DVIP07b 基于DCT的壓縮編碼

第07章

基于DCT的壓縮編碼ImageCompressionBasedonDCT門愛(ài)東教授

menad@圖像編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)—壓縮編碼的預(yù)處理從攝像機(jī)輸出RGB信號(hào)，混合處理亮度(Y)和兩個(gè)色差信號(hào)（B-Y或U，R-Y或V信號(hào)），這叫YUV信號(hào)，這是壓縮編碼的接口信號(hào)。國(guó)際上視頻信號(hào)的取樣頻率，對(duì)Y信號(hào)規(guī)定為13.5MHz（4×3.375Hz），8bit量化。對(duì)625行及525行的模擬電視取樣頻率13.5MHz分別是它的行頻的整倍數(shù)。對(duì)色差信號(hào)的取樣頻率相對(duì)亮度信號(hào)有4:2:2、4:2:0、4:1:1等格式。它分別對(duì)應(yīng)于YUV取樣頻率，亮度的取樣頻率“4”然后乘一倍數(shù)。色差信號(hào)的取樣率是亮度的1/2（格式中的2）或1/4（格式中的“1”）。這是利用人眼對(duì)彩色的空間分辨率低于亮度的結(jié)果。對(duì)于4:2:2格式亮色空間垂直分辨率相同。2壓縮編碼的預(yù)處理—模擬信源的預(yù)處理彩色取樣格式如圖6.27所示。3壓縮編碼的預(yù)處理—模擬信源的預(yù)處理由于Y信號(hào)是單極性信號(hào)，而、是雙極性信號(hào)，因此，幅度變換為二元碼時(shí)，對(duì)亮度不需偏置(offset)，而雙極性的色差信號(hào)Cr

、Cb

需要偏置，即模擬0信號(hào)對(duì)應(yīng)數(shù)字幅度128，如圖6.28所示。、4壓縮編碼的預(yù)處理—數(shù)字視頻（串行）信號(hào)它能提供高質(zhì)量的數(shù)字信源，提供無(wú)亮、色互串和低噪音的數(shù)字圖像。例如，數(shù)字分量信號(hào)（601，4:2:2）碼率為270Mb/s，它是DVD用編碼信號(hào)。DV（－1394接口），碼率為25Mb/s。5壓縮編碼的預(yù)處理—壓縮編碼預(yù)處理卡含模擬分量及復(fù)合視頻信號(hào)的接口和數(shù)字分量信號(hào)接口，經(jīng)信號(hào)處理最后形成AVI文件格式的數(shù)字信號(hào)，提供給壓縮編碼之用，如圖6.29所示。AVI是音像信號(hào)交織格式。6公共圖像格式不同的應(yīng)用場(chǎng)合，采用不同的空間分辨率、幀率以及彩色的空間分辨率。7公共圖像格式—空間分辨率對(duì)于不同的空間分辨率幀的大小，相應(yīng)于SVGA監(jiān)視器顯示分辨率如圖6.30所示。因此，在大屏幕觀看環(huán)境下，要求有大的空間分辨率。8公共圖像格式—時(shí)間分辨率用降低幀率(30幀/秒)實(shí)現(xiàn)碼率的降低，這主要取決于圖像的運(yùn)動(dòng)的快慢。9公共圖像格式—彩色分辨率攝像和CRT都是RGB器件。因此，對(duì)RGB用8比特樣值表示，則每一圖像的樣值要24比特。它可顯示種顏色。為了減少彩色比特?cái)?shù)，將顯示的彩色的數(shù)量減少，比如總數(shù)是8比特只能給出256種顏色。對(duì)于彩色連續(xù)變化的圖像將產(chǎn)生失真。因此，在壓縮編碼進(jìn)行之前給出公共圖像格式，以便在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境，選擇適當(dāng)?shù)膱D像格式，以得到未壓縮編碼前的碼率。10壓縮編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)下表給出國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)字視頻信號(hào)的格式。從表中可以看出，數(shù)字圖像的原始碼率很高，因此對(duì)數(shù)字視頻圖像的壓縮是十分必要的。圖像格式亮度取樣頻率有效空間分辨率（pixel）

幀率（幀/秒）

色度取樣格式

碼率(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壓縮編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)圖像編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織有：一是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO和國(guó)際電工委員會(huì)IEC，其中ISO和IEC又成立了一個(gè)ISO/IEC聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)（JointTechnicalCommittee1，JTC1），共同致力于計(jì)算機(jī)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)活動(dòng)，其制定的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)主要是MPEGx系列；二是國(guó)際電信聯(lián)盟ITU，主要標(biāo)準(zhǔn)為H系列。當(dāng)然，有時(shí)ITU和ISO/IECJTC1也合作制定標(biāo)準(zhǔn)，例如MPEG2Videopart/H.263、MPEG4part10/H.264。12壓縮編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已公布的壓縮標(biāo)準(zhǔn)如圖6.31所示。圖6.31

圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)13壓縮編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)—JPEGJPEG是靜止圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用對(duì)象為彩色或灰度靜止圖像。JPEG的后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)為JPEG2000，它采用小波子帶編碼，壓縮增益高、質(zhì)量好，應(yīng)用范圍廣。14壓縮編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)—MPEGMPEG是運(yùn)動(dòng)圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-1用于數(shù)字存儲(chǔ)媒體，如：CD-ROM的視頻壓縮，速率為1Mbps～1.5Mbps，或以不同速率在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。通常MPEG-2傳輸碼率為2Mbps～20Mbps，可應(yīng)用于隔行數(shù)字視頻壓縮，如SDTV、HDTV，既可以用于高質(zhì)量數(shù)字存儲(chǔ)媒體，又可應(yīng)用于通信網(wǎng)中視頻業(yè)務(wù)。15壓縮編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)—MPEGMPEG-4的碼率在10kbps至5Mbps，它覆蓋了QCIF和ITU-R.601格式。MPEG4對(duì)圖像中不同對(duì)象獨(dú)立編碼，顯示時(shí)交互地組合，這些對(duì)象在場(chǎng)景中，可實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間上的分級(jí)編碼。采用新的編碼算法改善編碼效率，在低碼率上它優(yōu)于MPEG2。MPEG4適用于通信網(wǎng)、無(wú)線通信網(wǎng)和計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)字電視、交互電視等多媒體通信應(yīng)用。MPEG-7定義聲音和視覺(jué)的多媒體特征，主要應(yīng)用于大型數(shù)據(jù)庫(kù)的瀏覽等領(lǐng)域。16壓縮編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)—H系列H系列標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)多媒體通信中的視頻編碼。H.261用于會(huì)議電視及可視電話視頻編碼，碼率為64kb/s～2Mb/s。H.263支持從SQCIF到16CIF的圖像格式，碼率范圍從64kb/s到HDTV。H.264的編碼結(jié)構(gòu)與MPEG2相似，基本算法也相似。但增加許多新的復(fù)雜算法，用以提高編碼效率，與H.263v2和MPEG4(SP)相比，節(jié)約50％左右的碼率?？伸`活應(yīng)用于不同時(shí)延的高質(zhì)量業(yè)務(wù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)有較強(qiáng)的友好性與適應(yīng)性。17壓縮編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)—幀內(nèi)編碼幀內(nèi)編碼將視頻序列中所有幀獨(dú)立的編碼。因此，幀內(nèi)宏塊對(duì)視頻序列分別編碼，而不考慮時(shí)域冗余度。幀內(nèi)編碼由（DCT＋Q＋VLC）功能塊組成，JPEG靜止圖像編碼是其典型應(yīng)用。18幀內(nèi)幀間混合編碼為了進(jìn)一步壓縮圖像，視頻圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)都采用幀內(nèi)和幀間混合編碼MC/DCT，即有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測(cè)編碼和DCT變換編碼的混合。視頻序列被分成GOP幀組。每一個(gè)GOP含三種幀類型，分別為幀內(nèi)編碼（I幀）、預(yù)測(cè)編碼（P幀）和雙向預(yù)測(cè)編碼（B幀），如圖6.32所示。19幀內(nèi)幀間混合編碼圖6.32

I、P、B幀組成GOP20幀內(nèi)幀間混合編碼I幀是作為幀內(nèi)編碼的獨(dú)立圖像，以宏塊為單位做DCT變換、量化和VLC編碼。P幀是正向預(yù)測(cè)編碼的圖像，對(duì)當(dāng)前輸入圖像和前一參考I/P幀圖像的差值做DCT變換、對(duì)變換系數(shù)和運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行量化，然后進(jìn)行熵編碼。B幀是雙向預(yù)測(cè)幀，用兩個(gè)參考幀，即過(guò)去幀和將來(lái)幀，來(lái)產(chǎn)生B幀，B幀的參考幀可以是I或P幀，它能提供較大的壓縮比。在一個(gè)GOP中，IPB幀的數(shù)量可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)定，一般I幀0.5秒必須傳輸一次，以便于中斷后恢復(fù)和編輯切入。21MC/DCT視頻編解碼器MC/DCT視頻編解碼器基本框圖如圖6.33所示。它是一個(gè)對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像壓縮編碼的通用編碼結(jié)構(gòu)框圖。圖6.33

帶運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)幕旌暇幗獯a器22MC/DCT視頻編解碼器這類編碼標(biāo)準(zhǔn)，可看成JPEG靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)與去時(shí)間冗余度算法的結(jié)合。本質(zhì)上它是運(yùn)動(dòng)估值（ME）和補(bǔ)償（MC）預(yù)測(cè)、離散余弦變換（DCT）、均勻量化器（Q）以及二維變長(zhǎng)編碼等的混合。圖中（DCT＋量化＋VLC）編碼是JPEG壓縮編碼的基本框圖。運(yùn)動(dòng)估值與補(bǔ)償是對(duì)視頻運(yùn)動(dòng)序列時(shí)域相繼幀間相關(guān)性的有效處理技術(shù)。23MC/DCT視頻編解碼器例如，通用的運(yùn)動(dòng)估值技術(shù)是塊匹配（BM）技術(shù)首先，對(duì)將要編碼的宏塊與前一幀已編碼的宏塊進(jìn)行匹配計(jì)算，當(dāng)找到最佳匹配塊時(shí)，此時(shí)宏塊的相對(duì)位置叫運(yùn)動(dòng)矢量。而且此時(shí)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幀差信號(hào)，是編碼宏塊與最佳匹配塊間最小誤差。這一過(guò)程對(duì)視頻幀中所有編碼宏塊重復(fù)。與對(duì)幀內(nèi)宏塊直接編碼而不考慮運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償相比，對(duì)幀差信號(hào)編碼效率更高。24MC/DCT視頻編解碼器為了編碼下一幀，用幀存區(qū)存儲(chǔ)重建的當(dāng)前幀。幀編碼器含嵌入式解碼器（它由I