第5章--数字电视的国际标准0演示教学.ppt

通信工程系,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第5章-数字电视的国际标准0,5/14/2025,2,通信工程系,5/14/2025,3,通信工程系,图像压缩编码标准可分为两大系列：,MPEG-X,和,H.26X,。MPEG-X是由国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)提出的标准，H.26X 是由国际电信联盟(ITU)标准委员会提出的。,5/14/2025,4,通信工程系,图像压缩编码标准可分为两大系列：,MPEG-X,和,H.26X,。MPEG-X是由国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)提出的标准，H.26X 是由国际电信联盟(ITU)标准委员会提出的。,5/14/2025,5,通信工程系,超高清晰度成像(HRI)建议,(ITU-R BT.1201),ITU-R BT.1201 建议书提出了超高清晰度成像(HRI，H,igh Resolution Image)格式和规范建议。,HDTV：1920像素1080像素，有p（逐行）和i（隔行）之分,标清电视：1366像素768像素,2K-TV：2048像素1080像素,4K-TV：4096像素2160像素,8K-TV：7680像素4320像素（Ultra-HDTV，超高清电视）,5/14/2025,6,通信工程系,5.2 JPEG标准,JPEG的目标：,JPEG用于,连续变化,的,静止,图像,连续变化,是指,灰度等级,和,颜色,两方面的连续变化,静止图像数据压缩标准 JPEG,Joint Photo-Graphic Experts Group,联合图像专家组,从1986年正式开始制订,由多个国际组织联合制定:,国际标准组织 ISO,国际电报电话咨询委员会 CCITT(后改为ITU)。,国际电工委员会(IEC)也参加合作,1992年7月通过了标准的第一部分，后又对有关测试标准草案(即标准的第二部分)作了进一步修改,5/14/2025,7,通信工程系,5.2 JPEG标准,JPEG包含两种基本压缩方法：,有损压缩,：基于DCT的有损压缩，又称为基线顺序编解码(Baseline Sequential Codec)方法,无损压缩,：又称预测压缩方法,JPEG的图像压缩是在,本帧内,进行,与前后帧无关；,JPEG可以采用,逐渐浮现重建,方式；,JPEG可用于活动图像压缩编码，只不过压缩方法只限于帧内进行，不作运动补偿和帧间差运算,。这种用于活动图像的压缩技术称作：M-JPEG(Motion-JPEG),主要用于高质量图像压缩编码方案中，例如电视台节目编辑中。,5/14/2025,8,通信工程系,5.2 JPEG标准,1.基于DCT的编码器和解码器,编码器：,5/14/2025,9,通信工程系,基于DCT的JPEG解码器：,5.2 JPEG标准接收端收到的压缩图像数据应包含,重建图像的专用数据表,等数据,5/14/2025,10,通信工程系,5.2 JPEG标准,JPEG压缩流程示意图,5/14/2025,11,通信工程系,5.2 JPEG标准,JPEG标准中的像素,以NTSC制为例，它的视频最高频率为4.2MHz，故抽样频率可取8.4MHz至9MHz,NTSC制,行频,行周期,每行的显示时间,若设抽样频率,5/14/2025,12,通信工程系,则 时间内的抽样数,N,如下式所示,抽样数N:一行中的显示区或称有效像素区中的像素数,5.2 JPEG标准,5/14/2025,13,通信工程系,5.2 JPEG标准,像素形状的概念,又称为,纵横比,，按JPEG标准规定像素纵横比为1：1，也就是像素为正方形；,例如上述NTSC制中一行像素为480个，若像素纵横比为1：1，图像尺寸纵横比为3：4，则一帧图像应有的行数为48034360行；,光栅转换或扫描转换,：NTSC制一帧图像为525行，其中包含两场，若扣除两场的场消隐所需74行，则余451行,转换到360行,则需要合并。按 ，则每10行需要并成8行，这就是图像光栅处理中常用的光栅转换或扫描转换。,5/14/2025,14,通信工程系,5.2 JPEG标准,2.DCT变换及其系数的量化、编码,JPEG标准是将“二维”空间的图像数据用离散余弦变换DCT公式变换到二维频域成为二维频率系数。变换后的系数经,量化矩阵,量化,亮度量化矩阵 色度量化矩阵,5/14/2025,15,通信工程系,5.2 JPEG标准,经Zig-Zag扫描后，把二维量化系数转换为一维数据序列，以便进行熵编码,这种低频在前高频在后Zig-Zag扫描的排列方式也称,带状编码,，因为它和频带由低到高呈带状一致。这和量化步长逐步提高的方式一致，所以也称,门限系数排列方式。,对于直流分量DC进行差分脉冲编码,对交流分量AC进行霍夫曼或者游程编码,5/14/2025,16,通信工程系,3.数据交换格式,5.2 JPEG标准,静像数据经编码后，得到压缩数据流。为了便于交换和储存，需要有统一的交换格式，同时也便于解码器解码。,5/14/2025,17,通信工程系,第一行为,压缩图像数据,。图中SOI表示图像开始。中间方框表示一帧图像数据。最后的EOI表示图像结束。SOI和EOI均称为标记符号，各占2字节(Byte)。,5/14/2025,18,通信工程系,第二行给出帧内包含的数据内容。首先是表杂项，其中表即为数据表，如量化表、霍夫曼DC和AC表等，杂项即为其它必要的信息。帧头表示帧头信息，包含所选方法(如基线DCT方法等)、抽样精度、量化位数、源图像行数、每行抽样数、各分量图像尺寸比例等。扫描1表示扫描数据1。,5/14/2025,19,通信工程系,第三行的扫描头(Scan Header)包含扫描起始信息、分量图像号码、该分量图像的参数、熵编码表选择等内容。ECS,0,(Entropy Coded Segment)表示第0段熵编码。,第四行用于说明初始和结束的熵编码段。各编码段内包含若干个最小编码单元MCU。,5/14/2025,20,通信工程系,5.3 MPEG-1标准,MPEG-1的目标,MPEG-1标准的设计思想是在1Mbit/s到1.5Mbit/s的低带宽条件下，提供尽可能高的图像质量（包括音频）。它是针对CD-ROM、光盘的视频存储和放像所制定的数字电视标准。,VCD使用MPEG-1标准，图像尺寸为352288，标准速率为1.2Mbit/s,MPEG是活动图像专家组(Moving Picture Expert Group)的英文缩写，MPEG的任务是开发活动图像及其声音的数字编码标准，成立于 1988年。,活动图像专家组(MPEG)在1991年11月提出了ISO 11172标准的建议草案，通称MPEG-l标准。该标准予 1992年 l 1月被通过，1993年 8月公布。,5/14/2025,21,通信工程系,5.3 MPEG-1标准,1.MPEG-1标准的内容,ISO/IEC 11172 包括三大部分:,ISO/IEC 11172-1 第一部分 系统,ISO/IEC 11172-2 第二部分 视频,ISO/IEC 11172-3 第三部分 音频,MPEG-l标准可以处理各种类型的活动图像，,其基本算法对于压缩水平方向 352个像素、竖直方向 288个像素的空间分辨力，每秒 24/25/30幅画面的运动图像有很好的效果,；,在MPEG-l标准中的一帧图像的概念不同于电视中帧的概念，前者一定是逐行扫描的图像，如果待处理信号是隔行扫描的图像，则编码前必须将其转换成逐行扫描的格式,5/14/2025,22,通信工程系,5.3 MPEG-1标准,MPEG-1标准采用了一系列技术以获得高压缩比:,对色差信号进行亚采样，减少数据量；,采用运动补偿技术减少帧间冗余度；,做二维DCT变换去除空间相关性；,对DCT系数进行量化，舍去不重要的信息，将量化后的DCT系数按照频率重新排序；,将DCT系数进行变字长的熵编码；,对每个数据块的直流分量(DC)进行预测差分编码；,5/14/2025,23,通信工程系,在 MPEG-l标准中，考虑到,压缩比,和,随机存取,这对矛盾，一共定义了3种图像类型：,I帧,：帧内帧图像，采用帧内编码，不参照其他图像。,它作为预测基准的独立帧,。,设置I帧的主要因素是：,1）当某帧找不到匹配的参考帧时，就只好进行帧内编码，场景切换就是这种情况的例子；,2）解码I帧不需要参考帧，因而,可以在I帧进行码流的切换和编辑等操作，提供随机存取的插入点,；,3）长时间连续地进行预测编码，预测误差会不断累积，图像质量不断下降。为防止解码图像损伤的逐渐加剧需定时进行帧刷新，即周期性地插入I帧，以便重新开始一个新的预测编码过程。,5/14/2025,24,通信工程系,2.,P帧，又称前向预测编码帧,。,它用前面最近的I帧或P帧作为参考进行前向预测，采用带运动补偿的帧间预测编码方式。由于同时利用了空间和时间上的相关性，所以P帧比I帧的压缩效率高。,P帧也可作为参考帧。,3B帧，又称双向预测编码帧。,它既用源视频序列中位于前面且已编码的I帧或P帧作为参考帧，进行前向运动补偿预测，又用位于后面且已编码的I帧或P帧作为参考帧，进行后向运动补偿预测。即B帧可采用帧内编码、前向预测编码、后向预测编码、或双向预测编码4种技术，其压缩比最高。但,B帧不能用作对其他帧进行运动补偿预测的参考帧。,5/14/2025,25,通信工程系,帧内图像I的压缩编码算法框图,5.3 MPEG-1标准,5/14/2025,26,通信工程系,5.3 MPEG-1标准,预测图像P的压缩编码算法框图,5/14/2025,27,通信工程系,5.3 MPEG-1标准,双向预测图像B的压缩编码算法框图,5/14/2025,28,通信工程系,5.3 MPEG-1标准,I 帧、P帧和B帧图像的依赖关系,I帧图像一般在0.5 s（相隔12帧）,左右一幅，它作为 P帧和 B帧图像的参照图像，要求图像质量较高，否则会引起误差向 P帧和 B帧图像扩散，因此,I帧图像的量化系数较小,。两个相邻的 I帧图像之间会插入若干个 P帧图像，两个相邻的 P帧或 I帧图像之间会插入若干个B帧图像。,5/14/2025,29,通信工程系,应该注意的是，,图像的显示顺序和编码顺序并不相同。,上图所示的,显示顺序,排列。,下图所示为,编码顺序,排列。,5/14/2025,30,通信工程系,5.3 MPEG-1标准,编解码延时问题,由于编码顺序和显示顺序之间的差异，带来编、解码总延时达0.81秒时间。,这种延时对,广播性质的图像传输,不会带来任何影响，因为用户并不能发现发射端与接收端信号起始时间的差异；,对于,交互性质的图像传输,，例如，数字会议电视则带来十分不便。因为甲方图像传至乙方经编码、解码要延时0.81秒时间；乙方图像传至甲方经编码、解码也要延时0.81秒时间，这样，如果甲对乙提一个问题，则1.62秒以后才能得到回答。,5/14/2025,31,通信工程系,5.3 MPEG-1标准,解决编解码延时过长问题,减少B帧使两个I帧之间的帧数减少，则编、解码总延时下降，甚至可以把B帧、P帧全部取消，这样，可以得到,0延时,。这种方式也称M-JPEG(Motion-JPEG)方式。但此时的压缩比降到了5:17:1；,延时与压缩倍数是互相矛盾的,5/14/2025,32,通信工程系,MPEG为了更好地表示编码比特流，用句法规定了一个分层结构，共分6层，从高到低依次是:,视频序列、图像组（GOP）、图像、宏块条（Slice）、宏块层,及,像块层。,图像,图像组,视频序列,宏块条,宏块,像块,5/14/2025,33,通信工程系,5/14/2025,34,通信工程系,视频序列是指构成一段或整个电视节目的连续图像序列，是随机选取节目的一个基本单元,。从节目内容看，一个视频序列大致对应于一个镜头。切换一个镜头，即表示开始一个新的序列。,在视频序列层，起始码后是序列头，它包含有视频序列参数，如图像的尺寸大小、幅型比、帧频、数码率、缓冲区大小等。,为了确保能在不同的时间随时进入视频序列，MPEG允许重复发送序列头。序列扩展数据后面跟若干个图像组层的数据。视频序列层以序列结束码（SEQEC）结束。,5/14/2025,35,通信工程系,GOP是由一个视频序列中连续的若干帧图像组成。,每个GOP由一个I帧和一些P帧、B帧组成，GOP的第一帧一定为I帧。,5/14/2025,36,通信工程系,图像是一个独立的显示单元，它可以作为一个整体被显示设备显示。,图像层包括不同编码类型的图像，即I、B、P帧。在图像层头中包含了图像编码的类型和时间参考信息。,在MPEG-1中，图像的扫描方式是逐行的，因而图像总是帧格式。而在MPEG-2中，图像的扫描方式既可以逐行的，也可以是隔行的。逐行扫描的图像只能是帧格式；而隔行扫描的图像可以是帧格式，也可以是场格式。,一个图像包含亮度分量和色度分量。在MPEG-1中，亮度和色度的采样格式是420；而在MPEG-2中，除了这一格式，还可以采用422及444的格式。,5/14/2025,37,通信工程系,每个宏块条包括若干个连续宏块，其顺序和行扫描顺序一致。宏块条可以从一个宏块行（16行宽）的任何一个宏块开始。,宏块条是比特流重新同步的基本单元。,一旦因传输差错发生误码而导致接收端解码失步，此时，可根据起始码重新获得同步。划分成宏块条的主要目的在于防止误码的扩散，即如果一个宏块条内的数据因传输差错发生误码，但又不可纠正时，下一个宏块条不受其影响，仍能准确地找到下一个宏块条的起始位置并正常解码。,5/14/2025,38,通信工程系,一个宏块由1616像素的亮度阵列和同区域内的Cb、Cr色差阵列共同组成。,在MPEG-1中只采用420宏块结构。,宏块是运动补偿预测的基本单元。,一个420的宏块由6个块组成，其中有4个亮度块、1个Cb块和1个Cr块。,一个422的宏块由8个块组成，其中有4个亮度块、2个Cb块和2个Cr块。,一个444的宏块由12个块组成，其中有4个亮度块、4个Cb块和4个Cr块。,为了提高编码性能，MPEG算法除了在I帧中全部宏块都采用帧内编码模式之外，在P帧和B帧中以宏块为单位自适应地选择合适的运动补偿预测模式。,5/14/2025,39,通信工程系,像块是MPEG算法中最小的编码单元,，它包含88个像素，并且是下面三种图像信息之一：亮度信号（Y）、色差信号Cb或Cr。,像块是DCT的基本单元。像块层的数据包含88个像素的样值经DCT后所生成的DCT系数的编码码字。,5/14/2025,40,通信工程系,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,