視頻編碼的基本原理一
視頻圖像數據有極強的相關性,也就是說有大量的冗余信息。其中冗余信息可分為空域冗余信息和時域冗余信息。壓縮技術就是將數據中的冗余信息去掉(去除數據之間的相關性),壓縮技術包含幀內圖像數據壓縮技術、幀間圖像數據壓縮技術和熵編碼壓縮技術。
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一、去時域冗余信息
使用幀間編碼技術可去除時域冗余信息,它包括以下三部分:
1、 運動補償
運動補償是通過先前的局部圖像來預測、補償當前的局部圖像,它是減少幀序列冗余信息的有效方法。
2、 運動表示
不同區域的圖像需要使用不同的運動矢量來描述運動信息。運動矢量通過熵編碼進行壓縮。
3、 運動估計
運動估計是從視頻序列中抽取運動信息的一整套技術。
注:通用的壓縮標準都使用基于塊的運動估計和運動補償
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二、去空域冗余信息
主要使用幀間編碼技術和熵編碼技術:
1、變換編碼
幀內圖像和預測差分信號都有很高的空域冗余信息。變換編碼將空域信號變換到另一正交矢量空間,使其相關性下降,數據冗余度減小。
2、量化編碼
經過變換編碼后,產生一批變換系數,對這些系數進行量化,使編碼器的輸出達到一定的位率。這一過程導致精度的降低。
3、 熵編碼
熵編碼是無損編碼。它對變換、量化后得到的系數和運動信息,進行進一步的壓縮。
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三、視頻編碼的基本框架
H.261
H.261標準是為ISDN設計,主要針對實時編碼和解碼設計,壓縮和解壓縮的信號延時不超過150ms,碼率px64kbps(p=1~30)。
H.261標準主要采用運動補償的幀間預測、DCT變換、自適應量化、熵編碼等壓縮技術。 只有I幀和P幀,沒有B幀,運動估計精度只精確到像素級。支持兩種圖像掃描格式:QCIF和CIF。
H.263
H.263標準是甚低碼率的圖像編碼國際標準,它一方面以H.261為基礎,以混合編碼為核心,其基本原理框圖和H.261十分相似,原始數據和碼流組織也相似;另一方面,H.263也吸收了MPEG等其它一些國際標準中有效、合理的部分, 如:半像素精度的運動估計、PB幀預測等,使它性能優于H.261。
H.263使用的位率可小于64Kb/s,且傳輸比特率可不固定(變碼率)。H.263支持多種分辨率: SQCIF(128x96)、 QCIF、CIF、4CIF、16CIF。
與H.261和H.263相關的國際標準
與H.261有關的國際標準
H.320:窄帶可視電話系統和終端設備;
H.221:視聽電信業務中64~1 920Kb/s信道的幀結構;
H.230:視聽系統的幀同步控制和指示信號;
H.242:使用直到2Mb/s數字信道的視聽終端的系統。
與H.263有關的國際標準
H.324:甚低碼率多媒體通信終端設備;
H.223:甚低碼率多媒體通信復合協議;
H.245:多媒體通信控制協議;
G.723.1.1:傳輸速率為5.3Kb/s和6.3Kb/s的語音編碼器。
JPEG
國際標準化組織于1986年成立了JPEG(Joint Photographic Expert Group)聯合圖片專家小組,主要致力于制定連續色調、多級灰度、靜態圖像的數字圖像壓縮編碼標準。常用的基于離散余弦變換(DCT)的編碼方法,是JPEG算法的核心內容。
MPEG-1/2
MPEG-1標準用于數字存儲體上活動圖像及其伴音的編碼,其數碼率為1.5Mb/s。 MPEG-1的視頻原理框圖和H.261的相似。
MPEG-1視頻壓縮技術的特點:1. 隨機存取;2. 快速正向/逆向搜索;3 .逆向重播;4. 視聽同步;5. 容錯性;6. 編/解碼延遲。MPEG-1視頻壓縮策略:為了提高壓縮比,幀內/幀間圖像數據壓縮技術必須同時使用。幀內壓縮算法與JPEG壓縮算法大致相同,采用基于DCT的變換編碼技術,用以減少空域冗余信息。幀間壓縮算法,采用預測法和插補法。預測誤差可在通過DCT變換編碼處理,進一步壓縮。幀間編碼技術可減少時間軸方向的冗余信息。
MPEG-2被稱為“21世紀的電視標準”,它在MPEG-1的基礎上作了許多重要的擴展和改進,但基本算法和MPEG-1相同。
MPEG-4
MPEG-4標準并非是MPEG-2的替代品,它著眼于不同的應用領域。MPEG-4的制定初衷主要針對視頻會議、可視電話超低比特率壓縮(小于64Kb/s)的需求。在制定過程中,MPEG組織深深感受到人們對媒體信息,特別是對視頻信息的需求由播放型轉向基于內容的訪問、檢索和操作。
MPEG-4與前面提到的JPEG、MPEG-1/2有很大的不同,它為多媒體數據壓縮編碼提供了更為廣闊的平臺,它定義的是一種格式、一種框架,而不是具體算法,它希望建立一種更自由的通信與開發環境。于是MPEG-4新的目標就是定義為:支持多種多媒體的應用,特別是多媒體信息基于內容的檢索和訪問,可根據不同的應用需求,現場配置解碼器。編碼系統也是開放的,可隨時加入新的有