電視原理 第8章數(shù)字視音頻壓縮編碼2_圖文

1、 MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)是世界上: 第一個(gè)集成視、音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)； 第一個(gè)只定義解碼器（接收機(jī)）的標(biāo)準(zhǔn)； 第一個(gè)獨(dú)立于視頻格式（Video Format） （NTSC/ PAL/SECAM）的視頻編碼； 第一個(gè)由對(duì)音頻和視頻感興趣的所有工業(yè)界聯(lián) 合制定的標(biāo)準(zhǔn)； 第一個(gè)完全以軟件方式制定的標(biāo)準(zhǔn)； 第一個(gè)包括一個(gè)軟件實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)。 91 目前MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用情況： （1）Video CD（VCD）； （2）用于 PC的MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)的音頻和視頻格式； （3）用于Windows 95/98/NT的MPEG-1軟件解 碼器； （4）廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的音樂(lè)的MPEG-1音頻（第三層，MP3）； （5）“數(shù)字

2、音頻廣播” （DAB）中采用的MPEG-1音頻 (在歐洲和 加拿大采納； （6）使用MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)的視頻攝像機(jī)。 信息工程學(xué)院 2009 CUC 92 信息工程學(xué)院 2009 CUC 由于MPEG-1的1.5 Mbps速率的圖像質(zhì)量不能滿足廣播 電視對(duì)圖像質(zhì)量的要求，于是MPEG專家組制定了MPEG-2。 MPEG-2是由ISO/IEC之下的MPEG專家組與ITU（國(guó)際電 信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)）的ATV的圖像編碼專家組一起共同 開(kāi)發(fā)的，所以MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)也是ITU-T的建議。標(biāo)準(zhǔn)的制訂工 作于1990年開(kāi)始，全稱為“運(yùn)動(dòng)圖像及有關(guān)聲音信息的通用 編碼”，并于1994年公布。 MPEG-2廣

3、泛應(yīng)用于DVD、SDTV 和 HDTV中。美國(guó)的 ATSC、歐洲的DVB、日本的ISDB都已把MPEG-2作為信源編碼 標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)制定的數(shù)字衛(wèi)星電視和數(shù)字有線電視的標(biāo)準(zhǔn) 中，也已經(jīng)采用了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。 93 MPEG-1與MPEG-2 （1）標(biāo)準(zhǔn)組成 第一系統(tǒng)部分，關(guān)于多路音頻、視頻和資料的復(fù)用和同步的規(guī)定； 第二視頻部分，主要涉及各種比特率的數(shù)字視頻壓縮編碼的規(guī)定； 第三音頻部分，數(shù)字音頻信號(hào)的壓縮編碼的規(guī)定。 （2）兼容性 MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)支持不同分辨率格式之間的兼容。 符合規(guī)定的MPEG-2視頻譯碼器，應(yīng)能夠譯碼MPEG-1比特流，即后向 兼容MPEG-1。MPEG-2提供的空間可分

4、級(jí)方法允許在低分辨率即底層 中使用MPEG-1編碼，即兼容MPEG-1。 信息工程學(xué)院 2009 CUC 94 信息工程學(xué)院 2009 CUC MPEG-1關(guān)鍵詞： 碼率1.5Mbps； 二、MPEG2 的型和級(jí) （3）區(qū)別 掌握！ 色度格式4:2:0； 只能處理CIF格式； 只能處理逐行格式； 主要用于VCD； 為了解決通用性和特殊性的矛盾： 規(guī)定了四種輸入圖像格式（分辨率），稱為級(jí)(Levels: 分為低級(jí)、主級(jí)、高1440級(jí)和高級(jí)。 不同的壓縮處理方法，稱為類或型（Profiles）: 分為簡(jiǎn)單類、主類、信雜比可分級(jí)類、空間可分級(jí)類和高類。 MPEG-2關(guān)鍵詞： 兼容MPEG-1； 音頻

5、編碼分3層，第三層為MP3的應(yīng)用。 碼率、分辨率不固定，包括高清； 色度格式擴(kuò)展，包括4：2：2和4：4：4 ； 逐行、隔行皆可處理； 主要用于廣播電視，是三大數(shù)字電視制式的信源壓縮標(biāo)準(zhǔn)； 95 級(jí)提供了靈活的信源格式，型提供了不同的壓縮質(zhì)量！ 信息工程學(xué)院 2009 CUC 96 信息工程學(xué)院 2009 CUC 16 級(jí)提供了靈活的信源格式，型提供了不同的壓縮質(zhì)量！ 級(jí) 參數(shù) Simple Main SNR Scalable I,P和B 4:2:0 類 Spatial Scalable I,P和B 4:2:0 High 三、MPEG-1/ MPEG-2的視頻結(jié)構(gòu) MPEG對(duì)視頻資料規(guī)定了層次

6、結(jié)構(gòu)，共分為六 層。 最高層是視頻序列（Video Sequence）、其 次是圖像組（Group of Pictures）、圖像 （Pictures）、像條（Slice）、宏塊 (Macroblock，最低層是像塊（Block）。 幀類型 抽樣格式 樣點(diǎn)數(shù)/行 行數(shù)/幀 幀/秒 最大比特率 （Mbps） 樣點(diǎn)數(shù)/行 行數(shù)/幀 幀/秒 最大比特率 （Mbps） 樣點(diǎn)數(shù)/行 行數(shù)/幀 幀/秒 最大比特率 （Mbps） 樣點(diǎn)數(shù)/行 行數(shù)/幀 幀/秒 最大比特率 （Mbps） I和P 4:2:0 I,P和B 4:2:0 1920 1152 25 80 1440 1152 25 60 I,P和B 4:

7、2:0或4:2:2 1920 1152 25 100 High High1440 1440 1152 25 60 720 576 25 15 1440 1152 25 80 720 576 25 20 Main 720 576 30 15 720 576 25 15 352 288 25 4 Low 97 信息工程學(xué)院 2009 CUC 98 信息工程學(xué)院 2009 CUC 視頻序列層(Sequence） 圖像組層(GOP 圖像層 (Picture） 像條層 (Slice 宏塊層 (Macro block 塊層 (Block 1視頻序列（VS） 視頻序列也稱圖像序列，它是隨機(jī)選取節(jié)目的一個(gè)基本

8、單元。 從節(jié)目?jī)?nèi)容看，一個(gè)視頻序列大致對(duì)應(yīng)于一個(gè)鏡頭，切換一個(gè) 鏡頭，即表示開(kāi)始一個(gè)新的序列。 2圖像組(GOP 圖像組是將一個(gè)圖像序列中連續(xù)的幾個(gè)圖像組成一個(gè)小組，簡(jiǎn) 稱為GOP。它是對(duì)編碼后的視頻碼流進(jìn)行編輯的存取基本單元。 3.圖像(P 圖像是一個(gè)獨(dú)立的顯示單元，也是圖像編碼的基本單元?？煞?為I、P、B三種編碼圖像，分別對(duì)應(yīng)三種壓縮編碼模式，即幀內(nèi) 壓縮編碼（I幀編碼）、前向預(yù)測(cè)編碼（P幀編碼）和雙向預(yù)測(cè) 編碼（B幀編碼）。 88 99 信息工程學(xué)院 2009 CUC 100 信息工程學(xué)院 2009 CUC 4像條(SLICE 像條由一系列連續(xù)的宏塊組成。像條是發(fā)生誤碼后且不可糾 正時(shí)

9、，數(shù)據(jù)重新獲得同步從而能正常譯碼的基本單元。 5宏塊(MB 宏塊是運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的基本單元。運(yùn)動(dòng)估計(jì)以宏塊為單位得到最佳 匹配宏塊的運(yùn)動(dòng)向量。運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)只對(duì)亮度數(shù)組進(jìn)行，色差數(shù)組 使用和亮度數(shù)組相同的運(yùn)動(dòng)向量。 一個(gè)宏塊由一個(gè)1616像素的亮度數(shù)組和同區(qū)域內(nèi)的Cb、Cr 色 差數(shù)組共同組成。由于在MPEG-1中圖像的色度格式是4:2:0,由 6個(gè)塊組成，其中4個(gè)亮度塊和2個(gè)色度塊。 在MPEG-2中圖像的色度格式還包括4:2:2和4:4:4格式。因 此，一個(gè)宏塊又由許多88的塊組成。 6 塊 塊是DCT變換的基本單元。一幅圖像以亮度數(shù)據(jù)數(shù)組為基準(zhǔn) 被分成為若干個(gè)88像素的數(shù)組，簡(jiǎn)稱為塊?？梢允橇炼葔K或

10、 色差信號(hào)塊。 0 2 Y 1 4 3 Cb Cr 5 0 2 Y 1 3 4 6 Cb 5 7 Cr 101 信息工程學(xué)院 2009 CUC 102 信息工程學(xué)院 2009 CUC 17 四、I、B、P幀編碼原理 掌握！ MPEG標(biāo)準(zhǔn)中三種類型圖像:I幀/P幀/B幀 I幀(Intra coded picture:幀內(nèi)圖,僅利用該幀圖象本身信息進(jìn)行編 碼,即直接進(jìn)行DCT變換,量化和熵編碼.屬于中等壓縮. P幀(Predictive-coded picture :預(yù)測(cè)圖,根據(jù)前面最靠近的I幀或 者另一個(gè)P幀進(jìn)行預(yù)測(cè),屬于前向預(yù)測(cè). 由于使用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,P幀比I幀壓縮更大,并可作為后面P/B幀的基

11、準(zhǔn).會(huì) 傳播誤碼. B幀(Bidirectionally predictive-coded picture: 雙向預(yù)測(cè)圖,它既用過(guò)去的幀作基準(zhǔn),也用未來(lái)的幀作基準(zhǔn),即前向和 后向預(yù)測(cè)都有. B幀壓縮最大,且不傳播誤碼. 103 信息工程學(xué)院 2009 CUC 104 信息工程學(xué)院 2009 CUC I圖像幀的壓縮算法： 圖像組(GOP 前向預(yù)測(cè) I1 B2 B3 P4 B5 B6 P7 B8 B9 P10 B11 B12 I13 B14 B15 P16 在空間方向上 （內(nèi)幀），采 用JPEG壓縮算 法來(lái)去掉冗余 信息。 后向預(yù)測(cè) 105 信息工程學(xué)院 2009 CUC 106 信息工程學(xué)院 2

12、009 CUC P圖像幀的壓縮算法： 對(duì)于P宏塊，采 用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幀 間預(yù)測(cè)算法來(lái) 去掉時(shí)間軸上 的冗余信息。 B圖像幀的壓縮算法： 107 信息工程學(xué)院 2009 CUC 108 信息工程學(xué)院 2009 CUC 18 五、編碼器工作原理 圖像組(GOP 前向預(yù)測(cè) I1 B2 B3 P4 B5 B6 P7 B8 B9 P10 B11 B12 I13 B14 B15 P16 后向預(yù)測(cè) 109 信息工程學(xué)院 2009 CUC 110 信息工程學(xué)院 2009 CUC 由于B幀是雙向預(yù)測(cè)幀(前向預(yù)測(cè)和后向預(yù)測(cè)，在后向預(yù)測(cè) 時(shí)，需要用它將來(lái)的一個(gè)幀作為參考幀。因此需要把原始圖像 順序重新排列后再送入編碼器，這稱為幀重排。 例如P4作為B2和B3的后向預(yù)測(cè)參考幀，應(yīng)該排在B2和B3之 前。按編碼順序重排后的圖像序列 掌握！ MPEG圖像壓縮編碼 掌握！ MPEG算法達(dá)到了很高的壓縮比，但仍保持了很好的圖像質(zhì) 量，單靠幀內(nèi)編碼是不可能達(dá)到的。 在MPEG壓縮編碼中，主要是通過(guò)采用DCT變換配合量化和運(yùn) 動(dòng)預(yù)測(cè)技術(shù)來(lái)分別去除空間冗余和時(shí)間冗余： 即先通過(guò)運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償來(lái)提高去除圖像序列間的時(shí)間 冗余的強(qiáng)度，再通過(guò)預(yù)測(cè)來(lái)去除圖像序列間的時(shí)間冗余，然后