（电磁场与微波技术专业论文）mpeg2传输流分析与解码系统设计.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任e b 本人承担。 学位论文作者：勤砺乡 日期：x 扣年r 月谚日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：韩厢二 日期：) 6 年、7 月柏日 摘要 摘要 随着多媒体的迅猛发展，需要对大量的数据信息进行传输和存储。由于信 道的带宽是固定的，为了满足多媒体技术的发展要求，就必须对视频图像进行 压缩。这样促使视频图像压缩成为了热门的研究课题。 本文首先从视频传输和存储两个方面分析了数字视频压缩的必要性以及从 视频存在的各种冗余讨论了数字视频压缩的可能性。其次，论文分析了数字视 频压缩编码的方法，包括无损压缩和有损压缩。主要讨论了游程编码、霍夫曼 编码、运动补偿编码和二维离散余弦变换编码等算法的编码原理与编码过程。 在对视频压缩编码算法深入分析后，论文对m p e g 2 视频压缩标准进行了讨论， 特别是m p e g - 2 中的类和级、视频结构、码率控制以及m p e g - 2 标准的编解码 器原理。接着，论文对m p e g 2 传输流进行了详细的分析，包括m p e g - 2 传输 流的码流结构、传输流中的节目特定信息、传输流的逻辑结构和传输流的复用 以及给出了传输流的检测分析流程图。最后，论文给出了一个解码系统的设计， 系统采用s a a 7 2 1 4 对传输流进行解复用，采用s a a 7 2 1 5 对解复用后的基本码 流进行解码，而且能对数字视频信号进行数模转换并输出模拟视频信号。其中 采用d s p 对s a a 7 2 1 4 和s a a 7 2 1 5 进行配置，c p l d 主要为各个模块提供逻辑 时序。 关键词：视频压缩m p e g 2 传输流解码系统 w i t ht h er a i dd e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i a , t h el a r g en u m b e ro fd a t ai n f o r m a t i o n i sn e e d e dt ot r a n s f e ra n ds t o r a g e a st h ec h a n n e lb a n d w i d t hi s f i x a t i o n ，i ti s n e c e s s a r yt oc o m p r e s sv i d e oi m a g e si no r d e rt om e e tt h ed e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n t s o fm u l t i m e d i at e c h n o l o g y t h e r e f o r e , v i d e oc o m p r e s s i o nh a sb e c o m eah o tr e s e a r c h t o p i c f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h en e c e s s i t yo fd i g i t a lv i d e oc o m p r e s s i o nf r o mt h e t w oa s p e c t so fv i d e ot r a n s m i s s i o na n ds t o r a g ea n dd i s c u s st h ep o s s i b i l i t e so fd i g i t a l v i d e oc o m p r e s s i o nf r o mt h ea l lk i n d so fr e d u n d a n c yi nt h ev i d e o s e c o n d l y , t h e p a p e ra n a l y z e st h ed i g i t a lv i d e oc o m p r e s s i o nc o d i n gm e t h o d s ，i n c l u d i n gl o s s l e s sc o - m p r e s s i o na n dl o s s yc o m p r e s s i o n t h ep a p e rd i s c u s st h ec o d i n gp r i n c i p l e sa n d c o d i n gp r o c e s so ft h er u n - l e n g t hc o d i n g , h u f f m a nc o d i n g , m o t i o nc o m p e n s a t i o n c o d i n ga n dt w o - d i m e n s i o n a la n dt w o d i m e n s i o n a ld i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r mc o d i n g a f t e rt h ei n - d e p t ha n a l y s i so fv i d e oc o m p r e s s i o na l g o r i t h m ，t h ep a p e rd i s c u s st h e m p e g 一2v i d e oc o m p r e s s i o ns t a n d a r d ，i np a r t i c u l a rm p e g - 2i nt h ec l a s st h eg r a d e ， m p e g 一2v i d e os t a n d a r ds p e c i f i e st h es t r u c t u r e ，m p e g 一2e n c o d i n gb i tr a t ec o n t r o l ， a n dt h e o r yo f t h em p e g 一2s t a n d a r dc o d e c t h e n ，t h ep a p e rc a r r i e so u tad e t a i l e da n a l y s i s0 nm p e g 一2t r a n s p o r ts t r e a m ，i n c l u d i n gt h es t r e a ms t m c t u r em p e g - 2t r a n s p o r ts t r e a m ，t h el o g i c a ls t r u c t u r eo ft r a n s p o r ts t r e a ma n dt r a n s p o r ts t r e a mm u l t i p l e x i n g a n dt r a n s m i s s i o na l eg i v e nd e t e c t i o na n da n a l y s i so fs t r e a mf l o wc h a r t f i n a l l y , t h e p a p e rg i v e sad e c o d i n gs y s t e md e s i g n ，s y s t e mu s e st h es a a 7 2 14a st h et r a n s m i s s i o n s t r e a md e m u l t i p l e x e r , a f t e rt h ed e m u l t i p l e x i n gu s i n gs a a 7 215a st h ed e c o d e rt h a t d e c o d e st h eb a s i cs t r e a t ，b u ta l s oi tc o m p l e t e st h ed a co nt h ed i g i t a lv i d e os i g n a l a n do u t p u ta n a l o gv i d e os i g n a l o n eo f t h es a a 7 2 1 4a n ds a a 7 2 1 5u s i n gd s pc o n f - i g u r a t i o n ，u s i n gc p l dl o g i cf o re a c hm o d u l et op r o v i d et i m i n g t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es y s t e ma n dp r o g r a mf l o wc h a r t ，a sw e l la sd s p , s a a 7 214a n ds a a 7 215 p r o c e d u r e s k e y w o r d ：v i d e oc o m p r e s s i o n ，m p e g 一2 ，t r a n s p o r ts t r e a m ，d e c o d i n gs y s t e m 摘要i a b s t r a c t ：i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 数字视频国际压缩标准的发展与现状2 1 3 本论文的研究内容及作者完成的工作4 第2 章数字视频图像压缩与编码技术6 2 1数字图像压缩的必要性及可能性6 2 1 1 数字图像压缩的必要性6 2 1 2 数字图像压缩的可能性7 2 2 图像压缩编码的方法8 2 2 1 霍夫曼编码9 2 2 2 游程编码9 2 2 3 预测编码9 2 2 4 二维离散余弦变换编码1l 2 3本章小结1 4 第3 章m p e g 2 压缩标准及其编解码器原理15 3 1m p e g 2 压缩标准简介1 5 3 1 1 m p e g - 2 标准中的类和级1 5 3 1 2m p e g - 2 标准的视频结构1 6 3 2m p e g 2 编码过程l7 3 2 1m p e g - 2 编码中的码率控制。l7 3 2 2m p e g 2 编码器17 3 3 m p e g 2 的解码过程一1 9 3 4 本章小结1 9 l i i 4 3 1 传输流的逻辑结构2 4 4 3 2 传输流的检测2 5 4 4 传输流检测分析程序设计一2 7 4 5 本章小结2 9 第5 章m p e g 一2 解码系统设计3 0 5 1m p e g - 2 接收解码系统概述3 0 5 2m p e g 2 解码系统总体方案3l 5 3 解码系统中各模块电路一3 2 5 3 1解码系统中的专用芯片s a a 7 2 1 4 和s a a 7 2 1 5 3 2 5 3 2d s p 和可编程逻辑器件c p u ) - 3 5 5 3 3 调谐器和信道解调器3 7 5 3 4 音频d a 转换器3 9 5 3 5f l a s h 和s d r a m 存储器4 0 5 3 6 电源模块的电路4 2 5 3 71 2 c 总线原理与实现4 2 5 4 程序设计与调试4 5 5 4 1 m p e g - 2 解码系统的软件设计流程4 5 5 4 2s a a 7 2 1 4 和鲫蚺7 2 1 5 初始化程序4 6 5 4 3d s p 初始化程序及调试分析4 7 5 4 4 c p l d 程序调试4 8 5 5 本章小结4 9 第6 章总结5 0 参考文献51 附录在攻读硕士学位期间的研究成果5 4 l v 目录 致谢5 5 v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 自1 9 4 8 年提出视频数字化概念到现在，数字视频的发展已经6 0 多年，起 初相当长的时间模拟视频占主导地位，但是在最近二十年，数字视频达到了发 展，我们的生活正在一步步数字化，数字视频化已经是一种趋势、一种潮流、 一种必然。在1 9 9 1 年，身为当时美国议员的阿尔戈尔第一次提出“信息高速 公路，信息高速公路的提出大大的促进了视频数字化的脚步。“信息高速公路 也就是现在所说的互联网，互联网要求大量的数据、图片、视频的相互传递。 随着互联网的发展，多媒体也得到了发展。由于互联网的发展，它既要求快速 的传输，而且也要实时的处理，这样多媒体和互联网同时也带来了一个新的问 题，也就是对数字信息数据的传输和存储提出了更高的要求。由于信道的容量 是有限，这样给快速的传递数字信息带来了一定难度，特别是数字视频图像具 有非常大的数据量，更难以存储和传送，这样就给图像通信领域带一定的阻碍。 在此种情况下，对数字视频压缩技术提出更大的挑战，然而数字视频压缩 的可能性是存在的，一方面，视频图像本省就存在冗余，在这种情况下我们对 视频图像进行压缩，视频图像可以无失真的恢复；另一发面，由于人的视觉特 性，我们可以进行一定程度的失真压缩，同时视频图像恢复以后，人眼无法判 别。 由于数字视频压缩技术的发展，数字电视真正走进人们的生活，由于模拟 电视存在的缺陷，数字电视一定会取代模拟电视。模拟电视的缺陷主要是，随 着计算机逐渐变成人们生活中的一部分，而模拟电视却难以与之连接。而数字 电视较之模拟电视有太多的优点 数字信号不但电平稳定、质量高，而且传输也比模拟电视远 数字设备比模拟设备不但体积小，而且能耗低 数字电视频谱有较高的利用率m 数字电视中增加了增值业务，可以提供各种服务功能 数字电视界面更灵活，更加易于用户操作 总之数字电视比模拟电视不仅能提供人们要求的清晰画面、更高质量的声 第1 章绪论 音，同时也能节省信道带宽，加快信号传输。 而数字电视系统实际上主要包括编码器、信道、解码器。编码器主要是电 视系统发射端的设备，而解码器是电视系统接收端的设备。编码器、解码器是 数字电视系统中的主要设备，编码器主要是对数字信号进行压缩，便于数字信 号传输和储存。而解码器主要是对压缩的数字信号进行解压缩，恢复发送端的 电视图像信号。 1 2 数字视频国际压缩标准的发展与现状 自1 9 4 8 年，o l i v e r 提出脉冲编码调制，到1 9 6 9 年第一次“图像编码会议” 的召开。图像压缩编码已经从学校走向社会，但是图像压缩编码开始产业化是 在各种图像压缩编码标准的提出后。 从1 9 8 4 年，h 2 6 1 作为第一标准被提出，到现在已经提出了很多国际图像 压缩标准，按照编码的图像是静止还是运动，我们可以将压缩标准分为静止图 像压缩编码标准和运动图像压缩编码标准。静止图像压缩编码标准主要是j p e g 标准嘀1 ，包括j p e g 和j p e g 2 0 0 0 ，它是由i s 0 和c c i t t 成立的“联合图片专家 组”制定的。主要任务是对静止的图像提供一种国际统一的压缩编码标准。j p e g 标准的制定时间、应用场合等已在表1 1 中给出。 表1 1j p e g 标准 运动图像压缩编码标准发展到现在已经有很多种，大体分为m p e g 标准和 h 2 6 4 标准。m p e g 标准主要包括m p e g 一1 、m p e g 一2 、m p e g 一4 、m p e g 一7 、 m p e g 一2 1 。m p e g 标准都是由i s o 和i e c 组成的活动图像专家组制定。m p e g - 1 标准主要是为码率是1 5 m b s 的视频图像储存制定的。m p e g - - 2 是在m p e g - 1 2 第1 章绪论 的基础上提出来的，它提高了视频传输率网，以便能满足多媒体技术和数字电 视发展的需要，本文采用的视频压缩编码正是m p e g - 2 ，我们在后面部分会详 细对m p e g - 2 标准编码时所用到的关键技术与m p e g - 2 规定的系统层和压缩层 的结构作介绍。m p e g - 4 汹1 具有更高的压缩率，主要提出了针对对象的压缩编 码。随后又制定了m p e g - 7 和m p e g - 2 1 标准，关于m p e g 标准的制定时间、 目标比特率、采用的编码技术、应用场合已在表1 2 中详细给出。 表1 2m p e g - 2 标准 标准标题制定的 目标 应用场合 起止日期比特率 采用的主要 编码技术 m p e g l 面向数字存储 1 9 8 8 5 一 的运动图像 1 9 9 2 1 l 及其伴音的编码 m p e g - 2 运动图像及其伴1 9 9 0 7 一 音信息的通用编1 9 9 4 1 1 码 ( 之后又 有补充) i p e g - 4 视频对象的 通用编码 比特率光盘存储、v c d 、消 不超过费视频、视频监控 1 5 m b s 比特率数字电视、数字高清 2 - 1 0晰度电视、高品质视 岫s 频、卫星电视、有线 电视、地面广播、视 频编辑、视频存储 比特率因特网、交互式视频、 8 k p s - 视频编辑、内容操作、 3 5 m b s 消费视频、专业视频、 2 d 3 d 计算机图形、 移动通信 咿e g 一7 运用多媒体 1 9 9 6 - 多媒体数据库等 描述接口 2 0 0 1 7 m p e g 一2 1 多媒体框架 1 9 9 9 1 0 - - j p e g 所有技术、自适应量化、 运动补偿预测、双向运动补 偿、半像素运动估计 i i p e g - 1 所有技术、基于帧 场的运动补偿、空间可 扩展编码、时间可扩展编 码、质量可扩展编码、容 错编码 m p e g - 2 所有技术、小波变换、 高级运动估计、重叠运动补 偿、视相关可扩展编码、位图 形状编码、对象编码、脸部动 画、动态网格编码 h 2 6 x 标准n 主要包括h 2 6 1 、h 2 6 3 、h 2 6 4 。由于我们本文主要用的 是m p e g 标准，h 2 6 x 标准我们就不做更多介绍，具体请参照表1 3 。 3 0 卜m缸j帆以阪 9 9 9 x啪啪删限僦 第1 章绪论 表1 3h 2 6 x 标准 标准标题 制定的目标应用场合 起止日期比特率 采用的主要 编码技术 p x 6 4 k b s 的 1 9 8 4 - 比特率i s d n 视频会议 i l2 6 1 音视频服务1 9 9 0 1 2 p x 6 4 k b s 的编码 眦墨熊翥1 骂1 频编码 h 2 6 4 襄器蓑募2 0 0 3 一 编码 比特率p c r r s 视频电话、 8 k b s -桌面视频电话、 1 5 m b s移动视频电话 比特率因特网、交互式视频、 8 k b s 一视频编辑、内容操作、 1 2 8 肋s 消费视频、专业视频、 2 d 3 d 计算机图形、 移动通信 d c t 、自适应量化、z i g z a g 扫描、 运动补偿预测、运动估计、霍夫 曼编码、容错编码 也2 6 1 所有技术、双向运动补偿、 半像素运动估计、高级运动估 计、重叠运动补偿、算术编码 h 2 6 3 所有技术、高精度的亚像素 运动补偿、小波变换、高级运动 估计、重叠运动补偿、视相关可 扩展编码、位图形状编码、对象 编码，脸部动画、动态网格编码 1 3 本论文的研究内容及作者完成的工作 本文主要是对m p e c r - 2 传输流进行分析并设计一个以专用解码芯片为主的 解码系统，当中我们还采用d s p 来进行对专用芯片进行配置，用c p l d 来对各 个芯片之间的通信提供逻辑时序。该系统主要是用来接收卫星数字电视信号， 在输出端输出模拟视频和音频信号，实现数字图像信号在模拟电视机的播放。 本文研究工作如下 第一章绪论本章主要介绍了课题的研究背景和意义，同时，也介绍 数字视频压缩标准和发展现状。 第二章数字视频图像压缩与编码技术本章我们讨论了关于压缩图像 存在的可能性和必要性，并介绍了用来压缩图像的各种算法， 就无损压缩中的霍夫曼编码和有损压缩中的预测编码和二维 离散余弦变换编码的压缩编码原理和过程做详细的讨论。 第三章m p e ( 卜2 压缩标准及压缩标准中的关键技术本章主要对本文 用到的视频压缩标准m p e g 一2 做了详细的分析，包括对 m p e g 一2 的系统层和压缩层中的视频结构等。 第四章m p e g 2 传输流分析本章主要对m p e g 2 传输流进行讨论， 主要分析了传输流的结构，传输流中的节目特殊信息，以及传 输流的逻辑结构，最后给出传输流检测分析流程图。 4 第1 章绪论 第五章m p e g - 2 解码系统设计本章提出解码系统的方案，并对方案 中的各个模块( 调谐解调模块、d s p 、解码芯片、音频d a 转 换模块) 做了详细研究，并给出系统的软件实现过程，给出了 部分调试结果。 第六章总结对本文内容做了小结，总结了本文的研究工作，并提出 了研究中存在的不足和需要改进的工作。 5 第2 章数字视频图像压缩与编码技术 第2 章数字视频图像压缩与编码技术 数字视频压缩主要是对信源信号进行压缩编码。之所以能压缩是图像之间 存在相关和冗余，进行压缩后可达到在传输时码率的变低、时间的缩短、效率 提升，同时在接收端对存储空间的要求也降低。 本章先讨论图像压缩存在的必要及可能性，同时从有损与无损压缩两方面 讲述几种数字图像压缩编码方法。 2 1 数字图像压缩的必要性及可能性 2 1 1 数字图像压缩的必要性 近年来，由于数字信号比模拟信号存在各种各样的优点，数字信号大有取代 模拟信号的趋势，然而数字信号的大数据量，使之传输和存储很困难。 首先从存储方面讲，以p a l 制式3 4 1 为例，由于在复合编码时，抽样频率z 为 4 l 1 7 7 m h z ，由于在图像量化中采用8 b i t ，那么一幅图片中的数据量多达 m ：趔：f 坚堕1 胁淞5 7 + m b 打 2 5 2 5 如果采用4 ：2 ：2 分量编码方式，那么一幅图片的数据量就达到约8 6 m b i t 。 对一般的存储器只能存储数秒的图像信号。然而又不能对量化比特进行降低， 否则则会带来量化噪声，丢失数据信息。因此必须对其进行压缩。 其次从传输方面讲，我们仍然以p a l 制式为例，在复合编码时，数码率n 1 r 为 r = z x n = ( 1 7 7 x 8 ) m b i t s = 1 4 1 6 m b i t s 同样如果用4 ：2 ：2 进行分量编码，那么亮度信号的数码率为 曷= z y n = ( 1 3 5 x 8 ) m b i t s = 1 0 8 m b i t s 色差信号的数码率为 = z ( h ) + 厶纠) x n = ( 6 7 5 x 8 + 6 7 5 x 8 ) m b i t s = 1 0 8 m b i t s 图像信号的总数码率即为色度和亮度信号的数码率之和 6 第2 章数字视频图像压缩与编码技术 + 目= ( 1 0 8 + 1 0 8 ) m b i t s = 2 1 6 m b i t s 按每2 b i t 构成一个脉冲周期的话，那么进行4 ：2 ：2 分量编码的数字电视 信号则占有1 0 8 m h z 带宽。进行4 ：4 ：4 分量编码的数字信号则占有1 6 2 m h z 。 对于p c m 3 0 路标准，其信道容量约为1 3 9 m b i t s 。然而对一路p a l 制式的数字 电视信号，其数码率约达到1 4 1 6 m b i t s ，已经超出了信道容量。由此可见也必 须进行压缩。 2 1 2 数字图像压缩的可能性 上面我们已经讨论了数字图像压缩的必要性，那么数字图像压缩存在可能 性吗? 答案是肯定的，我们将从时间冗余，空间冗余，结构冗余，视觉冗余等 多方面讨论数字图像压缩的可能性。 1 、时间冗余 时间冗余主要指的是相邻两张图片存在时间上的相关性，对于两张相邻的 图片除了局部活动的内容外，其背景是不变的，换言之就存在相关性，这种相 关性就是时间冗余。比如说，新闻联播中，相邻两张图片中除了播音员的嘴唇 在动外，播音员和背景是不变的，存在时间冗余。 2 、空间冗余 空间冗余只要是对静止图片所说的，比如一幅图片中有一房子，那么房子 和天空就具有相同的亮度和彩色，那么各像素点就存在很强的相关性，这种相 关性就称之为空间冗余。 3 、结构冗余 由于许多图片的像素值存在明显的分布模式，例如，太阳是圆的，门是长 方形的，我们通常称这种为结构冗余。 4 、视觉冗余 视觉冗余是指人类的视觉对那些很难识别的数据，或者眼睛对不敏感的数 据，传输时就可以省去，我们称这种叫做视觉冗余。 7 第2 章数字视频图像压缩与编码技术 5 、知识冗余 知识冗余就是通过自己的经验知识来对图像的认识。对某些图像中所包含 的物体，可以构造其基本类型。进行图像存储时只存储一些特征参数，这样就 大大可以减少存储量了。 2 2 图像压缩编码的方法 前节我们已经讨论了图像压缩的必要和可能性，接下来我们将在此基础上 讨论图像压缩编码几种方法。 总体上说，图像压缩编码可以分为两大类：无损压缩和有损压缩编码， 如图2 1 所示。 损压 损压 预测编码 变换编码 子带编码 码 量化法二 模型法 f o u r ie r 变换 w a ls hh a d a m a d 变换 h e a r 变换 d c t 变换 k - l 变换 s l a n t 变换 均匀量化 压扩量化 图2 1 图像与视频压缩编码算法 无损压缩主要是在保证图像进行无失真解压缩的情况下去除图像中的冗余 信息来实现压缩编码。我们又可以将无损压缩分为两大类：根据统计概率压缩 和根据字典压缩。2 1 根据统计概率的无损压缩主要包括霍夫曼编码和算术编码，根据字典的无 损压缩主要包括游程编码和l z w 编码。本章我们主要讲一下霍夫曼编码和游 程编码。 有损压缩是存在一定的图像失真，但是这种失真不能被人眼所识别，在进 8 第2 章数字视频图像压缩与编码技术 行解压缩后人眼认为解压缩所得到的图像与信源图像基本相同。但实际上解压 缩后的图像与信源图像是有一定误差的。本章我们主要讲述预测编码和二维离 散余弦变换编码。 2 2 1 霍夫曼编码 霍夫曼编码主要根据信源数据所发生概率大小来进行编码。编码时分配的 码长和概率的大小有关，概率越大分配的码长越短，概率越小分配的码长越长， 从而达到数据压缩的目的。其编码具体方法是： ( 1 )把信源符号按照其概率进行从大到小的排列。 ( 2 ) 然后将最小的两个进行相加。 ( 3 )将得到的概率和与其余概率进行比较，然后再从大到小进行排列。 ( 4 )重复( 2 ) 和( 3 ) ，直到只剩下两个概率。 然后从最后两个向前进行编码，对概率大赋予0 ，概率小赋予l 。 2 2 2 游程编码 游程编码是一种通过减小空间冗余来压缩图像的方法。在大量数据一直相 同的情况下进行使用，我们利用游程来表示相同的数据，以此来降低数据量。 2 2 3 预测编码 预测编码( p r e d i c t i v ec o d i n g ) 作为有损压缩中主要的编码方法，主要是在 图像质量要求比较严格的情况下使用。预测编码既用到了图像数据的空间冗余 又用到了时间冗余，通过相邻的已知像素( 或图像块) 来预测当前像素( 或图 像块) 的数值，然后再对预测误差进行量化和编码1 3 1 0 预测编码有分为很多种，我们主要讲述差分脉冲编码调制( d p c m ) 和运 动补偿编码，下面对该两种预测编码做简要阐述 2 2 3 1差分脉冲编码调制( d p c m ) 图2 2 就是预测编码的方框图，k 是输入信号，对于每一个瓦，预测器 都将产生与其对应的预测值x ，预测公式为 x = a i x 一l + 口2 彳- 一2 + + 吼义_ 一。 ( 其中口l ，a ：，巳为预测系数，k - l ，“- 2 ，k 一。为参考样值。是预测 9 第2 章数字视频图像压缩与编码技术 误差，即 e n2 x n xn 而且，参考样值越多，预测编码的精度越高，预测误差就越小，相应的传 输的数据就越少，显然起到了数据压缩的目的。而在接收端靠与x 相加就得 到了重建的样值群，即霸= x s + 西。 ， 一 l+ x i n 叫预测器卜_ 图2 2 预测编码的方框图 在视频图像压缩中，常见的几种预测编码有： 1 、一维预测，即用于对x 进行预测的参考样值x ；来自同帧图像的同一扫 描行的采样值。 2 、二维预测，即对x 进行预测的参考样值五不仅包括同一扫描行的采样 值，而且也包括前几行的采样值。 3 、三维预测，即用于对x 进行的预测参考样值不仅来自同帧图像，而且 也包含前几帧图像。 2 2 3 2 运动补偿编码 对于视频压缩质量要求比较高的视频传输系统，如可视电话、会议电视、 数字电视或高清晰度电视，都使用了运动补偿的帧间预测。 运动补偿编码是在帧间压缩编码的基础上提出来的。由于帧间压缩编码只 传送帧差信号1 ，显然这就减少了传送数据量，得到了数据压缩。运动补偿编 码就是在此基础上，通过运动矢量在当前帧中“补 上前帧中同位值的运动图 像，使求得的帧差信号最小数据量。 由上所知，运动补偿编码的关键在运动矢量的求得，而且在实际运动补偿 编码中，对帧差信号的编码主要是通过对运动矢量阳旬和当前帧与当前估计帧的 帧差信号进行编码，而不是直接进行的。 1 0 第2 章数字视频图像压缩与编码技术 运动矢量的计算有很多方法，现在各种压缩标准里大多都采用块匹配法， 块匹配法首先是要对图像若干个像素块，我称之为宏块口刀，例如mxn 个像素 块。然后假设图像传输时前后两帧宏块的最大水平位移和最大垂直位移分别为 职和巩，那么对当前帧中每个宏块在前帧的搜索区为( m + 2 形) ( + 2 w p ，在 搜索区里找到与之最匹配的宏块，两宏块之间的距离便是运动矢量。 运动补偿编码基本过程如图2 3 所示。 发送端 运动矢量 传输信道 接收端 图2 3 运动补偿编码的基本过程 存 出 第一步：我们主要是通过使用块匹配方法对当前帧图像与前帧图像爱做比 较求出运动矢量。 第二步：我们运用运动矢量对前帧图像做一定的位移从而求得当前估计帧 图像。 第三步：我们用运动矢量求得的当前估计帧图像与当前帧图像相减求得两 者之间的差值。 第四步：我们把前三步中求得的运动矢量和差值通过信道传送给解码端。 第五步：我们在接收端首先要求出的是当前估计帧图像，主要是把接收端 存储的前帧图像与接收到的运动矢量相加就求出。 第六步：我们将第五步求出的当前估计帧图像与接收端接收到的差值进行 相加我们就可以求出当前帧图像。 2 2 4 二维离散余弦变换编码 第2 章数字视频图像压缩与编码技术 离散余弦变换编码( d c t ) 是有损压缩中较重要的方法，而且在各种图像 压缩编码标准中都使用了d c t 变换。离散余弦变换编码的主要思路是首先对图 像信号做离散余弦变换，这样就使图像信号从空间域变换到另外的正交向量变 换域来表示。在变换域中系数之间是相互独立的，而且在改变换域能量也分布 不是太均匀，主要是在直流项和低频项里，因此我们可以主要保留直流项和低 频项，对高频项就可以进行忽略，这正是进行离散余弦变换进行编码能起到对 图像进行压缩的原因。 离散余弦变换编码的系统框图如2 4 所示。 一一 ：信 唑匿圃吨亟p 压亘h 矗道 。图2 4 离散余弦变换变码的系统框图 离散余弦变换编码的过程如上图所不，在发送端，首先把图像分成数个 n x n 个像素块，然后对其进行d c t 变换，变换后对变换系数实行量化，最后 对量化系数进行v l c 编码；在接收端，先解码再反量化和反d c t 变换。 对于一个大小为n x n 的像块，图像样值厂( f ，) ( f ，j = o ，l ，n 一1 ) 的二维 d c t 定义为 脚，= 鼍产善n - i 驴n - i c o s 警c o s 簧产一y 啪 式中 l 七 当编1 ，= 0 c ( 砷夕2 1 州，2 ，一l 反变换为 厂( f ，) = 丙2 刍n - i 缶n - ic ( “) c ( 1 ，矿( ，1 ，) c 。s ( 2 i 矿+ 1 ) w rc 。s ( 2 j 1 + 矿1 ) v t r ， f ，j - 0 , 1 , - - - 一1 借助d c t 矩阵厂( f ，j f ) 的正反离散余弦变换为 f ( u ， ，) = d c t f ( i ，川d c 吖 1 2 第2 章数字视频图像压缩与编码技术 f ( i ，歹) = 【d c r r ，似，v ) d c t 】 其中，【d c t r 是z d c t 】的转置矩阵。 设亮度信号厂( f ，j f ) 。为 f ( i ，_ ，) 。3 = 11 41 2 5 1 2 611 51 0 59 6 1 3 l1 4 7 1 4 9 1 3 5 1 2 31 1 3 1 5 9 1 7 81 7 51 “1 4 91 3 7 1 7 71 9 6 2 0 1 1 8 9 1 6 5 1 5 0 1 7 5 2 0 12 0 71 8 61 6 21 4 4 1 6 5 1 8 9 1 9 21 7 11 4 41 2 5 1 4 91 7 11 7 21 4 5 79 6 1 3 61 5 6 1 5 5 1 2 99 77 5 经过离散余弦变换得到 f ( u ，1 ，) 8 。8 = 11 2 5 _ 2 2 1 6 5 7 - 2 3 o 0 设量化矩阵为 q ( u ，) 8 。8 = 经过量化后的矩阵为 一1 8 5 - 72 一l 一22 4 53 2o 2 - 2 1 7951 30 o221 12 03o o 21 l一1 - 202o 2一l一121一l 1一l2l - 20 1 62 4 4 0 1 92 65 8 2 4 4 05 7 2 95 18 7 5 66 81 0 9 6 48 11 0 4 8 71 0 31 2 1 9 81 1 21 0 0 1 3 5 l6 1 6 05 5 6 9 5 6 8 0 6 2 1 0 37 7 1 1 39 2 1 2 01 0 1 1 0 39 9 1 5 4 3 1 o 9 7 o 1 刍4 4 翔l o 眇卯m m 卯鼯 啦舶勉4 o 。o 3 m h m 毖卯弱他鳄 l 2 3 7 2 5 4 2 1 r 1 r 2 3 6 9 6 2 4 4 8 4 9 2 r l l 1 2 4 7 第2 章数字视频图像压缩与编码技术 k ( u ，v ) 8 。8 = 矩阵k ( u ，d 经过“z 型扫描，如图2 5 所示 7-7-7- -7 r ， 1 y 。 i 。1 y 。) i。1 y 。) 么么一么么 i p , 图2 5 离散余弦变换后的“z ”型扫描 得至02 8 1 ，一8 ，一5 ，- 4 1 ，- 4 ，- 4 6 ，- 1 ，1 1 ，8 ，- 1 ，0 ，一1 ，4 ，0 ，0 ，0 ，0 ， 2 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，1 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ， 0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ， 0 ，0 。然后在进行游程编码。 2 3 本章小结 本章首先讨论了数字视频图像压缩的可能性和必要性，然后又从无损压缩 和有损压缩两方面讨论了数字图像的各种压缩方法。 1 4 0 o 0 o o 0 o o 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o 1 0 o o o 0 o o 2 o o o 0 0 蛳4 o o o o o 趣o 8 o o o o o 捌弓卅o o o o o 第3 章m p e g 2 压缩标准及其编解码原理 第3 章m p e g 2 压缩标准及其编解码器原理 3 1 m p e g - 2 压缩标准简介 m p e g 0 2 标准是由国际标准化组织( i s o ) 和国际电工技术委员会( i e c ) 组成活动图像专家组( m p e g ) 制定的第二个国际标准，其标准号为 i s o i e c l 3 8 1 8 1 3 】。m p e g 2 标准主要针对传输码率为3 m b p s - - 1 0 m b p s ，应用领 域主要是电视广播领域，特别是一般及高清晰度数字电视。 m p e g 0 2 标准主要包括九部分，接下来对各部分做如下阐述： 第一部分系统：主要是对系统层做对规定，描述各个基本码流如何形成单 一码流便于传输和存储。 第二部分视频：主要是对视频编码方法的规定。 第三部分音频：主要是对音频编码方法的规定。 第四部分测试：测验码流是否符合系统、视频、音频部分的规定要求。 第五部分软件模拟：描述m p e g 2 标准前三部分软件实现方法。 第六部分d s m c c ：使码流既能在单机上执行，又能在异构网络下执行。 在剩下的三部分中，第八部分已取消，第七、九部分只在特殊情况下使用， 所以我们就不再多做说明。 3 1 1m p e g - 2 标准中的类和级 为了使m p e g 2 标准适用于不同系统，对输入格式用级【删( 1 e v e l s ) 进行划 分，对于处理方法用类( p r o f i l e s ) 进行划分。这样我们就把m p e g 2 标准分成 了多个子集，可以满足不同的应用场合，使m p e g 2 运用起来更加方便。 在m p e g 2 标准中主要分为四个级和五个类，四个级主要包括低级( l l ， l o wl e v e l ) ，主级( m l ，m a i n1 2 v d ) ，高1 4 4 0 级( h 1 4 l ，h i 曲1 4 4 0 i _ 启v e l ) ， 高级( h l ，h i g hl e v d ) ，五个类分别为简单类( s p ，s i m p l ep r o f i l e ) ，主类( m p ， m a i np r o f i l e ) ，信噪比可分级类( s n r p ，s n rs c a l a b l ep r o f i l e ) ，空间可分级类 ( s s p ，s p a t i a l l ys c a l a b l ep r o f i l e ) ，高类( h p ，h i g hp r o f i l e ) ，将它们组合起来如 3 1 表所示 1 5 第3 章m p e g - 2 压缩标准及其编解码原理 表3 1m p e g 2 级和类的整合 卷 s p胛s n r ps s ph p 级一 ( 帧类型i 和p ( 帧类型i 、p 和( 帧类型i 、p 和b ( 帧类型i 、p 和