数字视频技术-H标准.ppt

2.3 CCIR601,H.261, H.263,H.264,JPEG标准简介2.3 CCIR601,H.261, H.263,H.264,JPEG标准简介,CCIR601标准,1982年2月国际无线电咨询委员会(CCIR)第15次全会上，通过了601号标准（ITU-RT.601标准），也称CCIR601号建议： 确定以分量编码为基础，即以图像亮度分量Y和两个色差分量R-Y(Cr)、B-Y（Cb）为基础进行编码，作为电视演播室数字编码（广播质量）的国际标准。 它使625行电视系统与525行电视系统相互兼容。,CCIR601标准规定了彩色电视图像转换成数字图像应使用的采样频率，非线性RGB和YCrCb两个彩色空间之间的转换关系等 CCIR601标准已改名为ITU-RT.601标准，在美国成为DI标准。,1. CCIR601标准的几项规定,（1）对于PAL制、NTSC值的电视系统，模拟视频信号Y,R-Y,B-Y三分量的采样频率分别为13.5，6.75，6.75MHZ. 这就是著名的4：2：2电视演播室数字编码的国际标准。即Y,R-Y,B-Y信号分量被采样点数的比例为4：2：2，也就是说每采4个Y信号点，同时采R-Y,B-Y信号各两个点。 对于PAL制系统，每扫描行有效显示的Y,R-Y,B-Y信号的样本数（像素）为720：360：360； 对于NTSC制系统，其样本数也为720：360：360。,1. CCIR601标准的几项规定,（2）每采样点采样值的线性量化比特数（分辨率）分为两种，即用于演播室的定为10位二进制；用于电视传输的定为8位二进制。,1983.9补充标准,（1）规定被编码的Y,R-Y,B-Y信号是经过预校正的信号； （2）相应于量化等级的第0级和第225级的数据用于同步，第1级至第254量化等级用于视频信号数据； （3）为便于PAL制和NTSC制的转换，规定625行、50场或525行、60场两种制式数字有效的亮度信号采样点数均为720个，两色差信号的样点数均为360个。,事实上，电视系统传输信号的过程中，如果要获得逼真的图像重现质量，就要求从摄像到显像全过程的总传输特性是线性的，即显像亮度与景物亮度成正比。因此，把控制灰度的信号送给LED驱动电路之前对其进行校正，称之为校正。在校正的过程中，还考虑到人的视觉明亮度与物理亮度并不是成线性关系，使输入输出信号在视觉上呈现线性关系，以保证LED彩色屏重现电视画面的质量。,1983.9补充标准,4：2：2标准被称为图像信号数字编码的主标准，它常用于演播室的数字设备及其相互间的连接和国际节目交流。 对于图像信号的信源编码及某些高质量视频信号有高于4：2：2的编码标准，并且可以相互兼容，4：4：4，采样频率均为13.5MHZ。 对于电子新闻采访设备和窄带视频传输设备的数据，其要求应低于4：2：2，许多国家定为2：1：1，也就是说采样频率为6.75，3.75，3.75MHZ，每行采样数为360，180，180个,黑电平 定义图像数据为0时对应的信号电平，调节黑电平不影响信号的放大倍数，而仅仅是对信号进行上下平移。如果向上调节黑电平，图像将便暗，如果向下调节黑电平图像将变亮。 白电平 白电平与黑电平对应，它定义的是当图像数据为255时对应的信号电平，它与黑电平的差值从另一角度定义了增益的大小，在相当多的应用中用户看不到白电平调节，原因是白电平已在硬件电路中固定，比如HV系列摄像机。,2.H.261, H.263标准,1. H.261标准 是由国际电报电话咨询委员会（CCITT）于1990年12月完成和批准的。 该标准适用于电视电话（所用的电话网络为综合业务数据网ISDN）和电视会议（规定数据速率为p*64kbit/s，p为正整数），作为图像业务的图像编解码，因而H.261标准也简称为p*64标准。,2.H.261, H.263标准,对于图像清晰度要求不太高的面对面的电视电话，规定其数据速率为64-128kbit/s; 对图像清晰度要求较高的电视会议等，规定其数据速率可384kbit/s(6*64kbit/s),最高可达1920kbit/s。 通常窄带ISDN的最高传输率为1920kbit/s,次最高传输速率也称其为通道容量。,2.H.261, H.263标准,H.261标准也采用运动补偿、帧间预测等去除图像在时间域的冗余度； 然后用离散余弦变换（DCT）去除图像信息空间的冗余度； 最后用变字长的统计编码去除量化后的DCT系数中所含的统计冗余度，达到数据压缩的目的。 （MPEG） H.262 ，H.263， H.263+ H.262与MPEG-2标准基本相同，它是一种较高质量的图像数据编码压缩标准。,2.H.263标准,H.263标准是一种低数据传输速率的视频压缩编码标准，其压缩措施与H.261基本相同。 所谓基地数据传输速率视频编码技术是对编码后的数据速率低于64kbit/s的各种编码方法的总称。 H.263建议就是极低数据传输速率编码标准之一。视频数据要能在公共模拟电话网上传输，其速率比较低。 P84,所谓自适应就是类似机考试题的出题方法一样，在你答得好的情况下，题目会 越来越难，在你答得差的情况下，题目会越来越容易，由系统自动完成。环路滤波器 环路滤波器是具有以下两种作用的低通滤波器：在鉴相器的输出端衰减高频误差分量，以提高抗干扰性能；在环路跳出锁定状态时，提高环路以短期存储，并迅速恢复信号。,3.H.264标准,H.264的前身是由国际电信联盟ITU-T视频编码专家组（VCEG）于1998年首先提出的， 2001年起，ITU-T的VCEG与国际标准化组织ISO/IEC的MPEG(动态图像专家组)共同组织了联合视频合作组（JVT）， 在H.261标准的基础上开发出新一代视频压缩编码标准H.264， 同时它将作为MPEG-4标准中的一个新的第10部分， 它与MPEG-4中的第2部分的视频压缩编码标准相比，有更优异的性能。,3.H.264标准,也称为MPEG-4Part10, MPEG-4AVC(高级视频编码) 活动图像编码方式的国际标准 2003年7月有ITU正式批准，MPEG-2相比，同样的图像质量下， H.264 的数据速率只有其1/2左右，压缩比大大提高。 通常把H.264称作高级视频编码标准（AVC）,3.H.264标准,1.结构上设计了视频编码层（VCL）和网络抽象层（NAL） VCL用于提供高质量的视频编码，NAL提供在不同媒介上的数据表现形式。 2. 采用了全向运动预测和帧内预测技术。 对于给定的图像宏块，首先根据其周围的宏块作出预测值，再对这个预测值和实际值的差值进行编码，与直接变换编码法相比，使编码效率大大提高。 H.264的帧内预测是在空间域中进行的，而H.263+和MPEG-4的帧内变换是在变换域中进行的,3.H.264标准,3. 采用更精确的帧间预测技术。H.264标准编码效率的提高在很大程度上源于帧间预测精确度的提升。 例如： H.264中定义了7种不同大小和形状的图像块用于运动估计，使预测效果更好； H.264采用了1/4像素精确度的运动矢量,3.H.264标准,4.采用了近似于离散余弦变换（DCT）的基于整数的4*4变换。 即使用了类似于DCT的整数变换，输出为DCT变换的近似值。 由于变换系数为+/-1和+/-2，因此计算时仅需要移位和相加操作，使运算量大为降低，使数据压缩量大为提高。,3.H.264标准,5.采用新的图像类型。 H.264中引入了两种新的图像类型，即SP图像和SI图像 前者类似于P帧图像，但它允许在参考图像不同的情况下重构出相同的图像，这一特性能够实现信号码流切换、快进、实时访问等功能； SI图像与I帧类似，采用帧内编码，可以在不需要参考帧的情况下完全相同的重构出另一幅SP图像。,3.H.264标准,6.纠错编码使用了能削减编码量内容的自适应二进制算法编码（CABAC）,并采用后端环路滤波器，以降低块噪声技术,3.H.264特点,1.编码效率高，数据压缩比大。 2.编解码的复杂程度高 3.占用资源较多,3.H.264特点,1.编码效率高，数据压缩比大。 在相同图像质量的条件下，H.264的编码效率比MPEG-2和H.263基本配置提高了49.2%，即提高了1倍多； 比H.263CHC配置提高了25.4%，即提高了近4倍。 也就是说，图像的码率降低了，数据的压缩比大大提高了。,3.H.264特点,H.264也分为3个档次，即基本档次，主要档次和扩展档次。 基本档次是该标准的简单版本，应用面较广； 主要档次采用了多种提高图像质量和增大压缩比的算法和技术，如更高压缩效率的算术编码等方法，并应用了多项专利技术； 扩展档次是压缩比更大、性能更好、算法更复杂的高档次压缩编码方法。,3.H.264特点,2.编解码的复杂程度高 H.264在编码复杂度上要比MPEG-4提高1个量级，在解码复杂度上要比MPEG-4提高3倍多。与MPEG-2相比，解码器的软硬件的复杂度几乎要高出几倍，但在超大规模集成电路技术飞速发展的今天，实现起来已无问题。,3.H.264特点,3.占用资源较多 在资源占用方面，H.264比MPEG-4高得多。,H.264的意义,H.264一经面试后，已引起许多广播公司、服务提供商及消费类电子公司的关注。不少人认为， H.264是视频压缩编码领域的一次革命，它对视频应用领域的影响是十分巨大的。日后的硬盘录像机HDD和DVD录像机的长时间录像也会采用H.264作为编码方式。 单面双层的DVD9光盘有8.5G容量，采用H.264规格可存放2h的高清晰电视（HDTV）图像，这种方案被称为HD-DVD9格式。,四、JPEG标准,JPEG标准是一种静止图像数据压缩的国际标准，为英文“联合图像专家组”之意，这是一个由ISO（国际标准化组织）和IEC（国际电工技术委员会）两个机构联合组成的专家组，负责研究并制定的静态图像数据压缩编码标准。 作为一国际标准，适用范围很广，它既适用于静态灰度图像的数据压缩，又适用于静态彩色图像的数据压缩。,四、JPEG标准,JPEG标准包含由以下两种算法： 1.一种是以离散余弦变换（DCT）为基础的有损压缩算法。其压缩编码大致分为三个步骤: A.使用离散余弦变换去除图像信号中的冗余数据； B.以人眼心理学特征，使用加权函数对DCT的频率系数进行量化； C、使用霍夫曼可变字长编码器对量化后的频率系数进行编码。,四、JPEG标准,这种方法简单易行，方便可靠，在压缩比为25：1的情况下，压缩后还原得到的图像与原始图像相比较，非图像专家已难于找出它们之间的区别。因此，这种压缩编码方法应用甚广。 P86,2.采用以预测技术为基础的无损压缩算法，也称预测压缩,第四节 MPEG-1简介,MPEG-1简介,MPEG是由国际标准化组织（ISO）和国际电工技术委员会（IEC）联合组成的一个专家组简称，即“动态图像专家组”，这个专家组研究并制定了相关国际标准，作为图像、声音及多媒体、超媒体信息的编码规则。 1992年通过了MPEG-1标准，这就是闻名于世的ISO/IEC11172-1建议书。1993年被确认为国际标准，1994年又提出了MPEG-2标准，即ISO/IEC13818规范。 MPEG-2是MPEG-1的进一步发展，广播级MPEG-2视频压缩标准可向下兼容MPEG-1。,MPEG-1简介,这两种MPEG标准都不是精确的硬件电路实施标准，它并没有对所有相关内容作严格规定，制式规定了音视频等数据压缩编码后比特流语句通用性的描述，并定义了解码过程，提供了测试解码器精度的实际例子。 这就是说，MPEG标准精确规定的是信号编码后的数据流格式，而不是编码过程。,MPEG-1简介,优点是：只要符合MPEG标准的解码器，就能对数据流做正确解码。因此可以给具体实现留有很大余地，便于人们不断地改进编码与解码算法，以进一步提高数据的压缩效率和传输质量。,一、MPEG-1的图像格式及参数,MPEG-1标准主要是针对当时具有的视频数据传输速率（1.5Mbit/s左右）和网络而研发的，可处理标准图像格式SIF的音视频数据，SIF也成为信源输入格式，适用于352像素/行*240行/帧*30帧/秒（NTSC制）或352像素/行*288行/帧*25帧/秒（PAL制）的电视标准，其数据压缩的输出速率定义在1.5Mbit/s以下。,一、MPEG-1的图像格式及参数,MPEG-1标准已成功应用于VCD视盘机、卡拉OK、CD-1、活动图像、视频点播（VOD）等多种音像系统中。 MPEG-1的音频层1已用于数字盒带录音机（DCC）；层2用于数字音频广播；层3即MP3被广泛用在娱乐节目（数字音响、音乐CD、internet等）的编码与解码。 在光缆有线电视系统中，MPEG-1常用作CATV网中电视会议的编码和解码终端。,一、MPEG-1的图像格式及参数,1.MPEG-1标准的组成 A,即定义音视频数据及其他相关数据的同步，标准名为ISO/IEC11172-1 B,定义视频数据的编码和重建图像所需的解码过程，标准名为ISO/IEC11172-2 C，定义音频数据的编码和解码过程，标准名为ISO/IEC11172-3,一、MPEG-1的图像格式及参数,D，定义一致性测试，标准名为ISO/IEC11172-4。这一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前三部分中所规定的要求，这些测试可由厂商和用户实施 E，定义为软件模拟，标准名为ISO/IEC11172-5.实际上，这部分内容不是一个标准，而是一个技术报告，给出了用软件执行MPEG-1标准前三部分的结果 就实质而言，MPEG-1标准主要是由前三部分组成的。,一、MPEG-1的图像格式及参数,2. MPEG-1标准的图像格式及参数P88 3.MPEG-1标准的主要技术指标,SVideo 是一种两分量的视频信号，它把亮度和色度信号分成两路独立的模拟信号，用两路导线分别传输并可以分别记录在模拟磁带的两路磁迹上。这种信号不仅其亮度和色度都具有较宽的带宽，而且由于亮度和色度分开传输，可以减少其互相干扰，水平分解率可达420线。与复合视频信号相比，SVideo可以更好地重现色彩。,VHS简介 VHS是Video Home System的缩写，意为家用录像系统。它是由日本JVC公司在1976年开发的一种家用录像机录制和播放标准。 VHS录像带视频分辨率只有352288 DVD标准分辨率是720480 所以DVD画质好多了！ LD镭射影碟，激光视盘，光盘空间很大，压缩率很低，画面质量很有真实感。,三、MPEG-1的编码格式,MPEG-1数据流是由图像数据、声音数据和同步（定时）信息等组成。 编辑格式：将图像数据和声音数据分别装在一个个称为封包的基本单元内（打包处理） 每个封包包含2*1024B；由3个或更多个封包组成一个捆包,三、MPEG-1的编码格式,为了区别与识别这些封包或捆包，在它们前头均设置了一定长度的工作码，称为标头； 标头里含有开始码、同步信号、定时信息（时钟基准SCR、显示时间标记PTS、DTS）、封包或捆包性质（图像或声音、缓冲器范围、传输速率、封包装类型等信息）等； 还要将若干个捆包组成一个序列或系统，在每个系统的开始处还要设置开始码，以便于识别；在每个系统的捆包结束处，还要加入系统结束码，作为结束标志。 P90,四、 MPEG-1视频数据流的层面结构(数据流结构),就总体而言， MPEG-1编码的完整数据流的层面一般由两部分组成，即系统层和压缩数据层。 1.系统层，也称序列层。内含MPEG-1编码、解码所需的各种信息，这些信息将保证收发同步及编、解码工作的正常进行。 2.压缩数据层。它主要包括由被压缩的视频信号、音频信号的数据流及各自的标头码组成。,四、 MPEG-1视频数据流的层面结构(数据流结构),其中视频信号（图像信号）数据流又包括了6大层面，由大至小的顺序是： 视频序列层图像组层（图像帧组层） 图像层（或称图像帧层）条（片）层宏块层像块层（也称区块层） 其中前四层编码，均设置了各自特定的标头，标头的开始为起始码，起始码均为32位。宏块层和像块（区块）层没有设置独立的标头，无起始码，但各自设置了结束码。 P91,四、 MPEG-1视频数据流的层面结构(数据流结构),2.MPEG视频基本码流的结构P92,五、 MPEG-1的视频数据压缩,1.数据压缩情况 MPEG-1中对视频信号的压缩采用了帧内数据压缩技术和帧间数据压缩技术。 （1）对色差信号进行亚采样，即每4个亮度信号Y的采样点各对应一个色差信号R-Y,B-Y的采样点，它们是4：1：1的比例关系，以使视频数据量大大减少。,五、 MPEG-1的视频数据压缩,（2）在帧内采用二维DCT变换，去除空间相关性，并对DCT分量进行不同程度量化，舍去不重要的信号；将量化后的DCT分量按照频率重新排列（即“Z”字形扫描）；将扫描所得的DCT数值进行变字长编码等数据压缩技术，使数据量大大减少；对数据块的直流分量进行预测差分编码,五、 MPEG-1的视频数据压缩,（3）在帧间采用帧内帧图像I、预测帧图像P、双向预测帧图像B的压缩编码技术，使视频数据大幅度下降。 MPEG-1中，I帧的图像压缩比最小，为7:1;P帧压缩比为20：1；B帧的压缩比最大，为50：1；三者的平均压缩比为27：1，可见，此压缩比是很大的。,五、 MPEG-1的视频数据压缩,2.I、P、B帧的情况 P95,六、 MPEG-1视频压缩编码器的组成框图,视频数据是以图像帧为编辑点，一帧（幅）一帧顺序传送的，视频编码器的任务是要对送入的每帧信号进行必要的处理，然后按照规定格式输出视频码流。所说的必要处理主要是对图像信号的压缩处理。 P96,运动补偿，通过先前的局部图像预测，补偿当前的局部图像，减少帧冗余信息。 运动估值，从序列图像中提取有关物体的运动信息。,七、 MPEG视频解码（解压缩）器的组成框图,MPEG视频解码器，也称视频解压缩电路，简称解码器或解压缩电路。在VCD机中，它的输入信号来自CD-DSP电路，是经过纠错后的被压缩了的图像数据码流。 1、视频解码电路组成框图 P98,八、 MPEG-1音频标准,1、 MPEG-1音频标准的主要内容 （1）音频信号的采样频率可以是32，44.1，48khz,最常用的是44.1khz,量化等级为16bit, (2)压缩后的比特数据流可支持单声道或双声道4种模式，即单音频通道的单声道模式；两个独立的单音频通道的双-单声道模式；立体声通道的立体声模式；联合立体声模式,（3）根据不同应用，压缩后的比特数据流具有某种预定的比特率，如8384kbit/s 。另外， MPEG-1音频标准也支持用户自定义的数据速率，使其应用更具灵活性。,（4）MPEG-1音频标准提供了3个独立的压缩层次，即层1，层2，层3 。层次愈高，信号的压缩比愈低，音质愈佳，但复杂性也随之增加。 （5）编码后的数据流支持循环冗余校验（CRC） （6） MPEG音频标准还支持数据流中窄带附加信息。,2. MPEG音频标准中3个独立的压缩层次 P99,3.音频数据可压缩的原因 一方面，音频（伴音）信号中也存在很多冗余信息，去除这些冗余信息，就能达到压缩的目的； 二方面，利用人耳的最小可闻阈值（也称最小可闻极限）特性和听觉掩蔽效应等的听觉心理特征，在不被主观听觉察觉的容限内，适当减小信号的精度，以一定的客观失真换取数据压缩。,前一种压缩，其冗余度在解码后可无失真的恢复，称之为无损压缩； 后一种压缩会使信号产生一定失真（听觉允许的失真），故称为有损压缩。,4.层一 和层二音频数据压缩编码器和解码器的组成