GBT1797522000信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码第2部分视频

中华人民共和国国家标准信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码第部分视频发布实施国家质量技术监督局发布前言年国际标准化组织和国际电工委员会联合成立了运动图像专家小组小组针对运动图像及其声音的压缩编码研究制定了若干个标准如标准标准适用于高质量高码率的图像和声音的压缩编码应用标准的第二部分涉及运动图像的视频编码称为信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码方法视频部分和对视频标准的标准号为相应的视频部分的标准号为等同地采用了其采标号为标准是数字电视广播数字视频存储和传送的基础标准运动图像压缩编码是数字电视及相关领域的关键技术之一在视频标准中规定了视频数据的编码方法以及重建图像所需的解码处理它给出了应用于广泛领域内的通用视频编码方案比特率图像分辨率和质量它的基本编码算法是运动补偿预测与的混合编码的图像可以是隔行扫描也可以是逐行扫描必需的算法要素综合在单一句法中并依据型功能度和级参数值定义了有限数目的子集以便于此种通用编码标准的实际应用国际上标准已在与图像与声音存储和传输相关的领域得到广泛的应用例如数字电视广播标准清晰度和高清晰度和数字声音广播数字视频光盘电视节目和电影资料的数字保存在计算机中运动图像序列的压缩存储和传送等标准已成为许多行业的国际通用标准如在数字电视广播方面美国欧洲日本等已提出了数字电视广播标准的国家和地区其数字电视广播标准中的图像编码标准都采用标准为使我国运动图像的通用编码标准与国际标准接轨方便电视节目和图像序列的国际交换方便相应领域的技术交流利于相关设备和产品的开发和生产在标准制定过程中决定等同采用国际标准信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码方法视频部分并包括了年月的两个修订本及两个补充本还包括了年月的两个补充本在标准起草过程中起草人把国家标准草案与相应的国际标准进行了详细的对比力争达到使该国家标准既忠实于国际标准原文又符合中文的语言和技术名词的行业习惯用法本标准在层次划分章条设立编写格式和方法与等同采用的国际标准一致本标准采用的术语定义其全部技术内容与一致但本标准与等同采用的国际标准存在细微差别一是在引用标准中对应我国已有国家标准的国际标准已改成我国的国家标准二是本标准取消了国际标准中的附录附录附录这些变动对本标准无影响本标准的附录附录和附录是标准的附录本标准的附录和附录是提示的附录本标准由广播电影电视总局提出本标准由全国信息标准化技术委员会归口本标准起草单位国家广播电影电视总局广播科学研究院北京广播学院本标准主要起草人杨杰张颖辉张永辉前言国际电信联盟是联合国在电信领域的一个专门机构电信标准部门是国际电信联盟的一个常设机构制定世界电信标准建议个成员国个电信运营机构个科研和工业组织以及个国际组织加入第一号决议赫尔辛基年确定了成员对建议批准的程序另外每四年召开一次的世界电信标准大会对提交的建议进行讨论并确定以后的研究计划在范围内的某些信息技术领域中在与和合作的基础上制定一些必要的标准年月日通过了建议此建议与国际标准等同引言目的本标准这部分的制定是为了响应于对各种应用如数字存贮媒体电视广播和通信中活动图像和伴音的通用编码方法的日益增长的要求使用本标准意味着活动视频可以作为一种计算机数据形式进行处理并且可以存贮在各种存贮媒体上可以在现有的和未来的网络中传输和接收可以在现有的和将来的广播信道中分配应用本标准的应用包括下列领域但不限于此广播卫星业务到户有线电视分配通过光纤网络铜线等有线数字音频分配数字声音广播地面和卫星广播数字地面电视广播电子影院电子新闻采集包括卫星新闻采集固定卫星业务例如到前端家庭电视影院个人间通讯会议电视可视电话等交互式存贮媒体光盘等多媒体邮件新闻和时事网络数据库业务通过等远端视频监视串行存贮媒体数字等型和级本标准拟成为一个通用的应用于较广范围的比特率分辨率质量和服务的标准应用包括数字存贮媒体电视广播和通信在制定本标准过程中已经考虑了典型应用的各种要求建立了必要的算法要素并且把它们集合成单一句法因此本标准便于不同应用之间的比特流交换考虑到实现本标准全部句法的实用性我们通过型和级来约定句法的有限子集在本标准的第章中将正式定义这些术语和其他相关术语型是本标准定义的整个比特流句法的一个规定子集在一个型规定的句法范围内由于比特流中参数的取值的不同对编码器和解码器的性能要求仍然可能有很大的差异例如可以规定帧幅的宽大约为样点高为行目前要求能实现处理所有可能帧幅的解码器是不现实和不经济的为了解决这个问题在每一型中又定义了级级是对比特流中各参数进行限定的集合这些限定可以是对数量的简单限制也可以采用对参数算法组合加以约束的形式例如帧宽乘帧高乘帧频遵循本标准的比特流是使用通用的句法为获得完整句法的子集比特流中包含标志和参数它们指示后面的比特流中是否出现句法元素为了说明对句法的约束因此要规定一种型只需要约束用来说明后面出现的句法元素作出规定的标志和参数的值可分级和不可分级句法全部句法可以分成两大类一是不可分级句法其结构为定义的句法的一个超级集合不可分级句法的主要特点是有隔行视频信号用的附加压缩工具第二类为可分级句法其主要特性为能够从整个比特流的各部分中重建有用视频这一特性的获得是借助于以两层或多层构建比特流并从独立的低层开始再增加若干增强层低层可以用不可分级句法或者在某些情况下遵循句法不可分级句法概述在不可分级句法中所定义的编码表示方法能获得高压缩比同时保持好的图像质量算法不是无损的因为在编码中不能保留样点的精确值在特定的比特率下要获得好的图像质量需要非常高的压缩比而仅利用帧内图像编码是不能实现的然而纯帧内图像编码可最佳地满足随机存取的要求技术的选择要考虑兼顾高质量的图像和高压缩比以及对编码比特流进行随机存取方面的要求需要在帧内编码和帧间编码之间在减少时间冗余度的因果和非因果方法之间仔细地加以平衡有许多种技术方法用于获得高压缩比算法中首先使用基于块的运动补偿以减少时间冗余运动补偿既应用过去的图像对当前图像作因果预测又应用过去和未来的图像对当前图像作非因果内插预测为每个样点乘行的图像块定义一个运动矢量在量化之前对预测误差做进一步压缩利用离散余弦变换去除空间相关性量化是去除不重要信息的一个不可逆过程最后运动矢量与预测误差的信息组合在一起并且使用变字长码进行编码时间处理因为随机存取和高效率压缩之间的要求相互冲突所以定义了三种主要图像类型帧内编码图像图像的编码不需参考其他图像这种编码的图像在编码序列中提供解码开始的存取点它们的编码只有中等程度的压缩预测编码图像图像编码的效率比较高它使用过去的帧内编码图像或预测编码图像作为参考进行运动补偿的预测通常它作为进一步预测的参考双向预测编码图像图像提供最高程度的压缩但运动补偿需要过去的和未来的参考图像双向预测编码图像永远不作为别的预测的参考除非在空间分级增强层中将结果图作为参考三种类型图像在序列中的组织是非常灵活的由编码器根据应用的要求来选择图示明三种不同图像类型之间关系的一个例子图时间上图像结构示例对隔行视频的编码隔行视频信号的每帧由两场组成彼此相隔一个场周期本标准既允许一个帧按一幅图像进行编码也允许按两幅图像对两场进行编码可以在逐帧的基础上自适应地选择帧编码或场编码帧编码是特别适合于运动不快但细节丰富的视频场景能够从第一场中预测第二场的场编码对有快速运动时会更有效运动表示宏块如同在中选择宏块作为运动补偿单元它是从运动信息得到编码增益和为表示它所需要开销两者之间平衡的结果对每个宏块可以以许多不同的方法进行时间预测例如在帧编码中从前面参考图像进行预测既可以基于帧也可以基于场依据宏块的类型对运动矢量信息和其他辅助信息与压缩过的预测误差在每一个宏块中是一起进行编码的将前面的编码运动矢量作基准对运动矢量进行差分编码并使用变字长码在逐幅图像的基础上能表示运动矢量的最大长度是可以逐帧编程的所以可以满足大多数需要的应用而不牺牲大多数正常情况下的系统性能计算合适的运动矢量是编码器的任务本标准未规定对此应如何做空间冗余降低原始图像和预测误差信号都有很高的空间冗余度本标准使用基于块的方法并配合具有视觉加权的量化和游程编码经运动补偿的预测或内插之后得到的预测误差图像分成的块对这些块进行变换并在量化之前进行加权量化之后许多系数的值为零所以可使用二维游程编码和变字长编码对剩下的系数进行高效编码色度格式除了支持的格式外本标准还支持和色度格式可分级扩展在本标准中的可分级工具被设计用来支持那些单层视频所不能支持的应用系统在值得注意的应用中所涉及的领域有视频通信异步转移模式网络中视频的传送视频标准的交互工作有多种空间时间和质量分辨率的分层视频业务含有常规电视的允许向更高时间分辨率过渡的系统等虽然解决可分级视频的简单办法是同播技术这项技术基于传输存贮多路独立的视频编码数据但另一种更有效的是分级视频编码方法是将分配给一定视频的带宽部分地再用于下一个视频的编码在可分级视频编码中假设给定一个编码比特流不同复杂性的解码器都能够进行解码并显示出合适的重建图像与单层编码器相比可分级编码器可能会增加复杂性不过本标准提供几种不同形式的可分级方法它们以相应的复杂性作不重叠的应用所提供的基本可分级工具有数据分割可分级空间分级和时间分级而且也支持这些基本可分级工具的组合称为混合可分级在基本可分级的情况下允许有称之为较低层和增强层的两层视频而在混合可分级中可以支持多达三层下面的表至给出各种可分级的一些实例应用表可分级的应用较低层增强层应用与较低层相同的分解力和格式两路标准质量电视业务高清晰度与较低层相同的分解力和格式两路质量业务高清晰度色度同播视频制作分配表空间分级的应用低层增强层应用逐行逐行兼容或分级隔行隔行可分级逐行逐行与本标准的兼容性隔行逐行向高分解力逐行过渡表时间分级的应用低层增强层更高层应用逐行逐行逐行向高分辨率逐行过渡隔行隔行逐行向高分辨率逐行过渡空间分级扩展空间分级是在下面的视频应用中使用的工具这些应用包括电信视频标准的交互视频数据库浏览标准电视和高清晰度电视的交互工作等也就是具有基本共性的视频系统必需最少有两种空间分解力的视频层空间分级包括从单个视频源产生两个空间分解力的视频层低层本身编码来提供基本空间分解力而增强层应用经空间内插的低层载有输入视频源的全空间分解力较低层和增强层可以都使用本标准或者较低层使用标准增强层使用本标准后一种情况更有利于视频编码标准之间方便的交互工作而且空间分级提供了对每层使用的视频格式选择的灵活性空间分级的另外一个优点是能够提供对传输误码的抵御因为可以用误码特性较好的信道传输较低层上较重要的数据而可以用误码特性较差的信道传输较不重要的增强层数据分级扩展分级是在下面的视频应用中使用的工具这些应用包括电信多种质量的视频业务标准电视和高清晰度电视也就是具有基本共性的视频系统必须具有最少两种视频质量层分级包括从单个视频源产生两个空间分解力相同但视频质量不同的视频层低层本身编码来提供基本视频质量而增强层的编码是为了增强低层在将增强层加到较低层上时重新产生输入视频的较高质量数据低层和增强层可以都使用本标准或者较低层使用标准增强层使用本标准分级的另外一个优点是能够提供对传输误码的高度抵御能力因为可以用误码特性较好的信道传输较低层上较重要的数据而可以用误码特性较差的信道传输较不重要的增强层数据时间分级扩展时间分级是在从电信到的各种视频应用中使用的工具对于这些应用从较低时间分辨率系统向较高时间分辨率系统的过渡是必要的在许多情况中较低时间分辨率视频系统可以是现存系统或低廉的早期系统逐渐地推进入更复杂的系统时间分级包括将视频帧进行分层低层本身编码以提供基本的时间率增强层依据对较低层的预测进行编码这些层在解码和时间复用后产生视频源的全时间分辨率较低时间分辨率系统只能对低层进行解码提供基本时间分辨率而将来更复杂的系统可以对这两层进行解码提供高时间分辨率视频而且保持与早期系统交互工作时间分级的另外一个优点是能够提供对传输误码的抵御能力因为低层上较重要的数据可以通过误码特性较好的许多信道传输而较不重要的增强层可以通过误码特性较差的信道传输数据划分扩展数据划分是在两个信道用于传输或存储视频比特流情况下使用的工具例如是网络地面广播