1、 数字视频技术数字视频技术第六章第六章视频编码国际标准视频编码国际标准L o g oL o g o主要内容主要内容 视频图像编码标准视频图像编码标准 MPEG-1视频编码和解码视频编码和解码 MPEG-2视频编码和解码视频编码和解码 MPEG-4视频编码和解码视频编码和解码 H.263视频编码和解码视频编码和解码 H.264/AVC视频编码和解码视频编码和解码L o g oL o g o6.1 视频图像编码标准视频图像编码标准L o g oL o g o6.1 视频图像编码标准视频图像编码标准一、一、H.261uH.261是用于视频会议和可视电话业务的以是用于视频会议和可视电话业务的以p64k
2、bps,p=1,30的速率在综合业务数字网（的速率在综合业务数字网（ISDN）上传送视频信）上传送视频信号的压缩标准。号的压缩标准。u64kbps(p=1)用于低端的可视电话业务，其中视频信号传输占用用于低端的可视电话业务，其中视频信号传输占用48 kbps的带宽，剩下的的带宽，剩下的16 kbps用于音频信号；用于音频信号；u384 kbps（p=6）或更高的速率用于高端的视频会议业务；或更高的速率用于高端的视频会议业务；u在在ISDN信道上最高传输率为信道上最高传输率为19.2Mbps(p=30)，足以传送，足以传送VHS质量的质量的视频信号视频信号。uH.261颁布于颁布于1990年，主
3、要用于双向视频通信，允许的最大年，主要用于双向视频通信，允许的最大编码延迟为编码延迟为150ms。它的输入图象格式为通用（同时适用于。它的输入图象格式为通用（同时适用于625线和线和525线的视频标准）中间格式线的视频标准）中间格式CIF(352x288)，低端，低端可用其四分之一大小的可用其四分之一大小的QCIF(176x144)格式，桢率为格式，桢率为30,15,10,6.5四种，隔行四种，隔行（interlaced）视频，宽高比视频，宽高比4:3。L o g oL o g o6.1 视频图像编码标准视频图像编码标准uH.261的编码方案是基于的编码方案是基于DCT和和DPCM的预测编码算
4、法，的预测编码算法，运动每帧图象分成运动每帧图象分成8x8的子块，再组成宏块、块组，宏块的子块，再组成宏块、块组，宏块由由4个个8x8的亮度块和的亮度块和2个个8x8的色度块组成，每个块组由的色度块组成，每个块组由3x11个宏块组成。个宏块组成。u每幅每幅QCIF图象有图象有3个块组；个块组；u每幅每幅CIF图象有图象有12个块组，形成一个多层次的块结构。个块组，形成一个多层次的块结构。二、二、H.263uH.263是在是在H.261的基础上针对低码率（低于的基础上针对低码率（低于64kbp）视频）视频压缩提出的标准，与之不同的是采用半象素精度运动补偿压缩提出的标准，与之不同的是采用半象素精度
5、运动补偿算法和变长编码，并引进了算法和变长编码，并引进了16种可协商的编码选项用于提种可协商的编码选项用于提高压缩性能和支持新增加的功能。高压缩性能和支持新增加的功能。L o g oL o g o6.1 视频图像编码标准视频图像编码标准三、三、MPEG-1u MPEG-1是是1992年通过的视频压缩标准，用于年通过的视频压缩标准，用于CIF格式的格式的视频在速率约视频在速率约1.5Mbps的各种数字存储介质（如的各种数字存储介质（如CD-ROM,DAT,硬盘及光驱等）上的编码表示，主要应用在硬盘及光驱等）上的编码表示，主要应用在交互式多媒体系统中；交互式多媒体系统中；uMPEG-1算法与算法与
6、H.261算法相似，它在算法相似，它在1.2Mbps（视频信号（视频信号）速率下压缩和解压缩）速率下压缩和解压缩CIF格式的视频质量与格式的视频质量与VHS记录的记录的模拟视频质量相当；模拟视频质量相当；u它是一种通用标准，规定了编码位流的表示语法和解码方它是一种通用标准，规定了编码位流的表示语法和解码方法，提供的支持操作有运动估计、运动补偿预测、法，提供的支持操作有运动估计、运动补偿预测、DCT、量化和变长编码。量化和变长编码。uMPEG-1的特点有：的特点有：(1)(1)随机存取，随机存取，(2)(2)支持快速双向搜索支持快速双向搜索，(3)(3)允许大约允许大约1秒的编码秒的编码/解码延
7、迟，比解码延迟，比H.261的的150ms内内的严格限制松得多。的严格限制松得多。L o g oL o g o6.1 视频图像编码标准视频图像编码标准四、四、MPEG-2/H.262uMPEG-2是是1993年通过的视频压缩标准，用于高清晰度视年通过的视频压缩标准，用于高清晰度视频和音频的编码，也包含用于可视电话中的超低码率（频和音频的编码，也包含用于可视电话中的超低码率（8-32kbps）的压缩编码；）的压缩编码；uMPEG-2是是MPEG-1的兼容扩展，广泛应用于各种速率（的兼容扩展，广泛应用于各种速率（2-20Mbps）和各种分辨率情况下的场合；）和各种分辨率情况下的场合；uMPEG-2
8、不仅接受逐行扫描视频，也可以接受隔行扫描视不仅接受逐行扫描视频，也可以接受隔行扫描视频，高清晰度视频，提供可伸缩调节的位流，提供改进的频，高清晰度视频，提供可伸缩调节的位流，提供改进的量化和编码选项。量化和编码选项。L o g oL o g o6.1 视频图像编码标准视频图像编码标准五、五、MPEG-4u 低于低于64kbps甚低数据率，交互式多媒体应用标准；甚低数据率，交互式多媒体应用标准；u MPEG-4利用了人眼视觉特性，抓住了图像信息传输的利用了人眼视觉特性，抓住了图像信息传输的本质，从轮廓、纹理思路出发，基于对内容的访问；本质，从轮廓、纹理思路出发，基于对内容的访问；u AV对象（对
9、象（AVO，Audio Visual Object）是）是MPEG-4为支为支持基于内容编码而提出的重要概念；视音频已不再是图持基于内容编码而提出的重要概念；视音频已不再是图像帧的概念，而是一个个视听场景；把编码对象从图像像帧的概念，而是一个个视听场景；把编码对象从图像帧到任意形状的视频对象，实现从基于像素的传统编码帧到任意形状的视频对象，实现从基于像素的传统编码到基于对象和内容的现代编码。到基于对象和内容的现代编码。u 采用开放的编码系统，可随时加入新的编码算法模块，采用开放的编码系统，可随时加入新的编码算法模块，同时也可根据不同应用需求现场配置解码器，以支持多同时也可根据不同应用需求现场配
10、置解码器，以支持多种多媒体应用；种多媒体应用；L o g oL o g o6.1 视频图像编码标准视频图像编码标准uMPEG-7：多媒体内容描述标准，支持对多媒体资源的组织多媒体内容描述标准，支持对多媒体资源的组织管理、搜索、过滤和检索；管理、搜索、过滤和检索；uMPEG-21：多媒体框架和综合应用方面的框架。目标是建立多媒体框架和综合应用方面的框架。目标是建立一个交互的多媒体框架该标准致力于在大范围的网络上实现一个交互的多媒体框架该标准致力于在大范围的网络上实现透明的传输和对多媒体资源的充分利用。透明的传输和对多媒体资源的充分利用。六、六、H.264/AVCu 面向电视电话、电视会议和面向电
11、视电话、电视会议和Internet多媒体的新一代国际视多媒体的新一代国际视频编码标准；频编码标准；u 具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高、干扰严重的信道具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高、干扰严重的信道中的视频传输；中的视频传输；u 支持不同网络资源下的分级编码传输，在图像主观质量和码支持不同网络资源下的分级编码传输，在图像主观质量和码率方面有大幅改进，是目前综合性能最优、应用前景最广泛率方面有大幅改进，是目前综合性能最优、应用前景最广泛的编码标准。的编码标准。L o g oL o g o6.1 视频图像编码标准视频图像编码标准对象形成及对象形成及跟踪跟踪基于语义基于语义基于对象基于对象基
12、于像素基于像素对象特征对象特征提取提取MPEG-7MPEG-4MPEG-1MPEG-2L o g oL o g o6.1 视频图像编码标准视频图像编码标准编码标准编码标准全全 称称传输码率传输码率主要应用主要应用H.261P64kbps的音的音/视频服视频服务的编务的编/解码解码P64kbpsP=130ISDN视频会议视频会议MPEG-1面向数字存储的运动图面向数字存储的运动图像及伴音编码像及伴音编码1.5MbpsVCD,CD-ROMMPEG-2运动图像及伴音的通用运动图像及伴音的通用编码编码4100MbpsDVD,HDTV,VOD,DABH.263低比特率通信的视频编低比特率通信的视频编码码
13、低于低于64kbps远程视频监控，可视电远程视频监控，可视电话，电视会议话，电视会议MPEG-4音音/视频对象的通用编视频对象的通用编码码小于小于64kbps64384kbps384kbps4MbpsInternet通信，无线通通信，无线通信，信，2D/3D计算机图像计算机图像交互式视频交互式视频MPEG-7多媒体内容描述接口多媒体内容描述接口任意任意多媒体检索多媒体检索H.264/AVC高级视频编码算法高级视频编码算法任意任意未来视频编码工业标未来视频编码工业标准准L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码一、标准简介一、标准简介u编号为编号为ISO/IEC
14、 11172；u 规定视频信息与伴音信息经压缩之后的数据速率上限为规定视频信息与伴音信息经压缩之后的数据速率上限为 1.5Mbps（其中视频约为（其中视频约为1.2Mbps，音频约为，音频约为0.3Mbps）；）；u 可以在可以在CD-ROM、硬盘、可写光盘、数字音频磁带等介质、硬盘、可写光盘、数字音频磁带等介质 上进行存储，也可在局域网、上进行存储，也可在局域网、ISDN上进行视频与伴音信息上进行视频与伴音信息 的传输；的传输；应用：应用：目前市场上用的目前市场上用的MP3和和VCD以及数字电话网络上的视频传输为以及数字电话网络上的视频传输为MPEG-1。L o g oL o g o6.2
15、MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码二、标准组成二、标准组成uMPEG-1系统系统这部分是有关同步和多路复合的技术，用来这部分是有关同步和多路复合的技术，用来把数字视频和声音复合成单一的数据位流。标准名是把数字视频和声音复合成单一的数据位流。标准名是ISO/IEC11172-1。uMPEG-1视频视频这部分是有关电视图像的压缩技术，标准名这部分是有关电视图像的压缩技术，标准名是是ISO/IEC11172-2。uMPEG-1音频音频这部分是关于声音的压缩编码技术。标准名这部分是关于声音的压缩编码技术。标准名是是ISO/IEC11172-3。uMPEG-1一致性测试一致性测试这个标准详细说明了
16、如何测试比特数这个标准详细说明了如何测试比特数据流和解码器是否满足据流和解码器是否满足MPEG-1MPEG-1前前3 3个部分中所规定的要求。这个部分中所规定的要求。这些测试可由厂商和用户实施。标准名是些测试可由厂商和用户实施。标准名是ISO/IEC11172-4。uMPEG-1软件模拟软件模拟这部分内容不是标准，而是一个技术报这部分内容不是标准，而是一个技术报告，给出了用软件执行前告，给出了用软件执行前3 3个部分的结果。标准名是个部分的结果。标准名是ISO/IEC11172-5。L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码三、输入图像格式三、输入图像格式u
17、MPEG-1输入视频信号采用源输入格式输入视频信号采用源输入格式（SIF,Source Input Format），采用），采用YCrCb色空间；色空间；u 采样格式采样格式4：2：0；u MPEG-1最大的图像尺寸只能是最大的图像尺寸只能是352288（对应（对应25Hz帧帧频）。频）。L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码四、视频帧类型四、视频帧类型u帧内图（帧内图（intra picture，I帧）帧）对对I帧的编码类似于帧的编码类似于JPEG，支持随机存取，压缩比低，支持随机存取，压缩比低；u预测图（预测图（predicted picture，P帧
18、）帧）是运动主体在与是运动主体在与I帧相隔一定时间，在同一背景上已有明显变化的画面。以帧相隔一定时间，在同一背景上已有明显变化的画面。以前面前面I帧为参考，相同信息不发送只发送主体变化差值，帧为参考，相同信息不发送只发送主体变化差值，进行具有运动补偿的前向预测；进行具有运动补偿的前向预测；u双向预测图（双向预测图（bidirectional picture，B帧）帧）传送传送I、P帧间的画面，只反映运动主体变化情况，重放时即参考帧间的画面，只反映运动主体变化情况，重放时即参考I也参考也参考P，本身不做参考帧使用，不能用作预测参考；，本身不做参考帧使用，不能用作预测参考；L o g oL o g
19、 o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码有损有损1量化从量化从10bits降为降为8bits无损无损2省略水平和垂直空白间隔省略水平和垂直空白间隔有损有损3降低垂直方向色度分辨率降低垂直方向色度分辨率(4:2:0)无损无损4活动图像的活动图像的DPCM有损有损5DCT和量化和量化无损无损6Z扫描和零序列的游程编码扫描和零序列的游程编码无损无损7Huffman编码编码L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编
20、码和解码20量化量化10bits到到8bits270Mbit/s216Mbit/s25忽略水平和垂直空白间隔忽略水平和垂直空白间隔166Mbit/s-25%降低垂直色度分辨率降低垂直色度分辨率(4:2:0)124.5Mbit/s进一步数据压缩步骤进一步数据压缩步骤26Mbit/sL o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码DPCMZ扫描扫描VLCHuffman编码编码DCT量化量化L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码五、五、MPEG-1视频编码器视频编码器1、MPEG标准并没有定义特定的编码过程，只是定义了编标准并没有定义
21、特定的编码过程，只是定义了编码比特流的语法和解码过程。码比特流的语法和解码过程。L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码2、关键技术关键技术（1 1）帧序重排）帧序重排u在编码器端需要对输入图像重新排序，对按显示顺序输入在编码器端需要对输入图像重新排序，对按显示顺序输入的序列，经过帧序重排后成为按编码顺序排列，然后按的序列，经过帧序重排后成为按编码顺序排列，然后按I、B、P帧分别进行编码；帧分别进行编码；（2 2）运动估计和补偿）运动估计和补偿（3 3）比特流缓冲器）比特流缓冲器L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码u图
22、像压缩首先处理图像压缩首先处理I帧图像，然后是帧图像，然后是P帧，最后在两者的基帧，最后在两者的基础上才处理础上才处理B帧；帧；uMPEG编码器算法允许选择编码器算法允许选择I图像频率（指每秒钟出现图像频率（指每秒钟出现I图图像的次数）和位置（时间方向上帧所在的位置）；像的次数）和位置（时间方向上帧所在的位置）；u一个典型的一个典型的I、P、B图像排列如下：图像排列如下：I的距离为的距离为15；P的距的距离为离为3；L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码u“开放性开放性”的视频码流：的视频码流：uI 帧在码流中出现的位置和频率，可根据图像序列中随机存取和帧
23、在码流中出现的位置和频率，可根据图像序列中随机存取和景物切换的需要进行选择。景物切换的需要进行选择。u相邻最近的相邻最近的I与与P帧或帧或P帧之间的帧之间的B帧数目可以选择。帧数目可以选择。uI，P，B三种图象的数据压缩比：三种图象的数据压缩比：25：1，510：1，2030：1 u图象的编码顺序和显示顺序不相同。图象的编码顺序和显示顺序不相同。L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码习题：习题：u MPEG-1中编码器、解码器为什么会造成延时？如何减少延中编码器、解码器为什么会造成
24、延时？如何减少延时？时？解答：解答：MPEG-1图像编、解码的显示顺序和编码顺序并不相同；图像编、解码的显示顺序和编码顺序并不相同；显示顺序如下：显示顺序如下：I B B P B B P B B P B B I B B P0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15根据前向预测和双向预测的关系，编码顺序如下：根据前向预测和双向预测的关系，编码顺序如下：I P B B P B B P B B I B B P B B0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码 显
25、示顺序上在前的显示顺序上在前的B帧图像，由于预测时参照靠后的帧图像，由于预测时参照靠后的P帧帧图像，在传输存储和解码是必须先处理图像，在传输存储和解码是必须先处理P帧图像，因此在帧图像，因此在编码顺序上编码顺序上P帧图像反而在帧图像反而在B帧图像之前；帧图像之前；由于编码顺序和显示顺序之间的差异，带来编、解码总延由于编码顺序和显示顺序之间的差异，带来编、解码总延时达时达0.81s；这种延时对广播性质的图像传输不会带来任何影响，因为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；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
26、输，如数字会议电视会带来不便，对于交互性质的图像传输，如数字会议电视会带来不便，如甲方向乙方提问，由于双向延时则会如甲方向乙方提问，由于双向延时则会1.82s以后得到回以后得到回答；答；L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码 为减小延时采用方法为减小延时采用方法：通过减少通过减少B帧使两个帧使两个I帧之间的帧数减少，则编、解码帧之间的帧数减少，则编、解码总延时下降；总延时下降；为进一步减小延时，可以把为进一步减小延时，可以把B帧、帧、P帧全部去掉。这样帧全部去掉。这样可得零延时，此方式称可得零延时，此方式称M-JPEG方式；方式；此时压缩比降到此时压缩比降
27、到5:17:1,所以延时与压缩倍数是互相所以延时与压缩倍数是互相矛盾的。矛盾的。L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码习题：习题：u若在一个有若在一个有6帧图像的帧图像的GOP中，中，I、P、B各帧的比例为各帧的比例为1：2：3，请构造出该，请构造出该GOP序列，并给出各帧的编码顺序。序列，并给出各帧的编码顺序。解答：解答：p 构造构造GOP序列为：序列为：I1 B2 P3 B4 P5 B6 I7 p 各帧编码顺序为各帧编码顺序为:I1 P3 B2 P5 B4 I7 B6 L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码uI帧编
28、码算法帧编码算法L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码uP帧编码算法帧编码算法L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码uB帧编码算法帧编码算法L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码六、六、MPEG-1视频解码器视频解码器输入缓冲输入缓冲解码解码VLDIQIDCT前向运动补偿前向运动补偿缓冲器缓冲器内插运动补偿内插运动补偿后向运动补偿后向运动补偿前面前面帧存帧存后 面后 面帧存帧存输出输出输入输入 量化表量化表重建帧重建帧输入速率固输入速率固定，但画面定，但画面数据量大，数据量大，必须
29、设置缓必须设置缓冲冲输出为输出为I、B、P画画面的预面的预测画面测画面预测画面预测画面+差差分画面分画面=重建重建画面画面L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码uVLD解码器先解出图像头信息，确定图像类型，提供预测解码器先解出图像头信息，确定图像类型，提供预测方式和运动矢量等信息，解出量化的方式和运动矢量等信息，解出量化的DCT系数系数;u反量化还原反量化还原DCT系数系数;u反反DCT还原出像块的预测差值还原出像块的预测差值;u经过运动补偿，得到相应的预测值经过运动补偿，得到相应的预测值;u预测差值再与当前的预测值相加，恢复像素值预测差值再与当前的预测值
30、相加，恢复像素值;u还原的图像数据存储在缓冲器里，经重新排序后，按图像还原的图像数据存储在缓冲器里，经重新排序后，按图像显示顺序输出。显示顺序输出。L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码u讨论：讨论：u编码过程编码过程uI帧：帧：DCT 量化量化 编码编码uP、B帧：预测帧：预测 求帧差求帧差 DCT 量化量化 编码编码uDCT变换变换u帧内编码模式下，采样为帧内编码模式下，采样为8位无符号数；位无符号数；u帧间编码模式下，采样为帧间编码模式下，采样为9位有符号数，因为差值有可能为负位有符号数，因为差值有可能为负数；数；u经过经过DCT变换后，用一个变换后
31、，用一个12位有符号整数表示。位有符号整数表示。L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码u量化量化uMPEG规定了默认的量化表，也可以应用自定义的量化表；规定了默认的量化表，也可以应用自定义的量化表；u帧内编码取整通常是取最近的整数；帧内编码取整通常是取最近的整数；u帧间编码是截断非整数到最接近的小于其值的整数；帧间编码是截断非整数到最接近的小于其值的整数；u量化不是简单的量化不是简单的DCT系数除以一个量化系数，还牵扯一个称为量系数除以一个量化系数，还牵扯一个称为量化阶（化阶（quantizer_scale）的比例因子；）的比例因子；u量化阶（量化阶（qu
32、antizer_scale）：整数，取值范围）：整数，取值范围131，影响量，影响量化结果和压缩性能，编码器随时可以改变该值，在压缩码流中化结果和压缩性能，编码器随时可以改变该值，在压缩码流中必须插入一个特殊码字来表示它。必须插入一个特殊码字来表示它。L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码u帧内量化公式帧内量化公式u帧间量化公式帧间量化公式Qscale_quantizer2Qscale_quantizerDCTsignDCT16QDCTQscale_quantizer2DCT16QDCTL o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码
33、和解码七、七、MPEG-1视频语法视频语法uMPEG视频图像数据流是一个分层结构，目的是把位流中视频图像数据流是一个分层结构，目的是把位流中逻辑上独立的实体分开，防止语意模糊，并减轻解码过程逻辑上独立的实体分开，防止语意模糊，并减轻解码过程的负担。的负担。uMPEG视频位流分层结构共包括六层：视频位流分层结构共包括六层：u每一层支持一个确定的函数；每一层支持一个确定的函数；u或是一个信号处理函数（或是一个信号处理函数（DCT，运动补偿）；，运动补偿）；u或是一个逻辑函数（同步，随机存取点）等；或是一个逻辑函数（同步，随机存取点）等；u每一个层的开始有一个头，作为说明参数。每一个层的开始有一个头
34、，作为说明参数。L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码u图像序列层图像序列层由连续图像组成，用序列终止符结束；由连续图像组成，用序列终止符结束；u图像组层图像组层图像组（图像组（GOP）由几帧连续图像组成，是随）由几帧连续图像组成，是随机存取单元，其第一帧总是机存取单元，其第一帧总是I帧；帧；u图像层图像层图像（帧）编码的基本单元，独立的显示单元图像（帧）编码的基本单元，独立的显示单元；u条带层条带层由一帧图像中的几个宏块组成，主要用于误差由一帧图像中的几个宏块组成，主要用于误差恢复；恢复；u宏块层宏块层一个宏块由四个一个宏块由四个88的亮度块和两个的亮度
35、块和两个88的色的色差块组成；差块组成；u块层块层一个一个88的像素区域称为一个块，是最小的的像素区域称为一个块，是最小的DCT单位。单位。L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码 层次名称层次名称 功能功能图像序列层图像序列层 随机存取单元：上下文随机存取单元：上下文图像组层图像组层 随机存取单元：视频编码随机存取单元：视频编码图像层图像层 基本编码单元基本编码单元宏块片层宏块片层 重同步单元重同步单元宏块层宏块层 运动补偿单元运动补偿单元块层块层 DCT单元单元L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码 图像组图像组 图
36、像组图像组 图像组图像组图像图像图像序列图像序列宏块条宏块条宏块宏块88块块L o g oL o g o6.2 MPEG-1视频视频编码和解码编码和解码GOP 1GOP SCGOP 头头图像图像1图像图像2图像图像3图像图像N图像图像 SC 图像图像 头头条条 1条条 2条条 3条条 m条条 SC条条 头头宏块宏块 1 宏块宏块 2 宏块宏块 3宏块宏块 nY 1宏块编码信息宏块编码信息Y 2Y 3Y 4C 1C 288 系数块系数块序列层序列层GOP层层图像层图像层宏块层宏块层像块层像块层序列序列SC序列扩展序列扩展序列头序列头GOP 2序列序列EC0 x000001B3像条层像条层L o
37、g oL o g o6.3 MPEG-2视频视频编码和解码编码和解码一、标准简介一、标准简介u“运动图象和相关声音信息的一般编码方法运动图象和相关声音信息的一般编码方法”，ISO/IEC 13818，94年年11月公布；用于月公布；用于DVB，HDTV，DVD。是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下。是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定，也是国际主流的的压缩方案和系统层的详细规定，也是国际主流的SDTV和和HDTV的编码标准。在的编码标准。在ITU-T的协议系列中，被称为的协议系列中，被称为H.262；uMPEG-2和和MPEG-1的图像结构相同；的图
38、像结构相同；uMPEG-2通用性较强，满足对图像质量和传输速率的多层通用性较强，满足对图像质量和传输速率的多层次要求，技术成熟；次要求，技术成熟；u图像格式：图像格式：704576（PAL）和和704480（NTSC），码），码率为率为315 Mbps，9Mbps模拟分量质量；模拟分量质量；u能处理逐行扫描和隔行扫描图像，包括能处理逐行扫描和隔行扫描图像，包括16：9宽高比图像宽高比图像格式。格式。L o g oL o g o6.3 MPEG-2视频视频编码和解码编码和解码uMPEG-1定位在定位在VHS质量，质量，MPEG-2的目的是要达到广播的目的是要达到广播级的音视频质量；级的音视频质量
39、；uMPEG-2编码增加了场处理的方式；编码增加了场处理的方式；uMPEG-2支持多种分辨率；支持多种分辨率；uMPEG-2的音频编码可与的音频编码可与MPEG-1兼容（兼容（MPEG-2 BC），），并扩展支持并扩展支持16KHz、22.05KHz 和和24KHz采样频率，音频采样频率，音频数据位率扩展到数据位率扩展到864Kbps，支持，支持5.1和和6.1声道环绕立体声道环绕立体声；声；MPEG-2还支持线性还支持线性PCM编码和编码和Dolby AC-3编码。编码。L o g oL o g o6.3 MPEG-2视频视频编码和解码编码和解码二、标准组成二、标准组成共分共分9个部分，核心
40、如下：个部分，核心如下：u13818-1系统：定义规范的系统编码，包括复合视频和音系统：定义规范的系统编码，包括复合视频和音频数据的复用结构以及重放同步序列所需表示定时信息的频数据的复用结构以及重放同步序列所需表示定时信息的方法；方法；u13818-2视频：定义视频数据的编码方法和重建图像所要视频：定义视频数据的编码方法和重建图像所要求的解码过程；求的解码过程；u13818-3音频：定义音频数据的编码方法；音频：定义音频数据的编码方法；u13818-4兼容性：定义编码码流是否符合兼容性：定义编码码流是否符合MPEG-2码流的兼码流的兼容性测试方法；容性测试方法；u13818-5软件：描述软件：
41、描述MPEG-2 标准的前标准的前3部分的软件实现方部分的软件实现方法；法；u13818-6数字存储媒体数字存储媒体-命令与控制：描述交互式多媒体网命令与控制：描述交互式多媒体网络中服务器与用户间的会话信令集。络中服务器与用户间的会话信令集。L o g oL o g o6.3 MPEG-2视频视频编码和解码编码和解码三、档次及等级三、档次及等级uMPEG-2视频标准的技术规范集包括视频标准的技术规范集包括5个个“档次档次”（Profiles）和和4个个“等级等级”（Levels）；u档次档次是是MPEG-2标准定义的不同编码算法的子集：较低的档次在编标准定义的不同编码算法的子集：较低的档次在编
42、码时仅使用最为基本的编码工具；较高的档次则采用较多的编码工码时仅使用最为基本的编码工具；较高的档次则采用较多的编码工具集；档次之间具有向下兼容性；具集；档次之间具有向下兼容性；u等级等级主要针对主要针对ITU-R CCIR601标准下的不同的图像信源的分辨率：标准下的不同的图像信源的分辨率：从低级到高级，对应信源的分辨率逐步增加。从低级到高级，对应信源的分辨率逐步增加。u档次与等级的若干组合构成档次与等级的若干组合构成MPEG-2视频编码标准在某种特视频编码标准在某种特定应用下的子集，对某一输入格式的图像，采用特定集合定应用下的子集，对某一输入格式的图像，采用特定集合的压缩编码工具，可产生规定
43、速率范围内的编码码流。的压缩编码工具，可产生规定速率范围内的编码码流。L o g oL o g o6.3 MPEG-2视频视频编码和解码编码和解码1、MPEG-2标准的档次标准的档次档次档次（Profile）说明说明简单档次简单档次（Simple Profile）使用最少的编码工具集使用最少的编码工具集主档次主档次（Main Profile）增加双向预测方法增加双向预测方法信噪比可伸缩档次信噪比可伸缩档次（SNR Scalable Profile）增加可伸缩特性增加可伸缩特性空间可分伸缩档次空间可分伸缩档次（Spatially Scalable Profile）高级档次高级档次（High Pr
44、ofile）用于图像质量、比特率用于图像质量、比特率要求更高的场合要求更高的场合L o g oL o g o6.3 MPEG-2视频视频编码和解码编码和解码2、MPEG-2标准的等级标准的等级级别级别（Level）分分 辨辨 率率最大码率最大码率低级低级(Low Level)35224030,352288254Mbps主级主级(Main Level)72048030,7205762515Mbps1440高级高级(High-1440 Level)144010803060Mbps高级高级(High Level)1920108030（16:9）80MbpsL o g oL o g o6.3 MPEG
45、-2视频视频编码和解码编码和解码3、档次与、档次与等级的组合选择等级的组合选择u在实现在实现MPEG-2标准时，可根据应用环境（数字存储媒体标准时，可根据应用环境（数字存储媒体、可视电话、数字电视、高清晰度电视及通信网络）的需、可视电话、数字电视、高清晰度电视及通信网络）的需求，选择适当的档次与等级；求，选择适当的档次与等级；u在在20种可能的组合中，为了保证与种可能的组合中，为了保证与MPEG-1向下兼容及特向下兼容及特定的数字广播、通信和家用视听设备的需求，目前定的数字广播、通信和家用视听设备的需求，目前11种是种是已获通过的，成为已获通过的，成为MPEG-2适用点。适用点。L o g o
46、L o g o6.3 MPEG-2视频视频编码和解码编码和解码L o g oL o g o6.3 MPEG-2视频视频编码和解码编码和解码L o g oL o g o6.3 MPEG-2视频视频编码和解码编码和解码u以下以下4种技术规范最常使用：种技术规范最常使用：uMPML：主级：主级/主类，可应用于包括数字视频广播（主类，可应用于包括数字视频广播（DVB）、）、数字视盘（数字视盘（DVD）、数字有线电视和交互式电视等；）、数字有线电视和交互式电视等；uSPML：简单类：简单类/主级，用于数字有线电视和数字录像机；主级，用于数字有线电视和数字录像机；uMPHL：主类：主类/高级，用于全数字高
47、级，用于全数字HDTV；uSSPHL1440：空域可伸缩类：空域可伸缩类/1440高级，用于高级，用于HDTV。L o g oL o g o6.3 MPEG-2视频视频编码和解码编码和解码四、系统层原理四、系统层原理uMPEG-2在概念上将编码结构分为两层：最外部为系统层在概念上将编码结构分为两层：最外部为系统层（系统层作用是对多个压缩层的码流进行打包和复用）；（系统层作用是对多个压缩层的码流进行打包和复用）；内层为压缩层；内层为压缩层；u为使压缩码流能够在卫星、电缆和地面频道等信道的传输为使压缩码流能够在卫星、电缆和地面频道等信道的传输中兼容中兼容MPEG-1系统层码流，系统层码流，MPEG
48、-2系统部分还定义了系统部分还定义了两种码流结构：两种码流结构：u节目流（节目流（Program Stream,PS）；）；u传送流（传送流（Transport Stream,TS）。）。uMPEG-2为为TS流和流和PS流都提供了相关的解码方式和语法流都提供了相关的解码方式和语法，能够保证压缩码流的同步译码和音，能够保证压缩码流的同步译码和音/视频信号的重构；视频信号的重构；uTS流和流和PS流的数据结构称为流的数据结构称为PES数据包，包含编码后的数据包，包含编码后的音音/视频信息和相关系统信息。视频信息和相关系统信息。L o g oL o g o6.3 MPEG-2视频视频编码和解码编码
49、和解码uMPEG-2系统层结构图系统层结构图打包器打包器打包器打包器PS复复用用TS码流码流PS码流码流视频视频PES视频视频音频音频数据数据TS复复用用视频编码器视频编码器音频编码器音频编码器数据编码器数据编码器MPEG-2系统规范系统规范原始音原始音/视频等视频等信息编码后送信息编码后送到系统层到系统层系统层对压缩码流打系统层对压缩码流打包形成包形成PES数据包数据包复合成节目流复合成节目流和传输流送出和传输流送出I1B2B3P4B5B6P7B8B9I10I1P4B2B3P7B5B6I10B8B9L o g oL o g o6.3 MPEG-2视频视频编码和解码编码和解码1 1、节目流、节
50、目流u节目流能够将一个或多个具有相同时间基点的数据流合成节目流能够将一个或多个具有相同时间基点的数据流合成单个数据流；单个数据流；uMPEG-2节目流解码器能够正确对节目流解码器能够正确对MPEG-1系统流进行解系统流进行解码，因此与码，因此与MPEG-1系统流一样，系统流一样，MPEG-2节目流适用于节目流适用于无误码影响的环境以及基于软件的解码处理；无误码影响的环境以及基于软件的解码处理；u节目流的节目流的PES数据包通常比较长且长度不固定，典型长度数据包通常比较长且长度不固定，典型长度在在12KB之间；之间；u节目流支持节目流支持MPEG-2标准一些特性：标准一些特性：u随机访问；随机访
