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1、1,预测编码和视频压缩标准,电子与通信工程李廷廷,2,8.1 预测编码,8.1.2 DPCM原理,8.1.3 线性预测编码,8.1.4 最佳量化器,8.1.5 非线性自适应预测编码,8.1.1 概述,3,8.1.1 概述,预测编码的基本原理 预测编码（Prediction Coding）是根据某一种模型，利用以前的（已收到）一个或几个样值，对当前的（正在接收的）样本值进行预测，将样本实际值和预测值之差进行编码。如果模型足够好，图像样本时间上相关性很强，一定可以获得较高的压缩比。具体来说，从相邻像素之间有很强的相关性特点考虑，比如当前像素的灰度或颜色信号，数值上与其相邻像素总是比较接近，除非处于
2、边界状态。那么，当前像素的灰度或颜色信号的数值，可用前面已出现的像素的值，进行预测（估计），得到一个预测值（估计值），将实际值与预测值求差，对这个差值信号进行编码、传送，这种编码方法称为预测编码方法。,4,8.1.1 概述,预测编码的基本思想 建立一个数学模型 利用以往的样本数据 对新样本值进行预测 将预测值与实际值相减 对其差值进行编码，这时差值很少，可以减少编码码位。,5,8.1.1 概述,预测编码：就是根据过去的信号样值预测下一个样值，仅把预测值与现实的样值之差（预测误差）加以量化、编码以后进行传输的方式，如下图所示，在接收端，经过和发信端的预测完全相同的操作，可以得到量化的原信号，然后
3、再通过低通滤波便可恢复与原信号近似的波形。图8.1.1 预测编码原理图,返回,6,8.1.2 DPCM原理,DPCM原理,差分脉冲编码调制（DPCM）是预测编码中的一种典型的编码方法。,对差值进行量化、编码、传输,7,8.1.2 DPCM原理,8,8.1.2 DPCM原理,预测器的作用,9,8.1.2 DPCM原理,上式表明，预测器应能记忆（存贮）前N个恢复值，是一个有限记忆信源（又称有限Markov信源）。,10,8.1.2 DPCM原理,11,8.1.2 DPCM原理,接收端工作过程译码后，进行异地恢复和预测。,若信道无干扰，且预测器性能与发送端一致，则其输出为,设发端量化器的量化误差为：
4、,则恢复值 与实际值 的误差：,12,8.1.2 DPCM原理,讨论若收、发两端的预测器完全相同，则差值 即为量化器的量化误差，与译码器无关。,13,8.1.2 DPCM原理,DPCM系统的性能决定于预测器与量化器的设计。,DPCM系统的主要问题是存在误码扩散：即误码图案将沿扫描行、相邻行的邻域扩散。这是因为单个传输误码在图像中某位置引起的错误作用于接收端的译码器，将会影响以后各像素的预测和恢复，从而严重影响图像的恢复质量。,返回,14,8.1.3 线性预测编码,当预测系数i=常数时，则为线性预测。,最佳线性预测 选择一组预测系数，使均方误差 最小，就称为最佳线性预测。,设图像信号 是一个平稳
5、随机过程，则均方误差,当不考虑量化器时，可由 时刻前的实际值估计,15,8.1.3 线性预测编码,按均方误差（MSE）最小准则，令,其中,得,进一步得到,16,8.1.3 线性预测编码,将上式改写为,17,8.1.3 线性预测编码,利用自相关函数的对称性质，可将上式写成矩阵形式：,该方程组称为Yule-Walker方程组，可用递推法求解系数 就是最佳线性预测系数。,18,8.1.3 线性预测编码,最小均方误差,定义最小均方误差：,均方误差：,式中,19,8.1.3 线性预测编码,所以得到：,讨论 图像像素间存在相关性，R(i)0方差e2 R(0)。说明在最佳预测条件下，必然有ek的方差小于信号
6、Xk的方差R(0)，甚至可能有e2 R(0)。即此时误差相关性小（远小）于原始信号序列的相关性，因而预测法可达到数据压缩的目的。原图像像素间相关性越强 2emin 压缩比越高。若像素互不相关,即R(0)=0,(i0),则2emin=R(0),无压缩可能。N称为预测阶数。不是越大越好，当选择N使，且再增大阶数N便无意义了。,返回,20,8.1.4 最佳量化器,21,8.1.4 最佳量化器,返回,22,8.1.5 非线性自适应预测编码,最佳线性预测是以图像为平稳随机过程作为前提的，所导出的预测系数与位置无关（因为平稳随机场的均值函数和自相关函数与位置无关）。一般而言，图像总体上是平稳的，但局部往往
7、是不平稳的，因此，可采用使预测系数与局部特性相匹配的方法进行预测，即根据图像的统计特性及变化，自动调节预测系数这就是非线性自适应预测编码。,23,8.1.5 非线性自适应预测编码,24,8.1.5 非线性自适应预测编码,25,8.1.5 非线性自适应预测编码,返回,26,8.2 视频编码标准,8.2.1 视频编码标准的发展 8.2.2 ITU-T的标准系列 8.2.3 ISO/IEC的标准系列 8.2.4 AVS,27,8.2.1 视频编码标准的发展,1990发布的H.26l是ITU一T(International Telecommunication Union电信联盟)提出的第一个H系列视频
8、压缩标准。H.261标准被称为视频压缩编码的一个里程碑，其采用的压缩算法成为以后其它各种压缩标准的基础和核心。在H.261基础上，1995年ITU一T推出了H.263标准，用于64kbps以下的低码率视频传输，如PSTN信道中的视频会议，多媒体通信等。2000年又分别公布了H.263+、H.263+等标准，它们是H.263的改进版，在保证原H.263标准的核心句法和语义不变的基础上，增加了若干选项以提高压缩效率或某方面的功能，进一步提高了压缩编码性能和可扩展性。,28,8.2.1 视频编码标准的发展,另一个国际标准组织ISO/IEC(International Organization for
9、 standardization/Intemational Electro technical Commission国际标准化组织/国际电工委员会)的活动图像专家组MPEG(Moving Picture Expert Group)，于1991年公布了MPEG一1视频编码标准1181，主要用于家用VCD的视频压缩。1994年公布的MPEG一2标准，主要用于数字视频广播DVB、家用DVD及高清晰电视HDTV。1999年又公布了MPEG-4标准，它除了定义了基于视听对象的编码标准外，还强调了多媒体通信的交互性和灵活性。,29,8.2.1 视频编码标准的发展,2003年，ITU一T和ISO/IEC共同
10、成立的联合视频小组JVT(JointVideo Team联合视频编码组)公布了H.264视频压缩标准，同时也作为MPEG-4的第10部分内容。H.264提供更高的压缩率和更良好的网络亲和性，主要应用于数字广播电视，视频实时通信和网络流媒体等领域。2005发布了支持高框架的最新版本。2004年经美国电影与电视工程师协会(SMPTE:Society of Motion Picture and Television Engineers)审批通过的SMPTE标准VC-1(Video Codec One 简称VC-1)，成为视频压缩产业标准之一。VC-1的前身是微软公司的新一代多媒体系列Window M
11、edia 9中的视频部分WMV-9，主要应用于数字电视广播，IPTV，高清DVD等领域。,30,8.2.1 视频编码标准的发展,为了解决视频标准的专利问题，促进我国视频压缩相关产业的发展，2002年由国家信息产业部科技技术司批准成立了数字音视频编解码技术标准工作组，制定具备自主知识产权的音视频压缩标准先进音视频编码标准，简称AVS。主要应用于高清晰数字广播、高密度存储媒体和移动媒体等。AVS的制定有利于推动我国信息产业的发展，提高相关产业的国际竞争力。,返回,31,8.2.2 ITU-T的标准系列,H.261 视频编码标准 H.261是ITU-T为在综合业务数字网上 开 展 双 向 声 像 业
12、 务 而 制 定 的,速 率 为64kbps的整数倍。H.261只对CIF和QCIF两种图像格式进行处理,每帧图像分成图像层、宏块组(GOB)层宏块(MB)层、块(Block)层来处理。H.261又称为P*64,其中P为64kbps的取值范围,是1到30的可变参数,它最初是针对在ISDN上实现电信会议应用特别是面对面的可视电话和视频会议而设计的。H.261在实时编码时比MPEG所占用的CPU运算量少得多,此算法为了优化带宽占用量,引进了在图像质量与运动幅度之间的平衡折中机制。H.261是最早的运动图像压缩标准,它详细制定了视频编码的各个部分,包括运动补偿的帧间预测、DCT变换量化、熵编码,以及
13、与固定速率的信道相适配的速率控制等部分。,32,8.2.2 ITU-T的标准系列,H.263 视频编码标准 H.263是为低码流通信而设计的,在许多应用中可以认为被用于取代H.261。H.263的编码算法与H.261一样,是最早用于低码率视频编码的ITU-T标准,随后出现的第二版(H.263+)及H.263+增加了许多选项,使其具有更广泛的适用性。H.263是ITU-T为低于64kb s的窄带通信信道制定的视频编码标准。它是在H.261基础上发展起来的,其标准输入图像格式可以是S-QCIF、QCIF、CIF、4CIF或者16CIF的彩色420亚取样图像。H.263 视频压缩标准版本2 H.26
14、3标准的版本2非正式地命名为H.263+标准。它在保证原H.263标准核心句法和语义不变的基础上,增加了若干选项以提高压缩效率或改善某方面的功能。H.263+标准允许更大范围的图像输入格式,自定义图像的尺寸,从而拓宽了标准使用的范围,使之可以处理基于视窗的计算机图像、更高帧频的图像序列及宽屏图像。为适应网络传输,H.263+增加了时间分级、信噪比和空间分级,对在噪声信道和存在大量包丢失的网络中传送视频信号很有意义。,返回,33,8.2.3 ISO/IEC的标准系列,MPEG-1 MPEG-1是MPEG的小画面模式,具有352240的图像分辨率,每秒30帧的播放速度,用CD音质的伴音,适用于1.
15、5Mbps以下数据传输率的传输与存储系统中应用。VCD采用的就是MPEG-1编码格式,被用于数字电话网络上的视频传输,如非对称数字用户线路(ADSL)、视频点播(VOD)以及教育网络等。,34,8.2.3 ISO/IEC的标准系列,MPEG-2 MPEG-2是高质量图像的压缩标准,其图像分辨率为720480,60场每秒,其数据传输率为4-10MBps,为可变传输速率。MPEG-2兼容MPEG-1标准。DVD和超级VCD采用的是MPEG-2标准,采用MPEG-2压缩编码的DVD视盘,给资料保存带来了新的希望。MPEG-3 MPEG-3是ISO/IEC最初为HDTV(高清晰电视广播)制定的编码和压
16、缩标准,由于 M P E G-2 的 性 能 已 适 用 于 H D T V,MPEG-3标准并未制定,通常所说的MP3指的是MPEGLayer3,只是MPEG的一个音频压缩标准。,35,8.2.3 ISO/IEC的标准系列,MPEG-4 MPEG-4于1998年11月公布,更加注重多媒体系统的交互性和灵活性,主要应用于视像电话、视像电子邮件和电子新闻等,传输速率在480064000bps之间,分辨率为176144。主要面向娱乐、欣赏方面的市场。其特点是其更适于交互AV服务以及远程监控。MPEG-7 MPEG-7力求能够快速且有效地搜索出用户所需的不同类型的多媒体材料,既可应用于存储,也可用于
17、流式应用,还可以在实时或非实时环境下应用,如数字图书馆、多媒体名录服务、广播媒体选择等MPEG-7未来将会在教育、新闻、导游信息、娱乐等各方面将发挥巨大的作用。,返回,36,8.2.4 AVS,AVS（Audio Video coding Standard，音视频编码标准）是信息技术 先进音视频编码系列标准的简称，是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标准，也是数字音视频产业的共性基础标准。顾名思义，“信源”是信息的“源头”，信源编码技术解决的重点问题是数字音视频海量数据（即初始数据、信源）的编码压缩问题，故也称数字音视频编解码技术。显而易见，它是其后数字信息传输、存储、播放等环节的前提，因此
18、是数字音视频产业的共性基础标准。,37,8.2.4 AVS,我国制定的数字音/视频编/解码技术标准AVS的基本技术路线是“大胆采用主流技术,小心规避国外专利”在清楚分析国际标准的发展历程、技术框架、关键技术和利益关系得基础上,采用当前国际主流技术方案,大胆采用国际范围内积累的公开编码压缩技术,用自主技术“绕开”正在处于专利保护期的技术,加入我国自主创新成果,制定出性能上超过国际标准,技术上具有自主权的国家标准。在AVS视频编码标准中,包括八大技术模块: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。其中前5块为不受专利保护的公开技术,后3块是创新技术。,38,8.2.4 A
19、VS,AVS标准的特点是复杂度低,兼容性好,比MPEG22编码效率高2倍,与H2264编码效率相当。AVS拥有两个参考图像,最小运动补偿块为88,与MPEG22系统兼容,电视台现有的基于MPEG22的编辑与传输系统不需要改变,且关键硬件编解码芯片已实现,这样编码芯片可以把各种输入音/视频信号编码压缩为AVS码流,用于数字电视节目播出;解码芯片可以作为数字电视机顶盒或接收机的核心芯片。AVS标准为我国提供了一个互为准入、交叉许可的谈判筹码,即外商接收机要进入中国,就必须符合AVS标准。如果在标准互为准入方面能相互制衡,我国制造业的被动局面就被改观。在标准制衡的情况下,自主技术将覆盖我国市场,使我
20、们处于相对有利地位,以改变国外技术对我们的控制。,39,8.2.4.1 AVS视频标准的系统结构和工作原理,图1 AVS视频标准系列结构原理框图,40,8.2.4.1 AVS视频标准的系统结构和工作原理,AVS视频标准系统结构原理如图1所示,AVS视频标准是基于空间和时间的预测和补偿、空域的变换及基于统计的熵编码的混合编码,AVS视频标准采用了一系列技术来达到高效率的视频编码,包括变换与量化技术、帧内预测技术、亚像素插值与帧间预测技术、环路滤波器技术和熵编码技术等。,41,8.2.4.1 AVS视频标准的系统结构和工作原理,在AVS视频标准中,所有宏块都要进行帧内预测或帧间预测,帧间预测使用基
21、于块的运动矢量来消除图像间的冗余,帧内预测使用空间预测模式来消除图像内的冗余,再通过对预测残差进行88整数变换(DCT)和量化消除图像内的视觉冗余,AVS的变换和量化只需要加减法和移位操作,用16位精度即可完成。使用环路滤波器对重建图像进行滤波既可以消除块效应,改善重建图像的主观质量,也能够提高编码效率,滤波强度可以自适应调整,最后,运动矢量、预测模式、量化参数和变换系数用熵编码进行压缩。,42,8.2.4.2 AVS的优势,1、AVS是基于我国自主创新技术和国际公开技术所构建的自主标准；2、AVS的编码效率比我国目前广泛采用的MPEG-2国际标准高23倍；3、AVS与H.264编码效率相当，
22、但技术方案更简洁；4、AVS可节省一半以上的无线频谱和有线信道资源，降低传输和存储系统的复杂度，显著降低传输、存储设备与系统的经济投入。,43,8.2.4.2 AVS的优势,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。它可以提供数字音视频的压缩、解压缩、处理和表示等共性技术标准，为数字音视频设备与系统提供高效经济的编解码技术，可广泛应用于互联网宽带流媒体、数字电视、IPTV、数字卫星电视、高密度激光数字存储媒体、视频监控等领域，可以说只要涉及到“视听”的地方都可以发挥重要作用。在音视频编解码设计领域，AVS标准可以为企业提供核心竞争力
23、，使企业在芯片、软件和整机等产品上获得优势；在数字电视领域，用AVS替换我国目前广泛采用的MPEG-2标准来处理视频信号，不但可以获得更好的视频效果，还可以节约带宽，降低运营成本；在视频监控领域，目前视频监控使用越来越广泛，为了解决国外视频标准的专利费和安全性问题，我国视频监控产业将基于AVS标准制定具有自主知识产权的行业标准；在网络电视领域，AVS能为运营商节约昂贵的专利费用。,44,8.2.4.2 AVS的优势,AVS视频标准的提出，使中国拥有了自己的视频标准，更重要的是掌握了核心技术的专利权，减轻了企业的负担，有助于我国数字视频产业快速发展。它的出现，最直接的产业化成果是在未来十年内我国需要的数亿颗解码芯片，最直接的经济效益是每年节约数十亿美元的巨额专利费。作为一个电子消费类产品的生产和消费大国，如果采用自主的AVS标准，可以在相关产业链中掌握全面的主动权。AVS作为数字音视频产业“牵一发动全身”的基础性标准，为我国构建“技术专利标准芯片与软件整机与系统制造数字媒体运营与文化产业”的产业链条提供了难得机遇。,
