（通信与信息系统专业论文）井下电视成像测井图像压缩技术研究.pdf

摘要 井下电视( d o w nh o l ev i d e o ) 是用来获取井下直观图像资料的一种电 视成像测井仪器，国外研制的并下电视测并仪器已经取得了成功的应用， 产生了巨大的经济效益。我国对数字井下电视测井仪器的研究还处于起步 阶段。高清晰度，低比特率的图像压缩技术是研究井下电视的关键技术之 一。本文提出了一种适用于井下电视的图像压缩解压方案。该方案基于小 波变换的场内图像压缩技术，采用小波变换、子带编码、自适应量化和熵 编码来对图像数据进行压缩；图像压缩算法采用硬件电路实现，在图像压 缩过程中采用压缩比控制、质量盒和跳场等技术，实现了高清晰度、低比 特率的图像压缩；根据使用环境要求和信道的传输速率，通过调节图像尺 寸、场频、压缩比等参数，在图像的连续性和清晰度之间进行折衷，达到 最理想的压缩效果。实验结果证明该方案在图像运动速度不快的情况下可 以得到质量很好的连续图像，完全符合井下电视对图像压缩的要求，解决 了井下电视图像压缩的关键技术问题；同时该方案具有原理简单、电路工 作频率低、软件复杂度低、系统工作可靠等优点，对其他专用图像压缩系 统具有一定的参考价值。 关键词：井下电视小波变换图像压缩 a b s t r a c t d o w nh o l ev i d e oi sal o g g i n gi n s t r u m e n tu s e dt oo n a i nd o w n h o l ei m a g ei no i lf i e l d ， w h i c hd e v e l o p e do na b o a r dh a v em a d es l i c c e s s f u l a p p l i c a t i o n a n dg a i n e dg r e a t c o m m e r c i a lb e n e f i t s i ti sj u s tb e g i n n i n gr e s e a r c hi nd o w n h o l ev i d e ol o g g i n gi n s t r u m e n t f i e l di no u r c o u n t r y h i 曲q u a l i t y , l o wb i tr a t ei m a g ec o m p r e s s i o nm e t h o d i so n eo ft h e k e yt e c h n o l o g i e st od e v e l o pd o w n h o l ev i d e ol o g g i n gi n s t r u m e n t ap r o j e c ta d a p tt o d o w n h o l ev i d e oi m a g ec o m p r e s s i o ni sp r o p o s e db ya u t h o ri nt h i sp a p e r t h ep r o j e c ti s b a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r mi m a g ec o m p r e s s i o n ，a n di m p l e m e n t sw a v e l e tt r a n s f o r m ， s u b b a n d c o d i n g ，t h eq u a n t i z a t i o n a n d e n t r o p ye n c o d i n gp r o c e s s e sp r o v i d e d a t a c o m p r e s s i o n ；t h ei m a g ec o m p r e s s i o na l g o r i t h mr e a l i z e db yh a r d w a r e ，t e c h n o l o g i e so f c o m p r e s s i o n r a t i oc o n t r o l ，q u a l i t yb o x ，f r a m er a t er e d u c t i o na r eu s e di nt h ep r o c e s so f i m a g ec o m p r e s s i o n ，a c h i e v e m e n th i g hq u a l i t y , l o w b i tr a t e i m a g ec o m p r e s s i o n ； a c c o r d i n g t ou s i n ge n v i r o n m e n ta n dc h a n n e lt r a n s m i t t i n gr a t e ，p a r a m e t e r so f i m a g e s i z e f r a m er a t e s ，c o m p r e s s i o nr a t ec a nb ea d j u s t e dt oc o m p r o m i s eb e t w e e nd e f i n i t i o na n d c o n t i n u i t yt oa c h i e v e m e n t t h em o s ti d e a li m a g e c o m p r e s s i o n e x p e r i m e n t r e s u l tt e s t i f i e d t h a tc o n t i n u o u sm o v i n gp i c t u r e sw i t hg r e a tq u a l i t yc a nb eo b t a i n e du s i n gt h em e t h o d m e n t i o n e di nt h ep a p e r ，m e tt h er e q l 1 i r e m e n to fd o w n h o l ev i d e ot oi m a g ec o m p r e s s i o n ， r e s o l v e dt h ek e yt e c h n o l o g i c a lp r o b l e mo fd o w nh o l ev i d e oi m a g ec o m p r e s s i o n a n d t h e p r o j e e t h a v et h e a d v a n t a g e s o fs i m p l e ，l o ww o r k i n gf r e q u e n c y ，l o ws o f t w a r e c o m p l e x i t y ，w o r k i n gr e l i a b l ee t c ，h a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et o o t h e rs p e c i a li m a g e c o m p r e s s i o ns y s t e m k e y w o r d ：d o w n h o l ev i d e o ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，i m a g ec o m p r e s s i o n 独创性( 或创新性) 声明 y - 6 9 5 4 2 z 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也 不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 垡 量1日期塑羹! ：丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科 技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名 单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允 许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许 采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守 此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名：茎盘f 至1日期玉丛：21 塑 导师签名： 主筐垄垒 日期丝! ! ：堡 第一章绪论 第一章绪论 石油并下电视成像测并仪简称并下电视( d o w nh o l ev i d e o ) ，是最近几年才 发展成熟的一种新兴石油井下测井仪器， 器无法取得的重要的井下直观图像资料， 要的研究和应用价值。 通过井下电视可以获取其它传统测井仪 开辟了测井技术的新领域，具有非常重 1 1 井下电视及其应用 井下电视通常由三部分组成：下井仪器、测井电缆和地面仪器。下井仪器主 要包括：井下微型摄像头、照明光源、图像处理和发送电路：测井电缆通常为单 芯或多芯铠装测井电缆，也可以是经特殊加工的光纤。地面仪器主要由接收电路、 监视器，录像机，深度记录装置等组成。井下摄像头获取的图像经图像处理电路 处理后，变成适合于电缆传输的信号，经由电缆传输到地面，由监视器将井下图 像回放出来。深度记录装鼍和录像用来记录井深和测井图像资料。 井下电视自问世以来，已经在石油生产中取得了成功的应用，据国内外文献 报道【j ( 2 j f 3 j ( 4 j 卯，井下电视至少在以下领域己取得了非常成功的应用： ( 1 ) 辅助打捞( f i s h i n g a i d ) 利用井下电视可以确定井下落物位置，观察井下落物鱼头形状，确定打捞方 案。 ( 2 ) 套管检测( c a s i n gi n s p e c t i o n ) 利用井下电视可以检测套管阻塞、断裂、变形、穿孔、腐蚀等情况。 ( 3 ) 流体层勘测( e 1 女i ge ! y 竖! ! y ) 通过井下电视可以观测到套管井内流体的入口位置和流体类型，便于掌握储 层的分布。 ( 4 ) 裸眼井测井 井下电视也可用于裸眼井测井。 1 2 井下电视的发展及国内外技术现状 第一次将摄像技术应用于井下是在上世纪4 0 年代，由此产生的第一代井下电 视只能得到黑白的静态图像，仪器的直径较大，测井深度最深能达到1 0 0 0 英尺。 到了上世纪6 0 年代，同轴电缆应用于井下电视中使井下电视技术得到了长足的进 步，由于同轴电缆可以传送更宽频带的信号，使用了同轴电缆的井下电视可以得 井下电视成像测井图像压缩技术研究 到运动的图像。9 0 年代早期，出现了一种采用光纤技术的光电测井电缆，光纤技 术的采用使得井下电视又得到了一次突破性的进展，采用了光纤技术的井下电视 系统可以传送3 0 帧秒的实时图像。随着现代科学技术的发展，现代的井下电视测 井技术融合了多种先进技术忡i ，已经逐步发展成熟。这些技术主要包括： ( 1 ) 采用光纤通信技术传送图像数据，可以得到清晰稳定的实时图像； ( 2 ) 独特设计的井下照明系统，使得图像明亮清晰，亮度均匀； ( 3 ) 下井仪器耐高温、高压技术； ( 4 ) 用于摄像镜头防护的一种新型表面活性剂，使得镜头穿过混浊的油层时不 会粘附油污，当仪器穿过油层进入透明介质后，依然可以得到清晰的图像。 在井下电视测井领域，代表当今世界最先进技术水平的当属美国的 d h v i ( d o w n h o l ev i d e oi n t e r n a t i o n a l ) 公司。d h v i 是一家专门生产井下电视测井仪 和提供井下电视测井服务的专业公司，拥有f i b e ro p t i cv i d e os y m e m ，h a w k e y e v i d e os y s t e m 和s l i c k l i n ev i d e os y s t e m 等多种系列的井下电视测井仪，根据观测对 象和井眼条件的不同，仪器可选用不同的配置。该公司还拥有井下电视系统井下 照明光源设计，镜头防油污表面活性剂两项技术专利。 表ld h v i 并下电视嗣井仪主要技术指标 h a w k e y e ：h a w k e y e ： 技术参数f i b e r o p t i c s l i c k l i n e l o w t e m p h i g ht e m p 仪器外径，c m 434 35 45 4 最高工作温度， 1 2 11 2 l 1 7 71 0 7 最大耐压，m p a6 9 6 96 96 9 图像尺寸 5 5 0 x 3 5 03 1 7 2 6 23 1 7 2 6 23 1 7 2 6 2 h e i i ：h b l l ： 1 7 秒图像l ，7 秒图像 每0 - 5 秒记录一 图像更新速率3 0 幅图像秒幅图像，共记录 h e i i i ：h e l l i ： 2 0 0 幅图像 1 1 秒图像1 1 秒图像 h e i i ：h e l i ： n t s co rp l a ln t s co rp a l 图像制式 n t s co rp a l n t s c h e l 1 ：h e i l i ： n t s cn t s c 照明1 0 0 瓦卤素灯1 0 0 瓦卤素灯1 0 0 瓦卤素灯2 0 瓦卤素灯 目前，f i b e ro p t i c 和h a w k e y ei i i 是d h v i 主流的井下电视测井仪器。f i b e ro p t i c 可以得到3 0 幅图像秒的实时连续图像，图像尺寸也最大，可以得到最佳的井下 图像资料，但由于光纤物理特性和光波传输特性方面的原因，其最大表面抗拉力 第一章绪论 为3 7 4 k g ，最大测井深度为4 9 2 3 m h a w k e y ei i i 虽然图像不连续，但其采用传统 的铠装测井电缆，克服了井深和表面抗张力对光纤电缆的限制，其应用几乎不受 井深的限制，加之其价格比f i b e r o p t i c 低很多，因此得到了更广泛的采用。 目前，很多国际大型石油测井公司例如s c h l u m b e r g e r ，h a l l i b u r t o ne n e r g y s e r v i c e s ，s h e l l 等都将f i b e ro p t i c 和h a w k e y ei i i 作为其主流的井下电视测井仪器。 我国中原油田和吐哈油田分别于2 0 0 0 年和2 0 0 0 年弓l 进过h a w k e y e 系列井下电视 测井仪，并在井下落物打捞，套管检测，检查井下作业效果方面取得了非常成功 的应用。 国内对石油井下电视的研究相对滞后，一些国内企业和研究所所谓的并下电视 大多是指应用于水井的水下摄像系统，其大多采用模拟电视信号传输体制，测井 深度通常只有几百米，其在仪器工作温度范围、测井深度等主要技术指标上和油 田的实际应用要求还有相当的距离。西安交通大学激光与红外应用研究所曾试制 过针对油田应用的井下电视测井仪1 7 】，采用模拟图像传输体制，使用其专用电缆， 最大测井深度可达到1 0 0 0 米。 基于数字图像传输体制的石油井下电视的研究国内公开发表的文献末见报道。 1 3 井下电视的关键技术 井下电视在石油测井领域无可替代的地位，已逐渐引起了国内石油行业管理 部门和研究机构的重视。对井下电视的研制需要解决以下关键技术难题： ( 1 ) 适合于石油测井电缆传输的图像压缩方法和传输协议 采用光纤测井电缆虽然可以得到较高的图像传输速率，但是由于光纤测井电 缆造价太高、使用环境受到一定限制、国内还不具备生产光纤测井电缆的能力、 其他测井仪器暂时还不支持与光纤电缆的接口等原因，目前对井下电视的研究应 优先考虑采用传统测井电缆进行图像数据传输。 模拟信号传输距离近，信号抗干扰能力较差，不便于计算枫存储和处理，随 着现代数字图像处理技术的飞速发展，将数字图像压缩和处理技术应用到井下电 视当中是井下电视研究的方向。但是，数字图像的数据量很大，传输所需带宽较 宽，由于传统测井传输带宽的限制，目前传统测井电缆的最高数据传输速率在 5 0 0 k b p s 左右。因此，对井下电视的研究首先要解决的关键技术是研究高清晰度、 低比特率的数字图像压缩方法以及适合测井电缆传输的数传协议。 ( 2 ) 下井仪器的耐高温、高压防护措施 随着测井深度的增加，井内温度和压力也逐渐增加。井内最高温度随着井深 不同差异较大，当井深超过3 0 0 0 时，井内温度一般都在1 2 0 4 c 以上，我国有的地 区井温甚至超过2 0 0 * ( 2 。电子元器件最高工作温度为7 0 。c 1 2 0 。c ，显然无法满足 井下电视成像测井图像压缩技术研究 井下使用的要求。同时，井内充满了混合流体，井内压力较高。因此，下井仪器 一定要采取严格的保温、隔热、密封、耐压措施，使下井仪器能够在超过1 2 0 的 高温环境中能够连续工作几个小时，这就是井下电视中采用的保温瓶技术。 ( 3 ) 用于下井摄像镜头防护的表面活性剂 井下电视只能在清晰、透明的介质，例如清水、干燥气体及空气中取得清晰 的图像，石油井井筒内充满了混浊，不透明流体，因此，测井前应进行一系列准 备工作，对井筒进行清洗，但是，即便如此，在水的表面也难免有油污，为了防 止在测井过程中镜头粘附油污，必须使用一种表面活性剂。这种表面活性剂的使 用，是测井成功的关键，因此，也是井下电视的一项关键技术。 1 3 项目背景 鉴于井下电视在石油测井领域的重要地位，为了打破国外在该技术领域的技 术垄断地位，填补我国在该领域的技术空白，开发具有自主知识产权的井下电视 成像测井设备，2 0 0 2 年8 月，中国海洋石油集团公司技术项目部和西安石油大学 电子工程学院签订了石油井下电视成像测井技术研究的科研合同，研究油田 井下电视成像技术，并开发一套用于油田试验的样机系统。 1 4 工作范围及技术路线 本论文的工作范围：并下电视图像压缩解压方法研究，井下图像压缩及地面 解压部分方案设计论证、器件选型，硬件电路设计调试，软件设计调试。 论文采用的技术路线：对比现有的图像压缩标准，追踪图像压缩技术的最新 发展动态，分析井下电视对图像压缩的要求，考察采用现有图像压缩标准或最新 图像压缩编码方法的可能性，确定井下电视的图像压缩解压方案，并设计软硬件 予以实现。 第二章数字视频及其压缩编码技术 第二章：数字视频及其压缩编码技术 井下电视下采用数字图像传输体制，而摄像头的输出为模拟信号，因此，井 下图像处理必须研究模拟电视信号的采样，视频图像的数字编码，图像的压缩解 压等技术。 2 1 模拟电视信号制式 世界上存在三种不同的视频制式：n t s c 制式用于北美和包括日本在内的部分 亚洲国家和地区；p a l 制式用于大多数西欧国家和包括中国以及中东的亚洲国家； s e c a m 制式用于前苏联、东欧、法国及一些中东国家。表2 1 给出了各种视频制 式的参数比较。 表2 。1 模拟视频制式的参数对比 参数n t s c p a ls e c a m 场频6 0 5 05 0 行数帧 5 2 56 2 56 2 5 行率( 行秒)1 5 7 5 01 5 6 2 51 5 6 2 5 图像幅型比 4 ：34 ：34 ：3 彩色坐标y i q y u vy c b c r 亮度带宽( m h z ) 4 2 5 0 ，5 ，5 6 。o 色度带宽( m h z ) 1 r5 ( i ) ，0 5 ( q ) 1 3 ( u ，v )1 0 ( u ，v ) 彩色副载波( m h z ) 3 5 84 4 34 2 5 ( c b ) 4 4 1 ( c r ) 彩色调制q a mq a m f m 音频副载波( m h z )4 55 5 ，6 ，o 6 5 复合信号带宽( m h z ) 6 0 8 0 ，8 5 8 0 三种视频制式都采用2 ：1 隔行扫描机制来摄取和显示视频图像，而且三种制式 都采用复合视频格式，将三个彩色分量复合为一个信号。 井下电视兼容p a l 制式和n t s c 制式。 2 。2 数字视频编码及其压缩标准 随着现代数字信号处理技术的发展，数字视频技术逐渐发展成熟，并且在网 井下电视成像测井图像压缩技术研究 络多媒体，可视电话，视频会议，多媒体通信等领域得到了非常广泛的应用，近 年来，一系列国际视频压缩编码标准的制定，极大地促进了视频压缩编码技术和多 媒体通信技术的发展。 2 2 1 数字视频标准c c r6 0 1 号建议”1 为了便于国际阃的节目交换，为消除数字设备之间的制式差别，和为6 2 5 行电 视系统与5 2 5 行电视系统之间兼容，在1 9 8 2 年2 月国际无线电咨询委员会( c c i r ) 第1 5 次全会上，通过了6 0 1 号建议，确定以分量编码为基础，即以亮度分量y 、 和两个色差分量c b 、c r 为基础进行编码，作为电视演播室数字编码的国际标准。 该标准规定： ( 1 ) 不管是p a l 制，还是n t s c 制电视，y 、c b 、c r 三分量的抽样频率分别为 1 3 5 m h z 、6 7 5 m h z 、6 7 5 m h z 。 ( 2 ) 抽样后采用线性量化，每个样点的量化比特数用于演播室为l o b i t ，用于 传输为8 b i t 。 ( 3 ) ，y 、c b 、c r 三分量样点之闻比例为4 ：2 ：2 。 在1 9 8 3 年9 月召开的国际无线电咨询委员会( c c i r ) 中期会议上，又作了三 点补充： ( 1 ) 明确规定编码信号是经过y 预校正的y 、c b 、c r 信号： ( 2 ) 相应于量化级0 和2 8 5 的码字专用于同步，l 到2 5 4 的量化级用于视频 信号： ( 3 ) 进一步明确了模拟与数字行的对应关系，并规定从数字有效行末尾至基准 时间样点的间隔，对5 2 5 行、6 0 场秒制式来说为l6 个样点，对6 2 5 行、5 0 场秒制式则为1 2 个样点。不论6 2 5 行5 0 场或5 2 5 行6 0 场，其数字有效行 的亮度样点数都是7 2 0 ，色差信号的样点数均是3 6 0 ，这是为了便于制式转换。 若亮度样点数被2 除，就得到色差信号的数据。 根据采样频率，可算出对于p a l 和s e c a m 制式，每一扫描行采样8 6 4 个样本 点；对于n t s c 制则是8 5 8 个样本点。由于电视信号中每一行都包括一定的同步信 号和回扫信号，故有效的图像信号样本点并没有那么多，c c i r6 0 1 规定对所有的 制式，其每一行的有效样本点数为7 2 0 点。不同的制式其每帧的有效行数不同( p a l 和s e c a m 制为5 7 6 行，n t s c 制为4 8 4 行) ，实际数字视频通常采用下表的参数： 表2 2 常用数字视频参数 l电视制式分辨率帧率 n t s c6 4 0 4 8 03 0 p a l 、s e c a m7 6 8 5 7 62 5 第二章数字视频及其压缩编码技术 根据采样速率和量化位数，可以计算出c c i r 6 0 1 数字视频的数据速率为： 1 3 5 ( m h z ) 8 ( b i t ) + 2 x 6 7 5 ( m h z ) 8 ( b i t ) = 2 7 m b y t e s 这种未压缩的数字视频数据量无论是存储或传输都是不现实的，因此，在多 媒体中应用数字视频的关键问题是数字视频的压缩技术。 井下电视数字视频编码采用了c c i r 6 0 1 建议。 2 2 2 视频压缩的国际标准 视频压缩编码标准的制定工作主要是由国际标准化组织( i s o ) 和国际电信联 盟( ) t u ) 完成的。到目前为止，由上述两个国际组织制定的有关视频编码的国际 标准有h 2 6 1 ，m p e g 一1 ，m p e g 一2 ，h 2 6 3 ，m p e g 一4 ，m p e g 一7 ，h 2 6 l 等。其中，h t2 6 1 ， m p e g i 署g m p e g 一2 采用了第一代压缩编码方法，如预测编码、变换编码、熵编码以 及运动补偿。从m p e g 一4 标准以后，采用的是第二代视频编码方法，如分段编码、根 据模型的编码和基于对象的编码等。 1 视频会议压缩标准h 2 6 1 ”1 h 2 6 1 是由i t u 第1 5 研究组于1 9 9 0 年制定的视频会议压缩编码标准。它首 次尝试综合数字压缩技术和网络技术实现数字图像实时传输，即可以在码率为p 6 4 k b p s ( p 取1 3 0 ) 的i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) 综合 业务数字网上实时地传输声音和图像信息。h 2 6 1 对c i f ( c o m m o ni n t e r m e d i a f o r m a t ) 和q c i f ( q u a r t e rc i f ) 两种图像格式进行处理。大多数系统适应3 5 2 2 8 8 像素和1 7 6 1 4 4 像索两种分辨率。一个把c i f 数据编码到单独一个i s d n 信 道的系统，可以把视频信号压缩大约6 0 ：l ，所以己编码的音频视频信号通过以 6 4 k b p s 的倍数传送。通常由于视频和音频信号必须共用信道，所以要在音频和视 频质量之间作出一些取舍，尤其是在低的位速率之下。因此通常在单独一个i s d n 信 道中，音频要求1 6 k b p s ，而视频占用4 8 k b p s 。 h 2 6 1 标准中，编、解码器的复杂程度相当，其核心技术是混合编码算法，即 采用运动补偿的帧间预测、d c t ( 离散余弦变换) 、o u a n ( 标量量化) 和v l c ( 可变 长编码) 的混合编码方法。编码对每帧图像进行四个层次处理，最小处理单元为8 8 像素块( b l o c k ) ，然后按4 ：1 ：1 的比例对亮度和色度块进行抽样，组成一个 宏块( m a c r ob l o c k ) ，一定数量的宏块构成块组( g r o u po fb l o c k ) ，若干组构成一 帧图像。每一个层次都有说明该层次信息的头( h e a d e r ) ，编码后的数据和头信息 逐层复用就构成了h 2 6 1 的视频序列码流。简单的编、解码示意图如图i 所示。 在图1 所示的编码过程中，原始数据进入编码器，当采用帧内方式时，直接进行 d c t 变换，量化后形成码流，其中一路码流又经反量化器、i d c t 变换后形成恢复 图像，直接存入帧存储器：当采用帧间方式时，原始数据先与经运动估计后的预 井下电视成像测井图像压缩技术研究 测图像相减，产生差分图像，接着进行d c t 变换和量化，形成码流。与帧内方式 相对应，一路码流也经反量化、i d c t 变换后与预测图像相加形成恢复图像，送入 帧存储器，用于下一步的运动估计。解码过程是编码过程的逆过程。对帧内方式， 码流经反量化、i d c t 变换直接输出；对帧间方式，需对恢复数据进行运动补偿， 然后与重建图像相加后输出。 2 数字声像存储压缩编码标准m p e g l “0 1 m p e g l 是由i s o 和i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，国 际电工委员会) 的共同委员会中的m p e g 组织于1 9 9 1 年制定的。它最初用于数字信息 存储体上活动图像及其伴音的编码，其速率为1 5 m b p s ( 允许的最高码率为1 8 6 m b p s ) ，图像采用c i f 格式( 3 5 2 2 8 8 或3 5 2 2 4 0 ) ，每秒3 0 帧，两路立体声 伴音的质量接近c d 音质。目前，m p e g 2 1 压缩技术的应用已经成熟，广泛地应用于 v c d 制作、图像监控等领域。 与视频会议的标准不同，m p e g 倾向于控制质量而不是控制位速率。它规定了 某些参数来获得一定的质量水平，而不是调整系统在特定的位速率( 如i s d n 信道 的带宽) 下工作，因此m p e g 2 1 和h 2 6 1 所用的编码方法有显著的不同。其中最主要 的差别是h 2 6 1 有两种帧：i n t r a 帧( 帧内) 和i n t e r 帧( 帧间) ，而m p e g 一1 视频把图像 编码分成i 帧、p 帧、b 帧和d 帧共4 种类型。i 帧为帧内编码帧( i n t r a c o d e df r a m e ) ， 编码时采用类似j p e g 的帧内d c t 编码，i 帧的压缩率是几种编码类型中最低的。p 帧 为预测编码帧( p r e d i c t i v ec o d e df r a m e ) ，采用前向运动补偿预测和误差的d c t 编 码，由其前面的i 或p 帧进行预测。b 帧为双向预测编码帧( b 卜d i r e c t i o n a l l y p r e d i c t i v ec o d e df r a m e ) ，采用双向运动补偿预测和误差的d c t 编码，由前面和 后面的i 或p 帧进行预测，所以b 帧的压缩效率最高。d 帧为直流编码帧( d cc o d e d f r a m e ) ，只包含每个块的直流分量。m p e g 一1 采用运动补偿消除图像序列时间轴上 的冗余度，可使对p 帧和b 帧图像的压缩倍数l h i 帧提高很多。 3 广播系统压缩编码标准m p e g 一2 ( h 2 6 2 ) “ m p e g 一2 是由i s o 的活动图像专家组和i t u 的第1 5 研究组于1 9 9 5 年共同制定的， 在i t u 的标准中被称为h 2 6 2 。m p e g 一2 主要是针对数字视频广播、高清晰度电视和 数字视盘等制定的4 9 m b i t s 运动图像及其伴音的编码标准，m p e g 一2 是数字电视 机顶盒与d v d 等产品的基础。m p e g - 2 系统要求必须与m p e g l 系统向下兼容，因此其 语法的最大特点在于兼容性好并可扩展。m p e g 一2 的目标与m p e g 一1 相同，仍然是提 高压缩比，改善音频、视频质量，采用的核心技术还是分块d c t 和帧问运动补偿预 测技术。m p e g 一2 视频允许数据速率高达l o o m b i t s ，支持隔行扫描视频格式和许多 高级性能。考虑到视频信号隔行扫描的特点，m p e g 一2 专门设置了“按帧编码”和 “按场编码”两种模式，并相应地对运动补偿和d c t 方法进行了扩展，从而显著提 高了压缩编码的效率。考虑到标准的通用性，增大了重要的参数值，允许有更大 第二章数字视频及其压缩编码技术 的画面格式、比特率和运动矢量长度。除此之外，m p e g 2 视频压缩编码还进行了 以下扩展：( 1 ) 输入输出图像彩色分量之比可以是4 ：2 ：0 。4 ：2 ：2 ，4 ：4 ：4 ： ( 2 ) 输入输出图像格式不限定；( 3 ) 可以直接对隔行扫描视频信号进行处理。 ( 4 ) 在空间分辨率、时间分辨率、信噪比方面的可分级性适合于不同用途的解码 图像要求，并可给出传输上不同等级的优先级：( 5 ) 码流结构韵可分级性，比如 头部信息、运动矢量等部分可以给予较高的优先级，而对于d c t 系数的高频分量 部分则给予较低的优先级；( 6 ) 输出码率可以是恒定的也可以是变化的，以适应 同步和异步传输。m p e g 一2 视频是一系列的系统，每一个系统具有安排好的共性和 兼容程度。它允许对四种源格式或者级别进行编码，从简单清晰度( c i f 格式) 到完 全的高清晰度电视h d t v ( h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 。除了源格式的这种灵活 性外。m p e g 一2 还规定了分辨率从低到高的4 级5 类共11 种单独的技术规范，同一种 类不同级别间的图像分辨率和编码速率相差甚远。 4 低码率视听会议压缩编码标准h 2 6 3 “” h 2 6 3 是i t u 于1 9 9 5 年制定的一种码率低于6 4 k b p s 的甚低码率视频压缩编码标 准。h 2 6 3 标准不仅着眼于利用p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，公共 开关电话网络) 传输，而且兼顾g s t n 移动通信等无线业务。它支持五种图像格式： s q c i f ( 1 2 8 x 9 6 像素) 、q c i f ( 1 7 6 x1 4 4 像素) 、c i f ( 3 5 2 2 8 8 像素) 、4 c i f 、1 6 c i f ， 亮度和色度抽样比为4 ：1 ：1 ，编码按1 6 x 1 6 大小的宏块进行。与h 2 6 1 一样，在编 码中，它也采用帧问预测减小时间冗余度，利用d c t 变换减小空伺冗余度：在传输 中，采用可变长度编码技术；在解码恢复中，应用运动补偿。为进一步改善图像 质量，提高压缩比，h 2 6 3 与h 2 6 1 相比增加了以下一些功能： ( 1 ) 半个像素精度的运动估值 h 2 6 3 采用半个精度预测，取代了全像素预测和环路滤波器，用于传输的是实 际运动矢量与预测运动矢量之差。改进的运动估值算法充分利用以运动矢量的相 关性来提高预测质量，减轻块效应。 ( 2 ) 不受限的运动矢量 在不受限运动矢量模式下，将运动矢量的范围由原来的 2 1 6 ，1 5 5 扩大到 2 3 1 5 ，3 1 5 ，从而能够反映较快的图像运动，这对摄像机的运动和大图像格式 十分有用。但是，扩大范围势必增大码长，考虑到运动的连续性，预测的运动矢 量与实际运动矢量的差值范围应该不大，实际传输中只传输差值，这样就避免了扩 大码本。另外，运动矢量范围扩大后，可能会出现运动超出图像边界的情况，这 时可以用与之最接近且其矢量指向图像内部的像素的矢量值代替该运动矢量，从 而降低预测误差。 ( 3 ) 先进预测模式 在这种可选模式下，对于图像的亮度信息采用重叠块运动补偿( o b m c ) 。图像 井下电视成像测井图像压缩技术研究 中的一些宏块的运动矢量用四个8 8 5 j 向量表示，取代了原来的一个1 6 1 6 5 j 向 量表示。由编码器决定采用哪一种向量表示方法。四个向量使用了较多的数据位， 但可以得到更好的预测效果，而且可以在主观上减少块效应。 ( 4 ) p b 帧模式 一个p b 帧将两帧图像编码到一个单元中。p b 帧的名称来自h 2 6 2 ( m p e g 一2 ) 中 的p 帧、b 帧的定义。一个p b 帧包括个由前一个已解码的p 帧预测得到的p 帧，和一 个由前一个已解码的p 帧以及当前正在解码的p 帧共同预测得到的b 帧。使用p b 帧模 式可以在不大量增加数据量的前提下增加图像的帧率。另外，新提供了改进的p b 帧模式。在改进的p b 帧模式中，每个b 块可以由一个独立的运动矢量进行前向预测， 或者由一个零向量进行后向预测。这一模式在按比例缩小的p 向量不适合作为b 预 测向量时，可以极大地提高编码效率。后向预测在前一个p 帧和p b 帧之间有场景截 断时十分有用。 ( 5 ) 基于语法的算术编码 采用基于语法的算术编码在不损失信噪比和图像重建的前提下，可以大量减 少数据量。算术编码是一种非分组编码，其编码过程是依据符号流的发生概率对 编码区间进行分割，输出码字为最后码区间内的数字。对发生概率大的符号流输 出码字精度低( 即比特数少) ，对发生概率小的符号流输出码字精度高( 即比特数 多) 。解码时根据接收到的码字，分析其在码区间的位置，步步逆推，从而恢复出 符号流。算术编码采用序列编码，每个符号可用分数比特表示，而且对编码概率 模型不大敏感，容易实现模型自适应调整，这就优越于h u f f m a n 编码必须使用整数 比特表示，从而大大降低存放码本，使压缩比有很大提高。h 2 6 3 选用算术编码时， 只对宏块层和块层的数据作算术编码，而对图像层、块组层大部分信息依然采用 原有的编码方式编码，这样保证了头部信息的准确辨认和快速译码。另外，h 2 6 3 对码流信息中的不同部分分别建立了基本符合概率分布的编码模型，使之能更有 效地编码。 5 基于对象的低码率视频压缩编码标准m p e g 一4 “”“”“” m p e g 一4 是m p e g 组织制定的一种i s o i e c 标准。m p e g 组织于1 9 9 9 年1 月正式公布 了m p e g 一4v 1 0 版本，1 9 9 9 年1 2 月又公布了m p e g 一4v 2 o 版本。m p e g 组织的初衷是 制定一个针对视频会议、视频电话的超低比特率( 6 4 k b s 以下) 编码的需求，并打 算采用第二代压缩编码算法，以支持甚低码率( v e r yl o wb i tr a t e ) 的应用。但在 制定过程中，m p e g 组织深深感到人们对多媒体信息特别是对视频信息的需求由播 放型转向了基于内容的访问、检索和操作，所以修改了计划，制定了现在的m p e g 一4 。 m p e g 一4 新的目标被定义为：支持多种多媒体应用，特别是多媒体信息基于内容的检 索和访问，可根据应用的不同要求，现场配置解码器。编码系统也是开放的，可以 随时加入新的有效的算法模块。与前面提到的m p e g 一1 ，m p e g 一2 标准不同，m p e g 一4 第二章数字视频及其压缩编码技术 为多媒体数据压缩提供了一个更为广阔的平台。它更多定义的是一种格式、一种 架构，而不是具体的算法。它可以将各种各样的多媒体技术充分利用进来，包括压 缩本身的一些工具、算法，也包括图像合成、语音合成等技术。m p e ( ；一4 标准的一个 显著特点是：m p e g 一4 标准既可用于4 m b p s 的高码率的视频压缩编码，又可用于5 6 4 k b p s 的低码率的视频压缩编码；既可用于传统的矩形帧图像，又可用于任意形 状的视频对象压缩编码。另外，m p e g 一4 采用基于内容的编码，突破了过去m p e g 一1 和m p e g 一2 以矩形或方形块处理图像的方法，即把一段视频序列看成是由不同的视 频对象v o ( v i d e oo b j e c t ) 组成的，v 0 可以是任意形状的视频内容，也可以是传统 的矩形视频帧。每个v 0 在某个特定时刻的实例成为视频对象面v o p ( v i d e oo b j e c t p l a n e ) ，编码器根据实际情况对各个v o p 或只对一些感兴趣的v o p 编码。也就是说， m p e g 一4 用v o p 代替了传统的矩形帧作为编码对象，用形状一运动一纹理信息代替 h 2 6 3 等传统视频编码采用的运动2 纹理信息来表示视频。与h 2 6 3 相对应，m p e g4 支持三种图像帧模式：i v o p ( 帧内) 、p - v o p ( 帧间预测) 和b v o p ( 帧间双向预测) ， 其中b v o p 可单独编码。m p e g - 4 编码仍按宏块进行，采用形状编码、预测编码、基 于d c t 的纹理编码的混合编码方法。形状编码有二进制和灰度级形状编码两种。其 形状信息用n 平面表示。二进制n 平面用来确定图像中的某一点是否属于当前对 象；灰度级a 平面可用来描述对象的透明度，以进行和其它对象的混合。对二进 制形状编码采用基于块的运动补偿和基于内容的算术编码( c a e ) 技术。灰度级形 状编码包括两部分：二进制形状编码和对灰度值进行1 6 i 6 宏块的纹理编码。预 测编码与h 2 6 3 类似，通过运动估计和运动补偿来实现，但为了适应任意形状的 v o p ，m p e g 一4 引入了图像填充技术和多边形匹配技术。图像填充技术主要利用v o p 内的像素值来外推v o p 步f 的像素值，以此获得运动预测的参考值；多边形匹配技术 则是将v o p 的边缘宏块的活动部分包含在多边形之内，以此增强运动估值的有效 性。m p e g 一4 现已被用于i n t e r n e t 上传递实时图像，同时也有一些厂家准备用它给 手机发送实时图像。这些应用都将采用m p e g 一4 来搭建数字传输平台。 6 i p e g 7 标准珀” m p e g 家族的新成员叫作”多媒体内容描述接口”( 简称m p e g 一7 ，它的由来是 1 + 2 + 4 = 7 ，因为没有m p e g 一3 、m p e g 一5 、 p e 6 - 6 ) ，它将扩展现有内容识别专用解决 方案的有限的能力，特别是它还包括了更多的数据类型。换言之，m p e g 一7 将规定 一个用于描述各种不同类型多媒体信息的描述符的标准集合。m p e g 一7 还将对定义 其它描述符及其结构( 描述方案) ，和他们之间的关系的方法进行标准化。这种描 述( 也就是描述符和描述方案的组合) 将与内容本身关联起来，以便对用户感兴趣 的素材进行快速高效的搜索。m p e g 一7 将标准化一种用来定义描述方案的语言，即 描述定义语言( d d l ) 。带有与之相关的m p e g 一7 数据的a v 素材，就可以被加上索 引，并可进行检索。这些素材可能包括，静止图像、图形、3 d 模型、音频、语言、 井下电视成像测井图像压缩技术研究 视频、以及关于这些成份如何组成一个多媒体表述( 即所谓”环境”，组合信息) 的 信息。在这些通用数据类型中的特殊情况可能己包括面部表情和个人特征。 m p e g ：7 象m p e