DVIP07b 基于DCT的压缩编码

第07章

基于DCT的压缩编码ImageCompressionBasedonDCT门爱东教授

menad@图像编码的国际标准—压缩编码的预处理从摄像机输出RGB信号，混合处理亮度(Y)和两个色差信号（B-Y或U，R-Y或V信号），这叫YUV信号，这是压缩编码的接口信号。国际上视频信号的取样频率，对Y信号规定为13.5MHz（4×3.375Hz），8bit量化。对625行及525行的模拟电视取样频率13.5MHz分别是它的行频的整倍数。对色差信号的取样频率相对亮度信号有4:2:2、4:2:0、4:1:1等格式。它分别对应于YUV取样频率，亮度的取样频率“4”然后乘一倍数。色差信号的取样率是亮度的1/2（格式中的2）或1/4（格式中的“1”）。这是利用人眼对彩色的空间分辨率低于亮度的结果。对于4:2:2格式亮色空间垂直分辨率相同。2压缩编码的预处理—模拟信源的预处理彩色取样格式如图6.27所示。3压缩编码的预处理—模拟信源的预处理由于Y信号是单极性信号，而、是双极性信号，因此，幅度变换为二元码时，对亮度不需偏置(offset)，而双极性的色差信号Cr

、Cb

需要偏置，即模拟0信号对应数字幅度128，如图6.28所示。、4压缩编码的预处理—数字视频（串行）信号它能提供高质量的数字信源，提供无亮、色互串和低噪音的数字图像。例如，数字分量信号（601，4:2:2）码率为270Mb/s，它是DVD用编码信号。DV（－1394接口），码率为25Mb/s。5压缩编码的预处理—压缩编码预处理卡含模拟分量及复合视频信号的接口和数字分量信号接口，经信号处理最后形成AVI文件格式的数字信号，提供给压缩编码之用，如图6.29所示。AVI是音像信号交织格式。6公共图像格式不同的应用场合，采用不同的空间分辨率、帧率以及彩色的空间分辨率。7公共图像格式—空间分辨率对于不同的空间分辨率帧的大小，相应于SVGA监视器显示分辨率如图6.30所示。因此，在大屏幕观看环境下，要求有大的空间分辨率。8公共图像格式—时间分辨率用降低帧率(30帧/秒)实现码率的降低，这主要取决于图像的运动的快慢。9公共图像格式—彩色分辨率摄像和CRT都是RGB器件。因此，对RGB用8比特样值表示，则每一图像的样值要24比特。它可显示种颜色。为了减少彩色比特数，将显示的彩色的数量减少，比如总数是8比特只能给出256种颜色。对于彩色连续变化的图像将产生失真。因此，在压缩编码进行之前给出公共图像格式，以便在设计时根据不同应用环境，选择适当的图像格式，以得到未压缩编码前的码率。10压缩编码国际标准下表给出国际标准中数字视频信号的格式。从表中可以看出，数字图像的原始码率很高，因此对数字视频图像的压缩是十分必要的。图像格式亮度取样频率有效空间分辨率（pixel）

帧率（帧/秒）

色度取样格式

码率(Mb/s)ITU601-NTSC13.5MHz

720*480

29.97

4:2:2

170ITU601-PAL13.5MHz

720*576

25

4:2:2

166CIF6.75MHz

352*288

30

4:2:0

36.5QCIF3.375MHz

176*144

30

4:2:0

9.1HDTV74.25MHz

1280*720

59.94

4:2:0

663HDTV1920*1080

30

4:2:0

745.711压缩编码国际标准有关图像编码的国际标准化组织有：一是国际标准化组织ISO和国际电工委员会IEC，其中ISO和IEC又成立了一个ISO/IEC联合技术委员会（JointTechnicalCommittee1，JTC1），共同致力于计算机相关的标准活动，其制定的视频压缩编码标准主要是MPEGx系列；二是国际电信联盟ITU，主要标准为H系列。当然，有时ITU和ISO/IECJTC1也合作制定标准，例如MPEG2Videopart/H.263、MPEG4part10/H.264。12压缩编码国际标准已公布的压缩标准如图6.31所示。图6.31

图像编码国际标准13压缩编码国际标准—JPEGJPEG是静止图像编码标准，其应用对象为彩色或灰度静止图像。JPEG的后续标准为JPEG2000，它采用小波子带编码，压缩增益高、质量好，应用范围广。14压缩编码国际标准—MPEGMPEG是运动图像编码标准。MPEG-1用于数字存储媒体，如：CD-ROM的视频压缩，速率为1Mbps～1.5Mbps，或以不同速率在网络中传输。通常MPEG-2传输码率为2Mbps～20Mbps，可应用于隔行数字视频压缩，如SDTV、HDTV，既可以用于高质量数字存储媒体，又可应用于通信网中视频业务。15压缩编码国际标准—MPEGMPEG-4的码率在10kbps至5Mbps，它覆盖了QCIF和ITU-R.601格式。MPEG4对图像中不同对象独立编码，显示时交互地组合，这些对象在场景中，可实现空间和时间上的分级编码。采用新的编码算法改善编码效率，在低码率上它优于MPEG2。MPEG4适用于通信网、无线通信网和计算机互联网中的数字电视、交互电视等多媒体通信应用。MPEG-7定义声音和视觉的多媒体特征，主要应用于大型数据库的浏览等领域。16压缩编码国际标准—H系列H系列标准主要针对多媒体通信中的视频编码。H.261用于会议电视及可视电话视频编码，码率为64kb/s～2Mb/s。H.263支持从SQCIF到16CIF的图像格式，码率范围从64kb/s到HDTV。H.264的编码结构与MPEG2相似，基本算法也相似。但增加许多新的复杂算法，用以提高编码效率，与H.263v2和MPEG4(SP)相比，节约50％左右的码率。可灵活应用于不同时延的高质量业务，对网络有较强的友好性与适应性。17压缩编码国际标准—帧内编码帧内编码将视频序列中所有帧独立的编码。因此，帧内宏块对视频序列分别编码，而不考虑时域冗余度。帧内编码由（DCT＋Q＋VLC）功能块组成，JPEG静止图像编码是其典型应用。18帧内帧间混合编码为了进一步压缩图像，视频图像编码标准都采用帧内和帧间混合编码MC/DCT，即有运动补偿的预测编码和DCT变换编码的混合。视频序列被分成GOP帧组。每一个GOP含三种帧类型，分别为帧内编码（I帧）、预测编码（P帧）和双向预测编码（B帧），如图6.32所示。19帧内帧间混合编码图6.32

I、P、B帧组成GOP20帧内帧间混合编码I帧是作为帧内编码的独立图像，以宏块为单位做DCT变换、量化和VLC编码。P帧是正向预测编码的图像，对当前输入图像和前一参考I/P帧图像的差值做DCT变换、对变换系数和运动矢量进行量化，然后进行熵编码。B帧是双向预测帧，用两个参考帧，即过去帧和将来帧，来产生B帧，B帧的参考帧可以是I或P帧，它能提供较大的压缩比。在一个GOP中，IPB帧的数量可根据实际应用设定，一般I帧0.5秒必须传输一次，以便于中断后恢复和编辑切入。21MC/DCT视频编解码器MC/DCT视频编解码器基本框图如图6.33所示。它是一个对运动图像压缩编码的通用编码结构框图。图6.33

带运动补偿的混合编解码器22MC/DCT视频编解码器这类编码标准，可看成JPEG静止图像压缩标准与去时间冗余度算法的结合。本质上它是运动估值（ME）和补偿（MC）预测、离散余弦变换（DCT）、均匀量化器（Q）以及二维变长编码等的混合。图中（DCT＋量化＋VLC）编码是JPEG压缩编码的基本框图。运动估值与补偿是对视频运动序列时域相继帧间相关性的有效处理技术。23MC/DCT视频编解码器例如，通用的运动估值技术是块匹配（BM）技术首先，对将要编码的宏块与前一帧已编码的宏块进行匹配计算，当找到最佳匹配块时，此时宏块的相对位置叫运动矢量。而且此时运动补偿帧差信号，是编码宏块与最佳匹配块间最小误差。这一过程对视频帧中所有编码宏块重复。与对帧内宏块直接编码而不考虑运动补偿相比，对帧差信号编码效率更高。24MC/DCT视频编解码器为了编码下一帧，用帧存区存储重建的当前帧。帧编码器含嵌入式解码器（它由I