视频压缩编码

视频压缩编码第一页，共五十四页，编辑于2023年，星期一（1）彩色空间之间的转换:Y=(0.299R+0.587G+0.114B)+16Cr=(0.5114R-0.4282G-0.0832B)+128Cb=(-0.1726R-0.3388G+0.5114B)+128（1）彩色空间转换第二页，共五十四页，编辑于2023年，星期一对PAL制、SECAM制，采样频率fs为

fs=625×25×N=15625×N=13.5MHz,N=864

其中，N为每一扫描行上的采样数目。对NTSC制，采样频率fs为

fs=525×29.97×N=15734×N=13.5MHz,N=858

其中，N为每一扫描行上的采样数目。（2）采样频率第三页，共五十四页，编辑于2023年，星期一对PAL制、SECAM制每一条扫描行采样864个样本有效样本数720个对NTSC制每一条扫描行采样858个样本有效样本数720个（3）有效显示分辨率第四页，共五十四页，编辑于2023年，星期一1、亮度(Y):

(NTSC):858样本/行×525行/帧×30帧/秒×10比特/样本≈135Mb/s(PAL):864样本/行×625行/帧×25帧/秒×10比特/样本≈135Mb/s

ITU-RBT.601标准数据率第五页，共五十四页，编辑于2023年，星期一2、Cr(R-Y):

(NTSC)：

429样本/行×525行/帧×30帧/秒×10比特/样本≈68Mb/s(PAL)：429样本/行×625行/帧×25帧/秒×10比特/样本≈68Mb/s3、Cb(B-Y):

(NTSC)：429样本/行×525行/帧×30帧/秒×10比特/样本≈68Mb/s(PAL)：429样本/行×625行/帧×25帧/秒×10比特/样本≈68Mb/s总计:

270兆比特/秒ITU-RBT.601标准数据率第六页，共五十四页，编辑于2023年，星期一实际上，在荧光屏上显示出来的有效图像的数据传输率并没有那么高

亮度(Y):720×480×30×10≈104Mb/s(NTSC)

720×576×25×10≈104Mb/s(PAL)

色差(Cr，Cb):

2×360×480×30×10≈104Mb/s(NTSC)

2×360×576×25×10≈104Mb/s(PAL)

总计:

207Mb/s

如果每个样本的采样精度由10比特降为8比特，彩色数字电视信号的数据传输率就降为166Mb/s。

ITU-RBT.601标准数据率第七页，共五十四页，编辑于2023年，星期一单速光驱的数据传输速率为150kb/s40倍速光驱的数据传输速率为6Mb/s<<166Mb/s所以需要压缩第八页，共五十四页，编辑于2023年，星期一第九章视频压缩编码第九页，共五十四页，编辑于2023年，星期一一、P×64Kb/s电视图像压缩编码（通信）二、MPEG压缩编码标准（存储）学习内容第十页，共五十四页，编辑于2023年，星期一1、能说明视频压缩的必要性和可能性2、能概述P×64Kb/s电视图像压缩编码基本过程3、理解MPEG压缩编码基本原理4、能说出MPEG系列的适用场合学习目标第十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期一国际标准化协会ISO(InternationalStandardizationOrganization-ISO)，国际电子学委员会IEC(InternationalElectronicsCommittee-IEC)，国际电信协会ITU(InternationalTelecommunicationUnion-ITU)20世纪90年代制定了三个重要的多媒体国际标准。JPEG标准、MPEG标准和H．261标准

国际标准化组织第十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期一一、P×64Kb/s电视图像压缩编码为使用综合业务数字网络（ISDN）以提供视听业务，CCITT在1984年成立负责制定电视图像通信编码标准的专家组。

1990年公布了H.261标准文件，称为“视听业务速率为P×64Kb/s的电视图像编译器（VideoCodecforAudiovisualServicesatP×64Kb/s）”其中P=1、2……30。

P=1或2，适用于面对面的台式可视通信（可视电话）

P>=6，适用于电视会议（VideoConferencing）第十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期一源图像编码器图像复合编码器传输缓存传输编码器接收译码器编码控制图像编码器图像译码器图像信号压缩图像代码位流接收缓存图像复合译码器源图像译码器一、P×64Kb/s电视图像压缩编码第十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期一CIF格式（CommonIntermediateFormat）1/4CIF格式，又叫QCIF格式（QuarterCIF）CCITT规定，凡是采用H.261标准的编译码器都必须能实时处理QCIF格式的图像，而CIF格式的图像作为选用。Vmax=29.97幅/秒（约）公用的中分辨率格式第十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期一CIFQCIF行数/帧像素/行行数/帧像素/行亮度Y288352（360）144176（180）色度CB144176（180）7288（90）色度Cr144176（180）7288（90）公用的中分辨率格式第十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期一…………解码625/50525/50PAL/CIFNTSC/CIF显示显示625/50525/50P×64Kb/s编码CIF/PALCIF/NTSCP×64Kb/s编译码器公用的中分辨率格式第十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期一P×64Kb/s电视图像压缩编码算法运动补偿帧间预测DCT量化熵编码…………传送编码前处理PAL信号16×16像素块信道源编码

PAL/CIF

去噪

纠错码传送缓冲器

帧内压缩帧间压缩第十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期一帧间预测（Ymn）N和(Ymn）N-1变化很小统计结果表明：广播电视节目只有10%以内的像素有变化Y有2%的变化，UV有千分之十以内的变化所以只传差值采取DPCM编码方法第十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期一H.261与MPEG不兼容H.261在实时编码时比MPEG所占用的CPU运算量少得多。剧烈运动的图像比相对静止的图像质量要差。码率变化范围在64kbps至1.92Mbps之间。H.261的特征第二十页，共五十四页，编辑于2023年，星期一H.263简介H.263关于低于64Kb/s比特率的窄带通道视频编码建议，其目的是能在现有的电话网上传输活动图像H.263的编码速度快，其设计编码延时不超过150ms；码率低，在512K乃至384K带宽下仍可得到相当满意的图像效果，十分适用于需要双向编解码并传输的场合,如可视电话和网络条件不是很好的场合H.263建议草案于1995年11月完成。第二十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期一二、MPEG压缩编码标准—简介

活动图像专家组(MOVINGPICTUREEXPERTGROUP)负责开发电视图像数据和声音数据的编码,解码和它们的同步标准，简称“MPEG标准”。

MPEG-1数字电视标准1992开发MPEG-2数字电视标准MPEG-3合并到高清晰度电视(HDTV)组MPEG-4多媒体应用标准第二十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期一二、MPEG压缩编码标准—简介（1）MPEG视频压缩：进行全屏幕动态视频图像的数据压缩，动态视频图像的传输速率为1.5Mbit/s。（2）MPEG音频压缩：进行数字音频信号的压缩,数字音频信号的传输速率是64Kbit/s、128Kbit/s和192Kbit/s。（3）MPEG系统：MPEG标准的算法、软件和硬件。MPEG标准分为三部分：第二十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期一二、MPEG压缩编码标准—必要性一张B5纸300dpi，6.61MB/页98页/CD-ROM激光唱盘44.1kHz，16位，立体声1小时/CD-ROM数字音频磁带48kHz，16位，2小时/CD-ROM数字电视图像（NTSC）253KB/帧，7.603MB/秒1.42分钟/CD-ROM数字电视图像(PAL)1.24MB/帧，31.3MB/秒20.0秒钟/CD-ROM存储第二十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期一二、MPEG压缩编码标准—必要性电话8000样本数/秒×12比特/样本=96kbps宽带语音16000样本数/秒×14比特/样本=224kbps宽带音频44100样本数/秒×2信道×16比特/样本=1.412Mbps图像512×512彩色图像×24比特/像素=6.3兆比特/图像视频640×480彩色图像×24比特/像素×30图像/秒=221Mbps高清晰度电视1280×720彩色图像×60比特/像素×24图像/秒=1.3Gbps传输第二十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期一二、MPEG压缩编码标准—MPEG1为例25帧/秒PAL30帧/秒NTSC<1.5Mb/s压缩用于速率约在1.5Mb/s以下的数字存储媒体第二十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期一二、MPEG压缩编码标准—基本思想时间冗余第二十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期一动态图像在帧与帧之间表现出的特点:动态图像以每秒25帧播放，在如此短的时间内，画面通常不会有大的变化；在画面中变化的只是运动的部分，静止的部分往往占有较大的面积；即使是运动的部分，也多为简单的平移。二、MPEG压缩编码标准—基本思想第二十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期一1、在空间方向上，图像数据压缩采用JPEG压缩算法去掉冗余信息。2、在时间方向上，图像数据压缩采用帧间预测去掉冗余信息。二、MPEG压缩编码标准—基本思想第二十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期一处理方法：采用JPEG的方式记录第一帧。在随后的帧中，只记录该帧与前一帧不同的地方，相同的则不记录。播放时，根据前一帧的画面和这两帧之间的不同构造出当前的画面。为解决在实际压缩中存在的有损压缩带来的失真和因故障无法恢复后面帧（因前面帧丢失而造成）的问题，可采用每隔若干帧之后就记录一个原始帧的方法加以解决。二、MPEG压缩编码标准—基本思想第三十页，共五十四页，编辑于2023年，星期一I帧也称帧内图像，采用JPEG压缩算法,

不参照任何过去的或者将来的其他图像帧；每个图像平面分为8×8的图块，对每个图像块进行离散余弦变换；变换后用差分脉冲编码，最后用霍夫曼编码进一步压缩。P为预测帧，利用相邻I帧或P帧的统计信息进行预测，画面分成16×16的子图像块，再分别向前或向后预测。B图像称为双向预测帧,利用前后的I、P帧图像之间的差异进行压缩。MPEG的3种图像类型第三十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期一MPEG压缩编码的首要任务是找出帧之间的冗余，然后以帧速度进行预测和压缩。对于视频图像和动画，帧之间变化的内容产生动作，没有变化的内容在视觉上是静止的，有无变化是数据压缩的基本依据。原理分析：帧的预测编码第三十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期一动态图像压缩主要解决的问题：

正确区分静止图像和动态图像提取动态图像中的活动成分进行帧之间的预测，提供压缩的依据

压缩系统对比两帧对应位置的像点，有变化的像点运算结果为0，否则为1。通过简单的运算，即可识别图像的活动成分，并进行相应的编码，达到压缩的目的。帧的预测编码第三十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期一帧的预测编码1、条件像素补充法：比较两帧对应位置像素的亮度，若亮度差值超过预先规定的阈值（即“条件”）则认为两个像素有变化，证明像素在画面上是活动的。把所有经过比较判定有变化的像素保存在缓冲存储器中，随后以恒定的速率传送出去、而那些亮度差值未超过阀值的像素，则不予处理，在接收端中用上一帧相应的像素代替据统计，在可视电话中用条件补充法传送的像素只占全部像素的6%左右第三十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期一2、运动补偿是MPEG标准采用的主要技术，特别适用于可视电话系统和电视会议系。由于画面活动内容很少，其压缩比可得到大幅度提高。首先跟踪画面内的活动状态并对其进行运动向量的计算然后加以补偿最后再利用帧间预测实现最终的压缩目的。帧的预测编码第三十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期一预测与运动补偿示意图

第三十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期一第三十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期一MPEG-1标准主要用于对活动图像以及伴音信号进行压缩编码。主要特点：1、满足以约1.5Mb/s的速率传输视频信号3、对分辨率(NTSC制式为352×240；PAL制式为352×288)的图像进行压缩2、适用于VCD第三十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期一MPEG-1标准4、有四个组成部分：视频、音频和系统和测试验证。5、对于帧内图像采用二维余弦变换、自适应算术编码、行程编码、变字长编码以及差分脉冲编码（DPCM）。帧间压缩采用运动补偿预测编码和运动补偿内插编码。第三十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期一7、适用于CD－ROM、VCD、CD－I（交互式CD）等，也被用于数字通信网络上的视频传输，如ADSL上的视频点播和远程教育。6、具有CD音质，图像质量基本与VHS家用录像机相当MPEG-1标准第四十页，共五十四页，编辑于2023年，星期一MPEG-1不能满足日益增长的多媒体技术、数字电视技术、多媒体分辨率和传输率等方面技术的要求，MPEG-2克服了MPEG-1的这一缺陷。MPEG-2视频分量的位速率范围大约为2—15MbpsMPEG-2标准第四十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期一主要特点：1、压缩信号速率为4-15Mbit/s2、支持NTSC制式的720×480画面分辨率，PAL制式的720×576S画面分辨率。3、MPEG-2标准使用的解码器一般同时支持MPEG-1和MPEG-2两种标准。4、提供广播级的图像质量和CD级的音质MPEG-2标准第四十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期一5、一般在30:1的压缩比下，能够保证播放的视频和音频信号达到广播级质量；最高压缩比为200：1，大多数情况下达不到最高压缩比。6、适用于数字电视广播(DVB）、HDTV和DVD的运动图像及其伴音的压缩编码。对于PAL制式，采用MPEG-2标准进行音频信号压缩；对于NTSC制式。采用AC3音频压缩标准。

MPEG-2标准第四十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期一MPEG-1MPEG-2主要应用CD-ROM上的数字电视，VCD数字TV，DVD空间分辨率CIF格式（1/4TV）288*360像素TV576*720像素时间分辨率25-30帧/秒50-60场/秒位速率1.5Mb/s15Mb/s质量相当于VHS相当于MTSC/PAL电视压缩率20-3030-40MPEG1与MPEG2典型的编码参数第四十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期一MPEG-4标准是一个适用于低传输速率应用的方案与MPEG1和MPEG2相比，MPEG4更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。第四十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期一MPEG-4标准1、存储容量大幅度的降低

在静止情况下MPEG4比MPEG1节省了2/3的硬盘空间；在一般活动场景下也节省近一半的容量。主要特点：2、清晰度较高第四十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期一MPEG-4标准3、网络传输

可以被广泛利用的ISDN综合业务数字网（128K）和公共普通电话线网（64K）。目前在低带宽上传输活动视频的另一个解决方案就是采用H.263通讯标准，尽管H.263也具有较高的压缩比，但是图像质量差于MPEG4。第四十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期一MPEG-4标准