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1、第第07講講 視頻處理技術(shù)視頻處理技術(shù)I(主教材主教材 3.4,4.8,5.3節(jié))節(jié))3.4 視頻處理視頻處理4.8 視頻編碼視頻編碼5.3 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.26X 3.4 視頻處理視頻處理3.4.1 視頻信號(hào)的獲取視頻信號(hào)的獲取3.4.2 視頻信號(hào)的編碼視頻信號(hào)的編碼3.4.3 視頻信號(hào)的傳輸視頻信號(hào)的傳輸3.4.4 視頻信號(hào)的運(yùn)動(dòng)分析視頻信號(hào)的運(yùn)動(dòng)分析3.4.5 三維視頻處理與顯示三維視頻處理與顯示視頻場(chǎng)景的捕獲過(guò)程視頻場(chǎng)景的捕獲過(guò)程 景物景物 攝像機(jī)攝像機(jī) 捕獲捕獲數(shù)字化處理數(shù)字化處理/存儲(chǔ)存儲(chǔ)/傳播傳播顯示顯示數(shù)字域數(shù)字域 3.4.1 視頻信號(hào)的獲取視頻信號(hào)的獲取 視頻可分
2、為模擬視頻和數(shù)字視頻。視頻可分為模擬視頻和數(shù)字視頻。1.模擬視頻模擬視頻 普通的廣播電視信號(hào)是一種典型的模擬視頻信號(hào)。電視普通的廣播電視信號(hào)是一種典型的模擬視頻信號(hào)。電視攝像機(jī)通過(guò)電子掃描將時(shí)間、空間函數(shù)所描述的景物進(jìn)攝像機(jī)通過(guò)電子掃描將時(shí)間、空間函數(shù)所描述的景物進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后,得到單一的時(shí)間函數(shù)的電信號(hào),其電平行光電轉(zhuǎn)換后,得到單一的時(shí)間函數(shù)的電信號(hào),其電平的高低對(duì)應(yīng)于景物亮度的大小,即用一個(gè)電信號(hào)來(lái)表征的高低對(duì)應(yīng)于景物亮度的大小,即用一個(gè)電信號(hào)來(lái)表征景物。這種電視信號(hào)稱(chēng)為模擬電視信號(hào),其特點(diǎn)是信號(hào)景物。這種電視信號(hào)稱(chēng)為模擬電視信號(hào),其特點(diǎn)是信號(hào)在時(shí)間和幅度上都是連續(xù)變化的。在時(shí)間和幅度上都
3、是連續(xù)變化的。 對(duì)模擬電視信號(hào)進(jìn)行處理的視頻技術(shù)(如校正、調(diào)制、對(duì)模擬電視信號(hào)進(jìn)行處理的視頻技術(shù)(如校正、調(diào)制、濾波、錄制、編輯、合成等)稱(chēng)為模擬視頻技術(shù)。濾波、錄制、編輯、合成等)稱(chēng)為模擬視頻技術(shù)。 3.4.1 視頻信號(hào)的獲取視頻信號(hào)的獲取在電視接收機(jī)中,通過(guò)顯示器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生在電視接收機(jī)中,通過(guò)顯示器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生為人眼所接受的模擬信號(hào)的光圖像。為人眼所接受的模擬信號(hào)的光圖像。模擬電視系統(tǒng)通常用光柵掃描方式。光柵掃描是指模擬電視系統(tǒng)通常用光柵掃描方式。光柵掃描是指在一定的時(shí)間間隔內(nèi)電子束以從左到右、從上到下在一定的時(shí)間間隔內(nèi)電子束以從左到右、從上到下的方式掃描感光表面。若時(shí)間間隔
4、為一幀圖像的時(shí)的方式掃描感光表面。若時(shí)間間隔為一幀圖像的時(shí)間,則獲得的是一場(chǎng)圖像;在電視系統(tǒng)中,兩場(chǎng)圖間,則獲得的是一場(chǎng)圖像;在電視系統(tǒng)中,兩場(chǎng)圖像為一幀。掃描方式常有逐行掃描和隔行掃描。像為一幀。掃描方式常有逐行掃描和隔行掃描。 (1) 逐行掃描逐行掃描逐行掃描如圖逐行掃描如圖3.10所示。在圖(所示。在圖(a)中,實(shí)線為行掃)中,實(shí)線為行掃描正程,電子束從左到右掃描過(guò)的軌跡;虛線是行描正程,電子束從左到右掃描過(guò)的軌跡;虛線是行掃描逆程,電子束從右到左掃過(guò)的軌跡。行掃描周掃描逆程,電子束從右到左掃過(guò)的軌跡。行掃描周期為電子束從左到右掃描完一行正程所需的時(shí)間加期為電子束從左到右掃描完一行正程所
5、需的時(shí)間加上從右返到左所需的軌跡。上從右返到左所需的軌跡。 逐行掃描逐行掃描 (2) 隔行掃描隔行掃描隔行掃描如圖隔行掃描如圖3.11所示。在隔行掃描,一幅圖像由所示。在隔行掃描,一幅圖像由奇數(shù)場(chǎng)(場(chǎng)正程)和偶數(shù)場(chǎng)(場(chǎng)逆程)組成。場(chǎng)掃奇數(shù)場(chǎng)(場(chǎng)正程)和偶數(shù)場(chǎng)(場(chǎng)逆程)組成。場(chǎng)掃描周期為場(chǎng)掃描正程時(shí)間加上逆程時(shí)間。采用隔行描周期為場(chǎng)掃描正程時(shí)間加上逆程時(shí)間。采用隔行 行間隔(a) 逐行掃描第i+1幀第i幀第i-1幀幀間隔(b)逐行掃描的幀結(jié)構(gòu)圖3.10逐行掃描隔行掃描隔行掃描采用隔行掃描的目的是為了壓縮光電轉(zhuǎn)換后所產(chǎn)生的視采用隔行掃描的目的是為了壓縮光電轉(zhuǎn)換后所產(chǎn)生的視頻信號(hào)的頻帶。頻信號(hào)的頻帶
6、。(3)光柵特性光柵特性(a) 隔行掃描奇數(shù)場(chǎng)(b) 隔行掃描偶數(shù)場(chǎng)圖3.11隔逐行掃描(3) 光柵特性光柵特性光柵掃描的基本參數(shù)是幀頻和每幀掃描行數(shù),它們光柵掃描的基本參數(shù)是幀頻和每幀掃描行數(shù),它們分別對(duì)應(yīng)于光柵掃描的時(shí)間分辨率和空間垂直分辨分別對(duì)應(yīng)于光柵掃描的時(shí)間分辨率和空間垂直分辨率。視頻就是由許許多多相隔率。視頻就是由許許多多相隔t的幀組成的。根據(jù)的幀組成的。根據(jù)人眼視覺(jué)惰性,低于一定閾值的幀頻會(huì)使人眼感覺(jué)人眼視覺(jué)惰性,低于一定閾值的幀頻會(huì)使人眼感覺(jué)到圖像動(dòng)作的跳躍和閃爍,所以提高幀頻能有效地到圖像動(dòng)作的跳躍和閃爍,所以提高幀頻能有效地改善畫(huà)面的連續(xù)性和穩(wěn)定性。每幀掃描行越多,圖改善畫(huà)
7、面的連續(xù)性和穩(wěn)定性。每幀掃描行越多,圖像就越清晰。像就越清晰。 2.數(shù)字視頻數(shù)字視頻模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理后,就變成了一幀幀模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理后,就變成了一幀幀由數(shù)字圖像組成的圖像序列,即數(shù)字視頻信號(hào),它由數(shù)字圖像組成的圖像序列,即數(shù)字視頻信號(hào),它用二進(jìn)制數(shù)字表示,是計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)。用二進(jìn)制數(shù)字表示,是計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)。每幀圖像由每幀圖像由N行、每行行、每行M個(gè)像素組成,即每幀圖像共個(gè)像素組成,即每幀圖像共有有MN個(gè)像素。個(gè)像素。 數(shù)字視頻圖像的采樣過(guò)程數(shù)字視頻圖像的采樣過(guò)程 視頻場(chǎng)景視頻場(chǎng)景 空間采樣點(diǎn)陣空間采樣點(diǎn)陣 時(shí)間采樣時(shí)間采樣 與模擬視頻相比,數(shù)字視頻有
8、許多優(yōu)點(diǎn):與模擬視頻相比,數(shù)字視頻有許多優(yōu)點(diǎn):(1)適合于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用)適合于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,視頻信息可以很方便地實(shí)現(xiàn)資源的共在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,視頻信息可以很方便地實(shí)現(xiàn)資源的共享享 和可以長(zhǎng)距離傳輸,而模擬信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)有和可以長(zhǎng)距離傳輸,而模擬信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)有信號(hào)損失信號(hào)損失 。(2)再現(xiàn)性好)再現(xiàn)性好 數(shù)字視頻可以不失真地進(jìn)行無(wú)限次拷貝,抗干擾能力數(shù)字視頻可以不失真地進(jìn)行無(wú)限次拷貝,抗干擾能力強(qiáng),模擬信號(hào)由于是連續(xù)變化的復(fù)制容易失真。強(qiáng),模擬信號(hào)由于是連續(xù)變化的復(fù)制容易失真。 (3)便于計(jì)算機(jī)編輯處理)便于計(jì)算機(jī)編輯處理 模擬信號(hào)只能簡(jiǎn)單調(diào)整亮度、對(duì)比度和顫色,而數(shù)字模擬信號(hào)只能簡(jiǎn)
9、單調(diào)整亮度、對(duì)比度和顫色,而數(shù)字視頻信號(hào)可以傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理,很容視頻信號(hào)可以傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理,很容易進(jìn)行創(chuàng)造性地編輯與合成,并進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互。易進(jìn)行創(chuàng)造性地編輯與合成,并進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互。 數(shù)字視頻的缺陷:數(shù)字視頻的缺陷是處理速度慢,所需的數(shù)字視頻的缺陷:數(shù)字視頻的缺陷是處理速度慢,所需的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間大,數(shù)字圖像的處理成本增高。通過(guò)對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)空間大,數(shù)字圖像的處理成本增高。通過(guò)對(duì)數(shù)字視頻的壓縮,這樣可以節(jié)省大量的存儲(chǔ)空間。光盤(pán)技術(shù)的視頻的壓縮,這樣可以節(jié)省大量的存儲(chǔ)空間。光盤(pán)技術(shù)的應(yīng)用也使得大量視頻信息的存儲(chǔ)成為可能應(yīng)用也使得大量視頻信息的存儲(chǔ)成為可能。3.4.2 視頻
10、信號(hào)的編碼視頻信號(hào)的編碼 數(shù)字視頻的數(shù)據(jù)量非常大。視頻壓縮編碼無(wú)論在視頻通信數(shù)字視頻的數(shù)據(jù)量非常大。視頻壓縮編碼無(wú)論在視頻通信還是視頻存儲(chǔ)中都具有極其重要的意義。視頻編碼的目的還是視頻存儲(chǔ)中都具有極其重要的意義。視頻編碼的目的就是在確保視頻質(zhì)量的前提下,盡可能地減少視頻序列的就是在確保視頻質(zhì)量的前提下,盡可能地減少視頻序列的數(shù)據(jù)量,以便更經(jīng)濟(jì)地在給定的信道上傳輸實(shí)時(shí)視頻信息數(shù)據(jù)量,以便更經(jīng)濟(jì)地在給定的信道上傳輸實(shí)時(shí)視頻信息或者在給定的存儲(chǔ)容量中存放更多的視頻圖像。視頻編碼或者在給定的存儲(chǔ)容量中存放更多的視頻圖像。視頻編碼可分為第一代視頻編碼方法和第二代視頻編碼方法。可分為第一代視頻編碼方法和第
11、二代視頻編碼方法。 第一代視頻編碼方法主要有預(yù)測(cè)編碼、變換編碼和基于塊第一代視頻編碼方法主要有預(yù)測(cè)編碼、變換編碼和基于塊的混合編碼等。的混合編碼等。 第二代視頻編碼也稱(chēng)為基于內(nèi)容的編碼方法,主要采用分第二代視頻編碼也稱(chēng)為基于內(nèi)容的編碼方法,主要采用分析合成編碼、基于知識(shí)的編碼、模式編碼和語(yǔ)義編碼等。析合成編碼、基于知識(shí)的編碼、模式編碼和語(yǔ)義編碼等。視頻壓縮基礎(chǔ)視頻壓縮基礎(chǔ)因?yàn)橐曨l圖像的相鄰幀是非常相似的,只是由于運(yùn)因?yàn)橐曨l圖像的相鄰幀是非常相似的,只是由于運(yùn)動(dòng)的存在,存在一定程度的幀差(相鄰兩幀的差值,動(dòng)的存在,存在一定程度的幀差(相鄰兩幀的差值,體現(xiàn)了兩幀之間的不同之處),所以在視頻圖像中體
12、現(xiàn)了兩幀之間的不同之處),所以在視頻圖像中主要存在的是時(shí)間冗余。主要存在的是時(shí)間冗余。 時(shí)間冗余時(shí)間冗余視頻圖像中的主要冗余視頻圖像中的主要冗余3.4.3 視頻信號(hào)的傳輸視頻信號(hào)的傳輸 視頻信號(hào)的傳輸是多媒體信息傳輸?shù)暮诵?。視頻通信視頻信號(hào)的傳輸是多媒體信息傳輸?shù)暮诵?。視頻通信有兩種基本的傳輸模式:?jiǎn)吸c(diǎn)傳輸模式和多點(diǎn)傳輸方有兩種基本的傳輸模式:?jiǎn)吸c(diǎn)傳輸模式和多點(diǎn)傳輸方式。式。 單點(diǎn)傳輸模式需要對(duì)等的通信方式,又稱(chēng)為為一對(duì)一單點(diǎn)傳輸模式需要對(duì)等的通信方式,又稱(chēng)為為一對(duì)一方式。一般將這種對(duì)等(方式。一般將這種對(duì)等(peer-to-peer)通信稱(chēng)為單)通信稱(chēng)為單播。播。 多點(diǎn)傳送是一對(duì)多或一對(duì)全部
13、的方式,也稱(chēng)為廣播方多點(diǎn)傳送是一對(duì)多或一對(duì)全部的方式,也稱(chēng)為廣播方式(式(broadcast)或組播。)或組播。 根據(jù)服務(wù)方式不同,視頻流業(yè)務(wù)可以分為直播和點(diǎn)播。根據(jù)服務(wù)方式不同,視頻流業(yè)務(wù)可以分為直播和點(diǎn)播。3.4.3 視頻信號(hào)的傳輸視頻信號(hào)的傳輸 點(diǎn)播是將編碼后的視頻流存儲(chǔ)起來(lái),編碼在離線的狀態(tài)下點(diǎn)播是將編碼后的視頻流存儲(chǔ)起來(lái),編碼在離線的狀態(tài)下進(jìn)行,而直播則需要編碼器實(shí)時(shí)地對(duì)視頻信息進(jìn)行編碼。進(jìn)行,而直播則需要編碼器實(shí)時(shí)地對(duì)視頻信息進(jìn)行編碼。 視頻傳輸通常要求實(shí)時(shí),對(duì)時(shí)延十分敏感。視頻傳輸通常要求實(shí)時(shí),對(duì)時(shí)延十分敏感。 此外,視頻傳輸涉及傳輸比特率、吞吐量、延遲等一些重此外,視頻傳輸涉及
14、傳輸比特率、吞吐量、延遲等一些重要的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)。要的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)。3.4.4 視頻信號(hào)的運(yùn)動(dòng)分析視頻信號(hào)的運(yùn)動(dòng)分析 運(yùn)動(dòng)分析與估計(jì)是數(shù)字視頻處理的基本內(nèi)容,也是視頻處運(yùn)動(dòng)分析與估計(jì)是數(shù)字視頻處理的基本內(nèi)容,也是視頻處理研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)理研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn) 。 研究?jī)?nèi)容主要是測(cè)量計(jì)算機(jī)投影到拍攝平面上的變化,并研究?jī)?nèi)容主要是測(cè)量計(jì)算機(jī)投影到拍攝平面上的變化,并用來(lái)分析物體的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu),估計(jì)物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)用來(lái)分析物體的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu),估計(jì)物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù) 。 與運(yùn)動(dòng)圖像(視頻)處理相關(guān)的研究?jī)?nèi)容包括:運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與運(yùn)動(dòng)圖像(視頻)處理相關(guān)的研究?jī)?nèi)容包括:運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與分割、二維三維運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)、運(yùn)動(dòng)物體的三維結(jié)
15、檢測(cè)與分割、二維三維運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)、運(yùn)動(dòng)物體的三維結(jié)構(gòu)及空間關(guān)系的求解等。構(gòu)及空間關(guān)系的求解等。 運(yùn)動(dòng)分析主要有兩種方法一是根據(jù)時(shí)間相鄰的兩幅或多幅運(yùn)動(dòng)分析主要有兩種方法一是根據(jù)時(shí)間相鄰的兩幅或多幅圖像求解物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和三維結(jié)構(gòu)信息;二是基于光流圖像求解物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和三維結(jié)構(gòu)信息;二是基于光流分析的運(yùn)動(dòng)分析。分析的運(yùn)動(dòng)分析。 3.4.4 視頻信號(hào)的運(yùn)動(dòng)分析視頻信號(hào)的運(yùn)動(dòng)分析 運(yùn)動(dòng)分析與估計(jì)應(yīng)用:計(jì)算機(jī)視覺(jué)、目標(biāo)跟蹤、工業(yè)監(jiān)視運(yùn)動(dòng)分析與估計(jì)應(yīng)用:計(jì)算機(jī)視覺(jué)、目標(biāo)跟蹤、工業(yè)監(jiān)視和視頻壓縮等場(chǎng)合。和視頻壓縮等場(chǎng)合。 3.4.5 三維視頻處理與顯示三維視頻處理與顯示 三維視頻處理是對(duì)三維視頻信號(hào)進(jìn)行
16、處理,即在普通三維視頻處理是對(duì)三維視頻信號(hào)進(jìn)行處理,即在普通二維視頻信息的基礎(chǔ)上增加深度信息,更逼真地描述二維視頻信息的基礎(chǔ)上增加深度信息,更逼真地描述現(xiàn)實(shí)世界?,F(xiàn)實(shí)世界。 三維信息可以通過(guò)立體顯示器顯示。立體顯示器能完三維信息可以通過(guò)立體顯示器顯示。立體顯示器能完整地再現(xiàn)出三維場(chǎng)景的三維信息,顯示有縱深的圖像,整地再現(xiàn)出三維場(chǎng)景的三維信息,顯示有縱深的圖像,使觀看者可以直接看出場(chǎng)景中物體的遠(yuǎn)近,迅速直觀使觀看者可以直接看出場(chǎng)景中物體的遠(yuǎn)近,迅速直觀地洞察圖像的現(xiàn)實(shí)分布狀況,從而獲得更加全面和真地洞察圖像的現(xiàn)實(shí)分布狀況,從而獲得更加全面和真實(shí)的信息。立體視頻顯示系統(tǒng)是模擬人眼設(shè)計(jì)的實(shí)的信息。立
17、體視頻顯示系統(tǒng)是模擬人眼設(shè)計(jì)的 。 三維視頻已在許多場(chǎng)合有重要的應(yīng)用,例如,三維醫(yī)三維視頻已在許多場(chǎng)合有重要的應(yīng)用,例如,三維醫(yī)學(xué)圖像可以給醫(yī)生提供比二維圖像更加精確和有用的學(xué)圖像可以給醫(yī)生提供比二維圖像更加精確和有用的細(xì)節(jié);科學(xué)勘探中三維視頻可以更加精確地描述勘探細(xì)節(jié);科學(xué)勘探中三維視頻可以更加精確地描述勘探對(duì)象等。對(duì)象等。 4.8 4.8 視頻編碼視頻編碼 4.8.1 4.8.1 幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼 4.8.2 4.8.2 幀間預(yù)測(cè)編碼幀間預(yù)測(cè)編碼 4.8.3 4.8.3 活動(dòng)圖像幀間內(nèi)插活動(dòng)圖像幀間內(nèi)插4.8 4.8 視頻編碼視頻編碼視頻編碼系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖視頻編碼系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
18、如圖4.154.15所示。所示。 信源模型 量化參數(shù) 參數(shù)統(tǒng) 計(jì)特性重建視頻噪聲輸入視頻分析量化二進(jìn)制編碼編碼器有損過(guò)程無(wú)損過(guò)程信道綜合反量化二進(jìn)制解碼解碼器圖4.15視頻編碼系統(tǒng)的一般組成4.8.14.8.1幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼 在視頻預(yù)測(cè)編碼中,主要分為幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼和幀在視頻預(yù)測(cè)編碼中,主要分為幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼和幀間預(yù)測(cè)編碼。間預(yù)測(cè)編碼。 所謂幀內(nèi)預(yù)測(cè),就是在一個(gè)視頻幀,即一幅圖像所謂幀內(nèi)預(yù)測(cè),就是在一個(gè)視頻幀,即一幅圖像內(nèi)進(jìn)行的預(yù)測(cè)。內(nèi)進(jìn)行的預(yù)測(cè)。 幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),但幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),但壓縮比比較低,因此在視頻圖像壓縮中幾乎不單壓縮比比較低,
19、因此在視頻圖像壓縮中幾乎不單獨(dú)使用。獨(dú)使用。 視頻圖像的編碼方法的基本思想視頻圖像的編碼方法的基本思想第一幀第一幀關(guān)鍵幀關(guān)鍵幀采用幀內(nèi)編碼采用幀內(nèi)編碼方法(即靜態(tài)方法(即靜態(tài)圖像的編碼方圖像的編碼方法)進(jìn)行壓縮法)進(jìn)行壓縮 后續(xù)幀后續(xù)幀只傳輸相鄰幀之間的變只傳輸相鄰幀之間的變化信息(幀差),幀差化信息(幀差),幀差的傳送是采用運(yùn)動(dòng)估計(jì)的傳送是采用運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行編碼。和補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行編碼。 幀間預(yù)測(cè)編碼就是利用視頻圖像幀間的相關(guān)性,幀間預(yù)測(cè)編碼就是利用視頻圖像幀間的相關(guān)性,即時(shí)間相關(guān)性,來(lái)獲得比幀內(nèi)編碼高得多的壓縮比。即時(shí)間相關(guān)性,來(lái)獲得比幀內(nèi)編碼高得多的壓縮比。采用預(yù)測(cè)編碼時(shí),不直接
20、傳送當(dāng)前幀的像素值,而是采用預(yù)測(cè)編碼時(shí),不直接傳送當(dāng)前幀的像素值,而是傳送傳送x和其前一幀或后一幀的對(duì)應(yīng)像素和其前一幀或后一幀的對(duì)應(yīng)像素x之間的差值。之間的差值。4.8.2 4.8.2 幀間預(yù)測(cè)編碼幀間預(yù)測(cè)編碼 具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測(cè)編碼是視頻壓縮具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測(cè)編碼是視頻壓縮的關(guān)鍵技術(shù)之一,它包括以下幾個(gè)步驟:的關(guān)鍵技術(shù)之一,它包括以下幾個(gè)步驟: 首先,將圖像分解成相對(duì)靜止的背景和若干運(yùn)首先,將圖像分解成相對(duì)靜止的背景和若干運(yùn)動(dòng)的物體,通過(guò)運(yùn)動(dòng)估值得到每個(gè)物體的位移動(dòng)的物體,通過(guò)運(yùn)動(dòng)估值得到每個(gè)物體的位移矢量;矢量; 然后,利用位移矢量計(jì)算經(jīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的預(yù)測(cè)然后,利用位移矢量計(jì)算經(jīng)運(yùn)動(dòng)
21、補(bǔ)償后的預(yù)測(cè)值值 最后對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行量化、編碼、傳輸,同時(shí)最后對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行量化、編碼、傳輸,同時(shí)將位移矢量和圖像分解方式等信息送到接收端。將位移矢量和圖像分解方式等信息送到接收端。 4.8.2 4.8.2 幀間預(yù)測(cè)編碼幀間預(yù)測(cè)編碼 在具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)中,在具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)中,對(duì)圖像靜止區(qū)和不同運(yùn)動(dòng)區(qū)的實(shí)時(shí)完善分解對(duì)圖像靜止區(qū)和不同運(yùn)動(dòng)區(qū)的實(shí)時(shí)完善分解和運(yùn)動(dòng)矢量計(jì)算是較為復(fù)雜和困難的。在實(shí)和運(yùn)動(dòng)矢量計(jì)算是較為復(fù)雜和困難的。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)經(jīng)常采用的是像素遞歸法和塊匹配際實(shí)現(xiàn)時(shí)經(jīng)常采用的是像素遞歸法和塊匹配法兩種簡(jiǎn)化的辦法。法兩種簡(jiǎn)化的辦法。 4.8.3 4.8.3 活動(dòng)
22、圖像幀間內(nèi)插活動(dòng)圖像幀間內(nèi)插 活動(dòng)圖像的幀間內(nèi)插編碼是在系統(tǒng)發(fā)送端每活動(dòng)圖像的幀間內(nèi)插編碼是在系統(tǒng)發(fā)送端每隔一段時(shí)間丟棄一幀或幾幀圖像,而在接收端再隔一段時(shí)間丟棄一幀或幾幀圖像,而在接收端再利用圖像的幀間相關(guān)性將丟棄的幀通過(guò)內(nèi)插恢復(fù)利用圖像的幀間相關(guān)性將丟棄的幀通過(guò)內(nèi)插恢復(fù)出來(lái),以防止幀率下降引起閃爍和動(dòng)作不連續(xù)。出來(lái),以防止幀率下降引起閃爍和動(dòng)作不連續(xù)。 恢復(fù)丟棄幀的一個(gè)簡(jiǎn)單辦法是利用線性?xún)?nèi)插,恢復(fù)丟棄幀的一個(gè)簡(jiǎn)單辦法是利用線性?xún)?nèi)插,缺點(diǎn)在于當(dāng)圖像中有運(yùn)動(dòng)物體時(shí),引起圖像模糊,缺點(diǎn)在于當(dāng)圖像中有運(yùn)動(dòng)物體時(shí),引起圖像模糊,為解決這一問(wèn)題可采用帶有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g內(nèi)插。為解決這一問(wèn)題可采用帶有運(yùn)動(dòng)
23、補(bǔ)償?shù)膸g內(nèi)插。 5.3 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.26X 5.3.1 H.261 5.3.1 H.261 視頻電話視頻電話5.3.2 H.263 Internet5.3.2 H.263 Internet(qqqq)5.3.3 H.264 DVD5.3.3 H.264 DVDITU-T與與ISO/IEC是制定視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的兩大組織,是制定視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的兩大組織,ITU-T的標(biāo)準(zhǔn)包括的標(biāo)準(zhǔn)包括H.261、H.263、H.264,主要應(yīng)用于實(shí)時(shí),主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)視頻通信領(lǐng)域,如會(huì)議電視;視頻通信領(lǐng)域,如會(huì)議電視;MPEG系列標(biāo)準(zhǔn)是由系列標(biāo)準(zhǔn)是由ISO/IEC制制定的,主要應(yīng)用于視頻存儲(chǔ)定的,主要應(yīng)
24、用于視頻存儲(chǔ)(DVD)、廣播電視、因特網(wǎng)或無(wú)線、廣播電視、因特網(wǎng)或無(wú)線網(wǎng)上的流媒體等。兩個(gè)組織也共同制定了一些標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)上的流媒體等。兩個(gè)組織也共同制定了一些標(biāo)準(zhǔn),H.262標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)等同于準(zhǔn)等同于MPEG-2的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),而最新的的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),而最新的H.264標(biāo)準(zhǔn)則被標(biāo)準(zhǔn)則被納入納入MPEG-4的第的第10部分。部分。 5.3.1 H.2615.3.1 H.261 H.261是國(guó)際電信聯(lián)盟是國(guó)際電信聯(lián)盟 -電信標(biāo)準(zhǔn)部門(mén)電信標(biāo)準(zhǔn)部門(mén) ITU-T針對(duì)視針對(duì)視頻電話、視頻會(huì)議等要求實(shí)時(shí)編解碼和低時(shí)延應(yīng)用提頻電話、視頻會(huì)議等要求實(shí)時(shí)編解碼和低時(shí)延應(yīng)用提出的第一個(gè)視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn),于出的第一個(gè)視頻編解碼
25、標(biāo)準(zhǔn),于1990年年12月發(fā)布。月發(fā)布。 H.261標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)H.261 標(biāo)準(zhǔn)只定義了標(biāo)準(zhǔn)只定義了 QCIF 和和 CIF 格式,格式,將將CIF和和QCIF格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)每幀劃分為格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)每幀劃分為4個(gè)層次:個(gè)層次:圖像層圖像層(P)、塊組層、塊組層(GOB)、宏塊層、宏塊層(MB)和塊層和塊層(B)。 cif格式:格式:352*288 qcif格式:格式:176*144 四分之一四分之一 CIF (QCIF) 格式只被用于最低數(shù)據(jù)率(格式只被用于最低數(shù)據(jù)率(64 千千位位/ 秒及更低)的會(huì)議,今天已經(jīng)很少使用。自從秒及更低)的會(huì)議,今天已經(jīng)很少使用。自從H.263 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)行以來(lái),更多使
26、用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)行以來(lái),更多使用“全分辨率全分辨率”(定以為(定以為 16CIF)的格式(的格式(4CIF 和和 16CIF)被采用。由于采用此類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),)被采用。由于采用此類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),計(jì)算和寬帶功能有限,所以,用于全動(dòng)感視頻會(huì)議的公計(jì)算和寬帶功能有限,所以,用于全動(dòng)感視頻會(huì)議的公用分辨率仍然是用分辨率仍然是 CIF 到到 4CIF。下面的表格列出了用于。下面的表格列出了用于 NTSC(北美)和(北美)和 PAL(歐洲)視頻信號(hào)的(歐洲)視頻信號(hào)的 H.261 和和 H.263 標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)格式分辨率。以下列出的分辨率代表標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)格式分辨率。以下列出的分辨率代表 4:3 的屏幕高度比。的屏幕高度比。5.
27、3.1 H.2615.3.1 H.261圖5.6 H261的編碼框圖H.261的編碼框圖如圖的編碼框圖如圖5.6所示,其中有兩個(gè)模式選擇開(kāi)關(guān)用來(lái)選擇編碼模式所示,其中有兩個(gè)模式選擇開(kāi)關(guān)用來(lái)選擇編碼模式,編碼模式包括幀內(nèi)編碼和幀間編碼兩種,若兩個(gè)開(kāi)關(guān)均選擇上方,則為幀,編碼模式包括幀內(nèi)編碼和幀間編碼兩種,若兩個(gè)開(kāi)關(guān)均選擇上方,則為幀內(nèi)編碼模式;若兩個(gè)開(kāi)關(guān)均選擇下方,則為幀間編碼模式。內(nèi)編碼模式;若兩個(gè)開(kāi)關(guān)均選擇下方,則為幀間編碼模式。 5.3.2 H.263 H.263標(biāo)準(zhǔn)制定于標(biāo)準(zhǔn)制定于1995年,是年,是ITU-T針對(duì)針對(duì)64kbit/s以下的低以下的低比特率視頻應(yīng)用而制定的標(biāo)準(zhǔn)。它的基本算
28、法與比特率視頻應(yīng)用而制定的標(biāo)準(zhǔn)。它的基本算法與H.261基基本相同,但進(jìn)行了許多改進(jìn),使得本相同,但進(jìn)行了許多改進(jìn),使得H.263標(biāo)準(zhǔn)獲得了更好標(biāo)準(zhǔn)獲得了更好的編碼性能。的編碼性能。 H.263系統(tǒng)支持系統(tǒng)支持5種圖像格式(種圖像格式(Sub-QCIF,QCIF,CIF ,4CIF,16CIF ) 與與H.261相同,相同,H.263仍然采用圖像層仍然采用圖像層P、塊組層、塊組層GOB、宏、宏塊層塊層MB和塊層和塊層B共共4個(gè)層次的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),但與個(gè)層次的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),但與H.261不同的不同的是,在是,在H.263中,對(duì)于不同的格式,每個(gè)中,對(duì)于不同的格式,每個(gè)GOB包含的包含的MB數(shù)數(shù)目是不同的,對(duì)應(yīng)的行數(shù)也不同。目是不同的,對(duì)應(yīng)的行數(shù)也不同。 H.263的編碼器框圖如圖的編碼器框圖如圖5.7所示。所示。 5.3.2 H.263 圖5.6 H263的編碼框圖5.3.3 H.264ITU-T H.264ITU-T H.264標(biāo)準(zhǔn)于標(biāo)準(zhǔn)于20032003年通過(guò),也成為年通過(guò),也成為ISOISO的的MPEG-4MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的第十部分,其名稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)的第十部分,其名稱(chēng)為“先進(jìn)視頻編先進(jìn)視頻編碼碼 (Advanced Video Co
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