四川大学计算机学院多媒体基础视频压缩标准1

视频压缩标准陈虎标准的分类ITU标准ISO/IEC标准其他标准ISO、IEC简介IEC–InternationalElectrotechnicalCommissionfoundedin1906toestablishinternationalstandardsforallelectricaltechnologiesprivate,non-profitcompanyunderSwisslawISO–InternationalOrganizationforStandardizationEstablishedin1947“tofacilitatetheinternationalcoordinationandunificationofindustrialstandards”Private,non-profitcompanyunderSwisslawAgencyoftheUnitedNationsJointISO/IECTechnicalCommittee1(JTC1)Jointlyaddressesallcomputer-relatedactivitiesAbout30%oftotalISOandIECstandardsISO/IEC组织结构ISO/IEC工作流程工作文件(WorkingDraft，WD)工作组(WorkingGroup，WG)准备的工作文件委员会草案(CommitteeDraft，CD)从工作组WG准备好的工作文件WD提升上来的文件。这是ISO文档的最初形式，由ISO内部正式调查研究和投票表决国际标准草案(DraftInternationalStandard，DIS)投票成员国对CD的内容和说明满意之后由委员会草案CD提升上来的文件国际标准(InternationalStandard，IS)由投票成员国、ISO的其他部门和其他委员会投票通过之后出版发布的文件ISO/IEC标准ISO和IEC联合成立的MPEG(MovingPictureExpertGroup运动图像专家组)，负责开发视频数据和声音数据的编码、解码和它们的同步等标准。这个专家组开发的标准称为MPEG标准。MPEG-1MPEG-2MPEG-4MPEG-7MPEG-21ISO/IEC标准特点对象形成及跟踪基于语义基于对象基于像素对象特征提取MPEG-7MPEG-4MPEG-1MPEG-2ITU简介Formedin1934bymergeroftheInternationalTelegraphConventionof1865andtheInternationalRadiotelegraphConventionof1906Several“committees,”amongthemCCITT(InternationalTelephoneandTelegraphConsultativeCommittee)1956-1992CCIR(InternationalRadioConsultativeCommittee)1927-1992Reformin1992CCITT-ITU-TCCIR-ITU-RAnyrecommendationmustbeagreeduponunanimouslybyallitsmemberstatesITU组织结构ITU标准ITU制定的一系列音视频压缩编码和通信技术标准以H.26x命名H.261H.262H.263H.264（AVC、SVC、MVC）H.265（HEVC）ITU标准H标准H.261H.262H.263H.264对应MPEG标准~MPEG-1=MPEG-2~MPEG-4=MPEG-4/AVC发布时间1993.31995.71998.22003.5视频压缩标准总览编码标准全称传输码率主要应用H.261P×64kbps的音/视频服务的编/解码P×64kbpsP=1～30ISDN视频会议MPEG-1面向数字存储的运动图像及伴音编码1.5MbpsVCD,CD-ROMMPEG-2运动图像及伴音的通用编码4～100MbpsDVD,HDTV,VOD,DABH.263低比特率通信的视频编码低于64kbps远程视频监控，可视电话，电视会议MPEG-4音/视频对象的通用编码小于64kbps64～384kbps384kbps～4MbpsInternet通信，无线通信，2D/3D计算机图像交互式视频MPEG-7多媒体内容描述接口任意多媒体检索H.264/AVC高级视频编码算法任意视频编码工业标准视频编码标准发展视频编码标准发展MPEGStandardJointStandardITU-TStandard19901992199419961998200020022004H.262/MPEG-2H.263H.263+H.263++MPEG-420062008SVCMVCH.264/MPEG-4H.261MPEG-11988H.26L视频编码标准发展视频编码框架其他标准AVSAVS是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标。RealVideoRealNetworks公司开发的在窄带(主要的互联网)上进行多媒体传输的压缩技术WMV微软公司开发的在互联网上进行媒体传输的视频和音频编码压缩技术，使用MPEG-4标准的一些原理。QuickTimeApple公司开发的一种音频、视频文件格式，用于存储常用数字媒体类型，如音频和视频。MPEG-1压缩标准MPEG1开始设计于1988年，测试于1989年，草稿产生于1990年，1991年正式标准编号为ISO/IEC11172规定视频信息与伴音信息经压缩之后的数据速率上限为1.5Mbps（其中视频约为1.2Mbps，音频约为0.3Mbps）可以在CD-ROM、硬盘、可写光盘、数字音频磁带等介质上进行存储，也可在局域网、ISDN上进行视频与伴音信息的传输的应用目前市场上VCD以及数字电话网络上的视频传输为MPEG-1。MPEG-1标准组成MPEG-1系统—这部分是有关同步和多路复合的技术，用来把数字视频和声音复合成单一的数据位流。标准名是ISO/IEC11172-1。MPEG-1视频—这部分是有关电视图像的压缩技术，标准名是ISO/IEC11172-2。MPEG-1音频—这部分是关于声音的压缩编码技术。标准名是ISO/IEC11172-3。MPEG-1一致性测试—这个标准详细说明了如何测试比特数据流和解码器是否满足MPEG-1前3个部分中所规定的要求。这些测试可由厂商和用户实施。标准名是ISO/IEC11172-4。MPEG-1软件模拟—这部分内容不是标准，而是一个技术报告，给出了用软件执行前3个部分的结果。标准名是ISO/IEC11172-5。压缩方法MPEG-1采用两种压缩方法：帧内压缩算法：采用与JPEG压缩算法大致相同的方法，即基于DCT的变换编码技术，用以减少空间冗余信息。帧间压缩算法：采用运动补偿算法、预测编码方法、以及差补法等编码方法。帧间编码技术可以减少时间冗余信息。MPEG-1框架MPEG-1标准并没有定义特定的编码过程，只是定义了编码比特流的语法和解码过程。MPEG-1编码过程•I帧：DCT量化编码•P、B帧：预测求帧差DCT量化编码DCT变换•帧内编码模式下，采样为8位无符号数；•帧间编码模式下，采样为9位有符号数，因为差值有可能为负数；•经过DCT变换后，用一个12位有符号整数表示。MPEG-1量化MPEG规定了默认的量化表，也可以应用自定义的量化表；帧内编码取整通常是取最近的整数；帧间编码是截断非整数到最接近的小于其值的整数；量化不是简单的DCT系数除以一个量化系数，还牵扯一个称为量化阶（quantizer_scale）的比例因子；量化阶（quantizer_scale）：整数，取值范围1～31，影响量化结果和压缩性能，编码器随时可以改变该值，在压缩码流中必须插入一个特殊码字来表示它。MPEG-18161922262729341616222427293437192226272934343822222627293437402226272932354048262729323540485826272934384656692729353846566983MPEG-1帧内量化公式帧间量化公式Qscale_quantizer2Qscale_quantizerDCTsignDCT16QDCTQscale_quantizer2DCT16QDCTMPEG压缩结构有损1量化从10bits降为8bits无损2省略水平和垂直空白间隔有损3降低垂直方向色度分辨率(4:2:0)无损4活动图像的DPCM有损5DCT（离散余弦变换）和量化无损6Z扫描和零序列的游程编码无损7Huffman编码MPEG压缩结构－20％量化10bits到8bits270Mbit/s216Mbit/s－25％忽略水平和垂直空白间隔166Mbit/s-25%降低垂直色度分辨率(4:2:0)124.5Mbit/s进一步数据压缩步骤2～6Mbit/sMPEG压缩结构DPCMZ扫描＋VLCHuffman编码进一步数据压缩DCT＋量化MPEG-1输入图像格式MPEG-1只采用逐行扫描方式MPEG-1输入视频信号采用源输入格式（SIF,SourceInputFormat）采用YCrCb色空间；采样格式4：2：0MPEG-1最大的图像尺寸只能是352×288MPEG-1的约束参数范围参数范围像素/行≤768图像帧数/秒≤30行/图像≤576输入缓冲器大小≤327680bit宏块数/图像≤396运动矢量（−64，63.5）宏块数/秒≤9900=396×25=330×30比特率≤l.856Mbit/sMPEG结构MPEG视频图像数据流是一个分层结构，目的是把位流中逻辑上独立的实体分开，防止语意模糊，并减轻解码过程的负担。MPEG视频位流分层结构共包括六层：每一层支持一个确定的函数；或是一个信号处理函数（DCT，运动补偿）；或是一个逻辑函数（同步，随机存取点）等；每一个层的开始有一个头，作为说明参数。MPEG分层结构图像序列层——由连续图像组成，用序列终止符结束；图像组层——图像组（GOP）由几帧连续图像组成，是随机存取单元，其第一帧总是I帧；图像层——图像（帧）编码的基本单元，独立的显示单元；条带层——由一帧图像中的几个宏块组成，主要用于误差恢复；宏块层——一个宏块由四个8×8的亮度块和两个8×8的色差块组成；块层——一个8×8的像素区域称为一个块，是最小的DCT单位。MPEG分层结构层次名称功能图像序列层随机存取单元：上下文图像组层随机存取单元：视频编码图像层基本编码单元宏块片层重同步单元宏块层运动补偿单元块层DCT单元MPEG分层结构图像组图像组图像组图像图像序列宏块条宏块8×8块MPEG分层结构GOP1GOPSCGOP头图像1图像2图像3…图像N图像SC图像头条1条2条3…条m条SC条头宏块1宏块2宏块3…宏块nY1宏块编码信息Y2Y3Y4C1C28×8系数块序列层GOP层图像层宏块层像块层序列SC序列扩展序列头GOP2…序列EC0x000001B3像条层MPEG分层结构MPEG分层结构宏块的概念获得高速压缩的关键是去掉尽可能多的冗余，在静止图像压缩方面，MPEG和JPEG算法几乎是一样的。首先把图像转换成YUV空间。Y分量被划分成1616的小块，U及V分量被划分成88；然后，把1616亮度块再划分成4个88块，这样88块就可以进行DCT变换。由一个1616像素的亮度信息和两个88像素的色度信息组成的块称为宏块。一幅静态图像就是由许多这样的宏块组成。对于分辨率为352240的NTSC制式的一幅图像，有2215=330个宏块组成。对于分辨率是352288的PAL制式的一幅图像，有2218=396个宏块组成。宏块的概念YUV4个88的亮度块两个色度块（U