中国矿业大学数字视频技术期末考试

学号041214812015-2016学年第一学期 数 字 视 频 技 术课 程 结 课 大 作 业专业班级：_信息12-4班_学生姓名：_ _指导教师：_ 李雷达_成 绩：_1.在视频图像编码系统中，运动补偿是预测编解码的基本形式之一，请阐述其基本理论及其重要性。答：基本理论：运动补偿就是根据求出的运动矢量，找到当前帧的像素（或像素块）是从前一帧的哪个位置移动过来的，从而得到当前帧像素（或像素块）的预测值。由于用当前帧在前一帧图像中对应部分来对当前帧进行预测，而相邻两帧中对应的运动部分图像信息会有所不同，所以一般会产生补偿残差。可将补偿后残差进行DCT变换和可变长编码。主要完成功能：1、物体的划分：划分静止区域和运动区域。这里假设运动物体仅作平移。2、运动估计：对每一个运动物体进行位移估计。3、运动补偿：由位移估值建立同一运动物体在不同帧空间位置对应关系，建立预测关系。4、补偿后的预测信息编码：对运动物体的补偿后的位移帧差信号DFD，以及运动矢量等进行编码传输。重要性：由于一个视频序列中包含一定数量帧。相邻的帧之间通常很相似，即包含了很多冗余。使用运动补偿可以更好地利用序列图像的时间冗余度，使预测差值的方差大大减小，从而降低误码率，大幅度的减少时间冗余，提高压缩比及视频压缩编码的效率。2. 对亮度值为100、101、102、103、104、105进行DPCM编码，预测器为一维前值预测，即用前一个值预测当前值，量化器为误差大于等于0时，量化为3，小于0时，量化为-3。列表表示其预测结果，并分析结果中的误差类型。序号 N原始样值预测值预测误差量化的预测误差重建样值量化误差11011001310322102103-1-3100-2310310033103041041031310625105106-1-3103-2答：误差类型分析： 1.当序号N=1时，原始样值是101，与预测值100比较，预测误差为1，大于0，因此量化的预测误差为3，重建样值为100+3=103，量化误差为103-101=2。 2.当序号N=2时，原始样值是102，与预测值103比较，预测误差为-1，小于0，因此量化的预测误差为-3，重建样值为103-3=100，量化误差为100-102=-2。 3.当序号N=3时，原始样值是103，与预测值100比较，预测误差为3，大于0，因此量化的预测误差为3，重建样值为100+3=103，量化误差为103-103=0。 4.当序号N=4时，原始样值是104，与预测值103比较，预测误差为1，大于0，因此量化的预测误差为3，重建样值为103+3=106，量化误差为106-104=2。 5.当序号N=5时，原始样值是105，与预测值106比较，预测误差为-1，小于0，因此量化的预测误差为-3，重建样值为106-3=103，量化误差为103-105=-2。3. 图像经过傅里叶变换与反变换、离散余弦变换与反变换后，图像是否有改变？请简略陈述你的理由？答：假设原始图像中的信息为X，X经过DFT/DCT/DST变换过后的图像的信息为Y，Y经过IDFT/IDCT/IDST变换过后的信息为Z，那么从Z中获得的有关X的信息，不会大于从Y中获得的有关X的信息，更不会大于X本身的自信息。只有当P(x|yz)=P(x|y)=P(y|x) 时，经过处理后的信号会保持原来的全部信息，没有损失。但是，这种情况只存在于理论的计算当中，而在实际当中，几乎任何的数据处理都是有损的，DFT/DCT/DST及其反变换在纯数学领域可以被认为是完备的，经过这样变换和反变换之后的信号是原始信号的完全重构，但一旦涉及到实际应用，必然会伴随着信息熵的损失。从物理效果看，傅里叶变换是将图像从空间域转换到频率域，其逆变换是将图像从频率域转换到空间域。图像经过傅里叶变换与反变换此时图像数据矩阵没变化。而离散余弦变换，尤其是它的第二种类型，经常被信号处理和图像处理使用，用于对信号和图像进行有损数据压缩。这是由于离散余弦变换具有很强的能量集中特性:大多数的自然信号的能量都集中在离散余弦变换后的低频部分，而且当信号具有接近马尔科夫过程的统计特性时，离散余弦变换的去相关性接近于K-L变换的性能。 所以当余弦变换主要用于图像压缩时，高频部分压缩多一些，低频部分压缩少一些。反变化之后，图像中的大部分信息已经被滤掉。因此图像在实际中是变化的。4. 通过资料查找，请从以下视频图像编码标准中任选一种总结其算法流程。(1) JPEG2000; (2) MPEG2; (3) MPEG4;(4) H.264; (5) AVS;答：JPEG2000编码主要分为以下几个过程：预处理、离散小波变换(DWT)。一、预处理预处理一般包括三种操作：图像分片、DC电平位移、分量变换。(1)图像分片 分片指的是把源图像分割成相互不重叠的矩形块图像片，每一个图像片作为一个独立的图像进行压缩编码。图像的分片降低了对存储空间的要求，并且由于他们重构时也是独立进行的，所以可以用来对图像的特定区域而不是整幅图像进行解码。 (2)DC电平位移 在对每一图像片进行正向离散小波变换之前，都要进行直流电平位移。目的是在解码时，能够从有符号的数值中正确恢复重构的无符号样本值。直流电平位移是对仅有无符号数组成的图像片的像素进行的。电平位移并不影响图像的质量。在解码端，在离散小波反变换之后，对重构的图像进行反向直流电平位移。 (3)分量变换 JPEG2000支持多分量图像。不同的分量不需要有相同的比特深度，也不需要都是无符号或有符号数。对于可恢复（无损）系统，唯一的要求就是每一个输出分量图像的比特深度必须跟相应输入分量图像的比特深度保持一致。二、离散小波变换不同于传统的DCT变换，小波变换具有对信号进行多分辨率分析和反映信号局部特征的特点。通过多级小波分解，小波系数既能表示图像片中局部区域的高频信息（如图像边缘），也能表示图像片中的低频信息（如图像背景）。这样，即使在低比特律的情况下，也能保持较多的图像细节（如边缘）。另外，下一级分解得到的系数所表示图像在水平和垂直方向的分辨率只有上一级小波系数所表示的图像的一半。所以，通过对系数图像的不同级数进行解码，就可以得到具有不同空间分辨率（或清晰，或模糊）的图像。小波滤波器可以有2种实现模式：基于卷积的和基于提升机制的。三、量化对每一个子带可以有不同的量化步长。但是在一个子带中只有一个量化步长。量化以后，每一个小波系数有2部分来表示：符号和幅值。四、熵编码PEG2000使用EBCOT编码器对每个编码块进行熵编码。EBCOT的编码过程可分为两个步骤：（1） 嵌入式码块编码 经小波变换和量化，图片分量矩阵成为整数系数的子带矩阵，每个子带又被划分为大小相同的矩形码块而每个码块将被独立编码，而每个码块又可以分成位平面，即比特层，从最高有效位平面开始逐平面编码直到最低位平面。对位平面编码时，为了获得细化的嵌入式码块位流，每个位平面又进一步分成子位平面，称为编码通道。位平面上的每个系数位必须而且只能在其中的一个编码通道上编码。这三个通道依次为：重要性传播通道、幅度细化通道、清除通道。在这3个编码通道上分别进行4种编码操作：有效性编码、符号编码、幅度细化编码、清除编码。在清除编码中，根据适当的条件进行游程编码，来减少算术编码时的二进制符号个数。 （2） 分层组织码块的嵌入式压缩位流