电视原理-传媒大学课件第8章 数字视音频压缩编码.pdf

1 第 8 章数字视音频压缩编码第 8 章数字视音频压缩编码 中国传媒大学 姜秀华 中国传媒大学 姜秀华 ?8.1数字视频压缩编码概论数字视频压缩编码概论 8.1. 数字视频压缩编码概论数字视频压缩编码概论 常见的数字视频的原始有效码率 30 Mbps8352×288/5 0I 4:2:0CIF 124Mbps8720×576/5 0I 4:2:0SDTV 207Mbps10720×576/5 0I 4:2:2SDTV 622 Mbps81920×1080 /50I 4:2:0HDTV 1037Mbps101920×1080 /50I 4:2:2HDTV 无压缩有效 码率 量化比 特数 像素格式色度格 式 数字视频格 式 常见的数字视频的原始有效码率 30 Mbps8352×288/5 0I 4:2:0CIF 124Mbps8720×576/5 0I 4:2:0SDTV 207Mbps10720×576/5 0I 4:2:2SDTV 622 Mbps81920×1080 /50I 4:2:0HDTV 1037Mbps101920×1080 /50I 4:2:2HDTV 无压缩有效 码率 量化比 特数 像素格式色度格 式 数字视频格 式 8.1.1 数字视频压缩机理8.1.1 数字视频压缩机理 ?（（1）数据中的冗余）数据中的冗余 ?① 空间冗余① 空间冗余---图像内部相邻像素之间存在较强的相关性所 造成的冗余。

图像内部相邻像素之间存在较强的相关性所 造成的冗余 ?② 时间冗余② 时间冗余---视频图像序列中的不同帧之间的相关性所造 成的冗余 视频图像序列中的不同帧之间的相关性所造 成的冗余. ?③ 结构冗余③ 结构冗余---是指图像中存在很强的纹理结构或自相似 性，称之为结构冗余 是指图像中存在很强的纹理结构或自相似 性，称之为结构冗余 ?④ 信息熵冗余④ 信息熵冗余---也称编码冗余，如果图像中平均每个像素 使用的比特数大于该图像的信息熵，称为信息熵冗余 也称编码冗余，如果图像中平均每个像素 使用的比特数大于该图像的信息熵，称为信息熵冗余 ? ⑤⑤视觉冗余视觉冗余 ?亮度辨别阈值--人眼刚刚能察觉的亮度变化值称为 亮度辨别阈值 亮度辨别阈值--人眼刚刚能察觉的亮度变化值称为 亮度辨别阈值 ?视觉对于不同图像内容的空间分辨力不同，对于亮 度变化越剧烈如突变的轮廓和边缘处误差容易被掩 盖，而在亮度缓慢变化的平坦区误差容易被察觉 视觉对于不同图像内容的空间分辨力不同，对于亮 度变化越剧烈如突变的轮廓和边缘处误差容易被掩 盖，而在亮度缓慢变化的平坦区误差容易被察觉 ?人眼对亮度比色度敏感---人眼对图像中的亮度细 节的分辨能力比色度高5~7倍，对色度误差的分辨 能力也比亮度低。

人眼对亮度比色度敏感---人眼对图像中的亮度细 节的分辨能力比色度高5~7倍，对色度误差的分辨 能力也比亮度低 8.1.2 数据压缩编码方法分类与性能指标数据压缩编码方法分类与性能指标 ?一、压缩编码分类一、压缩编码分类 ?根据解码后的数据与压缩前原始数据是否相同，压缩编码 可分为两大类： 根据解码后的数据与压缩前原始数据是否相同，压缩编码 可分为两大类： ?（1）无损压缩编码方式：仅仅去除图像数据中的冗余信 息，压缩比较低，能够准确无误地恢复原始数据 （1）无损压缩编码方式：仅仅去除图像数据中的冗余信 息，压缩比较低，能够准确无误地恢复原始数据 ?（2）有损压缩编码方式：不仅去除图像数据中的冗余信 息， 而且也会损失一些图像细节，压缩比较高，不能完 整地恢复原始图像 （2）有损压缩编码方式：不仅去除图像数据中的冗余信 息， 而且也会损失一些图像细节，压缩比较高，不能完 整地恢复原始图像 ?在数字电视的信源压缩编码中，由于要求的压缩比高，普 遍采用的是有损压缩编码方法 在数字电视的信源压缩编码中，由于要求的压缩比高，普 遍采用的是有损压缩编码方法 2 ?在数字电视中，通常采用混合编码方案在数字电视中，通常采用混合编码方案, 包括 基于运动估计和补偿的 包括 基于运动估计和补偿的DPCM、正交变换编码、 熵编码等。

、正交变换编码、 熵编码等 ?二、压缩编码性能指标二、压缩编码性能指标 ?（1） 图象质量评价（1） 图象质量评价 ?通常采用主观评价和客观评价方法评价经过压缩编解码后的 视频图像质量.主观评价是观察者对被测视频质量直接打分 客观评价是通过一定的算法模型对视频图像进行评价 通常采用主观评价和客观评价方法评价经过压缩编解码后的 视频图像质量.主观评价是观察者对被测视频质量直接打分 客观评价是通过一定的算法模型对视频图像进行评价 ?（2）压缩编解码的复杂度（2）压缩编解码的复杂度 ?其中包括算法的运算量、存储量、编码器和解码器的复杂度 等等如果压缩编码的复杂度过高，难以实时处理 其中包括算法的运算量、存储量、编码器和解码器的复杂度 等等如果压缩编码的复杂度过高，难以实时处理 ?（3）压缩解缩后带来的延时量（3）压缩解缩后带来的延时量 ?如果延时过大，会造成明显的可察觉到的声音和画面不同步 现象，需要声音通道上加入相应的延时器加以调整 如果延时过大，会造成明显的可察觉到的声音和画面不同步 现象，需要声音通道上加入相应的延时器加以调整 8.2 预测编码预测编码 ? 预测编码广泛地应用于视频图象和声音信 号的压缩编码中。

预测编码广泛地应用于视频图象和声音信 号的压缩编码中 ? 预测编码是基于图像数据具有的空间和时 间冗余的特性，用相邻的已知像素(或图 像块)来预测当前像素(或图像块)的值， 然后再对预测误差进行量化和编码 减 少数据在时间和空间上的冗余 预测编码是基于图像数据具有的空间和时 间冗余的特性，用相邻的已知像素(或图 像块)来预测当前像素(或图像块)的值， 然后再对预测误差进行量化和编码 减 少数据在时间和空间上的冗余 ?分类 线性预测 非线性预测（不讨论） 分类 线性预测 非线性预测（不讨论） ?线性预测包括：线性预测包括： ?差分脉冲编码调制（DPCM，Differential Pulse Code Modulation ） 差分脉冲编码调制（DPCM，Differential Pulse Code Modulation ） ?自适应的差分脉冲编码调制（ADPCM，Adaptive Differential Pulse Code ） （不讨论） 自适应的差分脉冲编码调制（ADPCM，Adaptive Differential Pulse Code ） （不讨论） ?预测编码的基本原理预测编码的基本原理 ? 相邻样本之间存在较强的相关性。

相邻样本之间存在较强的相关性 ? 差值信号的方差更小，具有更小的动态范围差值信号的方差更小，具有更小的动态范围 ? 编码和传输的并不是采样值本身，而是这个采样 值的预测值与其实际值之间的差值 编码和传输的并不是采样值本身，而是这个采样 值的预测值与其实际值之间的差值 8.2.1 预测编码基本原理预测编码基本原理 3 8.2.1 预测编码基本原理预测编码基本原理 ?差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM，，Differential Pluse Code Modulation），在预测编码时，不直接传送图 像样值本身，而是对被编码的样值与参考样值间的 差值 ），在预测编码时，不直接传送图 像样值本身，而是对被编码的样值与参考样值间的 差值en进行编码、传送进行编码、传送 ?设设xn为被编码图像信号，则对为被编码图像信号，则对xn的预测值为：的预测值为： ?其中：其中： a1, a2,…为预测系数为预测系数 ?xn-1,xn-2,…,为参考样值为参考样值 ?这是一种线性预测这是一种线性预测 ?预测误差预测误差en= xn－－ L++= −−2211 ˆ nnn xaxax n x ˆ n x ˆ ?DPCM系统原理框图系统原理框图 8.2.2 帧内预测方法8.2.2 帧内预测方法 ?帧内预测是基于同一帧内相邻像素存在很强的相关性。

压缩图像的空间冗余 帧内预测是基于同一帧内相邻像素存在很强的相关性 压缩图像的空间冗余.几种常用的线性预测方案几种常用的线性预测方案 ? 前值预测前值预测 ? 一维预测一维预测 ? 二维预测二维预测 ?预测器的设计 预测公式为： 图中的 预测器的设计 预测公式为： 图中的D1,D2,…为延迟器为延迟器 L++= −−2211 ''ˆ nnn xaxax ? 例子：设计一个线性预测器，其预测公式为：例子：设计一个线性预测器，其预测公式为： CBAx 6 1 3 1 2 1 ++= ∧ 8.2.3帧间预测帧间预测 ? 帧间预测是利用图像序列在时间上的相关性来压缩 图像序列的时间冗余 帧间预测是利用图像序列在时间上的相关性来压缩 图像序列的时间冗余 ? 帧间预测又称为三维预测，是用前一帧重建的像素 来预测当前帧像素这种预测器需要使用大容量的 帧存储器存储前一帧的图像 帧间预测又称为三维预测，是用前一帧重建的像素 来预测当前帧像素这种预测器需要使用大容量的 帧存储器存储前一帧的图像 4 8.2.4运动补偿技术8.2.4运动补偿技术 ?运动物体的帧间位移运动物体的帧间位移 ? 如果对运动区域进行预测，首先要估计出物体的运动矢量， 这一过程称为运动估计。

如果对运动区域进行预测，首先要估计出物体的运动矢量， 这一过程称为运动估计 ? 然后再根据运动矢量找出物体在前一帧的区域位置，用这一 区域位置的信号形成当前帧运动物体的预测信号，这叫做运 动补偿 然后再根据运动矢量找出物体在前一帧的区域位置，用这一 区域位置的信号形成当前帧运动物体的预测信号，这叫做运 动补偿 ? 运动补偿编码包括以下几个部分：运动补偿编码包括以下几个部分： ? （1）位移估计：对每一个运动物体进行运动估计，求出运 动矢量； （1）位移估计：对每一个运动物体进行运动估计，求出运 动矢量； ? （2）运动补偿：利用运动矢量建立前后帧内同一物体的空 间位置对应关系； （2）运动补偿：利用运动矢量建立前后帧内同一物体的空 间位置对应关系； ? （3）预测编码：对经过运动补偿后的运动物体的预测帧差 信号、运动矢量进行编码 （3）预测编码：对经过运动补偿后的运动物体的预测帧差 信号、运动矢量进行编码 在运动补偿技术中主要有两个过程： 一为运动估计（Motion Estimation，ME）， 二为运动补偿（Motion Compensation，MC） 在运动补偿技术中主要有两个过程： 一为运动估计（Motion Estimation，ME）， 二为运动补偿（Motion Compensation，MC）。

?1、运动估计、运动估计 ?如何搜索电视图像中的运动部分是运动补偿预测的关键 块匹配法是最常用的一种方法 如何搜索电视图像中的运动部分是运动补偿预测的关键 块匹配法是最常用的一种方法 • 通常一个宏块由一个通常一个宏块由一个16××16像素的亮度阵列和同区域内的像素的亮度阵列和同区域内的 Cb、、Cr 色差阵列共同组成，不同的色度格式包括有不同的 宏块结构，其中的数字表示块的编码顺序 色差阵列共同组成，不同的色度格式包括有不同的 宏块结构，其中的数字表示块的编码顺序 5 ? 最佳匹配块 最佳匹配块的判决依据（判据）： 最佳匹配块 最佳匹配块的判决依据（判据）： 1. 最小均方误差最小均方误差(MSE) 2. 平均绝对帧差（平均绝对帧差（MAD ）） ∑∑ == − ++−= N x N y nn jyixfyxf NN jiMSE 11 2 1 )],(),([ 1 ),( ∑∑ = − = ++= N y nn N x jyixfyxf NN jiMAD 1 1 1 ),(-),( 1 ),( ? 块匹配法的 快速搜索 块匹配法的 快速搜索 • 三步法搜 索 三步法搜 索 ? 运动预测的位移可以。