数字电视原理第四章

数字电视原理第4章数字图像压缩编码的国际标准第4章数字图像压缩编码的国际标准前面我们讨论了数字图像数据压缩的必要性、可能性和可行性。讨论了数字图像压缩的基本原理，但是从软硬件如何实现，从工程上如何实现还未展开讨论。要做到工程实现，还有许许多多地技术问题。第4章数字图像压缩编码的国际标准首先，制定标准的问题。为了使先进的图像数据压缩技术和高性能的数字图像处理技术获得更广泛的应用，必须对图像压缩编码技术建立一个能在全世界范围通用的标准规范。第4章数字图像压缩编码的国际标准实现标准化的目的：处理后的数据信号才能在相同性能指标和相同容量的数据网络中传送或储存设备中储存；世界各国设备生产厂家的产品才具有兼容性和通用性；才能投入大批量开发生产，大幅度降低产品成本，才能使图像数据压缩技术得到迅速应用和推广。实现图像压缩编码技术标准化的国际组织国际标准化组织(ISO)国际电话电报咨询委员会(CCITT)国际电工委员会(IEC)联合图片专家组(JPEG)活动图像专家组(MPEG)常见数字图像压缩编码的标准一，H.261标准、H.264标准、H.263建议；二，MPEG－1、MPEG－2、MPEG－4、MPEG－7、MPEG－21；三，JPEG、JPEG－2000；四，我国拥有自主知识产权的AVS；标准产生的背景（传输的信道）；标准的应用场合；标准的编码、解码的过程；图像数据的组织；标准的特点及相互比较；常见数字图像压缩编码的国际标准H．261标准，通常称为p×64标准。主要用于可视电话和电视会议的声像业务，已于1990年由CCITT完成并通过。JPEG标准，其目标是对静止彩色图片实现数据压缩，主要用于卫星图片的传输与储存，图像文献资料处理与储存，新闻图片、彩色印刷图片的传输与储存等，此标准于1991年由JPEG完成并通过。常见数字图像压缩编码的国际标准MPEG标准的目标是对高质量全彩色活动图像实现压缩标准化，使经过压缩和解码复原后的图像质量达到广播电视的质量指标，同时要求对伴音的声音数据进行压缩处理和传输。该标准已于1992年完成并通过，目前已有MPEG－1、MPEG－2、MPEG－4、MPEG－7、MPEG－21、H．26I及H．264等多种标准。4．1H．261标准4．1．1H．261标准的由来与用途H．261标准方案的开发目标是利用CCITT(ConsultativeCommitteeonInternationalTelephoneandTelegraph)推荐的综合业务数据网络(ISDN)一次群即基群通道，来实现可视电话和电视会议数字图像信号的实时传送。在当时的条件下，互联网和光纤通信还没有发展到现代的程度，实现图像数据的传输还得依靠传统的通信网，语音通信信道的带宽还不能满足图像数据的实时传输的要求，为此将多路语音通信话路并行使用。传统的语音通信信道的特点：一次群通道容量(北欧标准)为2048kb／s，包含32路数字电话信号，每路数字电话信号的数据位率为2048kb／s÷32＝64kb／s，此数值称为基本通道位率，以B表示。起初，CCITT推荐图像压缩标准为m×384kb／s，m＝1～5。传统的语音通信信道的特点：384kb／s是来自6×B=6×64kb／s=384kb／s，称为H0通道。当m＝5时，则数据位率为m×384kb／s＝5×H0＝5×6×B＝1920kb／s，这相当于30路数字电话的最高位率。由于选384kb／s位率作为起点太高，于1988年CCITT通过了p×64kb／s(p=1，2，…，30)视音频编码标准。最后，又把p扩展到32，故压缩后的最高位率不应超过32×64kb／s。这实际上又达到了数据综合业务网络(ISDN)一次群的最高位率，约为2Mb／s。该标准于1990年完成，并由CCITT正式推荐为H．261标准，简称p×64标准。国际电话电报咨询委员会CCITT于1985年开始制定H．261标准，这个建议主要针对会议电视、可视电话等应用，且当时考虑到H．261标准面临世界上两种不同电视的扫描行数与帧数的标准，即525／30和625／25两种互不兼容的标准问题，CCITT为H．261找出一种通用的中间格式CIF(CommonIntermediateFormat)，这样一来，625／25和525／30都可以通过预处理和后处理模块转换到CIF或从CIF转换而来。1．会议电视会议电视是通过电信网络将远在各地的多个会议点连接起来，以互送声音和图像的方式召开会议的一种通信方式。该方式还可传送文件和图表及计算机数据文件，使远在各地的与会者好像在同一个会议室开会。会议电视不仅可用于开会，还可应用在远程教育、远程医疗诊断及远程监控等许多领域中。会议电视既节约时间和资金，又大大提高了工作效率。2．可视电话1964年美国贝尔实验室首先研制成功PicturephoneI型电话，以后日本、法国等国家先后研制出可视电话，但由于这些可视电话均采用模拟传输方式，占用频带宽，传输成本高，很长一段时间未能得到发展。20世纪80年代以来，图像压缩编码技术的快速发展，同时促进了可视电话的健康发展。1986年美国IBM公司研制成在PSTN网上传送黑白静止图像的可视电话机，日本也相继研制成功此类的可视电话机，并于1988年制定了日本TTC（电报电话技术委员会）标准。继MPEG－1及MPEG－2压缩编码标准发布之后，于1995年11月ITU发布了低数码率视频编码的H．263建议。它是能将图像信号压缩到64kb／s以内数码率的压缩编码方案，使可视电话在共用电话交换网(PSTN)中传输成为可能。符合H．263建议的可视电话已进入商用。2．可视电话在互联网已进入家家户户的今天，利用PC机进行压缩编码及显示终端组成的可视电话也已进入市场（QQ视频），能完成图像及声音压缩编解码及复用功能的单片集成电路已经生产，这无疑为可视电话的普及创造了极好的条件。3．综合业务数字网(ISDN)ISDN(综合业务数字网)又称“一线通”业务，它把多种数字业务综合在一个网内处理并传输。ISDN分为两种形式，窄带N－ISDN，为2Mb／s以下，通常上网速率达到128kb／s。宽带B－ISDN，为2Mb／s以上。B－ISDN将以统一的交换与传输模式支持网内从遥控遥测（几b／s）到高清晰度电视HDTV（100Mb／s～150Mb／s）的业务，并且用光纤传输代替了现有的主干线电缆传输。3．综合业务数字网(ISDN)ISDN可把电话、数据、传真、可视电话、会议电视等综合在一个通信网内实现，凡加入了这个网的用户，都可实现只用一对电话线连接不同的终端进行不同类型的业务通信，简言之，B—ISDN就是多业务＋便利＋数字化＋终端移动＋终端互换性＋费用低。3．综合业务数字网(ISDN)H．261主要用于ISDN（综合业务数字网）上进行电视会议传输，当p＝1或2时，只支持QCIF(QuarterCommonIntermediateFormat)格式。64kb／s中图像为40kb／s，余下的给声音。对于CIF格式，一幅图像的有效像素点按几何位置分为12个块组，每块组分33个宏块，每个宏块包含4个亮度块及色差各1个，每块则由8×8的像素组成。CIF和QCIF最大帧率为30（实际是29.97帧／秒，即最高图像速率30000／1001≈29.97≈30）。当每像素为8bit时，码率分别为36.5Mb／s和9.1Mb／s，在64Kb/s或2.048Mb／s上传输，必须压缩。（注意计算）4．1．2H．26l图像亮色信号像素与子像块H．261标准图像层次结构H．261标准CIF格式规定了图像亮度信号每行352个像素，纵向为288个像素；而色差Cb、Cr的纵横像素数分别为亮度的一半，如图4—1所示。QCIF各参数为CIF的一半。图4—1CIF格式亮度与色度取样H．261标准图像层次结构实际图像数据的组织QCIF各参数为CIF的一半。同一格式其帧率和比特率（64kbit／s为基准）并非是固定的，后者的量正比于前者。在H．261标准中，把一幅／帧图像数据分为四个层次结构：帧层、块组层、宏块层和块层。如果选用CIF格式，则一帧图像包含12个块组，横向2个，纵向6个；选QCIF，一帧含3个纵向的块组。这种H．261标准图像的层次结构如图4—2所示。(两个色差分别为一个宏块)图4—2H．261标准图像的亮度层次结构4.1.3H．261的CIF宏块特点与数据结构H·261的CIF一个宏块包括4个亮度像块和色差各1个像块，共6个像块。在宏块中亮度与色差在同一像区时，由于Y像块数目为色差的4倍，故一个亮度像块的面积是一个色度的1／4，相反一个色差像素的面积是亮度的4倍。H．261的CIF宏块结构如图4—3所示，该图的结构对其他标准的宏块也有借鉴意义。×亮度色度图4—3H．261的CIF宏块结构相当于4﹕2﹕0的采样格式第n行4:2:2第n＋1行4:0:0图4－3H.261的CIF宏块结构YUVY宏块是运动估值和运动补偿的基本单位，也是视频处理及编辑的基本单位。H．261(p×64khjs)数据结构如图4—4所示。图4－4H.261（p×64kb/s）数据结构H.261数据结构说明：（1）帧标题包括起始码，编码格式（CIF/QCIF）帧编号及其它信息，20bitfixedlength。（2）块组（GOB:GroupsofBlock）标题包括块组起始码，块组位置编号及其它信息。（3）第三行的宏块标题包括宏块地址、帧内帧间标记、量化步长、是否有环路滤波（消除运动补偿的高频噪声）、是否有运动估值及其它附加信息。（4）第四行为块层结构，包含DCT变换系数、编码的码流，最后是一个块结束的定长码（EndofBlock）。构成一幅图像具体的码流即数据流由复用编码器完成。至于CCITTH.261编码器结构框图如图4－5所示。图4—5H．261编码器结构框图量化滤波器运动估计运动补偿帧内，帧间选择缓冲存储器信道编码4．1．4H．261运动补偿范围与H．263基本特点运动补偿(MC)单元是使帧间差最小，运动估计(ME)的工作过程是从当前输入图像中取一个宏块（如16×16亮度像素面积）并在其上一帧编码图像中搜索，搜索的大小在水平和垂直方向上都是±15个像素数。通常只对亮度信号作ME，但MC既要对亮度，也要对色度（亮度像素位移的一半，即矢量的长度减半）进行。解决办法是：鉴于MC的过程仅仅是逼近，尤其是高频成分对新编码的图像数据匹配很差，所以在MC后面用一个空间滤波器（LoopFilter），它是一个低通滤波器，其作用是去掉匹配很差的分量，可以按宏块切入或切出，它只在检测到非零MV时才切入。4．1．4H．261运动补偿范围与H．263基本特点运动补偿(MC)单元是使帧间差最小，运动估计(ME)的工作过程是从当前输入图像中取一个宏块（如16×16亮度像素面积）并在其上一帧编码图像中搜索，搜索的大小在水平和垂直方向上都是±15个像素数。通常只对亮度信号作ME，但MC既要对亮度，也要对色度（亮度像素位移的一半，即矢量的长度减半）进行。解决办法是：鉴于MC的过程仅仅是逼近，尤其是高频成分对新编码的图像数据匹配很差，所以在MC后面用一个空间滤波器（LoopFilter），它是一个低通滤波器，其作用是去掉匹配很差的分量，可以按宏块切入或切出，它只在检测到非零MV时才切入。4．2JPEG标准彩色图像编码标准化工作是由国际标准化组织(ISO)开始制定的，其目的是用现有的64kb／s通信网络来传送满足一定要求的标准静止数字图像信号。把每个彩色像素用1比特的数据表达时，应能获得足够理想的彩色图像质量。于是，1986年ISO组织与CCITT联合组成了联合图片专家组JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)，研究连续色调包括灰度和彩色的静止图像压缩算法的国际标准(1987年又加入了国际电工委员会IEC)，JPEG标准于1992年正式通过。在JPEG的努力下，该标准已应用到彩色传真、彩色印刷及新闻图片等静止图像的压缩与传输。4．2JPEG标准按照JPEG