数字电视的国际标准市公开课一等奖省赛课获奖课件

南航信息工程学院1/10/10CH6数字电视国际标准

6.1国际标准概述表6-1是惯用视频数据压缩标准标准编号全称应用JPEGISO／IECl0918多灰度静止图像数字压缩编码图片压缩、数码相机H.261ITU-T提议H.261p×64kb/s视听业务视频编解码器会议电视、可视电话H.263ITU-T提议H.263低于64kb／s窄带通信信道视频编码可视电话MPEG-1ISO／IEC11172含有1.5Mb／s数据传输率数字存放媒体运动图像及其伴音编码VCD、电视监控MPEG-2ISO／IEC13818通用运动图像及其伴音编码DVD、SDTV、HDTVMPEG-4ISO／IEC14496

音视频通用对象编码IP网、交互视频

视频压缩编码标准主要是由国际标准化组织(ISO/IEC)和国际电信联盟(ITU)制订。表6-2ITU标准与ISO/IEC标准对应关系数字电视的国际标准第1页南航信息工程学院2/10/106.1.1电视演播室数字编码国际标准CCIR601(1)采取亮度信号Y和两个色差信号（R-Y）和（B-Y）分量编码，其取样频率分别为13.5MHz

、

6.75MHz

、6.75MHz

。(2)

选取8bit均匀量化(256个量化级，即码电平从0～

255，相当于二进制00000000～11111111)，在抽样、量化前须对三个分量信号进行γ校正。(3)每个数字有效行分别有720个亮度取样点和360×2

个色差信号取样点，即4∶2∶2

格式。(现国际电信联盟无线电通信部门

ITU-R)R---RadiocommunicationSector

ITU--InternationalTelecommunicationsUnion数字电视的国际标准第2页南航信息工程学院3/10/10CCIR601数字电视编码图6-1数字电视信号分量编码原理框图数字电视的国际标准第3页南航信息工程学院4/10/106.1.2静态图像数据压缩标准JPEG

是数字图像压缩国际标准，含两种基本压缩方式：（JointPictureExpertGroup）1、无损压缩（预测压缩）2、有损压缩联合图像(静止)教授组

以DCT变换为基础压缩方法，其压缩比较高，是JPEG标准基础。

以二维DPCM为基础压缩方式，解码后能完全准确地恢复原图像采样值，其压缩比低于有损压缩方法。数字电视的国际标准第4页南航信息工程学院5/10/106.1.3．H.26x标准

包含H.261、H.262、H.263和H.264等视频编码标准。H.261标准信号适合在较高速率ISDN数字网上传输，H.262是图像质量较高图像压缩标准，H.263是极低速率视频编码标准，H.264在性能上超越H.263，是AVC或MPEG-4第四部分，可用于视频会议。数字电视的国际标准第5页南航信息工程学院6/10/106.1.4．MPEG标准MPEG是ISO和IEC两个国际组织联合技术委员会(JTCI---JointTechnicalCommitteeISO/IEC)领导下“活动图像教授组”英文简称，1988年成立以来已经制订了包含MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21等多个数字视频／数字音频压缩编码标准。（MovingPictureExpertGroup）数字电视的国际标准第6页南航信息工程学院7/10/106.1.5超高清楚度成像(HRI)提议(ITU-RBT.1201)ITU-RBT.1201提议提出了超高清楚度成像(HRI)格式和规范提议。表6-1HRI

４种图像格式规范提议(HRI---HighResolutionImage直译为高分辨图象)数字电视的国际标准第7页6.16JVT标准H.264/AVC特点：(JointVideoTeam)JVT是由ISO/IECMPEG和ITU-TVCEG成立联合视频工作组（JointVideoTeam），致力于新一代数字视频压缩标准制订。JVT标准在ISO/IEC中正式名称为：MPEG-4AVC(part10)标准；在ITU-T中名称:H.264。

1、和以往标准相比最多可节约50％码率，使存放容量大大降低；2、不一样分辨率、码率下都能提供较高视频质量；3、易于视频会议、视频电话，更易实现网络传输。数字电视的国际标准第8页6.1.7．AVS标准1.AVS视频编码标准内容（Audio

Video

coding

Standard）

由我国“数字音视频编解码技术标准工作组”制订。AVS

1.0包含系统、视频、音频和一致性等标准支撑部分。

包含：变换、量化、预测、变长编码、环路滤波器、帧间预测、熵编码器和场编码。图6-1AVS视频编码器框图

前5个模块使用不受专利保护公开技术，后3个模块是创新技术。数字电视的国际标准第9页南航信息工程学院10/10/10(1)高效2.AVS标准特点比MPEG-2编码效率高2倍,与H.264编码效率相当。(2)复杂度低

编码复杂度相当于H.26430％，解码复杂度相当于H.26470％。AVS只有2个参考图像，最小运动赔偿块为8×8；许多在HD-TV和HD-VD(HighDefinitionVideoDisk高清楚度视盘)应用中不需要编码工具被删除，与MPEG-2兼容。电视台现有基于MPEG-2编辑与传输系统不需要改变。(3)许可费低MPEG-2许可费为20元，而AVS初步定为1元。数字电视的国际标准第10页6.2H.261标准6.2.1概述1990年12月国际电报电话咨询委员会(CCITT)经过H.261标准，是一个用于双向通信ITU标准，主要用于在综合业务数字网ISDN上传输电视电话会议等低码率多媒体领域。采取p×64kbit/s声像业务图像编解码，其中p=1,2,…，32，为实现低成本，只用Y、U、V为4∶2∶0一个格式。帧格式有两种，CIF（352288）和QCIF（176144）。数字电视的国际标准第11页6.2.2H.261标准图像格式

其中CIF(CommonIntermediateFormat)为通用中间格式，QCIF(QuarterCIF)为1/4通用中间格式，SQCIF为扩展通用中间格式，4CIF为4倍通用中间格式，16CIF为16倍通用中间格式。表6-2H.261与

H.263图像格式数字电视的国际标准第12页南航信息工程学院13/10/10H.261图像像素结构1.宏块2.宏块组3.每帧图像每块为8×8个像素，每宏块为16×16个像素每个宏块组为176×48[(16×11)×(16×3)]个像素每帧CIF格式图像为352×288[(176×6)×(48×6)]个像素数字电视的国际标准第13页南航信息工程学院14/10/106.2.3H.261信源编码器图6-2H.261编码器方框图

采取基于运动赔偿帧间预测和对原始图像数据进行8×8共64个像素DCT（设置自适应量化器；再采取Huffman或算术变字长编码（VCL）实现熵编码。

图像输入以宏块MB为单位输入，MB中包含亮度信号Y4个8×8像素方块，色度信号Cb、Cr各一个8×8像素方块，共6个8×8像素方块。数字电视的国际标准第14页1、帧内编码模式

帧内帧I图像采取帧内编码，不参考其它图像帧而只用本帧信息进行编码。编码图像仅经DCT，量化器和比特流编码器即生成编码比特流，而不经过预测环处理。DCT直接应用于原始图像数据。游程编码RLE(run-lengthcoding)差分脉冲编码调制(DPCM)图6-3帧内图像压缩编码算法框图数字电视的国际标准第15页南航信息工程学院16/10/102、帧间编码模式(1)预测帧P

(Predictivecodedpicture)图像压缩编码算法

前向预测编码帧图像，参考前一幅I帧或P帧图像做运动赔偿帧间预测图6-4预测图像P压缩编码算法框图

原图像先与帧存放器中预测图像比较，算出运动矢量，由此矢量和参考帧生成预测图像。而后将原图像与预测像素差值进行DCT变换，再经量化器和比特流编码器生成输出编码比特流。进行更有效；通惯用于深入预测之参考。数字电视的国际标准第16页南航信息工程学院17/10/10(2)双向预测帧B压缩编码算法

双向预测编码帧图像，参考前一幅(I帧或P帧)和后一幅（P帧）图像做运动赔偿双前向预测编码。提供最高压缩。(BidirectionallyPredictedPicture)图6-5双向预测图像B压缩编码算法框图数字电视的国际标准第17页南航信息工程学院18/10/103、环路滤波器表6-2(1)

环路滤波器系数

环路滤波器属于低通滤波器，用于帧间编码模式时消除运动赔偿过程中高频噪波。数字电视的国际标准第18页南航信息工程学院19/10/10表6-2(2)

环路滤波器系数数字电视的国际标准第19页南航信息工程学院20/10/10

6.2.4H.261信源解码器图6-6H.261解码器方框图数字电视的国际标准第20页6.3JPEG标准6.3.1基于DCT编码器和解码器图6-7JPEG编解码原理框图数字电视的国际标准第21页南航信息工程学院22/10/101、DCT编码原理(1)DCT变换(2)量化

输入端将原图像分成8×8像素块(Block)后送入DCT变换器，目标是去除图像数据空间冗余。利用人眼视觉特征设计量化表。1611101624405161121214192658605514131624405769561417222951878062182237566810910377243555648110411392496478871031211201017292959811210010399亮度量化表色度量化表17182447999999991821266699999999242656999999999947669999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999数字电视的国际标准第22页(3)之字形扫描(4)可变长熵编码

编码之前，需要把二维变换系数矩阵转换为一维序列。为消除码字中统计冗余，采取可变长熵编码。数字电视的国际标准第23页南航信息工程学院24/10/106.4MPEG标准6.4.1MPEG-1标准（MovingPictureExpertGroup）1992年制订，主要任务是制订活动图像及对应声音及数字存放媒体上用于存放及重放时压缩编码标准。MPEG-1“用于高至1.5Mb/s数字存放媒体活动图像和对应音频编码”。基本目标是将活动视频图像及其伴音进行压缩编码等处理，形成一个复合既包含视频又包含音频信息统一二进制比特流，同时还要保持图像和声音同时，压缩比可高达200：1，相当VHS画质。数字电视的国际标准第24页南航信息工程学院25/10/101、MPEG-1标准内容

最主要三部分：MPEG系统，MPEG视频和MPEG音频。亮度、色度块均由8×8个像素组成，块是MPEG-1中最小图像处理单元，由4个8×8亮度块和两个8×8色度块组成。MPEG-1允许用户在任何两参数帧（I或P帧）之间安排任意幅B帧。MPEG-1标准出现极大地推进了VCD以及影视节目存放应用与发展。数字电视的国际标准第25页南航信息工程学院26/10/10MPEG-1编解码过程图6-9MPEG-1编解码过程图6-11通信处理板电路框图图6-10MPEG-1解码器系统实现框图

缓存器来平滑时变数码率，方便和信道码率相匹配。数字电视的国际标准第26页南航信息工程学院27/10/102、MPEG中三种图像类型(1)

I帧(Intra-Frame)(2)

P帧(Predicated-Frame)

是帧内压缩，不使用运动赔偿，提供中等压缩比。因为I帧不依赖于其它帧，所以是随机存取入点，同时是解码中基准帧。

依据前面I帧或P帧进行预测(向前预测)，使用运动赔偿算法进行压缩，因而压缩比要比I帧高，数据量平均到达I帧1/3左右。P帧是对前后B帧和后继P帧进行解码基准帧。P帧本身是有误差，假如P帧前一个基准帧也是P帧，就会造成误差传输。数字电视的国际标准第27页南航信息工程学院28/10/10

是基于内插重建帧，它基于前后两个I、P帧或P、P帧，它使用双向预测，数据量平均能够到达I帧1/9左右。

B帧本身不作为基准，所以可在提供更高压缩比情况下不传输误差。(3)

B帧(Bidirectinal-Frame)数字电视的国际标准第28页南航信息工程学院29/10/10I

帧、P帧和B帧图像依赖关系表6-3I帧、P帧、B帧数据字节和压缩比B帧有较高压缩比，所以视频编码器总编码效率提升；I帧和P帧压缩比不高，可确保较高重建图像质量。数字电视的国际标准第29页1)码流组成2)传输码流组成数字电视的国际标准第30页南航信息工程学院31/10/10Ⅰ图像序列层（VideoSequencelayer）Ⅱ图像组层（GroupofPicture）Ⅲ图像层（Picture）Ⅳ宏块条/片层（Slice）Ⅴ宏块层（Macroblock）Ⅵ块层（Blocklayer）3．MPEG-1视频流结构图6-12MPEG-1视频流结构数字电视的国际标准第31页南航信息工程学院32/10/10(1)MPEG-1视频流分层结构图6-13MPEG-1视频流分层结构Ⅰ图像序列层Ⅱ图像组层Ⅲ图像层Ⅳ宏块条/片层Ⅴ宏块层Ⅵ块层（六个层次）数字电视的国际标准第32页南航信息工程学院33/10/10

图6-14MPEG-1宏块结构(2)

MPEG-1宏块结构类型数字电视的国际标准第33页6.4.2MPEG-2标准

由ISO/IECMPEG教授组与ITU-TATV图像编码教授组于1994年共同制订。

主要包含系统、视频、音频、一致性、参考软件、数字存放媒体命令与控制、高级音频编码、10比特视频编码和实时接口9个部分。应用范围包含标准清楚度电视、高清楚度电视和MPEG-1工作范围。MPEG-2解码器能够对MPEG-1码流进行解码。数字电视的国际标准第34页1．MPEG-2系统部分图6-15简化MPEG-2系统框图图6-16码流解码器数字电视的国际标准第35页南航信息工程学院36/10/10

MPEG-2节目

码流组成图6-17MPEG-2

节目码流组成示意图数字电视的国际标准第36页南航信息工程学院37/10/10图6-17MPEG-2传送码流组成示意图(2)MPEG-2传送码流组成数字电视的国际标准第37页南航信息工程学院38/10/102．图像部分(1)级(levels)(2)类(profiles)

图像编码可分级性是MPEG-2及以上标准显著特征,指接收机可视详细情况对编码数据流进行部分编码。其主要目标是对含有不一样带宽、显示能力和用户需求接收机提供灵活支持，使多媒体应用环境中可实现视频数据库浏览和多分辨率回放功效。

为适应适应不一样数字电视体系，MPEG-2有4种输入格式，用级加以划分；

用类划分不一样编解码技术处理方法。MPEG-2有5个类，类之间存在向后兼容性，若接收机能解码用高类工具编码图像，也能解码用较低类工具编码图像。数字电视的国际标准第38页南航信息工程学院39/10/10表6-4MPEG-2图像编码分级数字电视的国际标准第39页南航信息工程学院40/10/103、MPEG2编码器

两层空间可分级编码器，对基本层将原视频进行空间下采样，然后进行DCT变换、量化和VLC编码。经过将每2×2个像素用它们平均值替换，可实现4:1比率空间下采样。图6-18MPEG2编码器原理框图数字电视的国际标准第40页南航信息工程学院41/10/10

两层空间可分级编码器用更复杂预滤波器能够降低下采样图像重合效应，但以增加复杂度作为代价。对增强层，进行以下工作：①经过反量化和IDCT重建基本层图像；②对基本层图像进行空间上采样。每个像素复制4次可实现1:4比率空间上采样。③从原始图像中减去上采样基本层图像；④对残差进行DCT变换，并用小于基本层量化参数进行量化；⑤用VLC编码量化比特。因为增强层使用了较小量化参数，它能够到达比基本层更高质量。数字电视的国际标准第41页南航信息工程学院42/10/104.MPEG-2视频解码器TS流ESVLDMCIQIDCT+MB解复用+I(P)帧存放P帧存放MV1MV2I,PB重建图像量化参数帧重排图6-19MPEG-2视频解码器示意图TS流经解复用输出视频基本流ES和运动矢量MV。ES经IQ反量化和IDCT变换后输出重建宏块差值MB。解码直接用TS流中传输来运动矢量MV进行准确运动赔偿，从帧存放器中读出匹配宏块MC，在加法器中与宏块差值MB相加，还原出对应P、B图像，重新排列成编码前原始图像次序。解码所需许多参数如运动预测值和量化参数等都在传输码流中以要求句法元素格式提供给接收端使用。数字电视的国际标准第42页南航信息工程学院43/10/10

两层空间可分级解码器对基本层，与不分级视频解码器完全一样。对增强层，须接收到两层，用VLC解码，进行反量化和IDCT变换。然后上采样基本层图像。把上采样基本层图像与增强层细节相结合形成增强层解码视频。基本层压缩比特流增强层压缩比特流VLCQDCT原视频IQIDCT+VLCQDCT-上采样下采样(a)编码器(b)解码器VLDIQIDCT+基本层解码视频增强层解码视频VLDIQIDCT图6-20MPEG2编解码器示意图数字电视的国际标准第43页5.数字电视接收基本原理(MPEG-2解码)图6-208ATSC8VSB接收机简化框图

数字电视的国际标准第44页6.4.3MPEG-4标准1.概述MPEG-4于初正式成为国际标准，是适应多媒体应用“音频视频对象编码”标准，针对低比特率远程会议和要求高比特效率相关应用。MPEG-4不只是详细算法，是针对数字电视、交互式绘图应用（影音合成内容）、交互式多媒体等整合及压缩技术需求而制订国际标准。它为视音频通信、存取和管理提供更为灵活格式和框架。目标：支持各种多媒体应用，尤其是基于内容检索和访问，可依据不一样应用需求现场配置解码器。应用范围包含实时视听通信、多媒体通信、远地监测/监视、VOD、家庭购物/娱乐等。数字电视的国际标准第45页2.MPEG-4标准架构MPEG-4提供不一样视频标准源格式、码率、帧频下矩形图像有效编码，同时也将支持基于内容图像编码。图6-21MPEG-4支持码率和对应功效图MPEG-4可对合成面部与人体进行参数化描述；对面部与身体活动信息以参数化数据流进行描述；支持含有纹理映射功效静态/动态网格编码；支持视点相关应用（ViewDependentApplication）中纹理编码。数字电视的国际标准第46页南航信息工程学院47/10/10(1)极低比特率视频VLBV功效层（VeryLowBitRateVideo）

适用5-64kbits/s视频操作与应用，支持较低空间分辨率（低于352×288像素）和较低帧频（低于15Hz）。VLBV关键支持专用功效：1)实时多媒体应用：支持矩形图像序列有效编码，含有高编码效率、高精度、高容错度、低延时等特点。2）多媒体数据库应用：支持多媒体数据库存放、随机存取以及FF/FR(快进/快退)等功效与操作。图6-22MPEG-4甚低码率编码数字电视的国际标准第47页南航信息工程学院48/10/10(2)高低比特率视频HBV功效层

适用范围为64kbits/s-4Mbits/s，一样支持上述VLBV功效，但它支持较高空间与时间分辨率。（HighBitRateVideo）1)基于内容交互性，可对不一样起源视、音频对象进行合成。

2)高效压缩性，采取了基于对象(Object-Based)编码等第二代编码技术。3)通用访问性。含有鲁棒性和纠错功效，从而确保在易犯错通信环境下实现安全低码率编码和传输。MPEG-4特点：数字电视的国际标准第48页南航信息工程学院49/10/103.MPEG-4视频位流层次数据结构

由视频序列、视频对象、视频对象层、视频对象平面、视频包、宏块和块组成，如图所表示。图6-20MPEG-4视频层次结构视频段序列VS层视频对象VO序列层视频对象层VOL序列层视频对象片面VOP序列层视频包VP（GOB）层宏块MB层块层数字电视的国际标准第49页南航信息工程学院50/10/10(2)视频对象VO(VideoObject)：MPEG―4自然视频码流层次化数据结构分为以下五层：(1)视频序列VS(Video

Sequence)：VS对应于场景电视图像信号，是整个场景在各段时间图像。VS也由一个或多个VO组成。VO对应于场景中人、物体或背景，它能够是任意形状。是从VS中提取不一样视频对象。数字电视的国际标准第50页南航信息工程学院51/10/10

(3)视频对象层VOL(Video

ObjectLayer)(4)视频对象平面组GOV(Group

ofVOP)VOL指VO码流中包含纹理、形状和运动信息层。VOL用于实现分级编码。GOV层是可选。GOV由多个VOP组成。GOV提供了比特流中独立编码VOP起始点，方便于实现比特流随机存取。数字电视的国际标准第51页南航信息工程学院52/10/10(5)视频对象平面VOP(VideoObjectPlane)：VOP能够独立地进行编码(I―VOP)，也能够利用运动赔偿编码(P―VOP和B―VOP)，VOP能够是任意形状。VOP（VideoObjectPlane）视频对象面：表示视频对象形成画面，其形状能够是任意，当VOP是矩形时，则图像编码还原成传统图像编码。数字电视的国际标准第52页南航信息工程学院53/10/10

基于对象编码理念:将一幅景物分成若干时间、空间上相互联络视频频对象VO

分别编码，再经复用传输到接收端，然后对不一样对象分别解码，从而组合成所需视频和音频。这么既方便对不一样对象采取不一样编码和表示方法，又利于不一样数据类型间融合，且方便实现对各种对象操作及编辑。如，将一个卡通人物放在真实场景中，或者将真人置于一个虚拟演播室里，还可在互联网上方便实现交互，依据自己需要有选择组合各种视频音频以及图形文本对象。4.MPEG-4视频编解码数字电视的国际标准第53页南航信息工程学院54/10/10(1)MPEG-4基于对象编码方法

每个场景由单独编码视频对象VO组成；每个VO由几个可分级层(基层和增强层)---视频对象层VOL组成；每个VOL依次组成在时间上有序快照序列---视频对象面VOP；每个VOP编码器处理其形状、运动和纹理特征；形状信息编码是经过一个矩形框界定并将矩形框分成多个宏块MB(MacroBlocks)来完成，形状、运动和纹理信息在MB层进行复合

。数字电视的国际标准第54页南航信息工程学院55/10/10(2)基于VOP视频编码MPEG-4编码和解码是针对VOP进行，编码时首先由输入视频序列经过与用户交互形成一个VOP，然后针对每一个VOP分别进行编码，最终将全部VOP编码结果合成一个视频数据流。数字电视的国际标准第55页1)视频对象VO2)视频对象平面VOP(VideoObject)

是视频序列中人物或详细景物(比如电视新闻中播音员或是电视剧中一辆飞驰汽车)，也能够是由计算机图形技术生成二维或三维图形。

是视频对象在某一时刻采样，同一对象连续VOP称为视频对象。MPEG-4在编码过程中针对不一样VO采取不一样编码策略，即对前景VO压缩编码尽可能保留细节和平滑；对背景VO则采取高压缩率编码策略，甚至不予传输而在解码端由其它背景拼接而成。MPEG-4支持任意形状图像与视频编解码。数字电视的国际标准第56页南航信息工程学院57/10/103)

基于VOP视频编码过程①首先，对自然视频流进行VOP分割编码过程分为以下三个步骤：aVO形成b