数字通信技术03-3.ppt

3.4 图像压缩编码标准,3,图像压缩编码标准,内容： 图像压缩编码标准的种类，如JPEG、MPEG、H.26x 等标准，熟悉实现这些标准所采用的算法以及应用 要求： 掌握图像压缩编码标准的种类，如JPEG、MPEG、H.26x 等标准，熟悉实现这些标准所采用的算法以及应用,4,引言,图像编码标准的分类 静止图像编码标准 JPEG JPEG2000 活动图像编码标准 H.26X：H.261、H.263、H.264 MPEG： MPEG-1、 MPEG-2、 MPEG-4、 MPEG-7,3.4.1 静止图像压缩标准,6,一、JPEG,JPEG研究小组 1986年，国际标准化组织ISO和国际电报电话咨询委员会CCITT共同成立了联合图像专家组（Joint Photographic Experts Group），对静止图像压缩编码的标准进行了研究。 建议形成 JPEG小组于1988年提出建议书，1992年成为静止图像压缩编码的国际标准。JPEG是一个达到数字演播室标准的图像压缩编码标准，其亮度信号与色度信号均按照ITUR601的规定取样后划分为8x8子块进行编码处理。,7,一、JPEG,JPEC标准主要涉及连续色调（灰度和彩色）静止图像的压缩编码。共提供了四种工作模式： 顺序模式（基准模式）：依扫描顺序，从左到右、从上到下，一次完成对图像的DCT变换和编码； 渐进模式：多次扫描完成编码，第一次扫描是对前一次的细化； 分层渐进模式：将原始图像用不同的空间分辨率表示，每一种分辨率对应于一个扫描。 无损模式：只作简单的预测，不引入量化，压缩率比较低。,所有JPEC模式的编解码器必须支持基准模式。当硬件处理的速度足够快时，JPEC也能用于实时视频的压缩。,8,一、JPEG,9,Forward Discrete Cosine Transform,Quantizer,Entropy Encoder,Table Specification,Table Specification,Entropy Decoder,Dequantizer,Inverse DCT,Table Specification,Table Specification,Source Image Data,Reconstructed Image Data,Compressed Image Data,Compressed Image Data,8x8 blocks,一、JPEG,基准模式的JPEG编解码框图,10,一、JPEG,基准模式编码过程： 输入信号经DCT变换后，按固定的亮度与色度量化矩阵进行非线性量化。 对量化后相邻图像块的DCT直流系数单独进行DPCM编码。 对余下的63个交流系数进行游程编码。 对DPCM编码后的直流系数和游程编码后的交流系数再进行Huffman编码或算术编码。 送缓存器输出。,11,一、JPEG,JPEC算法的平均压缩比为15:1，当压缩比大于50时将会出现方块效应。 为提高恢复图像的质量，尤其是低码率时的质量，并根据图像质量、视觉感受和分辨率来达到渐进传输、对码流进行随机存取和处理、开放结构、向下兼容等要求，1999年3月形成了JPEC2000工作草案，并于2000年正式颁布，升级并取代了JPEC标准。,12,二、JPEG2000,正式名称：ISO 15444 特点 采用以小波变换为主的多分辨率编码方式，放弃了JPEG所采用的以DCT为主的分块编码方式; 将彩色静态画面采用的JPEG编码方式与2值图像采用的JBIG编码方式统一起来，成为对应各种图像的通用编码方式,13,二、JPEG2000,JPEC2000编译码原理图,14,compressione 100:1,compressione 100:1,/JPEG2000.htm,二、JPEG2000,JPEG2000性能,15,二、JPEG2000,JPEG2000新特性 渐进传输 无损压缩和有损压缩 感兴趣区域压缩 高压缩率 连续色调和二值压缩 码流的随机访问和处理 容错性 开放的框架结构 基于内容的描述 WEB图像简单化,16,二、JPEG2000,渐进传输,17,二、JPEG2000,无损压缩和有损压缩 JPEG2000提供无损和有损两种压缩方式，无损压缩在许多领域是必须的，例如医学图像中有时有损压缩是不能忍受的，再如图像档案中为了保存重要的信息有较高的图像质量是必然的要求。同时JPEG2000提供的是嵌入式码流，允许从有损到无损的渐进解压，这也是小波变换过程中分解与重构的特点。,18,二、JPEG2000,感兴趣区域压缩,对感兴趣区域指定压缩质量,19,二、JPEG2000,高压缩率,20,二、JPEG2000,高压缩率,3.4.2 运动图像压缩标准,22,一、图像尺寸的规定,CCIR601建议 PAL： 625行/50场 720像素576行 NTSC：525行/60场 720像素480行 为了符合H.261建议或MPEG-1建议要求的码率 亮度：720576/480360288/240 色差：360576/480180144/120 为了能分割为1616子块 亮度352288 色差176144 即为H.261建议规定的“公用中间格式”（Common Intermedia Format）,23,一、图像尺寸的规定,视频编码图像格式一览表,SIF：Source Input Format，CIF：Common Intermedia Format，QCIF：Quarter CIF,24,二、H.261,简介： H.261是第一个视频图像压缩标准； H.261又称为P64，分别对应视频电话（p=1,2）与电话会议（p5）； H.261支持QCIF（p=1,2）和CIF这两种图像格式。 H.261的编码方法包括： DCT变换； 可控步长线性量化； 变长编码及预测编码。,25,二、H.261,H.261数据结构,26,二、H.261,图像层,块组层,宏块层,块层,MPEG视频部分数据结构图,27,二、H.261,H.261图像序列的组成结构如下： 图像层(Picture Layer, P)：由图像头和GOB数据组成； 块组层(Group of Block Layer,GOB)：由一个GOB头和MB数据组成； 宏块层(Macro Block Layer,MB)：由一个MB头和B数据组成； 块层(Block Layer,B)：包括一个块的DCT系数（包括亮度和色度），后接一个固定长度的结束码(End Of Block,EOB)。,28,二、H.261,CIF格式,QCIF的GOB数是CIF的1/4，即3个GOB。其它结构与CIF相同。,29,二、H.261,H.261压缩编码原理图,30,三、H.263,H.263 传输速率低于64K，适用于低比特率条件下对运动图像进行压缩编码。 压缩编码算法：结构与H.261类似，包括帧间预测（含运动估计和运动补偿）、DCT变换和变长熵编码。不同点是：H.263的运动补偿采用的是半像素精度，而H.261采用的是全像素精度和一个环路滤波器。 H.263增加了支持的图像格式，编码器必须支持sub-QCIF和QCIF中的一个，是否支持其他格式由用户自己决定。其它格式包括：CIF、4CIF、16CIF。,31,三、H.263,H.263的可选模式 1、非限制运动矢量模式，能够反映较快的图像运动。 2、先进预测模式。这种模式能提高帧间预测的准确性，可以在比特率不变的情况下降低方块效应，提高图像的主观质量。 3、算术编码模式。用算术编码方法代替缺省模式下的可变长编码方法来实现熵编码，在不损失信噪比的前提下可以把输出比特率降低5%左右。 4、PB帧模式。该模式在不明显增加比特率的同时，把图像的帧速率提高一倍。,32,四、H.264,H.264 在较低带宽上提供高质量图像传输是H.264的应用亮点。 采用的新技术：统一的VLC符号编码，高精度、多模式的位移估计，基于44块的整数变换、分层的编码语法等。 压缩编码算法：DPCM加变换编码的混合编码模式。,33,四、H.264,H.264具有以下几个方面的特点 帧间预测 帧间预测用于降低图像的时域相关性，通过采用多帧参考和更小预测区域等方法对下一帧进行精确预测，从而减少传输的数据量。在H.264中，对亮度块的划分方法有1616、168、816和88四种，而且当选取88划分时，可以进一步按照88、84、48以及44进行亚分割。,34,四、H.264,帧内预测 在H.264中，亮度块可以有9种44块和4种1616块的帧内预测模式，色度88块的4种预测模式与亮度的4种1616块的预测模式一样。 分层设计 H.264的算法在概念上可以分为两层：视频编码层（VCL：Video Coding Layer）负责高效的视频内容表示，网络提取层（NAL：Network Abstraction Layer）负责以网络所要求的恰当的方式对数据进行打包和传送。,35,四、H.264,高精度、多模式运动估计 H.264支持1/4或1/8像素精度的运动矢量。与整数精度的空间预测相比，可以提高大于20的编码效率。 44块的整数变换 H.264与先前的标准相似，对残差采用基于块的变换编码，但变换是整数操作而不是实数运算，其过程和DCT基本相似。这种方法的优点在于：在编码器中和解码器中允许精度相同的变换和反变换，便于使用简单的定点运算方式。也就是说，这里没有“反变换误差”。,36,四、H.264,统一的VLC H.264中熵编码有两种方法，一种是对所有的待编码的符号采用统一的VLC(UVLC ：Universal VLC)，另一种是采用内容自适应的二进制算术编码(CABAC：Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding)。CABAC是可选项，其编码性能比UVLC稍好，但计算复杂度也高。 面向IP和无线环境 H.264草案中包含了用于差错消除的工具，便于压缩视频在IP和无线网络中的传输。,37,四、H.264,面向网络应用 H.264在系统层上提出了全新的概念，定义了VCL和NAL。其中VCL包括了VCL编码器与VCL解码器，主要功能是采用运动补偿、变换编码、熵编码以及去方块滤波等多种技术，进行视频压缩数据的高效组织与表示。 复杂度增加 H.264优越性能的获得不是没有代价的，其代价是计算复杂度的大大增加，据估计，编码的计算复杂度大约相当于H.263的3倍，解码复杂度大约相当于H.263的2倍。,38,五、MPEG,MPEG： Moving Picture Exports Group，是ISO组织下属的运动图像专家小组的英文缩写。 MPEG系统组成：由系统层和压缩层组成，包括MPEG系统、MPEG视频和MPEG音频三个部分。 MPEG编码过程：MPEG的基本编码过程与H.261相似，即通过DCT进行帧间压缩。除了在编码语法上加进了一些特别规定外，与H.261的一个重要不同是MPEG在预测编码中加进了一个双向预测帧B帧。 MPEG特点：是不对称算法，编码算法很复杂，译码算法简单。其主要应用于图像存贮、电视广播等方面。,39,五、MPEG,MPEG是ISO组织下属的运动图像专家小组Moving Picture Exports Group的英文缩写，于1988年成立，是为数字视/音频制定压缩标准的专家组。 MPEG组织最初得到的授权是制定用于“活动图像”编码的各种标准，随后扩充为“及其伴随的音频”及其组合编码。后来针对不同的应用需求，解除了“用于数字存储媒体”的限制，成为现在制定“活动图像和音频编码”标准的组织。 目前已提出MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21标准。,40,六、MPEG-1,MPEG-1： MPEG-1主要是针对运动图像和声音在数字存储时的压缩编码，典型应用如VCD等家用数字音像产品，其编码最高码率为1.5Mbps。 MPEG-l标准可以处理各种类型的活动图像，其基本算法对于压缩水平方向 360个像素竖直方向288个像素的空间分辨力，每秒24至30幅画面的运动图像有很好的效果，MPEG-l标准提供了一些录像机的功能：正放，图像冻结、快进、快倒和慢放。此外，还提供了随机存储的功能。,41,六、MPEG-1,MPEG-1标准共计包括五个部分 第一部分说明了如何根据第二部分（视频）以及第三部分（音频）的规定，对音频和视频进行复合编码。第四部分说明了检验解码器或编码器的输出比特流符合前三部分规定的过程。第五部分是一个用完整的C语言实现的编码和解码器。,42,六、MPEG-1,MPEG-l标准采用了一系列技术以获得高压缩比 对色差信号进行亚取样，减少数据量； 采用运动补偿技术减少帧间冗余度； 做二维DCT变换去除空间相关性； 对DCT分量进行量化，舍去不重要的信息，将 量化后的DCT分量按照频率重新排序； 将 DCT分量进行变字长编码； 对每数据块的直流分量(DC)进行预测差分编码。,43,六、MPEG-1,MPEG-1标准从颁布的那一刻起，取得一连串的成功，如VCD和MP3的大量使用，Windows95以后的版本都带有一个MPEG-1软件解码器，便携式MPEG-1摄像机等等。,44,六、MPEG-1,【MP3】: MP3是MPEG-1格式中的音频压缩部分。MP3是英文“MPEG Audio Layer-3”的缩略语,“Layer-3”是 Layer-1, Layer-2以后，作为升级版（version up）的产品。与其前身相比，Layer-3 具有最好的压缩率，并被命名为MP3，其应用最为广泛，表3-7给出了Layer-1、 Layer-2及Layer-3的压缩比。,45,六、MPEG-1,编码格式 压缩比 Layer-1 4:1 Layer-2 4:16:1 Layer-3 10:112:1 MP3本质上是指音频文件压缩的格式，现在我们通常说的MP3是指取样该压缩方法的音频文件，有时也将能播放MP3的播放器简称为MP3。,46,七、MPEG-2,MPEG-2： 则针对数字电视的视音频压缩编码， MPEG组织于1994年推出MPEG-2压缩标准。 MPEG-2对数字电视各种等级的压缩编码方案及图像编码中划分的层次作了详细的规定，其编码码率可从3Mbps到100Mbps。MPEG-2特别适用于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为