CCTV-5-数字视频压缩

本课程涉及内容图像传感器原理光学成像原理电视原理数字视频压缩原理黑白、彩色摄像机摄像镜头电动云台及控制器监控系统主机监控中心的其他设备监控系统的辅助设备视音频信号的传输与控制电视监控系统的构成基于网络的电视监控系统1第5章数字视频压缩原理电视监控系统中涉及到的主要信息就是视频信息，随着数字化、网络化时代的到来，电视监控系统中视频信号的传输及存储也越来越多地采用了数字技术。然而，数字视频的原始数据量是很大的，这就意味着，在保证一定图像质量的前提下，数字视频信号在传输及存储过程中必须进行压缩处理

。25.1视频信号的数字化黑灰白25503（1）扫描：将二维平面图像转换为一维电信号表示。（2）取样：把随时间连续变化的模拟信号变成时间轴上不连续的离散信号，这个过程实际上是在每一条水平扫描线上等间隔地抽取视频图像某些特定像素点的属性值。

（3）量化：把每个像素的亮度（灰度）值转换为有限个离散值。

（4）编码：按照一定的规律，将量化后的值用数字表示，然后变换成二进制或其他进制的数字信号。

视频信号数字化的过程4取样时间1ms1-100.5-0.5时间1ms1-100.5-0.50

-fmax

fmaxfmax

-fa

取样后输入信号的频谱f重叠频谱段0

-fmax

fmaxfmax取样前输入信号的频谱为避免频带重叠所需的抗混叠滤波器的频谱响应f

fa

5量化取样取样电平量化电平时间幅度时间1ms1-100.5-0.5时间1ms1-100.5-0.56编码时间幅度118比特码2比特码1001001111111100000000共256个值通过取样、量化和二进制编码所形成的信号称为脉冲编码调制（PCM，PulseCodeModulation）信号7数字视频国际标准

ITU-R601标准作为数字演播室的国际标准。该标准采用了分量编码技术，其中亮度信号Y的取样频率为13.5MHz，两个色差信号R-Y和B-Y的取样频率都取为6.75MHz，由此根据每一扫描行的样值数比例形成了720:360:360的取样结构，简记作4:2:2格式。近年来，由于图像处理技术有了进一步的发展，而数字视频存储的需求则是越小越好，因而在某些新型录像机中又提出了采用了4:1:1或4:2:0的取样格式来进一步降低数字视频码率的方法。8现行电视系统扫描格式625/50/2:1。场周期为20ms，而场正程时间为18.4ms，因此每场/帧的有效扫描行数应为每场/帧总扫描行数的18.4/20=0.92，由此得出场正程期间的有效扫描行数为625(行)/2(场)×0.92=287.5行/场，取整数为288行/场，相当于576行/帧。考虑到电视画面的宽高比为4:3，可以算出每个扫描行的像素数应为576×4/3=768个，于是得到数字化后每帧图像的有效像素数应为768×576=442368个像素。如果将每个像素的颜色按红、绿、蓝三基色进行分解，并将分解后的色成分也即按8bit进行量化，则要描述每一像素的属性就需要用3×8=24bit来表示。由此推算出一帧图像需要用442368×24=10616832bit来表示，而每秒25帧则需要10616832×25≈2.65×108bit，这一数字按传输速率来说即为265Mb/s，若按存储容量来说则相当于33.2MB/s（8bit=1Byte），数据量大得惊人

5.2数字视频的带宽及压缩

9压缩分无损压缩和有损压缩两大类。

无损压缩：在进行数据压缩的过程中不丢弃任何有用信息，在数据还原时可使还原出的数据与未经压缩的原始数据完全相同。

有损压缩：在压缩过程中丢弃了一些不太重要的有用信息，因而还原后的数据与原始数据有所差别。但是对于视频图像及声音来说，由于人眼、耳的分辨力有限，通常难以察觉到那些因压缩而被丢弃的信息，因此，只要有用信息损失得不多，在数据还原时就仍可以保证较高的信号质量，而此时的压缩比却可以做得很高。105.3几种常用的压缩编码方法

1．预测编码

差分脉冲编码调制（DPCM）是一种预测编码技术，其原理是基于图像信号冗余度高的事实，当前的像素值可用与它邻近的像素值预测获得。在预测编码中，不直接传送像素样值本身，而是对实际样值与它的一个预测值之间的差值进行量化、编码再传送，以达到很大的压缩比。这个差值称为预测误差，预测误差被量化后再编码的方式叫做DPCM，它是预测编码中最重要的一种编码方法。在视频序列编码中，主要用运动补偿帧间预测进行时间轴冗余度的压缩。由于电视信号的相关性很强，即邻近像素的样值很接近，所以预测有较高的准确性。

11

2．统计编码（熵编码）根据信息概率分布的特点，通过合理分配比特数使信息的出现概率与字长相匹配，从而达到减小平均字长的目的。例如，某些符号发送的概率比另一些符号的概率大得多，那么对概率大的符号就赋予短的码字，而对概率小的符号则赋予长的码字，这样就有效地减小了平均码字长，从而降低传输时的平均码率。这种基于不同概率的消息有不同长度的码字，称为可变长码字。由于设计码字时是基于不同信息概率统计发生，所以这种编码方法也称为统计编码。熵编码的目的是为了降低平均字长，以达到压缩码率的目的。在熵编码过程中保持信息的熵值不变，因此也称为熵保持编码或无损伤编码

。

12

3．变换编码

将在空间域描写的图像信号变换到一个正交的变换域（正交的向量空间）进行描写。如果所选的正交向量空间的基准向量与图像本身的特征向量很接近，那么同一信号在这种变换域内的描写就简单得多。空间域的一个N×N个像素组成的像块经过正交变换后，在变换域变成了同样N×N的变换系数块。变换前后的明显差别是，在空间域像素块中的像素之间存在着很强的相关性，能量分布比较均匀；经过正交变换后，变换系数近似统计独立，基本去除了相关性，能量集中在直流和少数低频系数上，去除了相关性，降低了冗余度。在变换域内再进行滤波、量化（与视觉特性匹配）及统计编码，即可实现有效的码率压缩。

135.4数字视频压缩国际标准

自20世纪80年代后期，国际电信联盟（ITU）、国际电工委员会（IEC）和国际标准化组织（ISO）针对静止图像及活动图像的诸多不同应用场合、传输速率、图像分辨率和图像质量，先后制定了如JPEG、H.261、H.263、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21等一系列数字视频压缩标准，极大地推动了数字视频