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1、信息工程系,1,2023/7/29,CH6 数字电视的国际标准,6.1 国际标准概述,表6-1是常用视频数据压缩标准,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)制定。,表6-2 ITU标准与ISO/IEC标准对应关系,信息工程系,2,2023/7/29,6.1.1 电视演播室数字编码国际标准CCIR601,(1)采用亮度信号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13.5 MHz、6.75 MHz、6.75 MHz。,(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0000000011111111)，
2、在抽 样、量化前须对三个分量信号进行校正。,(3)每个数字有效行分别有720个亮度取样点和3602 个色差信号取样点，即 422 格式。,(现国际电信联盟无线电通信部门 ITU-R),R-Radiocommunication Sector,ITU-International Telecommunications Union,信息工程系,3,2023/7/29,CCIR601数字电视编码,图6-1 数字电视信号分量编码原理框图,信息工程系,4,2023/7/29,6.1.2 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：,（Joint Picture Expert G
3、roup）,1、无损压缩（预测压缩）,2、有损压缩,联合图像(静止)专家组,以DCT变换为基础的压缩方法，其压缩比较高，是JPEG标准的基础。,以二维DPCM为基础的压缩方式，解码后能完全精确地恢复原图像采样值，其压缩比低于有损压缩方法。,信息工程系,5,2023/7/29,H.26x标准,包括H.261、H.262、H.263和H.264等视频编码标准。,H.261标准的信号适合在较高速率的ISDN数字网上传输，H.262是图像质量较高的图像压缩标准，H.263是极低速率的视频编码标准，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。,信息工程系,6,202
4、3/7/29,MPEG标准,MPEG是 ISO 和 IEC 两个国际组织的联合技术委员会(JTCI-Joint Technical Committee ISO/IEC)领导下的“活动图像专家组”的英文简称，1988年成立以来已经制定了包括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。,（Moving Picture Expert Group）,信息工程系,7,2023/7/29,6.1.5 超高清晰度成像(HRI)建议(ITU-R BT.1201),ITU-R BT.1201 建议提出了超高清晰度成像(HRI)格式和规范建议。,表6-
5、1 HRI 种图像格式规范建议,(HRI-High Resolution Image直译为高分辨图象),6.16 JVT标准,H.264/AVC 特点：,(Joint Video Team),JVT是由ISO/IEC MPEG和ITU-T VCEG成立的联合视频工作组（Joint Video Team），致力于新一代数字视频压缩标准的制定。JVT标准在ISO/IEC中的正式名称为：MPEG-4 AVC(part10)标准；在ITU-T中的名称:H.264。,1、和以往标准相比最多可节省50的码率，使存储容量大大降低；,2、不同分辨率、码率下都能提供较高的视频质量；,3、易于视频会议、视频电话，
6、更易实现网络传输。,AVS标准,1.AVS视频编码标准内容,（AudioVideocodingStandard）,由我国的“数字音视频编解码技术标准工作组”制定。AVS1.0包括系统、视频、音频和一致性等标准支撑部分。,包括：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6-1 AVS视频编码器框图,前5个模块使用不受专利保护的公开技术，后3个模块是创新技术。,信息工程系,10,2023/7/29,(1)高效,2.AVS标准的特点,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.264的30，解码复杂度相当于H.264的7
7、0。AVS只有2个参考图像，最小运动补偿块为88；许多在HD-TV和HD-VD(High Definition Video Disk高清晰度视盘)应用中不需要的编码工具被删除，与MPEG-2兼容。电视台现有的基于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。,6.2 H.261标准,6.2.1 概述,1990年12月国际电报电话咨询委员会(CCITT)通过H.261标准，是一种用于双向通信的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的多媒体领域。采用p64kbit/s的声像业务的图像编解码，其中p=1,2,
8、，32，为实现低成本，只用Y、U、V为420的一种格式。帧格式有两种，CIF（352288）和QCIF（176144）。,6.2.2 H.261标准的图像格式,其中CIF(Common Intermediate Format)为通用中间格式，QCIF(Quarter CIF)为1/4通用中间格式，SQCIF为扩展的通用中间格式，4CIF为4倍的通用中间格式，16CIF为16倍的通用中间格式。,表6-2 H.261与 H.263 图像格式,信息工程系,13,2023/7/29,H.261图像的像素结构,1.宏块,2.宏块组,3.每帧图像,每块为88个像素，每宏块为1616个像素,每个宏块组为17
9、648(1611)(163)个像素,每帧CIF格式图像为352 288(1766)(486)个像素,信息工程系,14,2023/7/29,6.2.3 H.261信源编码器,图6-2 H.261编码器方框图,采用基于运动补偿的帧间预测和对原始图像数据进行88共64个像素的DCT（设置自适应量化器；再采用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Y的4个88像素方块，色度信号Cb、Cr的各一个88像素方块，共6个88像素方块。,1、帧内编码模式,帧内帧I图像采用帧内编码，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
10、比特流编码器即生成编码比特流，而不经过预测环处理。DCT直接应用于原始的图像数据。,游程编码RLE(run-length coding),差分脉冲编码调制(DPCM),图6-3 帧内图像压缩编码算法框图,信息工程系,16,2023/7/29,2、帧间编码模式,(1)预测帧P(Predictive coded picture)图像压缩编码算法,前向预测编码帧图像，参照前一幅 I 帧或 P 帧图像做运动补偿的帧间预测,图6-4 预测图像P的压缩编码算法框图,原图像先与帧存储器中的预测图像比较，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
11、码器生成输出编码比特流。,进行更有效的；通常用于进一步预测之参考。,信息工程系,17,2023/7/29,(2)双向预测帧B压缩编码算法,双向预测编码帧图像，参照前一幅(I帧或P帧)和后一幅（P帧）图像做运动补偿的双前向预测编码。提供最高的压缩。,(Bidirectionally Predicted Picture),图6-5双向预测图像B的压缩编码算法框图,信息工程系,18,2023/7/29,3、环路滤波器,表6-2(1)环路滤波器的系数,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补偿过程中的高频噪波。,信息工程系,19,2023/7/29,表6-2(2)环路滤波器的系数,信息工
12、程系,20,2023/7/29,6.2.4 H.261信源解码器,图6-6 H.261解码器方框图,6.3 JPEG标准,6.3.1 基于DCT的编码器和解码器,图6-7 JPEG编解码原理框图,信息工程系,22,2023/7/29,1、DCT的编码原理,(1)DCT变换,(2)量化,输入端将原图像分成88像素块(Block)后送入DCT变换器，目的是去除图像数据的空间冗余。,利用人眼的视觉特性设计量化表。,亮度量化表,色度量化表,(3)之字形扫描,(4)可变长熵编码,编码之前，需要把二维的变换系数矩阵转换为一维序列。,为消除码字中的统计冗余，采用可变长熵编码。,信息工程系,24,2023/7
13、/29,6.4 MPEG标准,6.4.1 MPEG-1标准,（Moving Picture Expert Group）,1992年制定，主要任务是制订活动图像及相应的声音及数字存储媒体上用于存储及重放时的压缩编码标准。,MPEG-1“用于高至1.5Mb/s的数字存储媒体的活动图像和相应的音频编码”。基本目标是将活动的视频图像及其伴音进行压缩编码等处理，形成一个复合的既包括视频又包括音频信息的统一的二进制比特流，同时还要保持图像和声音的同步，压缩比可高达200：1，相当VHS画质。,信息工程系,25,2023/7/29,1、MPEG-1标准的内容,最主要的三部分：MPEG系统，MPEG视频和MP
14、EG音频。亮度、色度块均由88个像素组成，块是MPEG-1中最小的图像处理单元，由4个88的亮度块和两个88的色度块组成。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标准的出现极大地推动了VCD以及影视节目存储的应用与发展。,信息工程系,26,2023/7/29,MPEG-1编解码过程,图6-9 MPEG-1编解码过程,图6-11 通信处理板电路框图,图6-10 MPEG-1解码器系统实现框图,缓存器来平滑时变的数码率，以便和信道的码率相匹配。,信息工程系,27,2023/7/29,2、MPEG中的三种图像类型,(1)I帧(Intra-Frame),(2)P帧
15、(Predicated-Frame),是帧内压缩，不使用运动补偿，提供中等的压缩比。由于I帧不依赖于其他帧，所以是随机存取的入点，同时是解码中的基准帧。,根据前面的I帧或P帧进行预测(向前预测)，使用运动补偿算法进行压缩，因而压缩比要比I帧高，数据量平均达到I帧的1/3左右。,P帧是对前后的B帧和后继的P帧进行解码的基准帧。P帧本身是有误差的，如果P帧的前一个基准帧也是P帧，就会造成误差传播。,信息工程系,28,2023/7/29,是基于内插重建的帧，它基于前后的两个I、P帧或P、P帧，它使用双向预测，数据量平均可以达到I帧的1/9左右。B帧本身不作为基准，因此可在提供更高的压缩比的情况下不传
16、播误差。,(3)B帧(Bidirectinal-Frame),信息工程系,29,2023/7/29,I 帧、P帧和B帧图像的依赖关系,表6-3 I帧、P帧、B帧的数据字节和压缩比,B帧有较高的压缩比，所以视频编码器总编码效率提高；I帧和P帧的压缩比不高，可保证较高的重建图像质量。,1)码流组成,2)传输码流组成,信息工程系,31,2023/7/29,图像序列层（Video Sequence layer）图像组层（Group of Picture）图像层（Picture）宏块条/片层（Slice）宏块层（Macro block）块层（Block layer）,3MPEG-1视频流结构,图6-12
17、 MPEG-1视频流结构,信息工程系,32,2023/7/29,(1)MPEG-1视频流分层结构,图6-13 MPEG-1视频流分层结构,图像序列层 图像组层 图像层 宏块条/片层 宏块层 块层,（六个层次）,信息工程系,33,2023/7/29,图6-14 MPEG-1宏块结构,(2)MPEG-1宏块结构类型,6.4.2 MPEG-2标准,由ISO/IEC的MPEG专家组与ITU-T的ATV的图像编码专家组于1994年共同制定。,主要包括系统、视频、音频、一致性、参考软件、数字存储媒体的命令与控制、高级音频编码、10比特视频编码和实时接口9个部分。应用范围包括标准清晰度电视、高清晰度电视和M
18、PEG-1的工作范围。MPEG-2的解码器可以对MPEG-1码流进行解码。,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,信息工程系,36,2023/7/29,MPEG-2节目 码流的组成,图 6-17 MPEG-2 节目码流组成 示意图,信息工程系,37,2023/7/29,图 6-17 MPEG-2传送码流组成示意图,(2)MPEG-2传送码流的组成,信息工程系,38,2023/7/29,2图像部分,(1)级(levels),(2)类(profiles),图像编码可分级性是MPEG-2及以上标准的显著特征,指接收机可视具体情况对编码数据流进行部分编
19、码。其重要目标是对具有不同带宽、显示能力和用户需求的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的功能。,为适应适应不同数字电视体系，MPEG-2有4种输入格式，用级加以划分；,用类划分不同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的图像，也能解码用较低类工具编码的图像。,信息工程系,39,2023/7/29,表6-4 MPEG-2图像编码的分级,信息工程系,40,2023/7/29,3、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。通过将每22个像素用
20、它们的平均值替换，可实现4:1比率的空间下采样。,图6-18 MPEG2编码器原理框图,信息工程系,41,2023/7/29,两层空间可分级编码器用更复杂的预滤波器可以减少下采样图像的重叠效应，但以增加复杂度作为代价。对增强层，进行以下工作：通过反量化和IDCT重建基本层图像；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比率的空间上采样。从原始图像中减去上采样的基本层图像；对残差进行DCT变换，并用小于基本层的量化参数进行量化；用VLC编码量化比特。由于增强层使用了较小的量化参数，它可以达到比基本层更高的质量。,信息工程系,42,2023/7/29,4.MPEG-2视频解码器,图6
21、-19 MPEG-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变换后输出重建的宏块差值MB。解码直接用TS流中传输来的运动矢量MV进行准确的运动补偿，从帧存储器中读出匹配宏块MC，在加法器中与宏块差值MB相加，还原出相应的P、B图像，重新排列成编码前原始的图像顺序。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规定的句法元素格式提供给接收端使用。,信息工程系,43,2023/7/29,两层空间可分级解码器对基本层，与不分级的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
22、样的基本层图像与增强层的细节相结合形成增强层解码视频。,图6-20 MPEG2编解码器示意图,5.数字电视接收的基本原理(MPEG-2解码),图6-20 8ATSC 8VSB接收机简化框图,6.4.3 MPEG-4标准,1.概述,MPEG-4于2000年初正式成为国际标准，是适应多媒体应用的“音频视频对象编码”标准，针对低比特率的远程会议和要求高比特效率的相关应用。,MPEG-4不只是具体算法，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的需求而制定的国际标准。它为视音频的通信、存取和管理提供更为灵活的格式和框架。,目标：支持多种多媒体的应用，特别是基于内容的检
23、索和访问，可根据不同应用需求现场配置解码器。应用范围包括实时视听通信、多媒体通信、远地监测/监视、VOD、家庭购物/娱乐等。,2.MPEG-4标准架构,MPEG-4提供不同视频标准源格式、码率、帧频下矩形图像的有效编码，同时也将支持基于内容的图像编码。,图6-21 MPEG-4支持的码率和相应功能图,MPEG-4可对合成的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的数据流进行描述；支持具有纹理映射功能的静态/动态网格编码；支持视点有关应用（View Dependent Application）中的纹理编码。,信息工程系,47,2023/7/29,(1)极低比特率视频VLBV功能层,
24、（Very Low Bit Rate Video）,适用5-64kbits/s视频操作与应用，支持较低的空间分辨率（低于352288像素）和较低的帧频（低于15Hz）。,VLBV核心支持的专用功能：,1)实时多媒体应用：支持矩形图像序列的有效编 码，具有高编码效率、高精度、高容错度、低延 时等特点。,2）多媒体数据库应用：支持多媒体数据库的存储、随机存取以及FF/FR(快进/快退)等功能与操作。,图 6-22 MPEG-4甚低码率编码,信息工程系,48,2023/7/29,(2)高低比特率视频HBV功能层,适用范围为64kbits/s-4Mbits/s，同样支持上述VLBV功能，但它支持较高的
25、空间与时间分辨率。,（High Bit Rate Video）,1)基于内容的交互性，可对不同来源的视、音频对象 进行合成。2)高效的压缩性，采用了基于对象(Object-Based)编码 等的第二代编码技术。3)通用的访问性。具有鲁棒性和纠错功能，从而保证 在易出错的通信环境下实现安全的低码率编码和传输。,MPEG-4特点：,信息工程系,49,2023/7/29,3.MPEG-4 视频位流的层次数据结构,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，如图所示。,图6-20 MPEG-4视频的层次结构,信息工程系,50,2023/7/29,(2)视频对象VO(Video
26、Object)：,MPEG4自然视频码流的层次化数据结构分为如下五层：,(1)视频序列VS(Video Sequence)：,VS对应于场景的电视图像信号，是整个场景在各段时间的图像。VS也由一个或多个VO构成。,VO对应于场景中的人、物体或背景，它可以是任意形状。是从VS中提取的不同视频对象。,信息工程系,51,2023/7/29,(3)视频对象层VOL(Video Object Layer),(4)视频对象平面组GOV(Group of VOP),VOL指VO码流中包括的纹理、形状和运动信息层。VOL用于实现分级编码。,GOV层是可选的。GOV由多个VOP组成。GOV提供了比特流中独立编码
27、VOP的起始点，以便于实现比特流的随机存取。,信息工程系,52,2023/7/29,(5)视频对象平面VOP(Video Object Plane)：,VOP可以独立地进行编码(IVOP)，也可以运用运动补偿编码(PVOP和BVOP)，VOP可以是任意形状的。,VOP（Video Object Plane）视频对象面：表示视频对象形成的画面，其形状可以是任意的，当VOP是矩形时，则图像编码还原成传统图像编码。,信息工程系,53,2023/7/29,基于对象的编码理念:将一幅景物分成若干时间、空间上相互联系的视频频对象VO 分别编码，再经复用传输到接收端，然后对不同对象分别解码，从而组合成所需的
28、视频和音频。这样既方便对不同对象采用不同编码和表示方法，又利于不同数据类型间的融合，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的演播室里，还可在互联网上方便的实现交互，根据自己的需要有选择的组合各种视频音频以及图形文本对象。,4.MPEG-4视频编解码,信息工程系,54,2023/7/29,(1)MPEG-4基于对象的编码方法,每个场景由单独编码的视频对象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的快照序列-视频对象面VOP；每个VOP编码器处理其形状、运动和纹理特征；形状信息的编码是通过
29、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。,信息工程系,55,2023/7/29,(2)基于VOP的视频编码,MPEG-4的编码和解码是针对VOP进行的，编码时首先由输入的视频序列通过与用户的交互形成一个VOP，然后针对每一个VOP分别进行编码，最后将所有的VOP编码结果合成一个视频数据流。,1)视频对象VO,2)视频对象平面VOP,(Video Object),是视频序列中的人物或具体的景物(例如电视新闻中的播音员或是电视剧中一辆奔驰的汽车)，也可以是由计算机图形技术生成的二维或三维图形。,是视频对象在某一时刻的采样，同一
30、对象连续的VOP称为视频对象。,MPEG-4在编码过程中针对不同VO采用不同的编码策略，即对前景VO的压缩编码尽可能保留细节和平滑；对背景VO则采用高压缩率的编码策略，甚至不予传输而在解码端由其他背景拼接而成。MPEG-4支持任意形状图像与视频的编解码。,信息工程系,57,2023/7/29,3)基于VOP的视频编码过程,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：a VO的形成b 各个VO分别独立编码c 将各个VO的码流复合成一个位流。,信息工程系,58,2023/7/29,对自然视频流VOP编码,由编码控制器为不同VO的形状、运动、纹理信息分配码率，并由VO编码器对各个VO
31、分别进行独立编码;,信息工程系,59,2023/7/29,将编码的基本码流复用成一个输出码流,编码控制和复用（MUX，Multipex，多路复用）部分可以加入用户的交互控制或智能算法控制。,信息工程系,60,2023/7/29,4)MPEG-4视频信号编码基本原理,包括形状编码、运动补偿和纹理编码三个部分。其中运用的主要技术是运动估值补偿、DCT变换(采用标准的88 DCT或自适应DCT)和混合DPCM(差分脉冲编码)等。,图 6-23 MPEG-4编码器基本框图,信息工程系,61,2023/7/29,描述图像视频对象的属性,形状（Shape）外形，透明等运动（Motion）位置，位移等纹理（
32、Texture）颜色，灰度等,信息工程系,62,2023/7/29,形状编码：,二值形状编码,灰度形状编码,用0255表示VOP的透明度，0表示完全透明，255表示完全不透明,1：表示VOP中像素属于视频对象,0：表示VOP中像素不属于视频对象,描述视频对象的形状,信息工程系,63,2023/7/29,运动信息编码,I-VOP：帧内VOP，采用帧内编码技术,P-VOP：前向VOP，采用前向预测编码技术,B-VOP：双向VOP，采用双向预测编码技术,采用运动预测和运动补偿技术去除图像的帧间冗余度。,VOP分为三类：,信息工程系,64,2023/7/29,纹理编码,采用88DCT变换消除VOP的帧内冗余度,信息工程系,65,2023/7/29,5)MPEG-4视频编码举例,在电视安全监控中对图像进行数字录像时，常采用MPEG-4标准进行压缩，因为电视监控图像背景是固定不变的，人物较少，,活动缓慢，基于对象编码能得到较高的数据压缩率。MPEG-4在演播室视频编辑、虚拟演播室等方面已经有较多的应用。,信息工程系,66,2023/7/29,(3)VO解码,接收端经解复用将各个VO分别解码，然后将解码后的VO合成场景输出。解复用和VO合成时同样可加入用户交互控制。,信息工程系,67,2023/7/29,5、MPEG-1、2、4编码结构框架对比,
