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1、第第6 6章章 数字视频编码标准数字视频编码标准概述概述6.1ITU-R BT.601ITU-R BT.601数字视频标准数字视频标准6.2H.26XH.26X标准标准6.3JPEGJPEG标准标准6.5MPEGMPEG标准标准6.6H.323H.323可视通信系统标准可视通信系统标准6.4学习目标学习目标知识目标：掌握知识目标：掌握ITU-RBT.601建议、建议、H.26X系列标准、系列标准、JPEG标准和标准和MPEG等等数字视频编码的相关标准，对常用的视数字视频编码的相关标准，对常用的视频信号压缩编码标准及其采用的编码方频信号压缩编码标准及其采用的编码方法与相应的编法与相应的编/解码器
2、有所了解，熟悉它解码器有所了解，熟悉它们的应用领域和范围。们的应用领域和范围。技能目标：了解技能目标：了解DVD播放机的整机构成播放机的整机构成和工作原理，掌握和工作原理，掌握DVD播放机的关键电压播放机的关键电压检测和信号测量技术。检测和信号测量技术。典型设备：典型设备：DVDDVD影碟机影碟机DVD影碟机（简称影碟机（简称“DVD”机）是在机）是在VCD机的基础上发展起来的高新技术视频机的基础上发展起来的高新技术视频播放设备，整机构成与播放设备，整机构成与VCD机相似，也是机相似，也是由机芯部分和电路部分组成。由机芯部分和电路部分组成。其外形结构如图其外形结构如图6-1所示。所示。图图6-
3、1 DVD6-1 DVD影碟机的外观结构影碟机的外观结构包括激光头在内的机芯结构与包括激光头在内的机芯结构与VCD、CD基本相同，只是基本相同，只是DVD的激光头要求的精的激光头要求的精度更高。度更高。电路部分与电路部分与VCD差别较大，主要是两差别较大，主要是两者的图像伴音压缩方式不同、数据格式也者的图像伴音压缩方式不同、数据格式也不同。不同。因此，图像伴音的解压也就不同。因此，图像伴音的解压也就不同。尽管尽管DVD机与机与VCD、CD在数据解压在数据解压上不同，但上不同，但DVD机一般兼容播放机一般兼容播放VCD和和CD光盘。光盘。1DVD机的基本结构机的基本结构图图6-2 DVD6-2
4、DVD播放系统的基本结构播放系统的基本结构（1）DVD盘读出机构盘读出机构（2）DVD-P系统系统（3）VCD/DVD解码系统解码系统（4）微控制器）微控制器2DVD机的基本工作原理机的基本工作原理DVD机的机的RF信号处理电路可分成信号处理电路可分成CD的的RF信号处理单元和信号处理单元和DVD的的RF信号处理单元。信号处理单元。由于由于CD和和DVD这两个系统对这两个系统对RF处理均衡处理均衡补偿特性以及通道增益要求均不相同，所以不补偿特性以及通道增益要求均不相同，所以不能使用相同的能使用相同的RF信号处理电路。信号处理电路。播放光盘时，激光头的输出信号首先播放光盘时，激光头的输出信号首先
5、送到送到RF信号预放大器中进行放大，从而产信号预放大器中进行放大，从而产生生RF眼图波形、聚焦误差信号眼图波形、聚焦误差信号FE和循迹误和循迹误差信号差信号TE。处理之后的处理之后的RF信号，按照信号，按照CD和和DVD类别，分别将各自的类别，分别将各自的RF信号送至数字信号信号送至数字信号处理器（处理器（DSP），一般），一般DSP处理器也分为处理器也分为CD-DSP电路和电路和DVD-DSP电路。电路。6.1 6.1 概述概述数字视频通信是一个复杂且计算强度数字视频通信是一个复杂且计算强度很大的工程，它要求系统能满足接收来自很大的工程，它要求系统能满足接收来自不同信源的视频信号的要求。不同
6、信源的视频信号的要求。数字视频通信标准主要是为视频通信数字视频通信标准主要是为视频通信（如电视、电话等应用）开发的，以使相（如电视、电话等应用）开发的，以使相关产业能向用户提供合理价位的有效带宽关产业能向用户提供合理价位的有效带宽应用服务。应用服务。数字视频处理技术在通信、电子消费、数字视频处理技术在通信、电子消费、军事、工业控制等领域的广泛应用促进了数军事、工业控制等领域的广泛应用促进了数字视频编码技术的快速发展，并催生出一系字视频编码技术的快速发展，并催生出一系列的国际标准。列的国际标准。近年来，国际标准化组织近年来，国际标准化组织ISO、国际、国际电工委员会电工委员会IEC和国际电信联盟
7、和国际电信联盟ITU-T相继相继制定了一系列视频图像编码的国际标准，制定了一系列视频图像编码的国际标准，有力地促进了视频信息的广泛传播和相关有力地促进了视频信息的广泛传播和相关产业的巨大发展。产业的巨大发展。6.2 ITU-R BT.6016.2 ITU-R BT.601数字视频标准数字视频标准数字视频是指用二进制数字表示的视数字视频是指用二进制数字表示的视频信号，数字视频既可直接来源于数字摄频信号，数字视频既可直接来源于数字摄像机（例如像机（例如CCD摄像机等），也可将模拟摄像机等），也可将模拟视频信号经过数字化处理变成数字视频信视频信号经过数字化处理变成数字视频信号。号。由于模拟视频的特性
8、，它在传输、存由于模拟视频的特性，它在传输、存储和交互等方面具有很大的局限性。储和交互等方面具有很大的局限性。与模拟视频相比，数字视频具有很多优与模拟视频相比，数字视频具有很多优点：便于传输和交换，便于多媒体通信，便点：便于传输和交换，便于多媒体通信，便于存储、处理和加密，无噪声积累，差错可于存储、处理和加密，无噪声积累，差错可控制，可通过压缩编码来减低数码率，便于控制，可通过压缩编码来减低数码率，便于设备的小型化，信噪比高，稳定可靠，交互设备的小型化，信噪比高，稳定可靠，交互能力强等。能力强等。图图6-3 ITU-T BT.6016-3 ITU-T BT.601建议的取样点结构建议的取样点结
9、构图图6-3 ITU-T BT.6016-3 ITU-T BT.601建议的取样点结构（续）建议的取样点结构（续）参量参量NTSCNTSC制（制（525525行，行，6060场场）PALPAL制（制（625625行，行，5050场场）编码编码信号信号Y/R-Y/B-YY/R-Y/B-Y全行采全行采样样点数点数亮度亮度y y858858864864色度色度R-Y/B-YR-Y/B-Y429429432432采采样结样结构构正交，按行正交，按行/场场/帧帧重复，每行中的重复，每行中的R-Y/B-YR-Y/B-Y取取样样与奇数（与奇数（1 1，3 3，5 5，）点）点Y Y取取样样同位同位采采样频样
10、频率率/MHz/MHz亮度亮度Y Y13.513.5色度色度R-Y/B-YR-Y/B-Y6.756.75编码编码方式方式亮度信号和色差信号均亮度信号和色差信号均为为8 bit PCM8 bit PCM每行有效采每行有效采样样点数点数亮度亮度Y Y720720色度色度R-Y/B-YR-Y/B-Y360360有效有效图图像尺寸像尺寸亮度亮度Y Y720720480480720720576576色度色度R-Y/B-YR-Y/B-Y360360480480360360576576表表6-16-1 ITU-T BT.601 ITU-T BT.601建议的建议的422422标准标准6.3 H.26X6.3
11、 H.26X标准标准 H.26X是由是由ITU-T制定的视频编码标制定的视频编码标准，具有编码效率较高和比特率低等优点，准，具有编码效率较高和比特率低等优点，广泛应用于视频通信的各个领域。广泛应用于视频通信的各个领域。主要有主要有H.261、H.262、H.263、H.264等。等。6.3.1H.261标准标准H.261发布于发布于1990年年12月，是月，是ITU-T针针对视频电话、视频会议等要求实时编解码对视频电话、视频会议等要求实时编解码和低时延应用提出的第一个视频编解码标和低时延应用提出的第一个视频编解码标准。准。H.261标准的码率为标准的码率为P64kbit/s，其中，其中P为整数
12、，且为整数，且1P30，对应的码率为，对应的码率为64kbit/s1.92Mbit/s。通常，当。通常，当P=1，2时，时，用于视频电话业务，用于视频电话业务，P6时用于视频会议业时用于视频会议业务。务。1分层结构分层结构参参 数数CIFCIFQCIFQCIFY Y有效取有效取样样点数点数352352点点/行行176176点点/行行U U，V V有效取有效取样样点数点数176176点点/行行8888点点/行行Y Y有效行数有效行数288288行行/帧帧144144行行/帧帧U U，V V有效行数有效行数144144行行/帧帧7272行行/帧帧块组层块组层数数1212组组/帧帧3 3组组/帧帧表
13、表6-26-2CIV/QCIFCIV/QCIF格式参数格式参数图图6-4 H.2616-4 H.261图像分层结构图像分层结构图图6-5 H.2616-5 H.261的码流结构的码流结构2编编/解码器解码器H.261视频编码器的原理框图如图视频编码器的原理框图如图6-6所示，其中有两个模式选择开关用来选择所示，其中有两个模式选择开关用来选择编码模式，编码模式包括帧内编码和帧间编码模式，编码模式包括帧内编码和帧间编码两种，若两个开关均选择上方，则为编码两种，若两个开关均选择上方，则为帧内编码模式；若两个开关均选择下方帧内编码模式；若两个开关均选择下方（图（图6-6中状态），则为帧间编码模式。中状
14、态），则为帧间编码模式。图图6-6 H.2616-6 H.261的编码器框图的编码器框图3编码方法编码方法H.261压缩编码方法包括具有运动补偿压缩编码方法包括具有运动补偿的帧间预测、块的帧间预测、块DCT和霍夫曼编码。和霍夫曼编码。输入图像（帧内模式）或预测误差（帧输入图像（帧内模式）或预测误差（帧间模式）被划分为间模式）被划分为88像素的子块，根据情像素的子块，根据情况分为传块或不传块。况分为传块或不传块。4个个Y子块（亮度块）和子块（亮度块）和2个空间上对个空间上对应的色差子块（色度块）组成一个宏块。应的色差子块（色度块）组成一个宏块。对于编码模式的选择以及块的传输与对于编码模式的选择以
15、及块的传输与否，否，H.261没有作规定，作为编码控制策略没有作规定，作为编码控制策略的一部分，所传送的子块需要进行的一部分，所传送的子块需要进行DCT变变换，变换后的系数经过量化后再进行变长换，变换后的系数经过量化后再进行变长编码。编码。（1）具有运动补偿的帧间预测）具有运动补偿的帧间预测当图像中存在着运动物体时，需要考当图像中存在着运动物体时，需要考虑具有运动补偿的预测才能达到好的压缩虑具有运动补偿的预测才能达到好的压缩效果。效果。H.261的运动预测以宏块为单位，由亮的运动预测以宏块为单位，由亮度分量来决定运动矢量，匹配准则有最小绝度分量来决定运动矢量，匹配准则有最小绝对值误差、最小均方
16、误差、归一化互相关函对值误差、最小均方误差、归一化互相关函数等，标准并没有限定选用何种准则，也没数等，标准并没有限定选用何种准则，也没有限定使用何种搜索方法进行搜索。有限定使用何种搜索方法进行搜索。图图6-7 6-7 具有运动补偿的帧间预测器原理具有运动补偿的帧间预测器原理图图6-8 6-8 帧间内插示意图帧间内插示意图（2）DCT变换与量化变换与量化H.261标准对标准对DCT系数采用两种量化方系数采用两种量化方式。式。对帧内编码模式所产生的直流系数，用对帧内编码模式所产生的直流系数，用步长为步长为8的均匀量化器进行量化；对其他所有的均匀量化器进行量化；对其他所有的系数，则采用设置了死区的均
17、匀（线性）的系数，则采用设置了死区的均匀（线性）量化器来量化，量化器的步长量化器来量化，量化器的步长T为为262。所有在死区内的系数均被量化为所有在死区内的系数均被量化为0，其，其他的系数则按照设定的步长进行均匀量化。他的系数则按照设定的步长进行均匀量化。标准规定，在一个宏块内除了采用帧内标准规定，在一个宏块内除了采用帧内编码所得的直流系数外，所有其他系数采用编码所得的直流系数外，所有其他系数采用同一个量化步长。宏块间可以改变量化步长。同一个量化步长。宏块间可以改变量化步长。（3）编码）编码H.261视频编码分为帧内编码和帧间编码。视频编码分为帧内编码和帧间编码。若画面内容切换频繁或运动剧烈，
18、则帧若画面内容切换频繁或运动剧烈，则帧间编码不能得到好的编码效果，需要使用帧间编码不能得到好的编码效果，需要使用帧内编码。内编码。显然，起始帧和场景更换后的第一帧显然，起始帧和场景更换后的第一帧也必须采用帧内编码。也必须采用帧内编码。为了控制帧间编码和传输误码可能引为了控制帧间编码和传输误码可能引起的误差扩散，标准规定一个宏块最多连起的误差扩散，标准规定一个宏块最多连续进行续进行132次帧间编码后要进行一次帧内编次帧间编码后要进行一次帧内编码。码。6.3.2H.263标准标准H.263标准制定于标准制定于1995年，是年，是ITU-T针针对对64kbit/s以下的低比特率视频应用而制定以下的低
19、比特率视频应用而制定的标准。的标准。它的基本算法与它的基本算法与H.261大体相同，但进大体相同，但进行了许多改进，使得行了许多改进，使得H.263标准获得了更好标准获得了更好的编码性能。的编码性能。当比特率低于当比特率低于64kbit/s时，在同样比特时，在同样比特率的情况下，与率的情况下，与H.261相比，相比，H.263可以获可以获得得34dB的质量改善。的质量改善。H.263的改进主要包括支持更多的图像的改进主要包括支持更多的图像格式、更有效的运动预测、效率更高的三格式、更有效的运动预测、效率更高的三维可变长编码代替二维可变长编码以及增维可变长编码代替二维可变长编码以及增加了加了4个可
20、选模式。个可选模式。1数据组织与系统框架数据组织与系统框架H.263系统支持系统支持5种图像格式，其参数如种图像格式，其参数如表表6-3所示。所示。H.263规定，所有的解码器必须支持规定，所有的解码器必须支持Sub-QCIF和和QCIF格式，所有的编码器必须支持格式，所有的编码器必须支持Sub-QCIF和和QCIF格式中的一种，是否支持格式中的一种，是否支持其他格式由用户决定。其他格式由用户决定。参参 数数Sub-QCIFSub-QCIFQCIFQCIFCIFCIF4CIF4CIF16CIF16CIFY Y有效取有效取样样点数点数128128点点/行行176176点点/行行352352点点/
21、行行704704点点/行行1 1408408点点/行行U U，V V有效取有效取样样点数点数6464点点/行行8888点点/行行176176点点/行行352352点点/行行704704点点/行行Y Y有效行数有效行数9696行行/帧帧144144行行/帧帧288288行行/帧帧576576行行/帧帧l 152l 152行行/帧帧U U，V V有效行数有效行数4848行行/帧帧7272行行/帧帧144144行行/帧帧288288行行/帧帧576576行行/帧帧块组层块组层数数6 6组组/帧帧9 9组组/帧帧1818组组/帧帧1818组组/帧帧1818组组/帧帧表表6-36-3H H263263图
22、像格式参数图像格式参数参参 数数Sub-QCIFSub-QCIFQCIFQCIFCIFCIF4CIF4CIF16CIF16CIFMBMB数数/GOB/GOB8 8111122228888176176Y Y行数行数/GOB/GOB16161616161632326464表表6-46-4H H263263块组结构块组结构2运动预测运动预测（1）半像素精度运动矢量预测）半像素精度运动矢量预测（2）运动矢量的差分编码）运动矢量的差分编码图图6-9 6-9 半像素预测半像素预测 图图6-10 6-10 运动矢量预测编码运动矢量预测编码3可选模式可选模式除上述缺省模式外，除上述缺省模式外，H.263还给出
23、了还给出了4种可选模式，供用户选择使用。种可选模式，供用户选择使用。这这4种模式是：无限制运动矢量模式、种模式是：无限制运动矢量模式、基于语法的算术编码模式、先进预测模式基于语法的算术编码模式、先进预测模式和和PB图像模式。图像模式。6.3.3H.264标准标准ITU-TH.264标准是视频联合工作组标准是视频联合工作组JVT于于2003年制定的，也成为年制定的，也成为ISO的的MPEG-4标准标准的第的第10部分，又称为部分，又称为“先进视频编码先进视频编码”。JVT的工作目标是制定一个新的视频的工作目标是制定一个新的视频编码标准，适应视频的高压缩比、高图像编码标准，适应视频的高压缩比、高图
24、像质量以及良好的网络适应性等要求。质量以及良好的网络适应性等要求。H.264具有以下优点。具有以下优点。（1）更高的编码效率）更高的编码效率（2）自适应的时延特性）自适应的时延特性（3）面向）面向IP包的编码机制包的编码机制（4）错误恢复功能）错误恢复功能（5）开放性）开放性1结构框架结构框架图图6-11 H.2646-11 H.264整体框架整体框架2VCL数据组织数据组织H264既支持逐行扫描的视频序列，既支持逐行扫描的视频序列，也支持隔行扫描的视频序列，取样率定为也支持隔行扫描的视频序列，取样率定为4 2 0。VCL仍然采用分层结构，视频流由图仍然采用分层结构，视频流由图像帧组成，一个图
25、像帧既可以是一场图像像帧组成，一个图像帧既可以是一场图像（对应隔行扫描）或一帧图像（对应逐行（对应隔行扫描）或一帧图像（对应逐行扫描），图像帧由一个或多个片组成，片扫描），图像帧由一个或多个片组成，片由一个或多个宏块组成，一个宏块由由一个或多个宏块组成，一个宏块由4个个88（1616）亮度块、）亮度块、2个个88色度块（色度块（Cb，Cr）组成。）组成。与与H.263等标准不同的是，等标准不同的是，H.264并没并没有给出每个片包含多少宏块的规定，即每有给出每个片包含多少宏块的规定，即每个片所包含的宏块数目是不固定的。个片所包含的宏块数目是不固定的。片是最小的独立编码单元，这有助于片是最小的独
26、立编码单元，这有助于防止编码数据的错误扩散。防止编码数据的错误扩散。每个宏块可以进一步划分为更小的子每个宏块可以进一步划分为更小的子宏块。宏块。宏块是独立的编码单位，而片在解码宏块是独立的编码单位，而片在解码端可以被独立解码。端可以被独立解码。3档次档次H.264标准分为基本档次、主要档次和标准分为基本档次、主要档次和扩展档次，以适用于不同的应用。扩展档次，以适用于不同的应用。基本档次支持包含基本档次支持包含I片和片和P片的编码序片的编码序列，可能的应用包括视频电话、视频会议列，可能的应用包括视频电话、视频会议和无线视频通信等。和无线视频通信等。4编解码器结构编解码器结构图图6-12 H.26
27、46-12 H.264编解码器框图编解码器框图（1）编码器）编码器（2）解码器）解码器5宏块预测宏块预测在在H.264片中，可根据已编码的宏块数片中，可根据已编码的宏块数据进行预测，生成编码宏块。据进行预测，生成编码宏块。宏块预测包括帧内预测和帧间预测。宏块预测包括帧内预测和帧间预测。（1）帧内预测）帧内预测（2）帧间预测）帧间预测多宏块划分模式多宏块划分模式 图图6-13 H.2646-13 H.264宏块划分模式宏块划分模式多帧运动估计多帧运动估计1/4像素运动估计像素运动估计图图6-14 1/46-14 1/4像素精度估计像素精度估计 6变换变换图图6-15 H.2646-15 H.26
28、4整数变换矩阵整数变换矩阵7重排序重排序8改进的熵编码改进的熵编码9去块效应滤波器去块效应滤波器6.4 H.3236.4 H.323可视通信系统标准可视通信系统标准 网网 络络系系 统统视视 频频音音 频频复复 用用控控 制制PSTNPSTNH.324H.324H.261/3H.261/3G.723.1G.723.1H.223H.223H.245H.245N-ISDNN-ISDNH.320H.320H.261H.261G.7xxG.7xxH.221H.221H.242H.242B-ISDN/ATMB-ISDN/ATMH.321H.321H.261H.261G.7xxG.7xxH.221H.22
29、1Q.2931Q.2931H.310H.310H.261/2H.261/2G.7xx/MPEGG.7xx/MPEGH.222.0H.222.0H.245H.245QoSLANQoSLANH.322H.322H.261/3H.261/3G.7xxG.7xxH.221H.221H.242H.242Non-Non-QoSQoS LANLANH.323H.323H.261H.261G.7xxG.7xxH.225.0H.225.0H.245H.245表表6-56-5ITUITU多媒体通信标准多媒体通信标准（1）H.323多媒体终端多媒体终端（2）H.324多媒体终端多媒体终端6.5 JPEG6.5 JP
30、EG标准标准JPEG是联合图像专家小组（是联合图像专家小组（JonitPhotographicExpertsGroup）的英文缩略）的英文缩略语，它是由国际电报电话咨询委员会语，它是由国际电报电话咨询委员会（CCITT）和国际标准化组织（）和国际标准化组织（ISO）的）的专家联合组成的。专家联合组成的。该组于该组于1991年制定了年制定了“连续色调静态图连续色调静态图像的数字压缩和编码像的数字压缩和编码”标准，简称标准，简称JPEG标标准。准。由于由于JPEG优良的品质，它在短短几年优良的品质，它在短短几年内就被广泛应用于互联网和数码相机领域，内就被广泛应用于互联网和数码相机领域，网站上网站上
31、80%的影像都采用了的影像都采用了JPEG压缩标准。压缩标准。JPEG压缩算法采用有失真的压缩方式压缩算法采用有失真的压缩方式来处理图像，压缩过程包括：来处理图像，压缩过程包括：颜色格式转换；颜色格式转换；离散余弦变换；离散余弦变换；量化；量化；Z形扫描，扫描序号决定了编码顺序，如形扫描，扫描序号决定了编码顺序，如果采用行程编码，将一个连续相同的串用一果采用行程编码，将一个连续相同的串用一个代表值和串长来代替；个代表值和串长来代替；编码，霍夫曼编码为编码，霍夫曼编码为JPEG最常用的编码最常用的编码方式，它通常是以完整的最小编码单元来进方式，它通常是以完整的最小编码单元来进行的，此外，还可选用
32、算术编码。行的，此外，还可选用算术编码。6.5.1JPEGJPEG标准是第一个压缩静态数字图像标准是第一个压缩静态数字图像的国际标准，它是一个适用范围很广的通用的国际标准，它是一个适用范围很广的通用标准，既可用于灰度图像压缩，又可用于彩标准，既可用于灰度图像压缩，又可用于彩色图像压缩，可以支持各种应用。色图像压缩，可以支持各种应用。JPEG文件已迅速成为各种数字化新闻文件已迅速成为各种数字化新闻摄影图片、医疗图像、卫星图片、图像文摄影图片、医疗图像、卫星图片、图像文件资料等的主要存储格式。件资料等的主要存储格式。JPEG既可处理单分量图像，也可处理既可处理单分量图像，也可处理多分量图像；既可处
33、理灰度图像，也可处多分量图像；既可处理灰度图像，也可处理彩色图像。理彩色图像。JPEG算法独立于彩色空间，如算法独立于彩色空间，如RGB、YUV或或CMYK，对任何彩色空间，对任何彩色空间JPEG算算法都可以处理。其中法都可以处理。其中YUV空间与空间与RGB空间空间的关系为：的关系为：Y=0.299R+0.587G+0.114BU=0.1687R0.3313G+0.5BV=0.5R0.4187G0.0813BJPEG标准支持以下标准支持以下4种操作模式。种操作模式。1基于基于DCT的顺序操作模式的顺序操作模式2基于基于DCT的渐进操作模式的渐进操作模式3基于基于DPCM的无损顺序操作模式的无
34、损顺序操作模式4基于多分辨率编码的分层渐进模式基于多分辨率编码的分层渐进模式图图6-16 JPEC6-16 JPEC标准编标准编/解码框图解码框图（1）直流系数）直流系数DC的编码的编码（2）交流系数）交流系数AC的编码的编码6.5.2JPEG2000随着多媒体应用领域的激增，传统的随着多媒体应用领域的激增，传统的JPEG压缩技术已经无法满足人们对多媒体压缩技术已经无法满足人们对多媒体影像资料的要求。影像资料的要求。于是提出了功能更强大、效率更高的于是提出了功能更强大、效率更高的静止图像压缩标准，即静止图像压缩标准，即JPEG2000。JPEG2000采用改进的压缩技术来提采用改进的压缩技术来
35、提供更高的质量，其伸缩能力可以为一个文供更高的质量，其伸缩能力可以为一个文件提供从无损到有损的多种画质和影像选件提供从无损到有损的多种画质和影像选择。择。JPEG2000图像编码系统基于图像编码系统基于EBCOT算法，借助小波交换，使用两层编码策略，算法，借助小波交换，使用两层编码策略，对压缩位流分层组织，不仅获得较好的压缩对压缩位流分层组织，不仅获得较好的压缩效率，而且压缩码流具有较大的灵活性。效率，而且压缩码流具有较大的灵活性。JPEG2000所追求的是低码率下的良所追求的是低码率下的良好压缩性能，使压缩图像能满足在低传输好压缩性能，使压缩图像能满足在低传输速的信道中传输的需要；可在同一个
36、码流速的信道中传输的需要；可在同一个码流中存在有损压缩和无损压缩，以满足有高中存在有损压缩和无损压缩，以满足有高质量的要求医学图像和图像收藏；并具有质量的要求医学图像和图像收藏；并具有较强的抗误码特性，能大大减小传输噪声较强的抗误码特性，能大大减小传输噪声所带来的信号失真对接收端的影响，而且所带来的信号失真对接收端的影响，而且能防止误码扩散。能防止误码扩散。JPEG2000被认为是互联网和无线接被认为是互联网和无线接入应用的理想影像编码解决方案。入应用的理想影像编码解决方案。1JPEG2000的主要特点的主要特点（1）高压缩率。）高压缩率。（2）渐进传输。）渐进传输。（3）支持有损和无损压缩。
37、）支持有损和无损压缩。（4）感兴趣区域编码。）感兴趣区域编码。（5）码流的随机访问与处理。）码流的随机访问与处理。（6）良好的容错性和开放的体系结构。）良好的容错性和开放的体系结构。（7）开放的框架结构。）开放的框架结构。（8）基于内容的描述。）基于内容的描述。2系统框架系统框架JPEG2000系统包括七个部分：图像系统包括七个部分：图像编码系统、扩充、运动编码系统、扩充、运动JPEG2000、一致、一致性、参考软件、复合图像文件格式和对图性、参考软件、复合图像文件格式和对图像编码系统的支持。像编码系统的支持。下面主要介绍图像编码系统，对其他部下面主要介绍图像编码系统，对其他部分有兴趣的读者可
38、以参考标准文档。分有兴趣的读者可以参考标准文档。JPEG2000图像编码系统框架如图图像编码系统框架如图6-17所示，解码与此恰好相反。所示，解码与此恰好相反。其编码主要包括以下步骤。其编码主要包括以下步骤。图图6-17 JPEG 20006-17 JPEG 2000编码框图编码框图（1）对原始图像进行预处理，主要是）对原始图像进行预处理，主要是DC位移。位移。（2）对图像进行正向分量变换，把图像分）对图像进行正向分量变换，把图像分解成分量图像，例如，把彩色图像分解成解成分量图像，例如，把彩色图像分解成亮度、色度分量，此过程可选。亮度、色度分量，此过程可选。（3）把图像（或分量图像）分解成大小
39、相等）把图像（或分量图像）分解成大小相等的矩形块，称之为图像片，图像片是的矩形块，称之为图像片，图像片是JPEG2000系统的基本操作单元。如果各个分量取样系统的基本操作单元。如果各个分量取样率不同，按照率不同，按照JPEG标准中已经介绍的方法处标准中已经介绍的方法处理。理。（4）对每个图像片进行二维小波变换。）对每个图像片进行二维小波变换。（5）把小波系数分解成系数块并分别量化。）把小波系数分解成系数块并分别量化。（6）熵编码。）熵编码。3DC位移、分量变换和分片位移、分量变换和分片图图6-18 JPEG 20006-18 JPEG 2000分量编码器分量编码器4小波变换和量化小波变换和量化
40、5熵编码熵编码（1）块编码）块编码（2）分层装配）分层装配图图6-19 6-19 码块内扫描顺序码块内扫描顺序 图图6-20 6-20 上下文上下文图图6-21 6-21 码块按层装配码块按层装配6JPEG2000编编/解码方法解码方法JPEG2000的编码过程如下。的编码过程如下。（1）把原图像分解成各个成分（亮度信号）把原图像分解成各个成分（亮度信号和色度信号）。和色度信号）。（2）把图像和它的各个成分分解成矩形图）把图像和它的各个成分分解成矩形图像片。图像片是原始图像和重建图像的基像片。图像片是原始图像和重建图像的基本处理单元。本处理单元。（3）对每个图像片实施小波变换。）对每个图像片实
41、施小波变换。（4）对分解后的小波系数进行量化并组成）对分解后的小波系数进行量化并组成矩形的编码块。矩形的编码块。（5）对在编码块中的系数）对在编码块中的系数“位平面位平面”熵编码。熵编码。（6）为使码流具有容错性，在码流中添加相）为使码流具有容错性，在码流中添加相应的标识符。应的标识符。（7）可选的文件格式用来描述图像和它的）可选的文件格式用来描述图像和它的各个成分的意义。各个成分的意义。解码过程与上述过程相反，在此不再重述。解码过程与上述过程相反，在此不再重述。6.6 MPEG6.6 MPEG标准标准 与单纯视频压缩编码的与单纯视频压缩编码的H.26X系列标准系列标准不同，不同，MPEG标准
42、是一个完整的多媒体压缩标准是一个完整的多媒体压缩编码方案。编码方案。它主要由视频、音频和系统它主要由视频、音频和系统3个部分组个部分组成（音频部分在第成（音频部分在第3章已经介绍）。章已经介绍）。MPEG系列标准阐明了编解码过程，系列标准阐明了编解码过程，严格规定了编码后产生的数据流的句法结严格规定了编码后产生的数据流的句法结构，但并没有规定编解码的算法，因此，构，但并没有规定编解码的算法，因此，本书给出的编码器框图并非唯一，只是满本书给出的编码器框图并非唯一，只是满足足MPEG标准的一种实现方式。标准的一种实现方式。MPEG是活动图像专家组（是活动图像专家组（MovingPictureExp
43、ertsGroup）的缩写。）的缩写。MPEG是一组由是一组由IEC和和ISO制定发布的制定发布的视频、音频、数据的压缩标准。视频、音频、数据的压缩标准。它采用的是一种减少图像冗余信息的它采用的是一种减少图像冗余信息的压缩算法，提供的压缩比可以高达压缩算法，提供的压缩比可以高达200 1，同时图像的质量也非常高。同时图像的质量也非常高。MPEG系列标准已成为国际上影响最系列标准已成为国际上影响最大的多媒体技术标准，对数字电视、视听大的多媒体技术标准，对数字电视、视听消费电子、多媒体通信等信息产业的发展消费电子、多媒体通信等信息产业的发展产生了巨大而深远的影响。产生了巨大而深远的影响。它具有它具
44、有3方面优势：方面优势：（1）作为国际标准，具有很好的兼容性；）作为国际标准，具有很好的兼容性；（2）能够提供比其他压缩编码算法更高的）能够提供比其他压缩编码算法更高的压缩比；压缩比；（3）能够保证在提供高压缩比的同时，使数据）能够保证在提供高压缩比的同时，使数据损失很小。损失很小。现在通常用的版本是：现在通常用的版本是：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7、MPEG-21，它们能够，它们能够适用于不同信道带宽和数字影像质量的要求。适用于不同信道带宽和数字影像质量的要求。1MPEG-12MPEG-23MPEG-44MPEG-75MPEG-216.6.1MPEG-1标准标准1M
45、PEG-1系统系统（1）编码方法）编码方法MPEG定义了定义了4种编码帧：种编码帧：I帧、帧、P帧、帧、B帧和帧和D帧。帧。（2）编）编/解码器解码器图图6-22 MPEG-16-22 MPEG-1编解码示意图编解码示意图2MPEG-1视频视频（1）数据组织和整体结构）数据组织和整体结构参参 数数范范 围围参参 数数范范 围围像素像素/行行768768图图像像帧帧数数/秒秒3030行行/图图像像576576输输入入缓缓冲器冲器大小大小327 680 bit327 680 bit宏宏块块数数/图图像像396396运运动动矢量矢量（6464，63.563.5）宏宏块块数数/秒秒9 9900=396
46、900=3962525=330=3303030比特率比特率l.856 l.856 Mbit/sMbit/s表表6-66-6 MPEG-l MPEG-l的图像约束参数集的图像约束参数集图图6-23 MPEG-16-23 MPEG-1分层结构分层结构图图6-24 MPEG-1 6-24 MPEG-1 视频压缩码流结构视频压缩码流结构图图6-25 MPEG-16-25 MPEG-1编码框图编码框图（2）量化）量化（3）宏块编码）宏块编码8 816161919222226262727292934341616161622222424272729293434373719192222262627272929
47、3434343438382222222226262727292934343737404022222626272729293232353540404848262627272929323235354040484858582626272729293434383846465656696927272929353538384646565669698383表表6-7 6-7 MPEG-1MPEG-1缺省帧内量化矩阵缺省帧内量化矩阵6.6.2MPEG-2标准标准MPEG-2（ISO/IEC13818）是）是MPEG工作组制定的第二个国际标准，正式名称工作组制定的第二个国际标准，正式名称为为“通用的活动图像及其
48、伴音编码通用的活动图像及其伴音编码”。MPEG-2是一个通用多媒体编码标准，是一个通用多媒体编码标准，具有更为广阔的应用范围和更高的编码质具有更为广阔的应用范围和更高的编码质量，应用包括数字存储、标准数字电视、量，应用包括数字存储、标准数字电视、高清晰度电视、高质量视频通信等。高清晰度电视、高质量视频通信等。根据应用的不同，根据应用的不同，MPEG-2的码率范的码率范围为围为l.5100Mbit/s，一般情况下，只有码，一般情况下，只有码率超过率超过4Mbit/s的的MPEG-2视频，其视频质视频，其视频质量才能明显优于量才能明显优于MPEG-1。相对于相对于MPEG-1，MPEG-2的主要改
49、进的主要改进有：有：（1）允许输入视频采用隔行扫描，支持更）允许输入视频采用隔行扫描，支持更高分辨率的图像和更多的色度取样图像格高分辨率的图像和更多的色度取样图像格式。式。（2）定义了档次和级别的概念，作为其完）定义了档次和级别的概念，作为其完整句法流的一个子集，使用户能根据不同的整句法流的一个子集，使用户能根据不同的应用进行选择。应用进行选择。（3）提供可分级的码流，使得解码器可以）提供可分级的码流，使得解码器可以根据需要和自身能力获取不同质量的视频。根据需要和自身能力获取不同质量的视频。MPEG-2标准由系统、视频、音频等标准由系统、视频、音频等9个部分构成。个部分构成。其核心是拟解决其核
50、心是拟解决SDTV或或HDTV隔行视隔行视频的高质量编码问题，所以频的高质量编码问题，所以MPEG-2也称数也称数字电视标准。字电视标准。1MPEG-2系统系统图图6-26 4206-26 420取样格式的不同取样格式的不同图图6-27 6-27 帧图像结构帧图像结构图图6-28 MPEG-26-28 MPEG-2编编/解码示意图解码示意图2MPEG-2视频视频与与MPEG-1相比，相比，MPEG-2的不同之处体的不同之处体现在它支持隔行扫描视频，这是学习现在它支持隔行扫描视频，这是学习MPEG-2的关键所在。的关键所在。（1）可分级编码）可分级编码（2）DCT变换、变换系数量化和扫描变换、变