电视原理-第8章--数字视音频压缩编码3

1CUC113•信息工程学院2009量化矩阵特点：JPEG压缩编码原理：掌握框图及重要步骤，了解编码全过程造成有损压缩的地方？掌握MPEG-1与MPEG-2的区别:MPEG-2型与级：掌握型/级的概念；演播室标清高清对应的型级:MP@MLHP@HL掌握MPEG-2视频结构：视频序列、GOP、图像、像条、宏块、像块I/B/P帧：掌握概念及特点（从编码方式、压缩效率、是否有或作为参考帧、错误传播几个角度）MPEG-2编码器原理：了解整个编解码过程；掌握帧重排概念。上节课内容回顾：CUC114•信息工程学院2009MPEG图像压缩编码MPEG算法达到了很高的压缩比，但仍保持了很好的图像质量，单靠帧内编码是不可能达到的。在MPEG压缩编码中，主要是通过采用DCT变换和运动预测技术来分别去除空间冗余和时间冗余：即先通过运动估计和运动补偿来提高去除图像序列间的时间冗余的强度，再通过预测来去除图像序列间的时间冗余，然后通过DCT变换将差值信号的空间冗余去除，使系数能量集中在低频部分。注意，DCT本身并不能实现数据压缩，它是通过量化和变字长编码最终达到压缩编码的目的。因此，在MPEG-2压缩编码算法中，不仅包括了JPEG算法中的DCT、自适应量化和熵编码等一系列帧内编码方法，更重要的是利用了帧间运动补偿技术。掌握！CUC115•信息工程学院2009图像(830Kbytes)图像(830Kbytes)图像(830Kbytes)图像(830Kbytes)无压缩(ITU-R601)数字视频系统压缩的“I”帧图像100kbytes压缩的“B”帧图像12kbytes压缩的“B”帧图像12kbytes压缩的“P”帧图像33kbytes(Approximatesizes-dependsuponcomplexityofpicture)压缩到5Mbits/s的MPEG-2码流显示单元PresentationUnit存取单元AccessUnit六、视频基本码流（视频ES）CUC116•信息工程学院2009视频基本码流（ES）结构CUC117•信息工程学院2009数字电视传输系统视频数据流视频压缩编码音频压缩编码信道：卫星、有线电视地面广播系统复用信道编码数字调制QPSKQAMCOFDM数字接收机辅助数据条件接收数字演播室非线性编辑数字音频数字特技数字录像数字摄像动画制作音频数据流………第六节MPEG-2系统复用CUC118•信息工程学院2009MPEG-2系统复用框图MPEG-2系统旨在说明如何把视频、音频以及数据的基本码流组成一个或多个和适合于媒体存储或线路传输的单一码流。传送给有误差媒体（地面、有线、卫星数字电视等）传送给基本无误差媒体（硬盘、CD-ROM、DVD等）一、MPEG-2系统复用2CUC119•信息工程学院2009单个MPEG音频或视频编码器的输出是基本码流(ES)。ES流是一种码流间无限接近的实时信号。为方便使用，将基本码流分解为长度可以改变的数据包，形成打包的基本码流(PES)。为了识别数据包的起始处，数据包还需要有包头信息，并应包含有时间标记，因为打包破坏了时间轴的连续性。所有的编码器均锁相于一个共有的时钟，PES的时间标记用于确保视音频间的唇音同步。二、复用码流分析1、PES（打包基本流）CUC120•信息工程学院2009PES包起始码前缀流号stream_idPES包长度可选PES系统头部填充(0xFF)PES包数据字节'10'PES优先级数据对准指示版权原版或拷贝7个标志PES头部长度可选字段24816m*8PTSDTSESCRES码率DSM特技模式附加拷贝信息前一个PESCRCPES扩展域5个标志可选字段PES私用数据PS包头部字段长度PES包计数器P-STD缓冲区大小PES扩展字段长度33422287161288816722111188PES扩展字段数据加密控制PES字节PES的结构CUC121•信息工程学院2009z同一个PES包中只有单一属性的数据：只包含音频、视频或数据存取单元（AU）z数据包长度可变：PESPacket（2Byte），所以最大64Kbytes.z包头包含定时信息:解码时间标志(DTS)：什么时间解码视频存取单元显示时间标志(PTS)：什么时间显示已解码的视频或音频存取单元。CUC122•信息工程学院2009PS用于光盘和硬盘间的数据传输，码流中基本上无误码，可用于任意大小数据量的数据文件。DVD使用PS。2.PS（节目流）PS是一种PES包的复用，携带若干个利用同一主时钟或系统时钟（STC）而编码的基本码流。PS一般是一个视频码流以及与其相关的音频码流，或者是多通道的音频节目（只含音频）。CUC123•信息工程学院2009包头部包头部包头部包1净荷包2净荷包n净荷...ISO/IEC13818包层包起始码SCR节目流码率包填充长度填充字节系统头部PES包1...PES包i...PES包n...322422235系统头部起始码系统头部长度码率上限音频节目数上限固定码率标志CSPS标志音频取样锁定标志视频帧频锁定标志视频节目数上限N次循环基本流idP-STD缓冲区大小......321622611115P-STD缓冲区上限比例因子82113'01''11'节目流PS的结构CUC124•信息工程学院2009为用于信号传输和数字广播，若干个节目及其相关的PES可以再复用成为一个单独的传输流(TS)。传输流是许多种PES包的多路复用。PS中，由于音频和视频均锁定于一个公共时钟，因此可利用其时间标记以重建时间轴。但TS中，则需为解码器所接收的每个节目重建时钟，这就需要附加一个句法层以提供PCR信号。另外TS中，PES包可以进一步分解为188B的数据包，同时携带使用不同时钟的已编码的多个节目。TS的节目时钟基准(PCR)机制，允许传送多个时钟，也可以从中选择一个时钟并在解码器中再生。3.TS（传输流）3CUC125•信息工程学院2009净荷ISO/IEC13818传输流188Bytesheader净荷头部header净荷头部424288PCROPCR拼接递减计数私用数据长度私用数据适配域扩展长度适配域长度不连续指示随机访问指示ES优先指示可选字段同步字节传送错误指示净荷开始指示传送优先级PID传送加密控制适配域控制字连续计数器适配域81111322481115个标志填充字节53个标志扩展字段8l3ltw有效标志Itw偏移量分段码率拼接类型DTS_next_au115222433头部TS的结构CUC126•信息工程学院2009MPEG-2系统部分规定：如何将视频和音频以及数据的基本码流组成一个或多个适合于存储和传输的单一码流；如何加时间（同步）信息。ES(基本码流)：编码器输出的视频和音频数据流。PES(打包的基本流)：ES打包形成，长度可变，一般是一个存取单元（一个视频帧或音频帧的长度）。PS(节目码流)：几个具有公共的时间基准的PES经节目复用形成的单一码流。PS适合几乎无损的信道传输、存储。DVD使用。TS(传输码流)：输入的PES可以具有公共时间基准（可先节目复再TS复用），也可是各自独立的时间基准（直接TS复用）。TS包长度固定,188字节。TS适合于有噪声或介质损耗的环境中存储或传输。数字电视广播使用。CUC127•信息工程学院2009传输码流（TS）和节目码流（PS）结构CUC128•信息工程学院2009MPEG-2传送流的数据帧结构视频编码器音频编码器节目复用器传输复用器视频PES音频PESMPEG系统码流(视频光盘)PSMPEG-2传输码流包头净荷188字节包头净荷包头净荷188字节188字节188字节188字节188字节188字节188字节188字节188字节188字节188字节188字节188字节188字节188字节188字节视频PES音频PESCUC129•信息工程学院2009TS流帧结构z188字节固定长度z只包含一种类型数据，如：视频,音频,数据,或节目指南信息。z视频和音频来自PES包。z数据来自PES包，如图文电视和字幕。z节目指南信息直接插入到传输包中。z还可能携带定时信息(PCR)188字节4字节包头适配段数据净荷CUC130•信息工程学院2009同步字节8传输错误指示1开始指示1传输优先级1PID13加扰控制2适配场控制2连续性计数器4适配段数据净荷包头数据净荷188字节4每个4字节的包头包含：0同步字节0x470PID-唯一识别携带某一类型数据的传输包，如视频,音频等。0加扰控制-指示包的内容是否加扰。0连续性计数器-每次加1，指示PID包的连续性。.TS流帧结构4字节4CUC131•信息工程学院2009三、PSI（节目专用信息）包识别码PacketIdentification(PID)‹给定基本码流的所有数据包均具有相同的PID。在解复用时，接收正确PID的传输流包就能选择给定的基本码流所有数据。‹解复用器能识别正确的PID内容，才能正确地选择传输流包。PID的信息十分重要！节目专用信息(PSI)的主要功能：给出所有基本码流及其PID的关联信息。CUC132•信息工程学院2009传输流PSIz节目关联表ProgramAssociationTable(PAT)z节目映射表ProgramMapTables(PMT)z条件接收表ConditionalAccessTable(CAT)z传输流描述表(TSDT)z网络信息表NIT（MPEG中可选，DVB中必须）PSI由具有唯一PID的数据包所传送。其中有些PSI已经由MPEG标准所固定:PAT的PID:0CAT的PID:1TSDT的PID:2空包的PID:8191有些PSI由PAT、CAT和TSDT所规定。这些数据包应当周期性地放置在每个传输流中。CUC133•信息工程学院2009节目专用信息-MPEG表格结构机顶盒首先找到PID=0的节目关联表（PAT）然后从节目关联表中查找其它节目的PIDs.Prog0PID16Prog1PID20Prog2PID30节目关联表-PATPID0节目映射表PMT节目映射表PMTPID20PID30StreamTypePIDStreamTypePID123VideoAudioAudio193329PATProg1PMTProg2PMTPIDNo.Prog1Vid1Prog2Audio2Prog1Audio1Prog2Vid1Prog2Audio1Prog1Audio202030193533504229传输包123VideoAudioAudio504235网络信息表PID16NITCUC134•信息工程学院2009第七节H.264/AVC视频压缩编码H.264由ITU-T下的VCEG(视频编码专家组：专门负责制定视频电信标准)发起制定，标准的后期由VCEG和MPEG构成的JVT（联合视频组）联合完成。因此，2003年最终制定的标准被MPEG（MPEG-4第十部分AVC）和ITU-T（H.264草案）同时支持。MPEG-4和H.264视频标准有一定关联，但他们仍然是完全不同的版本。两者都涉及视颇数据的压缩：‹MPEG-4视频部分强调灵活性‹H.264则强调有效性和可靠性CUC135•信息工程学院2009MPEG4视频部分提供了一个高度灵活的编码技术及资源的工具集，使得MPEC-4能够处理很多类型的是视频数据，包括矩形帧（传统视频素材）、视频对象（一个视觉场最的任意形状区域）、静止图像和混合白然（真实世界）／合成（计算机产生）的视频信息。MPEC-4视频部分与一系列编码工具集提供相应的功能，这些编码工具集被组织成不同的档次，每个档次由适用于特定应用的工具集组成。档次包括：z简单档次”（编码矩形视频帧）z基于对象的档次（编码任意形状的视频对象）z静态纹理档次（编码静止图像或者纹理）z可分级档次（在多个分辨率或者质量等级编码）z演播室档次（为高质量的演播室应用编码）CUC136•信息工程学院2009H.264专注于视频的高效压缩。H.264标准的主要特征包括编码效率及提供了明显优于以前任何标准的压缩性