数字电视视频编码压缩算法

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数字电视视频编码压缩算法

摘要：视频压缩通过减少和去除冗余视频数据的方式，达到有效发送和存储数字视频文件的目的。在压缩过程中，需要应用压缩算法对源视频进行压缩以创建压缩文件，以便进行传输和存储。要想播放压缩文件，则需要应用相反的解压缩算法对视频进行还原，还原后的视频内容与原始的源视频内容几乎完全相同。压缩、发送、解压缩和显示文件所需的时间称为延时。在相同处理能力下，压缩算法越高级，延时就越长。关键字：数字电视视频编码压缩算法JPEG联合图片专家组（JPEG，JointPhotographicExpertsGroup）是作为国际标准化组织（ISO）与电报电话国际协会（CCITT，国际电信联盟ITU的前身）的联合工作委员会于1987年成立的，于1988年成立JBIG（JointBi-levelImageExpertsGroup），现在同属ISO/IECJTC1/SC29WG1(ITU-TSG8)，专门致力于静止图片（stillimages）压缩。JPEG已开发三个图像标准。第一个直接称为JPEG标准，正式名称叫“连续色调静止图像的数字压缩编码”（DigitalCompressionandCodingofContinuous-tonestillImages）,1992年正式通过。JPEG开发的第二个标准是JPEG-LS（ISO/IEC14495,1999）。JPEG-LS仍然是静止图像无损编码，能提供接近有损压缩压缩率。JPEG的最新标准是JPEG2000（ISO/IEC15444,等同的ITU-T编号T.800），于1999年3月形成工作草案，2000年底成为正式标准（第一部分）。根据JPEG专家组的目标，该标准将不仅能提高对图像的压缩质量，尤其是低码率时的压缩质量，而且还将得到许多新功能，包括根据图像质量，视觉感受和分辨率进行渐进传输，对码流的随机存取和处理，开放结构，向下兼容等。JPEG标准制定了四种工作模式：（1）顺序的基于DCT（SequentialDCT-based）模式,由DCT（离散余弦变换）系数的形成、量化和熵编码三步组成。从左到右，从上到下扫描信号，为每个图像编码。（2）累进的基于DCT（ProgressiveDCT-based）模式,生成DCT系数和量化中的关键步骤与基本顺序编码解码器相同。主要的区别在于每个图像部件由多次扫描进行编码而不是仅一次扫描。每次继续的扫描都对图像作了改善，直到达到由量化表建立的图像质量为止。（3）无损（Lossless）模式,独立于DCT处理，用来定义一种达到无损连续色调压缩的手段。预测器将采样区域组合起来并基于采样区域预测出邻系统区域。预测出的区域对照着每一区域的完全无损采样进行预测，同时通过Huffman编码法或算术熵编码法对这一差别进行无损编码，对较好质量的复制通常可达到2：1的压缩率。（4）分层（Hierarchical）模式，分层模式提供了一种可实现多种分辨率的手段。每个接续层次上的图像编码在水平或垂直方向上的分辨率都被降低二倍。它所传送的数据包括所支持的最低分辨率图像，以及用于解码恢复到原有的全分辨率图像所需的、分辨率以2的倍数递降的相邻图像的差分信息。JPEG算法的平均压缩比为15：1。当压缩比大于50倍时将可能出现方块效应。JPEG的性能，用质量与比特率之比来衡量，是相当优越的，尤其是它的复杂度之低和使用时间之长，更是给人以深刻的影响。基本JPEG的编码方法（也是最常用的）是顺序编码。首先，将图像分为8x8的像素块，按照从左到右，从上到下的光栅扫描方式进行排序。DCT在8x8的像素块进行计算，再对64个DCT系数用均匀量化表进行标量量化。均匀量化表是依据心理听觉的实验（LohschellerH.，Asubjectivelyadaptedimagecommunicationsystem,IEEETrans.OnCommunicationsCOM-32(12):1316-1322,1984）得出的。这种均匀的标量量化表作为JPEG标准的可选部分提供。将DCT系数量化后，再按照“Z”字型方式将块中的系数排序，得到的比特流用行顺序编码生成中间的符号序列，然后这些符号经过Huffman编码用于传输或存储。MPEG-1MPEG-1是MPEG组织制定的第一个视频和音频有损压缩标准。视频压缩算法于1990年定义完成。1992年底，MPEG-1正式被批准成为国际标准。MPEG-1是为CD光碟介质定制的的视频和音频压缩格式。一张70分钟的CD光碟传输速率大约在1.4Mbps。而MPEG-1采用了块方式的运动补偿、离散馀弦变换（DCT）、量化等技术，并为1.2Mbps传输速率进行了优化。MPEG-1随后被VideoCD采用作为核心技术。MPEG-1的输出质量大约和传统录像机VCR，信号质量相当，这也许是VideoCD在发达国家未获成功的原因。运用MPEG－1曾经是VCD的主要压缩标准，是目前实时视频压缩的主流，可适用于不同带宽的设备，如CD-ROM、Video-CD、CD-I。与M-JPEG技术相比较，在实时压缩、每帧数据量、处理速度上均有显著的提高。MPEG1可以满足多达16路以上25帧/秒的压缩速度，在500kbit/s的压缩码流和352像素×288行的清晰度下，每帧大小仅为2k。若从VCD到超级VCD到DVD的不同格式来看，MPEG1的352×288格式，MPEG2可有576×352、704×576等，用于CDROM上存储同步和彩色运动标视频信号，旨在达到VCR（模拟式磁带录放机VideoCassetteRecorder；VCR）质量，其视频压缩率为26：1。MPEG1可使图像在空间轴上最多压缩1/38，在时间轴上对相对变化较小的数据最多压缩1/5。MPEG1压缩后的数据传输率为1.5Mbps，压缩后的源输入格式SIF（SourceInputFormat），分辨率为352像素×288行（PAL制），亮度信号的分辨率为360×240，色度信号的分辨率为180×120，每秒30帧。MPEG1对色差分量采用4：1：1的二次采样率。MPEG1、MPEG2是传送一张张不同动作的局部画面。在实现方式上，MPEG1可以借助于现有的解码芯片来完成，而不像M-JPEG那样过多依赖于主机的CPU。与软件压缩相比，硬件压缩可以节省计算机资源，降低系统成本。但也存在着诸多不足。一是压缩比还不够大，在多路监控情况下，录像所要求的磁盘空间过大。尤其当DVR主机超过8路时，为了保存一个月的存储量，通常需要10个80G硬盘，或更多，硬盘投资大，而由此引起的硬盘故障和维护更是叫人头疼。二是图像清晰度还不够高。由于MPEG1最大清晰度仅为352X288，考虑到容量、模拟数字量化损失等其它因素，回放清晰度不高，这也是市场反应的主要问题。三是对传输图像的带宽有一定的要求，不适合网络传输，尤其是在常用的低带宽网络上无法实现远程多路视频传送。四是MPEG1的录像帧数固定为每秒25帧，不能丢帧录像，使用灵活性较差。从目前广泛采用的压缩芯片来看，也缺乏有效的调控手段，例如关键帧设定、取样区域设定等等，造成在保安监控领域应用不适合，造价也高。总体看来M-JPEG与MPEG1由于技术成熟，是目前DVR市场的主流技术，但两者的致命弱点就是硬盘耗费量大，且不能同时满足保安与实时录像场合的需要。MPEG-2技术介绍MPEG-2制定于1994年，设计目标是高级工业标准的图象质量以及更高的传输率。MPEG-2所能提供的传输率在3-10Mbits/sec间,其在NTSC制式下的分辨率可达720X486，MPEG-2也可提供并能够提供广播级的视像和CD级的音质。MPEG-2的音频编码可提供左右中及两个环绕声道,以及一个加重低音声道，和多达7个伴音声道(DVD可有8种语言配音的原因)。由于MPEG-2在设计时的巧妙处理，使得大多数MPEG-2解码器也可播放MPEG-1格式的数据，如VCD。同时，由于MPEG-2的出色性能表现，已能适用于HDTV，使得原打算为HDTV设计的MPEG-3，还没出世就被抛弃了。(MPEG-3要求传输速率在20Mbits/sec-40Mbits/sec间，但这将使画面有轻度扭曲)。除了做为DVD的指定标准外，MPEG-2还可用于为广播，有线电视网，电缆网络以及卫星直播(DirectBroadcastSatellite)提供广播级的数字视频。特点MPEG-2的另一特点是，其可提供一个较广的范围改变压缩比，以适应不同画面质量，存储容量，以及带宽的要求。对于最终用户来说，由于现存电视机分辨率限制，MPEG-2所带来的高清晰度画面质量(如DVD画面)在电视上效果并不明显，到是其音频特性(如加重低音，多伴音声道等)更引人注目。MPEG-2的编码图像被分为三类，分别称为I帧，P帧和B帧。I帧图像采用帧内编码方式，即只利用了单帧图像内的空间相关性，而没有利用时间相关性。P帧和B帧图像采用帧间编码方式，即同时利用了空间和时间上的相关性。P帧图像只采用前向时间预测，可以提高压缩效率和图像质量。P帧图像中可以包含帧内编码的部分，即P帧中的每一个宏块可以是前向预测，也可以是帧内编码。B帧图像采用双向时间预测，可以大大提高压缩倍数。MPEG-4MPEG-4已成为掌上媒体的常见格式MPEG4于1998年11月公布，原预计1999年1月投入使用的国际标准MPEG4不仅是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。MPEG专家组的专家们正在为MPEG-4的制定努力工作。MPEG-4标准主要应用于视像电话(VideoPhone)，视像电子邮件(VideoEmail)和电子新闻(ElectronicNews)等，其传输速率要求较低，在4800-64000bits/sec之间，分辨率为176X144。MPEG-4利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求以最少的数据获得最佳的图像质量。一、MPEG-4简介与MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4的特点是其更适于交互AV服务以及远程监控。MPEG-4是第一个使你由被动变为主动(不再只是观看，允许你加入其中，即有交互性)的动态图像标准，它的另一个特点是其综合性。从根源上说，MPEG-4试图将自然物体与人造物体相溶合(视觉效果意义上的)。MPEG-4的设计目标还有更广的适应性和更灵活的可扩展性。MPEG全称是MovingPicturesExpertsGroup，它是“动态图象专家组”的英文缩写，该专家组成立于1988年，致力于运动图像及其伴音的压缩编码标准化工作，原先他们打算开发MPEG1、MPEG2、MPEG3和MPEG4四个版本，以适用于不同带宽和数字影像质量的要求。目前，MPEG1技术被广泛的应用于VCD，而MPEG2标准则用于广播电视和DVD等。MPEG3最初是为HDTV开发的编码和压缩标准，但由于MPEG2的出色性能表现，MPEG3只能是死于襁褓了。而我们今天要谈论的主角——MPEG4于1999年初正式成为国际标准。它是一个适用于低传输速率应用的方案。与MPEG1和MPEG2相比，MPEG4更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。MPEG-7简介随着信息爆炸时代的到来，在海量信息中，对基于视听内容的信息检索上非常困难的。继MPEG-4之后，要解决的矛盾就是对日渐庞大的图像、声音信息的管理和迅速的搜索。针对这个矛盾，MPEG提出了解决方案MPEG-7，力求能够快速且有效的搜索出用户所需的不同类型的多媒体资料。该项工作于1998年10月提出，计划于2001年完成并公布。这个MPEG家族的新成员被称为“多媒体内容描述接口”(MultimediaContentDescriptionInterface)，简称为MPEG-7。其目标就是产生一种描述多媒体内容数据的标准，满足实时、非实时以及推-拉应用的需求。MPEG并不对应用标准化，但可利用应用来理解需求并评价技术，它不针对特定的应用领域，而是支持尽可能广泛的应用领域。----MPEG-7将扩展现有标识内容的专用方案及有限的能力，包含更多的多媒体数据类型。换句话说，它将规范一组“描述子”，用于描述各种多媒体信息，也将对定义其他描述子以及结构(称为“描述模式”)的方法进行标准化。这些“描述”-元数据(包括描述子和描述模式)与其内容关联，允许快速有效地搜索用户感兴趣的资料。MPEG-7将标准化一种语言来说明描述模式，即“描述定义语言”。带有MPEG-7数据的AV资料可以包含静止图像、图形、3D模型、音频、语音、视频，以及这些元素如何在多媒体表现中组合的信息。这些通用数据类型的特例可以包含面部表情和个人化特性。----MPEG-7的功能与其他MPEG标准互为补充。MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4是内容本身的表示，而MPEG-7是有关内容的信息，是数据的数据(dataaboutdata)。MPEG-21对于不同网络之间用户的互通问题，至今仍没有成熟的解决方案。为了解决以上问题，MPEG-21致力于为多媒体传输和使用定义一个标准化的、可互操作的和高度自动化的开放框架，这个框架考虑到了DRM的要求、对象化的多媒体接入以及使用不同的网络和终端进行传输等问题，这种框架还会在一种互操作的模式下为用户提供更丰富的信息。MPEG-21标准其实就是一些关键技术的集成，通过这种集成环境对全球数字媒体资源进行增强，实习内容描述、创建、发布、使用、识别、收费管理、版权保护、用户隐私权保护、终端和网络资源撷取及事件报告等功能。制定目的1.将不同的协议、标准和技术等有机地融合在一起。2.制定新的标准。3.将这些不同的标准集成在一起。MPEG-21标准其实就是一些关键技术的集成，通过这种集成环境对全球数字媒体资源进行增强，实习内容描述、创建、发布、使用、识别、收费管理、版权保护、用户隐私权保护、终端和网络资源撷取及事件报告等功能。任何与MPEG-21多媒体框架标准环境交互或使用MPEG-21数字项实体的个人或团体都可以被视为用户。从纯技术角度来看，MPEG-21对于“内容供应商”和“消费者”没有任何区别。MPEG-21多媒体框架标准包括如下用户需要：内容传送和价值交换的安全性；数字项的理解；内容的个性化；价值链中的商业规则；兼容实体的操作；其他多媒体框架的引入；对MPEG之外标准的兼容和支持；一般规则的遵从；MPEG-21标准功能及各个部分通信性能的测试；价值链中媒体数据的增强使用；用户隐私的保护；数据项完整性的保证；内容与交易的跟踪；商业处理过程视图的提供；通用商业内容处理库标准的提供；长线投资时商业与技术独立发展的考虑；用户权利的保护，包括服务的可靠性、债务与保险、损失与破坏、付费处理与风险防范等；新商业模型的建立和使用。H.264H.264，同时也是MPEG-4第十部分，是由ITU-T视频编码专家组（VCEG）和ISO/IEC动态图像专家组（MPEG）联合组成的联合视频组（JVT，JointVideoTeam）提出的高度压缩数字视频编解码器标准。H.264基本概况随着HDTV的兴起，H.264这个规范频频出现在我们眼前，HD-DVD和蓝光均计划采用这一标准进行节目制作。而且自2005年下半年以来，无论是NVIDIA还是ATI都把支持H.264硬件解码加速作为自己最值得夸耀的视频技术。H.264到底是何方“神圣”呢？H.264是一种高性能的视频编解码技术。目前国际上制定视频编解码技术的组织有两个，一个是“国际电联（ITU-T）”，它制定的标准有H.261、H.263、H.263+等，另一个是“国际标准化组织（ISO）”它制定的标准有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。而H.264则是由两个组织联合组建的联合视频组（JVT）共同制定的新数字视频编码标准，所以它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4高级视频编码（AdvancedVideoCoding，AVC），而且它将成为MPEG-4标准的第10部分。因此，不论是MPEG-4AVC、MPEG-4Part10，还是ISO/IEC14496-10，都是指H.264。H.264最大的优势是具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量的条件下，H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。举个例子，原始文件的大小如果为88GB，采用MPEG-2压缩标准压缩后变成3.5GB，压缩比为25∶1，而采用H.264压缩标准压缩后变为879MB，从88GB到879MB，H.264的压缩比达到惊人的102∶1！H.264为什么有那么高的压缩比？低码率（LowBitRate）起了重要的作用，和MPEG-2和MPEG-4ASP等压缩技术相比，H.264压缩技术将大大节省用户的下载时间和数据流量收费。尤其值得一提的是，H.264在具有高压缩比的同时还拥有高质量流畅的图像，正因为如此，经过H.264压缩的视频数据，在网络传输过程中所需要的带宽更少，也更加经济。AVSAVS是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标准，是《信息技术先进音视频编码》系列标准的简称，其包括系统、视频、音频、数字版权管理等四个主要技术标准和符合性测试等支撑标准。进程AVS标准国际上音视频编解码标准主要两大系列：ISO/IECJTC1制定的MPEG系列标准；ITU针对多媒体通信制定的H.26x系列视频编码标准和G.7系列音频编码标准。1994年由MPEG和ITU合作制定的MPEG-2是第一代音视频编解码标准的代表，也是目前国际上最为通行的音视频标准。经过十年多演变，音视频编码技术本身和产业应用背景都发生了明显变化，后起之秀辈出。目前音视频产业可以选择的信源编码标准有四个：MPEG-2、MPEG-4、MPEG-4AVC（简称AVC，也称JVT、H.264）、AVS。从制订者分，前三个标准是由MPEG专家组完成的，第四个是我国自主制定的。从发展阶段分，MPEG-2是第一代信源标准，其余三个为第二代标准。从主要技术指标——编码效率比较：MPEG-4是MPEG-2的1.4倍，AVS和AVC相当，都是MPEG-2两倍以上。可以推测，由于技术陈旧需要更新及收费较高等原因，MPEG-2即将退出历史舞台。MPEG-4出台的新专利许可政策被认为过于苛刻令人无法接受，导致被众多运营商围攻，陷入无法推广产业化的泥沼而无力自拔，前途未卜。而AVS是基于我国创新技术和部分公开技术的自主标准，编码效率比MPEG-2高2-3倍，与AVC相当，而且技术方案简洁，芯片实现复杂度低，达到了第二代标准的最高水平；而且，AVS通过简洁的一站式许可政策，解决了AVC专利许可问题死结，是开放式制订的国家、国际标准，易于推广；此外，AVC仅是一个视频编码标准，而AVS是一套包含系统、视频、音频、媒体版权管理在内的完整标准体系，为数字音视频产业提供更全面的解决方案。综上所述，AVS可称第