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news 2025/10/26 16:51:43

个人开办导航网站需要怎么做,深圳手机商城网站设计价格,凡科网络,wordpress sendcloud本文的目的在于给出有关MPEGl和MPEG2视频编码算法及标准的概述、以及它们在视频通信中的作用。论文的正文是这样安排的#xff1a;首先回顾了与MPEG视频压缩标准有关的那些基本概念和技术#xff1a;接着较详细地叙述了MPEGl和MPEG2的视频编码算法#xff1b;最后的内容为… 本文的目的在于给出有关MPEGl和MPEG2视频编码算法及标准的概述、以及它们在视频通信中的作用。论文的正文是这样安排的首先回顾了与MPEG视频压缩标准有关的那些基本概念和技术接着较详细地叙述了MPEGl和MPEG2的视频编码算法最后的内容为标准中与其应用有关的一些特征。 MPEG视频压缩算法的基本原理一般说来在帧内以及帧与帧之间众多的视频序列均包含很大的统计冗余度和主观冗余度。视频源码的最终目标是通过挖掘统计冗余度和主观冗余度来降低存储和传送视频信息所需的比特率并采用嫡编码技术以便编制出“最小信息组”一个实用的编码方案是在编码特性(具有足够质量的高压缩)与实施复杂性之间的一种折衷。对于MPEG压缩算法的开发来讲计及到这些标准的寿命周期应考虑到现代超大规模集成电路技术的能力这一点是最重要的。根据应用的要求我们也许会想到视频数据的“无损失”编码和“有损失”编码“无损失”编码的目的在于在保持原图像质量(即解码后的图像质量等同于编码前的图像质量)情况下来减少需要存储和传送的图像或视频数据。与此相反“有损失”编码技术(该技术跟MPEG—l和MPEG2视频标准未来的应用有关) 的目的是去符合给定的存储和传送比特串。重要的一些应用包括利用限定的带宽或很窄的带宽通过通信频道采传送视频信息有效地存储视频信息。在这些应用中高的视频压缩是以降低视频质量的办法来实施的即跟编码以前的原始图像相比解码后的图像“客观”质量有所降低(也就是取原始图像和再现图像之间的均方差作为评定客观图像质量的标准)频道的目标比特率越低那么视频所必须进行的压缩率就越大通常可察觉的编码人工产物也越多。有损失编码技术的最终目的是在指定的目标比特串条件下获取最佳的图像标准。这里应服从“客观”或“主观”上的最佳标准。这里应该指出图像的降级程度(指客观降低以及可察觉到的人工产物的数量)取决于压缩技术的复杂性——对于结构简单的画面和视频活动少的图像来讲就是采用简单的压缩技术也许能获得根本不带可察觉人工产物的良好的再现图像 (A)MPEG视频编码器源模式 MPEG数字视频编码技术实质上是一种统计方法。在时间和空间方向上视频列通常包含统计冗余度。MPEG压缩技术所依赖的基本统计特性为像素之间(interpel)的相关性这里包含这样一个设想即在各连续帧之间存在简单的相关性平移运动。这里假定一个特殊画面上的像素量值可以(采用帧内编码技术)根据同帧附近像素来加以预测或者可以(采用帧间技术)根据附件帧中的像素来加以预测。直觉告诉我们在某些场合如一个视频序列镜头变化时各附近帧中像素之间的时间相关性就很小甚至消失 —这时该视频镜头就成为一组无相关牲的静止画面的组合。在这种情况下可采用帧内编码技术来开发空间相关性来实现有效的数据压缩MPEG压缩算法采用离散余弦变换(DCT)编码技术以8×8像素的画面块为单位有效地开发同一面面各附近像索之间的空间相关性。然而若附近帧中各像素间具有较大的相关性时也就是说两个连续帧的内容很相似或相同时就可以采用应用时间预测(帧间的运动补偿预测)的帧间DPCM编码技术。在多种MPEG视频编码方案中若将时间运动补偿预测路剩余空间信息的变换码自适应地结合起来就能实现数据的高压缩(视频的 DPCM/DCT混合编码) 图1给出了一个画面的帕内像素问相关性特性的举例这里采用了一个非常简单但很有价值的统计模式。这个假设的简单模式已包括了许多“典型”画面的一些基本的相关特性也就是指相邻像素间的高度相关性以及随着像素间距的增大相关性的单值衰减特性。我们以后将利用这一模式来展示变换区域编码的一些特性。图1一些“典型”画面的像素间的空间相关性是应用具有高度像素间相关性的AR(1)GaussMarkov画面模式来加以计算的。变量X和Y分别表示像素之间在画面水平和垂直方向上的距离 (B)二次取样和内插法几乎所有本论文中所叙述的视频编码技术在编码之前均大量地进行了二次取样和量化工序。二次取样的基本概念是想减少输入视频的Dimension 水平Dimension和或垂直Dimension)并在进行编码处理之前先对像素进行编号。值得注意的是在有些应用场合在时间方向上也对视频进行二次取样以便在编码之前降低帧频。在接收机端已解码图像是通过内插法来加以显示的。这一方法可以认为是一种最简单的压缩技术这种压缩技术利用了人眼特有的生理特姓因而去除了视频数据中的含有的主观冗余度—即与色度信号的变化相比人眼对亮度信号的变化更灵敏。故众多 MPEG编码方案首先将画面分成YUV与量信号(一个亮度分量和二个色度分量)接着相对于亮度分量对色度分量进行二次取样对于一些特殊应用有一个YUV比率(即对于MPEG—2 标准采用411或422. (C运动补偿预测运动补偿预测是一个有力的工具以便减小帧间的时间冗余度并作为用于时间DPCM编码的预测技术这一工具在MPEGl 和MPEG2视频编码标准中得到广泛应用。运动补偿概念是以对视频帧间运动的估算为基础的也就是说若视频镜头中所有物体均在空间上有一位移那么用有限的运动参数(如对于像素的平移运动可用运动矢量来描述)来对帧间的运动加以描述。在这一简单例子中一个来自前编码帧的运动补偿预测像素就能给出一个有效像素的最佳预测。通常预测误差和运动矢量均传送至接收机。然而将一个运动信息对每一个编码画面像素进行编码这既不值得也没有这个必要。由于一些运动矢量之间的空间相关性通常较高有时可以这样认为一个运动矢量代表一个相邻像素块的运动。为了做到这一点画面一般划分成一些不连接的像素块(在 MPEGl和MPEG2标准中一个像素块为16×16像素)对于每一个这样的像素块只对一个运动矢量进行估算、编码和传送(图2)。在MPEG压缩算法中运动补偿预测技术用来减少帧间的时间冗余度只对预测误差画面(原始画面与运动补偿预测画面之间的差别)加以编码。总的来说由于采用依据于前编码帧的预测与图l中所示的帧内相关性相比较待编码的运动补偿帧间误差图像中像素之间的相关性就差了。图2用于运动补偿的块匹配法在待编码的第N有效帧中为每一个画面块估算一个运动矢量(mv)该运动矢量针对前已编码的第N—l帧中同样大小的一个参照画面块。运动补偿预测误差是这样计算的在带有前帧参照块中运动飘移对应物的面面块中减去一个像素。 (D)变换或编码二十年来人们已对变换编码进行了大量的研究它已成为用于静止画面编码和视频编码的一种非常流行的压缩方法。变换编码的目的在于去掉帧内或帧间误差图像内容的相关性对变换系数进行编码不是对画面的原始像素进行编码。为此输入画面被分成不连接的b像素的画面块(即N×N像素)。以一个线性、可分离的和单元前向变换为基础本变换可表示为一个矩阵操作采用一个N×N变换矩阵A采获取N×N变换系数C。 CAbAt 这里AT表示变换矩阵A的一种移项式。注意这种变换是可逆的原因是采用线性和可分离的反向变换可以再现原始的N×N个 b像素的画面块. bAtCa 利用许多可能的方法应用于较小的由8×8像素组成的画面块的离散余弦变换(DCT)已成为一种最佳的变换用于静止画面和视频编码。事实上由于基于DCT的方法具有较高的抗相关性能并能获得快速DCT算法适用于实时应用已在大多数画面和视频编码标准中加以使用。VLSI技术的运行速率适合较广泛的视频应用范围故已商业化。变换编码的主要目的是使尽量多的变换系数足够的小使它仍无效(从统计和主观测量角度来看)。同时应尽量减小系数之间的统计相关性目的在于减少对剩余系数进行编码所需的比特数量。图3示出了帧内DCT系数8×8像素块的方差(能量)这里是以图1中已讨论过的简单的统计模式设想为基础的。此处每一个系数的方差表示了系数(大量帧的乎均值)的可变性。与方差大的系数相比方差小的系数在画面像素块再现时意义就不大了。如图3中所示一般来说为了获得画面像素块的有用的近似再现只要将少量DCT系数传送给接收机就行。然而那些最高有效位 DCT系数集中在左上角(低DCT系数)面随着距离的增加系数的有效牲就逐步下降。这意味着与较低位的系数相比较高位的 DCT系数在画面像素块再现时的重要性就差一些。采用运动补偿预测DCT变换的结果是使DCT定义域中的时间DPCM信号实现筒单的再现—这实质上继承了这种相似的统计相关性如以DCT 定义域中的这个DPCM信号来再现图2中的帧内信号(虽然能量有所减少)—这就是为什么为了使帧间压缩获得成功MPEG算法要采用DCT编码的原因图3图示了DCT系数的方差分布情况典型地计算了大量的画面块而获得的平均值。DCT系数方差计算是以图1中的统计模式为基础的。U和V分别该8×8块中水平和垂直画面变换域变量。大多数总方差集中在DCDC了系数周围(U0v0) DCT跟离散傅里叶变换很接近而认识到以下这点是重要的即可以对DCT系数加以频率说明使其更接近于DFTo在画面块内低位的Dcr系数与较低的空间频率有关而高位的DCT系数与较高的频率有关。这一特性在MPEG编码方案中被加以应用以便去除画面数据中所包含的主观冗余度这一切是以人类视觉系统标准为基础的。由于跟较高空间频率有关的再现误差比较观众对较低空间频率的再现误差更加敏感故在给定比特率情况后为了要改进解码画面的视觉质量往往根据视觉(感觉量化)对系数进行频率自适应加权(量化) 上述两种技术—时间运动补偿预测和变换域编码—的结合被认为是MPEG编码标准的关键点 MPEG算法的第三个特点是这两种技术的处理是较小的画面块(典型情况是在16×16 像素上进行运动补偿在8×8像素上进行DCT编码)。由于这个原因MPEG编码算法通常又叫作基于画面块的DPCM/DCT混合算法. MPEG-1一个通用标准-一个应用于数字存储媒体最高速率达15Mbs)的活动图像和伴音的编码标准由MPEG—1开发出来的视频压缩技术的应用范围很广包括从CD—ROM上的交互系统到电信网络上的视频传送 MPEG1视频编码标准被认为是一个通用标准。为了支持多种应用可有用户来规定多种多样的输人参数包括灵活的图像尺寸和帧频。MPEG推荐了一组系统规定的参数每一个MPEG—l兼容解码器至少必须能够支持视频源参数最佳可达电视标准包括每行最小应有720个像素每个图像起码应有576行每秒最少不低于 30帧及最低比特率为186Mbs标准视频输入应包括非隔行扫描视频图像格式。应该指出但并不是说MPEGl的应用就限制于这一系统规定的参数组。根据JPiG和H。261活动已开发出MPEG—l视频算法。当时的想法是尽量保持与CCITT H261标准的共同性这样支持两个标准的做法就似乎可能。当然MPEGl主要目标在于多媒体CD—ROM的应用这里需要由编码器和解码器支持的附加函数牲。由MPEGl提供的重要特性包括基于帧的视频随机存取通过压缩比特流的快进/快退搜索视频的反向重放及压缩比特流的编辑能力。 (A)基本的MPEG—1帧间编码方案基本MPEGl(及MPEG2)视频压缩技术的基础为宏模块结构、运动补偿及宏模块的有条件再补给。如图49所示MPEG—1 编码算法以帧内编码模式(I图像)对视频序列的第一帧进行编码。每一个下一帧采用帧间预测法(P图像)进行编码——仅仅采用来自前面最近的已编码I或P帧的数据来进行预测MPEG—l算法对基于画面块视频序列的帧加以处理。视频序列中的每一个彩色输入帧被分割成多个非重迭的“宏模块”如图4b所示。每一个宏模块包含4个亮度块(Y1Y2Y3Y4)及两个色度块(UV) 每个宏模块的尺寸为8*8像素这些数据块来自于亮度带和共址的色度带。在YUV亮度与色度像素之间的取样比为411 以最近的前帧为基础采用运动补偿预测法来对P图像加以编码。每一帧被分割成不连接的“宏模块”(MB)。图4b对于每一个宏模块对有关4个亮度块(Y 3Y2Y3 Y4)和两个彩色决(UV)的信总均加以编码。每个包含8×8个像素。基本的混合型DPCM/DCT MPEGl编码器和解码器结构的方块图示于图5之中。视频序列第1帧(I图像)以帧内(INTRA) 模式加以编码不参照任何一个过去帧或未来帧。在编码器处DCT 被加到每一个8×8亮度块和色度块上在DC了输出之后该64个 DCT系数中的每一个系数被均匀量化(Q)在宏模块中被用来对 DCT系数进行量化的量化器步长传送给接收机。‘量化之后最低位DO系数(DC系数)的处理方法跟保留(remaining)系数 (AC系数)的处理方法是不一样的DC系数表示分量模块的平均亮度可用微分DC预测法对DC系数加以编码。保留DCT系数及它们位置的非零量化器值被Z字形扫描并采用可变长度编码 (VLC)表对其进行扫描宽度嫡编码。图5一个基本混合型DC了DPCM 编码器和解码器结构的方决图图6中表示出了系数Z字形扫描的概念。因为要利用系数将这个两维的画面信号变换成一个单维的比特流故在量化DCT域二维信号扫描之后进行的是可变长度码—字分配工序。并沿着扫描行和两个连续非零系数之间的距离(行程)对这些非零AC系数量化器值(长度)加以检测。采用仅传送—个VLC码字的方法对每一个连续(行程、长度)对进行编码Z字形扫描的目的在于在跟踪高频系数之前先去跟踪低频DCT系数(包含最大的能量) 图6在8×8块内已量化DCT系数的Z字形扫描。仅仅对非零量化DCT系数加以编码。图中指出了非零DCT系数可能的位置 Z字形扫描的做法要想做到按系数的有效性去跟踪DCT系数参看图3最低位的DCT系数(00)包含了这些决中的最大部分的能量这些能量集中在较低位的DCT系数周围解码器执行反向操作首先从比特流中提取可变长度编码字 (VLD)并加以解码以便为每一个画面块获取非零DCT系数的位置和量化器值。随着一个画面块所有非零DCT系数的再现(Q) 及随后获得的反DCT(DCT—1)就得到量化块像素值。通过对整个比特流的处理就对所有的画面块进行了解码并加以了再现。为了对P图像进行编码前面的I图像的第N—l帧存储在设置在编码器和解码器内的帧存储器中。在宏模块中执行运动补偿 (MC)—对于即将进行编码的那个宏模块在第N帧与第N—1 帧之间仅对一个运动矢量进行估算。这些运动矢量被编码及传送至接收机。运动补偿预测误差是这样计算的即在带有前帧运动飘移对应物的宏模块中减去一个像素。然后是将8×8DCT加入到包含在该宏模块内的每一个8×8块中接着是对DCT系数进行量化 (Q)并进行扫描宽度编码和炳编码(VLC)o这里需用一个视频缓冲器以确保编码器能产生一个常量的目标比特率输出。对于帧内每一个宏模块来讲量化步进(SZ)是可以调整的以便获得给定的目标比特率并避免缓冲器出现溢流和下溢现象。解码器采用反向处理以便在接收机中再生第N帧的一个宏模块。对包含在视频解码器缓冲器(VB)中的可变长度字(VLD) 进行解码之后就能再现(Q和DCT—1操作)预测误差像素值。来自包含在帧存储器(FS)中的前第N—1曲的运动补偿像素被加入到预测误差之中以恢复第N帧的那一宏模块。在图7a一图7d中9采用了一个典型的测试序列描述了采用运动补偿预测编码视频的好处而该预测是以MPEG编码器中的前第N—1再现帧为依据的。用7a示出在N时间上将要进行编码的一个帧图7b示出了在N—1时间上的再现帧其存储在设置在编码器和解码器中的帧存储器(FS)内。采用编码器运动估算方法已对图7b中所示的块运动矢量(mv参照图2)加以估算并能预测第 N帧中每个宏模块的平移运动的位移(参照第N—1帧)。图7b出示了这个纯帧差信号(第N帧减去第N—1帧)若在编码过程根本不采用运动补偿预测那么就能获得这个帧差信号——即假定所有运动矢量为零。图7d出示了当采用图7b的运动矢量来进行预测时的运动补偿帧差信号。很明显跟图7c中的纯帧差编码相比采用运动补偿大大减缩了这个将要被编码的残差信号。图7(a)在N时间上将要被编码的帧(b)在P4—1时间上的帧用来预测第N帧的内容(注意四面中所示的运动矢量并不是存储在编码器和解码器内的再现画面的一部分(c)没采用运动补偿所获取的预测误差画面——假设所有的运动矢量均为零 (d)若采用运动补偿预测将要进行编码的预测误差画面. 本文链接地址http://www.chinavideoonline.com/mpeg4/mpeg4_011.htm
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