了了低低数数码码率率视视频编编码码的的H．．263建建议议。。它它是是能能将将图图像像信信号号压压缩缩到到64kb／／s以以内内数数码码率率的的压压缩缩编编码码方方案案，，使使可可视视电电话话在共共用用电电话话交交换换网网(PSTN)中中传传输输成成为为可可能能。。符符合合H．．263建建议议的的可可视视电电话话已已进进入入商商用用。。2．．可可视视电电话话在互互联联网网已已进进入入家家家家户户户户的的今今天天，，利利用用PC机机进进行压压缩缩编编码码及及显显示示终终端端组组成成的的可可视视电电话话也也已已进进入入市市场（（QQ视视频频）），，能能完完成成图图像像及及声声音音压压缩缩编编解解码码及及复用用功功能能的的单单片片集集成成电电路路已已经经生生产产，，这这无无疑疑为为可可视视电话话的的普普及及创创造造了了极极好好的的条条件件。。3．．综综合合业业务务数数字字网网(ISDN)ISDN(综综合合业业务务数数字字网网)又又称称““一一线线通通””业业务务，，它它把多多种种数数字字业业务务综综合合在在一一个个网网内内处处理理并并传传输输。。ISDN分分为为两两种种形形式式，，窄带带N－－ISDN，，为为2Mb／／s以以下下，，通通常常上上网网速速率达到128kb／s。宽带B－－ISDN，为为2Mb／s以以上。B－ISDN将将以统一的的交换与与传输模模式支持持网内从从遥控遥遥测（几几b／s））到高清清晰度电电视HDTV（（100Mb／／s～150Mb／s）的业业务，并并且用光光纤传输输代替了了现有的主干线线电缆传传输。3．综合合业务数数字网(ISDN)ISDN可把电电话、数数据、传传真、可可视电话话、会议议电视等综综合在一一个通信信网内实实现，凡凡加入了了这个网网的用户，，都可实实现只用用一对电电话线连连接不同同的终端端进行不同同类型的的业务通通信，简简言之，，B—ISDN就是多业务＋＋便利＋＋数字化化＋终端端移动＋＋终端互互换性＋＋费用低。。3．综合合业务数数字网(ISDN)H．261主要要用于ISDN（综合合业务数数字网））上进行电视视会议传传输，当当p＝1或2时时，只支支持QCIF(QuarterCommonIntermediateFormat)格式。。64kb／s中中图像为为40kb／s，余下下的给声声音。对对于CIF格式，一幅幅图像的的有效像像素点按按几何位位置分为为12个个块组，，每块组分分33个个宏块，，每个宏宏块包含含4个亮亮度块及及色差各各1个，每块块则由8×8的的像素组组成。CIF和和QCIF最大大帧率为为30（实实际是29.97帧／／秒，即即最高图图像速率率30000／1001≈29.97≈30）。当当每像素素为8bit时时，码率分别为为36.5Mb／s和和9.1Mb／／s，在在64Kb/s或2.048Mb／s上传传输，必必须压缩缩。（注注意计算算）4．1．．2H．26l图图像亮色色信号像像素与子子像块H．261标准准图像层层次结构构H．261标准准CIF格式规规定了图图像亮度度信号每每行352个个像素，，纵向为为288个像素素；而色色差Cb、Cr的纵横像素素数分别别为亮度度的一半半，如图图4—1所示。。QCIF各参数数为CIF的一一半。图4—1CIF格格式亮度度与色度度取样H．261标准准图像层层次结构构实际图像像数据的的组织QCIF各参数数为CIF的一一半。同同一格式式其帧率率和比特率（（64kbit／s为为基准））并非是是固定的的，后者者的量正比于于前者。。在H．．261标准中中，把一一幅／帧帧图像数据分为为四个层层次结构构：帧层层、块组组层、宏宏块层和和块层。如如果选用用CIF格式，，则一帧帧图像包包含12个块组，横向向2个，，纵向6个；选选QCIF，一一帧含3个纵向向的块组。。这种H．261标准准图像的的层次结结构如图图4—2所示。(两个色色差分别别为一个个宏块)图4—2H．261标准准图像的的亮度层层次结构构4.1.3H．261的CIF宏宏块特点点与数据据结构H·261的CIF一一个宏块块包括4个亮度度像块和和色差各1个像像块，共共6个像像块。在在宏块中中亮度与与色差在在同一像区时时，由于于Y像块块数目为为色差的的4倍，，故一个个亮度像块的的面积是是一个色色度的1／4，，相反一一个色差差像素的面积积是亮度度的4倍倍。H．．261的CIF宏块块结构如如图4—3所示，，该图的的结构对对其他标标准的宏宏块也有有借鉴意义。。×亮度色度图4—3H．．261的CIF宏块块结构相当于4﹕2﹕﹕0的采采样格式式第n行4:2:2第n＋1行4:0:0图4－3H.261的CIF宏宏块结构构YUVY宏块是运运动估值值和运动动补偿的的基本单单位，也也是视频频处理及编编辑的基基本单位位。H．．261(p××64khjs)数据据结构如图图4—4所示。。图4－4H.261（p×64kb/s）数数据结构构H.261数据据结构说说明：（1）帧帧标题包包括起始始码，编编码格式式（CIF/QCIF）帧编号及及其它信信息，20bitfixedlength。。（2）块块组（GOB:GroupsofBlock）标题题包括块块组起始码码，块组组位置编编号及其其它信息息。（3）第第三行的的宏块标标题包括括宏块地地址、帧帧内帧间间标记、量量化步长长、是否否有环路路滤波（（消除运运动补偿偿的高频噪噪声）、、是否有有运动估估值及其其它附加加信息。。（4）第第四行为为块层结结构，包包含DCT变换换系数、、编码的码流流，最后后是一个个块结束束的定长长码（EndofBlock）。。构成一一幅图像像具体的的码流即即数据流流由复用编码器器完成。。至于CCITTH.261编码码器结构构框图如图4－－5所示示。图4—5H．261编码码器结构构框图量化滤波器运动估计计运动补偿偿帧内，帧帧间选择择缓冲存储器器信道编码4．1．4H．．261运运动补偿范范围与H．．263基基本特点运动补偿(MC)单单元是使帧帧间差最小小，运动估估计(ME)的的工作过程程是从当前前输入图像像中取一个个宏块（如16××16亮度度像素面积积）并在其其上一帧编编码图像中搜索，搜搜索的大小小在水平和和垂直方向向上都是±±15个像素数。。通常只对对亮度信号号作ME，，但MC既既要对亮度，也要要对色度（（亮度像素素位移的一一半，即矢矢量的长度减半半）进行。。解决办法法是：鉴于于MC的过过程仅仅是逼近近，尤其是是高频成分分对新编码码的图像数数据匹配很差，，所以在MC后面用用一个空间间滤波器（LoopFilter）），它是一一个低通滤滤波器，其其作用是去掉匹配很很差的分量量，可以按按宏块切入入或切出，，它只在检测到到非零MV时才切入入。4．1．4H．261运动动补偿范围围与H．263基本特点点运动补偿(MC)单单元是使帧帧间差最小小，运动估估计(ME)的的工作过程程是从当前前输入图像像中取一个个宏块（如16××16亮度度像素面积积）并在其其上一帧编编码图像中搜索，搜搜索的大小小在水平和和垂直方向向上都是±±15个像素数。。通常只对对亮度信号号作ME，，但MC既既要对亮度，也要要对色度（（亮度像素素位移的一一半，即矢矢量的长度减半半）进行。。解决办法法是：鉴于于MC的过过程仅仅是逼近近，尤其是是高频成分分对新编码码的图像数数据匹配很差，，所以在MC后面用用一个空间间滤波器（LoopFilter）），它是一一个低通滤滤波器，其其作用是去掉匹配很很差的分量量，可以按按宏块切入入或切出，，它只在检测到到非零MV时才切入入。4．2JPEG标准准彩色图像编编码标准化化工作是由由国际标准准化组织(ISO)开始制定定的，其目目的是用现现有的64kb／s通信网络来传送送满足一定定要求的标标准静止数数字图像信信号。把每个彩色色像素用1比特的数数据表达时时，应能获获得足够理想的彩彩色图像质质量。于是是，1986年ISO组织与与CCITT联合组成成了联合图图片专家组组JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)，研究究连续色调包括灰度度和彩色的的静止图像像压缩算法法的国际标标准(1987年又加入入了国际电电工委员会会IEC)，JPEG标准于于1992年年正式通过过。在JPEG的努努力下，该该标准已应应用到彩色传真真、彩色印印刷及新闻闻图片等静静止图像的的压缩与传输。4．2JPEG标准准按照JPEG推荐的的标准，包包括以下两两种基本压压缩算法：(1)以离离散余弦变变换(DCT)为基基础的有损损压缩算法，即不可可逆的压缩缩方式，其其压缩比较较高，是JPEG标标准及其他他许多标准准的基础，，应用最广广。(2)以二二维差值预预测脉冲编编码(DPCM)为为基础的可可逆压缩编码码方式，该该方式解码码后能完全全精确地恢恢复原图像采样样值，其压压缩比低于于有损压缩缩方式的压压缩比。4．2JPEG标准准JPEG还还包括多种种工作模式式：(1)顺序序模式。在在该模式中中每一个图图像分量按从左到到右、从上上到下的顺顺序被扫描描，一次扫描完成成编码。实实际应用中中最多的是是有损压缩的顺序序模式。4．2JPEG标准准(2)累进进模式。该该模式中的的每一幅图图像的编码码要经过多次扫扫描才能完完成，因此此为达到累累进的目的的，在量化器的的输出端即即熵编码前前增加一个个足够大的的图像缓冲区，，用于存储储量化后DCT系数数，这些系系数在多次扫描中中分批地编编码，即第第一次扫描描只对主要要系数进行一次次粗压缩编编码，接收收端可以在在较短的时时间内重建一幅幅质量较低低的可识别别图像。在在随后的扫扫描中再传送增增加信息即即细节信息息，进而可可重建一幅幅质量更高的图图像，以此此不断累进进，直到达达到满意的的图像质量为止止。4．2JPEG标准准(3)可分分级模式。。分级编码码模式是对对原始图像像空间分辨率分分成多个分分辨率进行行锥形的编编码，其水水平方向和垂直直方向分辨辨率的下降降以2的倍倍数改变。。在信道传送速速率慢、接接收端显示示器分辨率率不高的情情况下，只需进进行低分辨辨率图像解解码，就不不必进行高高分辨率解码。。可见，该该模式与累累进模式一一样，适合合因特网的动态态带宽传输输不同质量量图像的编编码特点。。4．2JPEG标准准4．2．1JPEG的有损损顺序压缩缩编码方案案图4—6所所示的就是是一个基于于DCT的的JPEG有损顺序序压缩编解码码系统框图图。图4—6JPEG有损顺序序压缩编解解码系统框框图4．2JPEG标准准JPEG编编解码算法法主要有以以下几个主主要步骤：：第一步：DCT变换换。输入端端把符合JPEG编编码标准的亮度度数字信号号和两个色色差数字信信号分别有有顺序地分成8×8像素素块之后，，送入DCT变换器器中，目的是消除空空间冗余。。在进行DCT变换换之前，将将R、G、B信号号按JPEG标准的的信号计算算公式导出出亮度信号和色差信信号，计算算公式为：：由于色差信信号有正有有负，故先先将电平上上移50％％，即各加加0.5，，目的是使使Cr和Cb值均为正值值。这样，，数字化后后的Y、Cr，和Cb，均在0～～255之之间，便于于降低传输输码率。解解码端再下下移50％％(相当于于128级级电平)，，即可恢复复出原有的的色差信号号。第二步：量量化。利用用人眼的视视觉特性设设计量化表，JPEG标准为为此在大量量的实验和和视觉统计计的基础上，推荐荐了亮度信信号和色度度信号两种种量化表，，分别如表4——2和表4—3所示示。表4—2亮亮度量量化表Q(u,v)表表4—3色度量化化表Q(u,v)第三步：Z形扫描与与熵编码。结合例题进进行分析4．2．2基基于DCT的量化化例【3一l】，设一一个亮度大大小为8××8的块图图像信号，，其取样值f(x，y)为：利用下式对对f(x，y)实施DCT变换。得到大小为为8×8的的频率信号号F(u，v)为：利用亮度量量化表Q(u,v)（表4—2）1611101624405161121214192658605514131624405769561417222951878062182237566810910377243555648110411392496478871031211201017292959811210010399uv注意取整式式中表表示小于x的最大整数数，而且上述公公式舍入到到最接近的的整数。例例如：round(8／16)＝round(0．5)＝1；；round(7／16)＝round(0．4375)＝0round(8／15)＝round(0．533)＝＝1；round(7／15)＝round(0．466)＝＝04．2．3基于于DCT的的游程编码码所谓游程长长度编码是是指一个码码可以同时时表示码的值值和前面有有几个零，，这样就发发挥“之”字型型(或称Z型)读出出的优点。。因为“之之’’字型读出，出出现连零的的机会比较较多，特别别到最后，如果都都是零，在在读到最后后一个数后后，只要给出“块块结束”EOB(EndofBlock)码，就可以结束输输出，因此此节省了很很多码率。。按照前面的的例题有：：其游程编编码的顺序序为(39,－3,2,1,－－1,1,0,0,0,0,0,－1，EOB)，解码端收到到EOB后后自动补0，直到补补足64个个系数为止。。在实施可变变长操作时时，也可以以表示为（39，－－3，2，，1，－1，1，5×0，－－1，52×0））。250，－30，20，10，－10，15，－1EOB图4－8RLC码字的形形成4.3MPEG－－1标准随着数字技技术与计算算机技术的的发展，计计算机网络的发展，，迫切需要要把计算机机系统与广广播电视结结合起来建立一一个包括各各种终端在在内的统一一的信息网网络，即多媒媒体网络。。H.261是基于线线路交换的的，MPEG主主要是基于于互联网的的。1992年完完成了压缩缩码率达1.0Mb／s～～1.5Mb／s的的MPEG-1标准准方案，1993年初初提出的压压缩码率在在4Mb／s～l0Mb／s的MPEG-2标准。。4.3MPEG－－1标准MPEG-1标准的的目标主要要包括以下下几个方面面：(1)在声声像质量上上高于电视视电话或电电视会议的的声像质量，至至少应达到到VHS录像机机或CD-ROM的的放像质量。(2)压缩缩后的数据据量能存储储在光盘、、数字录音音带或可改写光光盘等媒体体中。(3)压缩缩后的数据据率与目前前的计算机机网络传输输码率相匹配，，即以1.2Mb／s为宜宜。(4)在通通信网络上上该标准能能适应多种种通信网络络的传输。(5)该标标准充分考考虑到更广广泛的应用用领域，例例如电子图像出出版物、电电子图像双双向传递、、电子图像像编辑及双向电电子图像通通信等。标准产生的的背景（传传输的信道道）H.261PSTN(ISDN)p×64kb/s（（p:1~32）64kb/s～2.048Mb/sMPEG-1方便计算机机处理互联网传输输多种通信网网络1Mb/s～1.5Mb/s(1.2Mb/s)标准的应用用场合H.261MPEG－1低质量视频频，可视电电话视频会议图像格式：：CIF、QCIF非隔行352×28830/s中等质量视视频，VCD或CD-ROM会议电视、、远程医疗疗图像格式：：CIF352×28825/sSIF352×24030/s两者具有相相同的象素素速率注意：象素素速率、码码率、压缩缩率、编码码率的计算算标准的编码码、解码的的过程；H.261MPEG－1DCT，量量化，熵编编码游程编码，，运动补偿偿预测编码码MPEG－－1是在H.261基础上发展展起来的编编码方法基基本相同，，主要区别别在于将图图像帧分为为I、P、、B帧，对对于不同的的图像帧采采用不同的的压缩处理理方法，进进一步提高高压缩比。。图像数据的的组织H.261MPEG－1运动图像序序列层帧组层帧层块组层宏块层块层帧层块组层宏块层块层与H.261标准类似似标准的特点点及相互比比较MPEG－－1标准是是在H.261标准准基础上发发展起来的，在很多多方面存在在类似的地地方。具体体的差别见见前面的内容。。4.3MPEG－－1标准表4—7MPEG一1的的两种图像像编码格式式图像格式SIFCIF扫描参数525行／60场／2:1，4:3625行／50场／2:1，4:3亮度有效像素数240行／帧，352像素／行288行／帧，352像素／行色度有效像素数120行／帧，176像素／行144行／帧，176像素／行像素速率3．8016M像素／s编码率0．316bit／像素8比特量化后的码率30．4128Mb／S光盘中每帧字节数5千字节／帧6千字节／帧表4－8CCIR601、MPEG-1和H.261视频格式比较较CCIR601MPEG-1H.261FormatPALNTSCSIFCIFQCIFFrames/s25/I30/I25/P30/P29.97/PLines/frameY576480288240288144CrCb28824014412014472Pixels/lineY720360352176CrCb36018017688（I＝InterleaveScanning,P＝＝ProgressiveScanning）4.3MPEG－1标准准由表4—7可可见，MPEG一1有如如下特点：(1)像素速速率：30帧每秒的的格式为(352×240+2×176×120)×30＝3.8016M像素素每秒；25帧每秒的的格式为(352×288+2××176×144)×25＝3.8016M像像素每秒。两者具有相同同的像素速率率。4.3MPEG－1标准准(2)8bit量化后后的码率：像像素速率×8bit／／象素＝3.8016M像素每每秒×8bit／象素素＝30.4128Mb／s。如果在计算机机网络中传输输，按照网络络传输容量为为1.2Mb／s计算算，则必需的的压缩比为30.128Mb／s÷÷1.2Mb／s=25.2。这是理理想的压缩比比，考虑到实实际情况需加加辅助信息，故故压缩比应更更高。(3)编码率率：它代表经经过编码后平平均每个像素素所用的比特数，表表明了压缩的的程度。编码码率等于传输输码率／像素速率＝1.2Mb／s÷3.8016M像素每秒秒＝0.316bit／像素。即量量化后的每像像素用8bit编码，而而经压缩后每每个像素仅用0.316bit编码。。4.4MPEG－2标准4．4．1MPEG－2标准基基本特征MPEG－2是对MPEG－1标准准的继承和发发展。MPEG－2标准开始于于1990年年，全称为“活动图像及及有关声音信信息的通用编编码”，该标准完成于1993年底底，4.4MPEG－2标准MPEG－2标准的特点点：系统部分解决决多个视频、、音频和数据据基本码流的组合问题，，产生两种用用于不同环境境下的码流：：节目码流和传送送码流。节目目码流是由打打包的基本码码流组合而成，并并共享同一个个时基信号，，用于误码相相对较小的环境，，且节目码流流的包可变也也相对较长。。传送包是将时基基相互独立的的打包的基本本码流组合成成单一的码流，适适用于误码较较多的环境，，传送包长度度固定188byte。按按清晰度将图图像分为4个个等级，同时时按使用的工具具和方法不同同分5种处理理类型。4.4MPEG－2标准MPEG－2的型与级它充分考虑了了各种应用的的不同要求，，同时也巧妙地解决了特特殊性与通用用性的问题。。具体实现时时，MPEG一2规定了4种种输入图像格格式，称为级级(Level)“级’’定义义了从有限清清晰度的VCD图像质量量到高清晰度的HDTV图像质量，，即提供了灵灵活的信源编编码格式。此外，MPEG一2还规定了不不同的压缩处处理方法，称为型或或档次“Profile"。ProfileLevel简单Simple主类MainSNRScalableSpatialScalable高类High高级19201920×1080×301920×1l52×254︰2︰0I，P，B80Mb／S4︰2︰2，4︰2︰0I，P，B100Mb／S高1440级1440×1152×251440×1080×304︰2︰0I，P，B60Mb／S4︰2︰0I，P，B60Mb／S4︰2︰2，4︰2︰0I，P，B80Mb／S主级720×576×25720×480×29.974︰2︰0I，P15Mb／SSP@ML4︰2︰0I，P，B15Mb／SMP@ML4︰2︰0I，P，B15Mb／SSNP@ML4︰2︰2，4︰2︰0I，P，B20Mb／SHP@ML低级352×288×29.974︰2︰0I，P，B4Mb／S4︰2︰0I，P，B4Mb／S表4—9MPEG一2系统结结构主要档次／主主要等级(MP@ML)涉及的正正是数字常规电视，，其实用价值值最大。低等等级相当于ITU—T的的H．261的CIF或或MPEG一一1的SIF，主要等级和常规电视视相对应，高高1440等等级粗略地与与每扫描行1440样样点的HDTV对应，高高等级大体上上与每扫描行1920取取样点的HDTV对应。。在MPEG一2系统结结构中，较高档次次的编码除使使用较低档次次的编码工具具外，还使用了了一些较低档档次没有使用用的附加工具具。因此，较高档档次的编码器器除能解码本本档次编码的的图像外，还能解解码用较低档档次编码的图图像，即MPEG一2的“档””之间具有向向下兼容性。。2．区分场和和帧在MPEG－－2编码中为为了更好地处处理隔行扫描描的电视信号，分分别设置了““按帧编码””和“按场编编码”两种模式，并相相应地对运动动补偿也作了了扩展。这样样，常规隔行电视视图像的压缩缩编码与单纯纯的按帧编码码相比，其效率显显著提高。例例如在某些场场合，场间运运动补偿可能比帧帧间运动补偿偿好，而在另另外一些场合合则相反。类似地地，在某些场场合，用于场场数据的DCT的质量比用于帧帧数据的DCT的质量可可能有所改进进。可见MPEG－－2对于场／／帧运动补偿偿和场／帧DCT进行选择(自适适应或非自适适应)就成为为改进图像质质量的一个关键措施施之一。3.可分级级性同一档次的不不同级别间的的图像分辨率率和视频码率相差甚大。。为保持解码码器向下兼容容性，MPEG一2采用了信噪比比可分级性和和空间可分级级性两种分级级编码技术。信噪噪比可分级性性表示可分级级改变DCT系数的量化步长；；空间可分级级性利用对像像素的抽取和和内插来实现不同同级别的转换换，如1440HDTV信号按MPEG一2压缩编码后后的数据流分分成两个子集集，对优先权高的子集集解码后即可可获得常规电电视质量的图图像(主要档／主主要级，15Mbit／／s码率)，，相当于SDTV图像；而对两两个子集一起起解码才能获获得1440HDTV电视质量的图图像。上述过过程可用示意意图4—13来说明。图4—13向下兼兼容的MPEG一2解码码示意图MPEG一2的主要特点点表现在使用用的灵活性。。根据应用需要要将图像分成成“级”与““类”，它的级包括空域分级、时时域分级、SNR分级和和数据分流。。空域分分级：：用于于实现现不同同大小小图像像的兼兼容传传送；；时域分分级：：主要要用于于不同同帧频频图像像的传传送；；SNR分级级：主主要用用于实实现不不同质质量的的视频频服务务兼容；数据分分流：：将有有关解解码的的重要要信息息，例例如控控制信信息，运运动矢矢量，，DCT低低频分分量等等放在在一起起，占占用部部分频带带以较较高的的性噪噪比发发射，，以保保证接接收。。而在在另外外的频带带中放放置相相对次次要的的数据据，以以较低低些的的能量量发射，从从而降降低总总的发发射功功率。。MPEG-2与与MPEG-1比较较MPEG-1标标准是是针对对CIF图图像格格式的的，MPEG-2与MPEG-1相比比，它它支持持图像像格式式符合合CCIR.601建议支持持逐行行扫描描，也也支持持隔行行扫描描和16：：9的的宽高高比，它它充分分考虑虑了各各种应应用的的不同同要求求，规规定了了不同的压压缩处处理方方法即即“型型”以以及编编码器器输入入端不不同的的信源图图像格格式即即“级级”，，解决决了特特殊性性和通通用性性的问问题，它它包含含了HDTV的的标准准，使使其应应用更更加灵灵活，，更加广广泛；；在一一个系系统码码流中中可以以有多多个视视频信信道；MPEG-2向向下兼兼容，，MPEG-1是MPEG-2的的一个子集集，任任何MPEG-2的的解码码器能能够解解MPEG-1的码流；；MPEG-2支持持多种种图像像预测测方式式，可可以采采用分级搜搜索方方法进进行运运动补补偿；；MPEG-2分别别设置置了“按帧帧编码码”和和“按按场编编码””两种种模式式，其其编码码效率率得到提高高；MPEG-2采采用了了性噪噪比可可分级级性和和空间间可分级性性两种种分级级编码码技术术，以以满足足不同同传输输带宽宽和不同用用户的的需求求；支支持不不同的的彩色色图像像采样样格式式，支持8bit的的图像像也可可支持持10bit的的图像像。在图像像数据据流组组织方方面，，MPEG-2中中有两两类数数据码率率，传传送数数据流流和节节目数数据流流，用用于不不同的的场合。节节目码码流中中小包包的长长度相相对较较长且且不固固定，，适合用于于相对对无误误差的的环境境。传传输码码流是是在传传输流流的基础上上复用用而成成的，，传输输流中中的包包长度度固定定为188字节，，适合合于在在有误误差的的环境境中传传送。。4.5MPEG－－4的的基本本内容容4.5.1MPEG－－4的的基本本特点点MPEG－－1和和MPEG－2已得得到广广泛应应用，，但仍仍需要一一个用用于表表述、、集成成和变变换音音视频频信息息的标标准，如如在固固定的的宽带带系统统及移移动通通信窄窄带系系统中中的应用。。MPEG一一4标标准化化工作作始于于：1993年9月，，初衷是制制定一一个码码率在在64kbps以以下的的通用用的视视频编码标标准，，其主主要目目标是是低码码率视视像通通信。。八大功功能：：(1)基于于内容容的操操作和和位流流的编编辑；；(2)基于于内容容的多多媒体体数据据的访访问工工具；；(3)基于于内容容的可可分级级性；；(4)自然然／合合成数数据的的混合合编码码；(5)多个个并发发数据据流的的编码码；(6)改进进编码码效率率；(7)甚低低码率率下时时轴访访问的的改进进；(8)压缩缩数据据在差差错环环境下下的坚坚韧性性。MPEG一一4与与以往往的MPEG——l／／2标标准最最主要要区别别于：：(1)MPEG－4的数数据描描述是是基于于内容容的或或者说说是基基于对对象的的编码码机制制，类类似于于软件件领域域中的的“面面向过过程的的语言言”。。(2)MPEG－4是一一个开开放的的系统统，它它支持持传统统的标标准又又不排排斥新新标准准。从从应用用层面面来看看，MPEG－－4包包括了了传统统的方方式访访问数数据库库。(3)MPEG－4支持持多种种类的的AV信信息：：自然然的或或合成成的；；二维维的或或三维维的；；单频频谱的的或多多频谱谱的；；实时时的或或非实实时的的，等等等。。MPEG－－4所所提供供的新新功能能包括括：(1)具有有对于于称之之为音音像对对象的的混合合媒体体数据据的高效编编码能能力。。这些些混合合媒体体数据据包括括：视视频图图像、图图形、、文本本、音音频、、语言言的数数据。。(2)用用合合成成的的文文本本组组合合的的混混合合媒媒体体对对象象来来产生生多多媒媒体体信信息息表表现现的的能能力力。。(3)压压缩缩数数据据在在噪噪声声信信道道传传输输中中恢恢复复差差错错的坚坚韧韧性性。。(4)对对任任意意视视频频对对象象进进行行编编码码的的能能力力，，即即不不要要求求分块块的的编编码码图图像像是是矩矩形形，，每每块块区区域域内内可可以以包包含含特特定定图像像或或感感兴兴趣趣的的视视频频内内容容即即视视频频对对象象平平面面VOP(VideoObjectPlane)。。VOP不不再再是是MPEG－－1／／2传传统统的的矩矩形形编编码码，，编编码码器器对对任任意意形形状状的的VOP编编码时时，，VOP被被限限定定在在一一个个长长、、宽宽均均为为16整整数数倍倍的的窗窗口内内，，同同时时保保证证VOP窗窗门门中中非非VOP的的宏宏块块数数最最少少，，如VOP宏宏块块,标标准准的的矩矩形形帧帧可可以以认认为为是是VOP的的特特例例。。(5)在在网网络络信信道道传传输输所所提提供供的的适适合合于于特特有有对对象象性性质的的业业务务质质量量下下音音像像对对象象数数据据的的复复用用和和同同步步。。(6)在在接接收收端端具具有有进进行行音音像像场场景景交交互互的的能能力力。。MPEG一一4所所支支持持的的这这些些功功能能使使其其有有着着广广泛泛应应用，，诸诸如如从从交交互互式式移移动动可可视视电电话话、、交交互互式式家家庭庭商商店、、无无线线可可视视监监控控到到基基于于内内容容的的多多媒媒体体数数据据库库的的查查询、、搜搜索索、、索索引引、、检检索索及及互互联联网网上上多多媒媒体体表表现现以以至至数字字广广播播、、DVD接接收收等等。。一一个个能能支支持持各各种种不不同同的的功功能和和各各种种各各样样的的应应用用的的标标准准是是十十分分复复杂杂的的，，特特别别指指出MPEG－－4是是表表现现多多媒媒体体的的一一种种工工具具，，而而不不是是具具体体编码码算算法法的的一一种种标标准准。。MPEG－－4由由4大大要要素素构构成成：：(1)语语法法：：它它是是一一种种可可扩扩充充的的语语言言，，允允许许选选择择、、描述述工工具具标标准准以以及及框框架架的的下下载载。。(2)工工具具：：它它是是一一种种特特殊殊的的方方法法。。MPEG－－4不不仅仅提供供了了视视频频编编码码的的标标准准化化工工具具，，也也提提供供了了音音频频、、图图形和和文文本本编编码码的的标标准准化化工工具具。。(3)算算法法：：是是实实现现一一个个或或多多种种功功能能的的工工具具的的集集合合。。(4)框框架架：：是是适适用用于于特特殊殊应应用用的的一一个个或或多多个个算算法法。。4．．5．．2MPEG－－4精精细细可可分分级级编编码码与与流流媒媒体体技技术术精细细可可分分级级编编码码FGS(FineGranularScalability)是MPEG－－4提提供供的的一一种种质质量量可可分分级级编编码码技技术术。。MPEG－－4FGS编编码码方方法法将将视视频频序序列列编编码码成成两两个个码码流：基本本层码流流和增强强层码流流，基本本层采用用传统的的视频编码码技术编编码，生生成一个个码率比比较低的的码流，，基本层码码流传输输必须是是正确的的；增强强层码流流采用位位平面(Bit——Plane)技术编编码源图图像和基基本层重重构之间间的差值。。通常的视视频压缩缩可以分分为可扩扩展和不不可扩展展的压缩。其其中不可可扩展的的压缩只只生成一一个位流流（Bit-stream））；而可可扩展的的压缩生生成多个个子位流流（Sub-stream）），其中中一个位位流是基基本位流流，它可可以独立立解码，输输出粗糙糙质量的的视频序序列；其其他的子子位流则则起质量增增强的作作用；所所有的子子位流一一起还原原出最好好质量的视视频序列列。相应应地，仅仅有部分分的子位位流（必必须包括基基本位流流），则则输出的的视频在在图像质质量，或或者大小，，或者帧帧速率上上较差，，这三个个方面构构成了压压缩在质量量信噪比比（SNR）空空间和时时间上的的扩展性性编码。流媒体技技术与多多媒体技技术流媒体技技术：媒体在因因特网/局域网网中播放放时，所所采用的的流式传输方式式（不是是媒体的的形式））。边下下载，边边播放。。而流式传传输方式式则要将将整个多多媒体文文件经过过特殊的压缩缩方式分分成一个个个压缩缩包，由由视频服服务器向向用户计算算机实时时连续地地传送。。用户不不必像采采用下载载方式那样样等到整整个文件件全部下下载完毕毕(需要要本地硬硬盘)，而而是只需需经过几几秒或几几十秒的的启动延延时(在在客户端的内内存中开开辟一个个缓冲区区)即可可在用户户的计算算机内利用解解压设备备对压缩缩的多媒媒体文件件解压后后进行播播放和观看看，而剩剩余部分分将在后后台的服服务器内内继续下下载。多媒体技技术：单独说多多媒体是是没有意意义的，，它是一一个形容容词，不是一个个名词。。信息的载载体———媒体多种媒体体的形式式——文文本、图图形、图图像、动动画、音频、视视频等等等多媒体通通信的特特征———综合性性、交互互性、同同步性4.7MPEG标准准编码特特点MPEG视频定定义了三三类图像像：I帧帧、P帧帧、B帧帧；一个GOP通常常为12～15帧，将将其分成成三类。。I帧———帧内编编码帧，，通常是是变换场场景后的的第一帧，作为为预测基基准的独独立帧，，该帧仅仅利用本本帧内部部的相关性性采取帧帧内压缩缩算法，，诸如DCT之之类压缩缩，实现中等等程度的的压缩编编码，它它不包含含运动矢矢量的信信息，它是是P帧和和B帧的的参考帧帧。I帧编码码质量的的好坏直接影响响到整个个GOP的重建建。压缩后每每个象素素占用1～2bit。。(152kbit/帧)P帧———前向预预测编码码帧，它它用前边边最近的的I帧或P帧作作为参考考帧，进进行帧间间差值预预测压缩缩编码（运动补补偿预测测编码）），该帧帧同时进进行帧内内和帧间间预测编码码，编码码率较低低。(80kbit/帧)B帧———双向预预测编码码帧，该该帧即以以前帧（（I帧或P帧））为参考考，又以以后帧（（P帧））为参考考进行预预测编码（双双向运动动补偿预预测编码码），即即B帧可可以采用用帧内、前前向、后后向或双双向4种种压缩编编码技术术，其压压缩程度最最高。(23kbit/帧)按压缩比比的高低低排序：：B帧、、P帧、、I帧152＋＋3×80＋8×23＝576kbit（（12帧帧为一组组）576÷÷12××25＝＝1.2MbpsI1B2B3P4B5B6P7前向预测测后向预测测图4—20MPEG编码帧的的结构形形式IBBPBBPIPBBPBB12345671423756……显示顺序序传递顺序序图4－21MPEG视频码流流(帧)显示顺顺序与传传送顺序序一个图像像组中各各类帧的的压缩、、传送和和解压(码)、显示顺顺序是不不同的，，编解码码顺序与与画面显显示顺序序不同。。图像需需要经过过重新排排序缓冲冲器再显显示。图4—22MPEG一2压缩编码码原理框框图图4—23一个MPEG解码原原理图图4.10先先进音音视频频编码码标准准(AVS)AVS标准准是《《信息息技术术先进进音视视频编编码》》系列列标准的简简称，，其核核心是是把数数字视视频和和音频频数据据压缩缩为原来的的，几几十分分之一一甚至至百分分之一一以下下。数数字音音视频编解解码技技术标标准工工作组组(简简称．．AVST．．作组组)由由中国国家家信息息产业业部科科学技技术司司于2002年年6月月批准准成立立。4.10先先进音音视频频编码码标准准(AVS)工作组组的任任务是是：面面向我我国的的信息息产业业需求，联联合国国内企企业和和科研研机构构，制制(修修)订订数字字音视视频的压压缩、、解压压缩、、处理理和表表示等等共性性技术术标准准，为数字字音视视频设设备与与系统统提供供高效效经济济的编编解码码技术，服服务于于高分分辨率率数字字广播播、高高密度度激光光数字字存储媒体体、无无线宽宽带多多媒体体通讯讯、互互联网网宽带带流媒媒体等重大大信息息产业业应用用。表4-15AVS与其其他主主要标标准的的技术术参数数对比比编码工具AVSH.264MPEG-2帧内编码4．10．1AVS视视频编编解码码的主主要内内容AVS视频频中具具有特特征性性的核核心技技术包包括：：整数数变换、、量化化、帧帧内预预测、、1／／4精精度的的像素素插值值、特特殊的帧帧间预预测运运动补补偿、、二维维熵编编码、、去块块效应应环内滤波波等。。AVS标准准中视视频解解码过过程的的基本本处理理单元元是宏宏块。一一个宏宏块包包括16×l6的亮亮度样样值块块和对对应的的色度样值值块，，宏块块可进进一步步划分分到最最小8×8的样样本块块来进行行预测测，共共有4种用用于运运动补补偿的的宏块块划分分——l6×16、16×8、8×16、8×8，如如图4—29所示。。0132100018×816××1616××88×16图4—29AVS中4种用于于运动动补偿偿的宏宏块划划分AVS中的的变换换以8×8样本本块为为基本本单元元，变变换系数采采用标标量量量化。。整数数变换换、标标量量量化计计算及及其逆过程程可以以完全全通过过整数数运算算实现现，比比原先先的浮浮点运算能能有效效提高高计算算速度度，也也有利利于硬硬件实实现实实时系统；；同时时由于于是整整数变变换，，运算算结果果精确确度高高，不存在在浮点点运算算及取取整，，因而而可以以有效效地避避免反反变换误匹配问问题，即消消除了编码码器与解码码器之间的的失配现象。AVS标准准对于帧内内编码块亮亮度系数、、帧间编码码块亮度系数数和色度系系数分别定定义了多个个变长码表表。根据解析所所得语法元元素的值，，通过查变变长码码表表可以得到量化化系数值(Level)和量量化系数游游程(Run)。解码得到一一个系数值值和游程后后，下一个个解码量化化系数所参考的的码表将根根据前一个个解码量化化系数值进进行选择。在预测方面面，AVS同样支持持多帧参考考，但其P帧或B帧最多多可有两个个参考帧图图像。对于于亮度块和和色度块的帧内预预测，AVS分别定定义了5种种和／1种种模式不使用8×8以下的模模式，是因因为这些模模式对编码码性能的影响极小小。与H.264标标准类似，，AVS在在编码Intra图图像时可以用用帧内预测测，帧内预预测使用空空间预测模模