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视频压缩编码与 MPEG-2

第 1 讲. 视频压缩编码与 MPEG-2. 主讲：陈俊. 主要内容. 一、视频压缩编码方法. 二、视频压缩编码相关标准. 三、 MPEG-2 视频标准简介. 四、 MPEG-2 视频编码器构成. 前言：数字卫星电视上行发射系统组成. MPEG-2. DVB-S. 节 目 流 复 用 器. 视频. 视频编码器. 打包. 传 送 流 复 用. 信 道 编 码 与 调 制. 上 变 频. 音频. 打包. 音频编码器. 其它业务. 数据编码器. 打包. 一、视频压缩编码方法简介. （一）基本概念 ：

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视频压缩编码与 MPEG-2

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Presentation Transcript

  1. 第1讲 视频压缩编码与MPEG-2 主讲：陈俊

  2. 主要内容 一、视频压缩编码方法 二、视频压缩编码相关标准 三、MPEG-2视频标准简介 四、MPEG-2视频编码器构成

  3. 前言：数字卫星电视上行发射系统组成 MPEG-2 DVB-S 节 目 流 复 用 器 视频 视频编码器 打包 传 送 流 复 用 信 道 编 码 与 调 制 上 变 频 音频 打包 音频编码器 其它业务 数据编码器 打包

  4. 一、视频压缩编码方法简介 （一）基本概念： 信息的冗余度 ★ 空间冗余：相邻像素之间的相关性 相应采用的压缩编码：帧内编码 ★ 时间冗余：前后帧之间对应像素的相关性 相应采用的压缩编码：帧间编码

  5. （二）常用编码方法： 1、  预测编码：帧内DPCM， 帧间DPCM 2、 运动补偿:分割、检测与估值、补偿、编码 3、 变换编码：离散傅里叶变换（DCT） 4、统计编码：夫曼编码(Huffman)（可变长编码） 游程长度编码 （RLC）

  6. 1、 预测编码 1）帧内DPCM：二维图像中相邻图像间的相关性 压缩比：2~3倍 2）帧间DPCM：相邻帧之间平均象素变化小于7.5% 压缩比：10倍左右 帧重复、阈值法、帧内插、运动补偿

  7. 2、 运动补偿 处理过程 1）图像分割：静止部分、运动部分 2）运动检测与估值：运动类型、运动物体的位移值 3）运动补偿：用位移值进行运动补偿预测 4）预测信息编码：作为边信息传送

  8. MB MB MB` 前帧 后帧 运动矢量：H和V 差值阵：MB=MB-MB` 查找运动矢量 MB MB`

  9. 前向预测 帧内图象 预测图象 插补图象 I B P B P B I 双向预测 帧内图象（Intrapictures) 预测图象(Predicted Pictures) 插补图象(Interpolated pictures or Bidirectional prediction) 帧间编码方式

  10. 3、 变换编码 1）变换编码的特点 1）在变换域描述图像比空间域简单 2）图像相关性下降，信号能量集中 3）可利用人眼视觉特性，如频率、心理和视觉 4）抗干扰能力强，仅要求误码率 < 10 – 4 5）由快速算法，能实现实时压缩

  11. 2）变换编码的过程 （1）计算变换系数--DCT （2）量化变换系数 （3）“Z”字形扫描 （4）熵编码

  12. （1）DCT 变换公式： F(u,v)=1/4[C(u)C(v) ∑∑f(x,y)cos[(2x+1)uл/16]cos[(2y+1)vл/16] f(u,v)=1/4[∑∑ C’(u)C’(v) f(x,y)cos[(2x+1)uл/16]cos[(2y+1)vл/16] 7 7 x=0 y=0 7 7 u=0 v=0

  13. DCT变换过程示意 直流 分量 MCU 计算变换系数 64 88 63 交流分量

  14. （2）量化变换系数 低频 高频 小量化步长 大量化步长

  15. （3）“Z”字形顺序排列 DC AC10 AC70 AC77 直流系数 交流系数

  16. （4） 熵编码 (a) 游程长度编码 符号-1：包括两个数据： 跨越长度：非零AC系数前连零的个数 位 长：非零系数的编码位数 符号-2：只包含非零系数值（振幅），若最后一个非零 AC系数后还有零系数，则用EOB表示子图像的结束 (b) 可变长度编码 符号-1：用霍夫曼编码， 符号-2：用二进制编码

  17. 二、视频压缩编码标准 1. H.261(电视电话会议制式) :（1984~1990） P×64标准（kbit/s）, P=1,2,…32 压缩工具：DCT-----帧内压缩 运动补偿-----帧内编码 2. JPEG(静止图象压缩标准）：1986~1992 用于静止图像的压缩-----活动图像的帧内压缩 压缩工具：DCT 或 DPCM

  18. MPEG-1（活动图象及伴音编 码): 1988~1993 MPEG-----Moving Pictrue Expert Group 活动图像专家组 MPEG-1:码率为1.5Mb/s, 包含视频和伴音 使用于低精度图像模式 （352×288） 主要应用于数字存储媒体 在中国，用作VCD, 后发展到SVCD,CVD

  19. 4. MPEG-2（广播电视图像及伴音 ): 1991~1994 定义了包含低级、主级和高级各种级别的图像格式 涵盖了MPEG-1（VCD）、 SDTV（DVD)和 HDTV等各种应用 其中的主级主类格式应用最广泛: 提供720×576图像模式 码率为 3~15Mb/s, 包含视频、伴音及数据 主要应用于数字电视广播、多媒体通信等

  20. MPEG其他标准： • 1）MPEG-3:原为应用于HDTV的标准，现已包含在 • MPEG-2中，故已取消。 • 2）MPEG-4:基于内容的编码标准（93~99年） • 具有基于内容的的编码方法和灵活的组合结构，并采用了工具箱的方法，提供更高的压缩比、更低输出比特率的编码方法，可广泛应用于各种窄带多媒体通信领域。 • 3）MPEG-7:多媒体内容描述接口（98~2001年） • 建立多媒体数据库和相应的搜索引擎之间的接口，主要应用于数字图书馆、多媒体目录服务、广播媒体选择、多媒体编辑等。

  21. 三、MPEG-2视频标准的概念 1、MPEG-2标准组成 MPEG-2标准共含9部分：系统、视频、音频、一致性、软件、数字存储媒体的指令和控制、非向后兼容的音频、10比特视频、实时接口。其中最重要的3部分为： 第1部分：MPEG-2系统标准（IS13818-1） 第2部分：MPEG-2视频压缩标准（IS13818-2） 第3部分：MPEG-2音频压缩标准（IS13818-3）

  22. 2、MPEG-2的级与类的概念 类（Profile)—压缩算法子集 1 ）简单类：SP (Simple Profile) 2）主用类：MP (Main Profile) 3）SNR可分级类：SNR (SNR Scable Profile) 4）空间可分级类：Spt (Spatial Scalable Profile) 5）高级类：HP (High Profile)

  23. 级 (Level)—图像的格式 1）低级图象格式：LL (Low Level) 2）主级图象格式: ML (Main Level) 3）高级窄屏幕图象格式: H-14 (High 1440 Level） 4）高级宽屏幕图象格式: HL (High Level)

  24. 高级图象格式: 主级图象格式: 低级图象格式：

  25. MPEG-2级与类的组合

  26. 矩阵变换 Y R-Y B-Y R G B Cr=0.625(R-Y)+.05 Cb=0.5(R-Y)+0.5 Y=0.30R+0.60G+0.10B 四、MPEG-2视频编码器构成 1、MPEG-2亮度和色度信号的形成： 矩阵变换：

  27. 2、视频信号的模数转换： 13.5MHz 取样 量化 并行 输出 接口 Y R-Y B-Y 视频码流 8bitz 6.75MHz

  28. 1）取样频率的选择： 亮度信号取样频率：Fs=13.5MHz 色度信号取样频率：Fs=6.75MHz 场样点数：对于625/50（PAL制式)：行样点数：864 每场有312.5行，总样点数270000 对于525/60(NTSC制式)：行样点数：858 每场有262.5行，总样点数：225225

  29. 2）量化比特数的选择： 8比特 亮度信号共有220级， 黑电平对应于量化级16， 峰值白电平对应于量化级235， 色度信号共有224级， 最大负电平是16， 最大正电平是240， 零电平是128。 某些应用可扩展到10比特

  30. 3）数字化后的码率： 数字化后的码率：亮度信号：13.5×8=108Mbit/s 两个色差信号：6.75×8=54Mbit/s 总数码率：216Mbit/s 采用输出接口：以8比特样值并行传输 数据率为27Mbyte/s。

  31. MP@ML的PAL电视制式的主要参数

  32. 5 像块 Block 6 • 2 • 3 4 • 2 • 3 4 • 2 • 3 4 • 10 • 8 12 5 9 7 11 8×8 4：1：1格式 4：2：2格式 4：4：4格式 5 7 6 8 3、MPEG-2图像的宏块结构：

  33. 4、帧内编码： 1）. 图像的三种编码类型： 1） I 帧（帧内编码帧）： 对整个帧进行DCT，全部要传。 2） P帧（前向预测编码帧）：以前一个I帧或从前一个P帧为 预测帧进行编码，只需传送两帧之间的差值。 3）B帧（双向预测编码帧）： 从相邻的I帧或P帧做双向预测 进行编码，也只需传送两帧之间的差值。 2）. 帧内/帧间编码判决原则： ★ 与前帧相关性不大的当前帧，判为I帧，并进行帧内编码 ★ 若当前帧与前一帧的相关性大，可判为P帧，并对这两帧的 差值进行帧间编码。

  34. 3）帧内（或帧间差值）编码框图 输出码流 输入码流 DCT 量化 “Z” 字形 扫描 熵编码 8×8 Block 查量化系数表 游程长度编码 可变长度编码

  35. 5、帧间编码： 参考帧 视频解码 Y 打包 数字化 运动估计 和 运动补偿 帧内编码或 差值编码 R G B ES码流 R-Y B-Y

  36. I1 P4 B2 B3 P7 B5 B6 P10 B8 B9 帧内图象 预测图象 插补图象 各帧图像处理与传输顺序 处理时 I1 B2 B3 P4 B5 B6 P7 B8 B9 P10 传输时

  37. 6、MPEG-2的视频码流结构： 视频基本流（ES流)的六层结构 高层 1）视频序列层（Sequence） 2）图像组层（GOP：Group of Picture） 3）图像层（Picture） 4）像条层（Slice） 5）宏块层（Macro Block） 6）像块层（Block） 低层

  38. 视频序列层 视频序列 视频序列 视频序列 序列SC 序列头 序列扩展 GOP SC GOP头 PIC数据 序列SC 图像组层 1）视频序列层（Sequence）

  39. 2）图像组层（ GOP：Group of Picture ） 图像组层 GOP SC GOP头 PIC数据 PIC SC PIC头 PIC扩展 I帧数据 PICSC PIC头 PIC扩展 P帧数据 图像层

  40. 3）图像层（ Picture ） 图像层 PIC SC PIC头 PIC扩展 I帧数据 PICSC PIC头 PIC扩展 P帧数据 条 SC 条头 宏块 宏块 宏块 宏块 条SC 条头 宏块 宏块 宏块 宏块 像条层

  41. 4）像条层（ Slice） 像条层 条 SC 条头 宏块 宏块 宏块 宏块 条SC 条头 宏块 宏块 宏块 宏块 IC数据 PIC数据 像块 像块 像块 像块 宏块层

  42. 5）宏块层（ Macro Block） IC数据 PIC数据 像块 像块 像块 像块 DCT数据 EOB 6）像块层（Block）

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