數(shù)字電視原理第五章數(shù)字電視的國際標(biāo)準(zhǔn)第一頁，共四十三頁。5/5/20231通信工程系5.1視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)的制定：國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO/IEC)和國際電信聯(lián)盟(ITU)完成的。由上述兩個(gè)國際組織制定了：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4(2)以及MPEG-4(10)和H.261、H.262、H.263、H.263+、H.263++、H.264等。第二頁，共四十三頁。5/5/20232通信工程系第三頁，共四十三頁。5/5/20233通信工程系第四頁，共四十三頁。5/5/20234通信工程系圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)可分為兩大系列：MPEG-X和H.26X。MPEG-X是由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國際電工委員會(huì)(IEC)提出的標(biāo)準(zhǔn)，H.26X是由國際電信聯(lián)盟(ITU)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)提出的。第五頁，共四十三頁。5/5/20235通信工程系圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)可分為兩大系列：MPEG-X和H.26X。MPEG-X是由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國際電工委員會(huì)(IEC)提出的標(biāo)準(zhǔn)，H.26X是由國際電信聯(lián)盟(ITU)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)提出的。第六頁，共四十三頁。5/5/20236通信工程系－超高清晰度成像(HRI)建議(ITU-RBT.1201)ITU-RBT.1201建議書提出了超高清晰度成像(HRI，HighResolutionImage)格式和規(guī)范建議。HDTV：1920像素×1080像素，有p（逐行）和i（隔行）之分標(biāo)清電視：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，超高清電視）第七頁，共四十三頁。5/5/20237通信工程系5.2JPEG標(biāo)準(zhǔn)JPEG的目標(biāo)：JPEG用于連續(xù)變化的靜止圖像

連續(xù)變化是指灰度等級和顏色兩方面的連續(xù)變化靜止圖像數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEGJointPhoto-GraphicExpertsGroup 聯(lián)合圖像專家組從1986年正式開始制訂,由多個(gè)國際組織聯(lián)合制定:國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)CCITT(后改為ITU)。國際電工委員會(huì)(IEC)也參加合作1992年7月通過了標(biāo)準(zhǔn)的第一部分，后又對有關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)草案(即標(biāo)準(zhǔn)的第二部分)作了進(jìn)一步修改

第八頁，共四十三頁。5/5/20238通信工程系5.2JPEG標(biāo)準(zhǔn)JPEG包含兩種基本壓縮方法：有損壓縮：基于DCT的有損壓縮，又稱為基線順序編解碼(BaselineSequentialCodec)方法無損壓縮：又稱預(yù)測壓縮方法JPEG的圖像壓縮是在本幀內(nèi)進(jìn)行,與前后幀無關(guān)；JPEG可以采用逐漸浮現(xiàn)重建方式；JPEG可用于活動(dòng)圖像壓縮編碼，只不過壓縮方法只限于幀內(nèi)進(jìn)行，不作運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和幀間差運(yùn)算。這種用于活動(dòng)圖像的壓縮技術(shù)稱作：M-JPEG(Motion-JPEG),主要用于高質(zhì)量圖像壓縮編碼方案中，例如電視臺(tái)節(jié)目編輯中。第九頁，共四十三頁。5/5/20239通信工程系5.2JPEG標(biāo)準(zhǔn)1.基于DCT的編碼器和解碼器編碼器：第十頁，共四十三頁。5/5/202310通信工程系基于DCT的JPEG解碼器：5.2JPEG標(biāo)準(zhǔn)接收端收到的壓縮圖像數(shù)據(jù)應(yīng)包含重建圖像的專用數(shù)據(jù)表等數(shù)據(jù)第十一頁，共四十三頁。5/5/202311通信工程系5.2JPEG標(biāo)準(zhǔn)JPEG壓縮流程示意圖第十二頁，共四十三頁。5/5/202312通信工程系5.2JPEG標(biāo)準(zhǔn)－JPEG標(biāo)準(zhǔn)中的像素以NTSC制為例，它的視頻最高頻率為4.2MHz，故抽樣頻率可取8.4MHz至9MHzNTSC制行頻行周期每行的顯示時(shí)間若設(shè)抽樣頻率

第十三頁，共四十三頁。5/5/202313通信工程系則時(shí)間內(nèi)的抽樣數(shù)N如下式所示抽樣數(shù)N:一行中的顯示區(qū)或稱有效像素區(qū)中的像素?cái)?shù)5.2JPEG標(biāo)準(zhǔn)第十四頁，共四十三頁。5/5/202314通信工程系5.2JPEG標(biāo)準(zhǔn)－像素形狀的概念又稱為縱橫比，按JPEG標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定像素縱橫比為1：1，也就是像素為正方形；例如上述NTSC制中一行像素為480個(gè)，若像素縱橫比為1：1，圖像尺寸縱橫比為3：4，則一幀圖像應(yīng)有的行數(shù)為480×3／4＝360行；光柵轉(zhuǎn)換或掃描轉(zhuǎn)換：NTSC制一幀圖像為525行，其中包含兩場，若扣除兩場的場消隱所需74行，則余451行,轉(zhuǎn)換到360行,則需要合并。按，則每10行需要并成8行，這就是圖像光柵處理中常用的光柵轉(zhuǎn)換或掃描轉(zhuǎn)換。第十五頁，共四十三頁。5/5/202315通信工程系5.2JPEG標(biāo)準(zhǔn)2.DCT變換及其系數(shù)的量化、編碼JPEG標(biāo)準(zhǔn)是將“二維”空間的圖像數(shù)據(jù)用離散余弦變換DCT公式變換到二維頻域成為二維頻率系數(shù)。變換后的系數(shù)經(jīng)量化矩陣量化亮度量化矩陣色度量化矩陣第十六頁，共四十三頁。5/5/202316通信工程系5.2JPEG標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)Zig-Zag掃描后，把二維量化系數(shù)轉(zhuǎn)換為一維數(shù)據(jù)序列，以便進(jìn)行熵編碼這種低頻在前高頻在后Zig-Zag掃描的排列方式也稱帶狀編碼，因?yàn)樗皖l帶由低到高呈帶狀一致。這和量化步長逐步提高的方式一致，所以也稱門限系數(shù)排列方式。對于直流分量DC進(jìn)行差分脈沖編碼對交流分量AC進(jìn)行霍夫曼或者游程編碼第十七頁，共四十三頁。5/5/202317通信工程系3.數(shù)據(jù)交換格式5.2JPEG標(biāo)準(zhǔn)靜像數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后，得到壓縮數(shù)據(jù)流。為了便于交換和儲(chǔ)存，需要有統(tǒng)一的交換格式，同時(shí)也便于解碼器解碼。第十八頁，共四十三頁。5/5/202318通信工程系第一行為壓縮圖像數(shù)據(jù)。圖中SOI表示圖像開始。中間方框表示一幀圖像數(shù)據(jù)。最后的EOI表示圖像結(jié)束。SOI和EOI均稱為標(biāo)記符號(hào)，各占2字節(jié)(Byte)。第十九頁，共四十三頁。5/5/202319通信工程系第二行給出幀內(nèi)包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容。首先是表／雜項(xiàng)，其中表即為數(shù)據(jù)表，如量化表、霍夫曼DC和AC表等，雜項(xiàng)即為其它必要的信息。幀頭表示幀頭信息，包含所選方法(如基線DCT方法等)、抽樣精度、量化位數(shù)、源圖像行數(shù)、每行抽樣數(shù)、各分量圖像尺寸比例等。掃描1表示掃描數(shù)據(jù)1。第二十頁，共四十三頁。5/5/202320通信工程系第三行的掃描頭(ScanHeader)包含掃描起始信息、分量圖像號(hào)碼、該分量圖像的參數(shù)、熵編碼表選擇等內(nèi)容。ECS0(EntropyCodedSegment)表示第0段熵編碼。第四行用于說明初始和結(jié)束的熵編碼段。各編碼段內(nèi)包含若干個(gè)最小編碼單元MCU。第二十一頁，共四十三頁。5/5/202321通信工程系5.3MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)MPEG-1的目標(biāo)MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)思想是在1Mbit/s到1.5Mbit/s的低帶寬條件下，提供盡可能高的圖像質(zhì)量（包括音頻）。它是針對CD-ROM、光盤的視頻存儲(chǔ)和放像所制定的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)。VCD使用MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)，圖像尺寸為352×288，標(biāo)準(zhǔn)速率為1.2Mbit/sMPEG是活動(dòng)圖像專家組(MovingPictureExpertGroup)的英文縮寫，MPEG的任務(wù)是開發(fā)活動(dòng)圖像及其聲音的數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)，成立于1988年?；顒?dòng)圖像專家組(MPEG)在1991年11月提出了ISO11172標(biāo)準(zhǔn)的建議草案，通稱MPEG-l標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)予1992年l1月被通過，1993年8月公布。第二十二頁，共四十三頁。5/5/202322通信工程系5.3MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)1.MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容ISO/IEC11172包括三大部分:ISO/IEC11172-1第一部分系統(tǒng)ISO/IEC11172-2第二部分視頻ISO/IEC11172-3第三部分音頻MPEG-l標(biāo)準(zhǔn)可以處理各種類型的活動(dòng)圖像，其基本算法對于壓縮水平方向352個(gè)像素、豎直方向288個(gè)像素的空間分辨力，每秒24/25/30幅畫面的運(yùn)動(dòng)圖像有很好的效果；在MPEG-l標(biāo)準(zhǔn)中的一幀圖像的概念不同于電視中幀的概念，前者一定是逐行掃描的圖像，如果待處理信號(hào)是隔行掃描的圖像，則編碼前必須將其轉(zhuǎn)換成逐行掃描的格式第二十三頁，共四十三頁。5/5/202323通信工程系5.3MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)采用了一系列技術(shù)以獲得高壓縮比:對色差信號(hào)進(jìn)行亞采樣，減少數(shù)據(jù)量；采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)減少幀間冗余度；做二維DCT變換去除空間相關(guān)性；對DCT系數(shù)進(jìn)行量化，舍去不重要的信息，將量化后的DCT系數(shù)按照頻率重新排序；將DCT系數(shù)進(jìn)行變字長的熵編碼；對每個(gè)數(shù)據(jù)塊的直流分量(DC)進(jìn)行預(yù)測差分編碼；第二十四頁，共四十三頁。5/5/202324通信工程系在MPEG-l標(biāo)準(zhǔn)中，考慮到壓縮比和隨機(jī)存取這對矛盾，一共定義了3種圖像類型：I幀：幀內(nèi)幀圖像，采用幀內(nèi)編碼，不參照其他圖像。它作為預(yù)測基準(zhǔn)的獨(dú)立幀。設(shè)置I幀的主要因素是：1）當(dāng)某幀找不到匹配的參考幀時(shí)，就只好進(jìn)行幀內(nèi)編碼，場景切換就是這種情況的例子；2）解碼I幀不需要參考幀，因而可以在I幀進(jìn)行碼流的切換和編輯等操作，提供隨機(jī)存取的插入點(diǎn)；3）長時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行預(yù)測編碼，預(yù)測誤差會(huì)不斷累積，圖像質(zhì)量不斷下降。為防止解碼圖像損傷的逐漸加劇，需定時(shí)進(jìn)行幀刷新，即周期性地插入I幀，以便重新開始一個(gè)新的預(yù)測編碼過程。第二十五頁，共四十三頁。5/5/202325通信工程系2.P幀，又稱前向預(yù)測編碼幀。它用前面最近的I幀或P幀作為參考進(jìn)行前向預(yù)測，采用帶運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測編碼方式。由于同時(shí)利用了空間和時(shí)間上的相關(guān)性，所以P幀比I幀的壓縮效率高。P幀也可作為參考幀。3．B幀，又稱雙向預(yù)測編碼幀。

它既用源視頻序列中位于前面且已編碼的I幀或P幀作為參考幀，進(jìn)行前向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測，又用位于后面且已編碼的I幀或P幀作為參考幀，進(jìn)行后向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測。即B幀可采用幀內(nèi)編碼、前向預(yù)測編碼、后向預(yù)測編碼、或雙向預(yù)測編碼4種技術(shù)，其壓縮比最高。但B幀不能用作對其他幀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測的參考幀。第二十六頁，共四十三頁。5/5/202326通信工程系幀內(nèi)圖像I的壓縮編碼算法框圖5.3MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)第二十七頁，共四十三頁。5/5/202327通信工程系5.3MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測圖像P的壓縮編碼算法框圖第二十八頁，共四十三頁。5/5/202328通信工程系5.3MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)雙向預(yù)測圖像B的壓縮編碼算法框圖

第二十九頁，共四十三頁。5/5/202329通信工程系5.3MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)I幀、P幀和B幀圖像的依賴關(guān)系

I幀圖像一般在0.5s（相隔12幀）左右一幅，它作為P幀和B幀圖像的參照圖像，要求圖像質(zhì)量較高，否則會(huì)引起誤差向P幀和B幀圖像擴(kuò)散，因此I幀圖像的量化系數(shù)較小。兩個(gè)相鄰的I幀圖像之間會(huì)插入若干個(gè)P幀圖像，兩個(gè)相鄰的P幀或I幀圖像之間會(huì)插入若干個(gè)B幀圖像。第三十頁，共四十三頁。5/5/202330通信工程系應(yīng)該注意的是，圖像的顯示順序和編碼順序并不相同。

上圖所示的顯示順序排列。下圖所示為編碼順序排列。第三十一頁，共四十三頁。5/5/202331通信工程系5.3MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)編解碼延時(shí)問題由于編碼順序和顯示順序之間的差異，帶來編、解碼總延時(shí)達(dá)0.8～1秒時(shí)間。這種延時(shí)對廣播性質(zhì)的圖像傳輸不會(huì)帶來任何影響，因?yàn)橛脩舨⒉荒馨l(fā)現(xiàn)發(fā)射端與接收端信號(hào)起始時(shí)間的差異；對于交互性質(zhì)的圖像傳輸，例如，數(shù)字會(huì)議電視則帶來十分不便。因?yàn)榧追綀D像傳至乙方經(jīng)編碼、解碼要延時(shí)0.8～1秒時(shí)間；乙方圖像傳至甲方經(jīng)編碼、解碼也要延時(shí)0.8～1秒時(shí)間，這樣，如果甲對乙提一個(gè)問題，則1.6～2秒以后才能得到回答。第三十二頁，共四十三頁。5/5/202332通信工程系5.3MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)解決編解碼延時(shí)過長問題減少B幀使兩個(gè)I幀之間的幀數(shù)減少，則編、解碼總延時(shí)下降，甚至可以把B幀、P幀全部取消，這樣，可以得到0延時(shí)。這種方式也稱M-JPEG(Motion-JPEG)方式。但此時(shí)的壓縮比降到了5:1～7:1；延時(shí)與壓縮倍數(shù)是互相矛盾的第三十三頁，共四十三頁。5/5/202333通信工程系MPEG為了更好地表示編碼比特流，用句法規(guī)定了一個(gè)分層結(jié)構(gòu)，共分6層，從高到低依次是:視頻序列、圖像組（GOP）、圖像、宏塊條（Slice）、宏塊層及像塊層。圖像圖像組視頻序列宏塊條宏塊像塊第三十四頁，共四十三頁。5/5/202334通信工程系第三十五頁，共四十三頁。5/5/202335通信工程系

視頻序列是指構(gòu)成一段或整個(gè)電視節(jié)目的連續(xù)圖像序列，是隨機(jī)選取節(jié)目的一個(gè)基本單元。從節(jié)目內(nèi)容看，一個(gè)視頻序列大致對應(yīng)于一個(gè)鏡頭。切換一個(gè)鏡頭，即表示開始一個(gè)新的序列。在視頻序列層，起始碼后是序列頭，它包含有視頻序列參數(shù)，如圖像的尺寸大小、幅型比、幀頻、數(shù)碼率、緩沖區(qū)大小等。為了確保能在不同的時(shí)間隨時(shí)進(jìn)入視頻序列，MPEG允許重復(fù)發(fā)送序列頭。序列擴(kuò)展數(shù)據(jù)后面跟若干個(gè)圖像組層的數(shù)據(jù)。視頻序列層以序列結(jié)束碼（SEQEC）結(jié)束。第三十六頁，共四十三頁。5/5/202336通信工程系

GOP是由一個(gè)視頻序列中連續(xù)的若干幀圖像組成。每個(gè)GOP由一個(gè)I幀和一些P幀、B幀組成，GOP的第一幀一定為I幀。第三十七頁，共四十三頁。5/5/202337通信工程系

圖像是一個(gè)獨(dú)立的顯示單元，它可以作為一個(gè)整體被顯示設(shè)備顯示。圖像層包括不同編碼類型的圖像，即I、B、P幀。在圖像層頭中包含了圖像編碼的類型和時(shí)間參考信息。在MPEG-1中，圖像的掃描方式是逐行的，因而圖像總是幀格式。而在MPEG-2中，圖像的掃描方式既可以逐行的，也可以是隔行的。逐行掃描的圖像只能是幀格式；而隔行掃描的圖像可以是幀格式，也可以是場格式。一個(gè)圖像包含亮度分量和色度分量。在MPEG-1中，亮度和色度的采樣格式是4∶2∶0；而在MPEG-2中，除了這一格式，還可以采用4∶2∶2及4∶4∶4的格式。第三十八頁，共四十三頁。5/5/202338通信工程系每個(gè)宏塊條包括若干個(gè)連續(xù)宏塊，其順序和行掃描順序一致。宏塊條可以從一個(gè)宏塊行（16行寬）的任何一個(gè)宏塊開始。

宏塊條是比特流重新同步的基本單元。一旦因傳輸差錯(cuò)發(fā)生誤碼而導(dǎo)致接收端解碼失步，此時(shí)，可根據(jù)起始碼重新獲得同步。劃分成宏塊條的主要目的在于防止誤碼的擴(kuò)散，即如果一個(gè)宏塊條內(nèi)的數(shù)據(jù)因傳輸差錯(cuò)發(fā)生誤碼，但又不可糾正時(shí)，下一個(gè)宏塊條不受其影響，仍能準(zhǔn)確地找到下一個(gè)宏塊條的起始位置并正常解碼。第三十九頁，共四十三頁。5/5/202339通信工程系

一個(gè)宏塊由16×16像素的亮度陣列和同區(qū)域內(nèi)的Cb、Cr色差陣列共同組成。在MPEG-1中只采用4∶2∶0宏塊結(jié)構(gòu)。

宏塊是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測的基本單元。一個(gè)4∶2∶0的宏塊由6個(gè)塊組成，其中有4個(gè)亮度塊、1個(gè)Cb塊和1個(gè)Cr塊。一個(gè)4∶2∶2的宏塊由8個(gè)塊組成，其中有4個(gè)亮度塊、2個(gè)Cb塊和2個(gè)Cr塊。一個(gè)4∶4∶4的宏塊由12個(gè)塊組成，其中有4個(gè)亮