mpeg-4视频编解码dct算法的实现研究

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1、第一章引言第一章引言1.1图像压缩基本理论伴随着计算机网络、通信技术、多媒体技术的飞速发展，多媒体通信已经成为人类生活不可缺少的部分。在多媒体信息处理过程中，人们最基本的需求是能够动态实时的处理、传输和获取图形、图像、动画、声音及视频等多种媒体信息。然而，对于这些数字化后的信息，尤其是动态视频数据，数据量十分庞大。例如，针对一幅具有中等分辨率（640×480）的数字彩色视频图像，若每像素以24bit量化，表示一帧图像需要约需要7.4Mbits，对于25帧/秒的帧速率，该视频信号的传输速率高达184.3Mbit/s。如此海量的数据信息给计算机的存储能力、处理速度以及通信网络的传

2、输带宽带来了相当大的困难，因此为了实际的应用，必须对视频信号进行大幅度的压缩，在保证图像质量的前提下，最大限度地降低图像数据量，以利于图像的存储和传输。视频压缩不仅是必要的而且是可能的，因为原始图像数据存在很大的信息冗余度，我们可以通过去除这些冗余信息，达到压缩的目的。首先，视频图像帧内相邻像素间是空域相关的，通过变换编码消除冗余；其次，对于连续视频序列来说，相邻帧之间也存在较强的时域相关性，尤其是运动较慢的视频，时域相关性更大，通过帧间预测编码消除冗余；而且，人眼对图像边缘的急剧变化不敏感，对图像的亮度信息敏感而对色彩的分辨力较弱，利用人眼的这些视觉特点也可以实现图像的高压

3、缩率。数据压缩的主要目标是实现较大的压缩比、较快的压缩解压速度与尽可能好的图像还原质量。-１-电子科技大学工程硕士学位论文近年来，国际电联（ITU-T）和国际标准化组织（ISO）也相继推出新的视频标准，从H.261到H.264，从MPEG-1到MPEG-7，不同的标准由于采用不同的工具集和算法，满足不同场合的应用需求，但其编解码的核心技术原理是相同的，主要包括变换编码和预测编码。视频压缩的基本过程主要由预测编码、变换编码（DCT/IDCT）、量化、熵编码等构成，同样，解压缩由反变换编码（IDCT）、反量化、运动补偿、可变长解码构成。其原理如图1.1所示。1、预测编码预测编码是

4、根据已编码的过去像素来预测当前像素，将预测值与实际值相减得到误差值，并对预测误差值进行量化编码[1]。由于误差值远小于实际值，从而达到压缩的目的。预测编码包括帧内预测和帧间预测两种编码方式。帧间预测编码是1969年由Mounts提出的，其理论基础是视频序列相邻帧之间存在很强的时间相关性，因为相邻帧之间的时间间隔很小，图像内容的细节变化也是非常小，它能获得比帧内编码高得多的压缩比，通过与帧内编码配合使用于视频信号压缩中，可避免错误帧的扩散。帧间预测编码是由运动估计和运动补偿两部分组成。其中基于块匹配算法的运动估计技术因为运算量小（尤其是改进后的算法）、实时性高、并很好的解决了搜

5、索复杂度与图像精度间的矛盾，从而得到广泛的应用。它由运动搜索、运动矢量编码、宏块类型判断、帧差计算四个步骤组成：（1）运动搜索。在前帧的对应于当前帧当前宏块位置的附近区域中，搜索与当前宏块最匹配的宏块，在此过程中，利用快速搜索算法获取最佳的预测运动矢量和相应的最小误差。根据算法规定的搜索起点和搜索路径，逐个计算运动矢量的误差，满足一定的阈值原则或达到最小误差时，得到最优匹配宏块，搜索完成。（2）运动矢量编码。通过对两帧图像子块的比较，可以得到运动矢量，一般采用差分方式传送相邻运动矢量的差值，以减少编码比特数，达到更高的压缩效率。（3）宏块类型判断。在找到匹配宏块后根据前后两帧

6、的相关性选择采用帧内编-２-第一章引言码或者帧间编码，相关性强则采用帧间编码，相关性弱则采用帧内编码。（4）帧差计算。在前帧中通过运动估计找到最匹配的宏块后，传送前后匹配宏块间像素差值矩阵。在运动估计后需要进行运动补偿，运动补偿应用于解码器和编码器的本地解码中，实际上是运动估计的逆过程。首先根据运动矢量和预测方式等参数获取参考宏块的数据，然后利用像素差值矩阵对参考宏块进行修正，从而恢复当前宏块的数据。因此，经过运动估计和运动补偿后，最终输出的不是一连串的帧图像完整编码，而是“帧内图像编码＋误差图像编码＋差分运动矢量编码”。2、变换编码变换编码是对图像数据进行空间域的转换，将时

7、空域的原始图像值变换到系数域（频域）。经过变换，消除了像素的空间相关性，使能量主要集中在局部的少数变换系数上。变换本身不带来压缩效果，而是由于能量的集中，使得后续的量化和变长编码可以进行有效的压缩。常用的变换编码类型有哈尔变换、DCT变换、KL变换、Walsh-Hadamard变换等。其中KL变换是最优的，它能完全消除图像子块内各像素间的线性相关性，而且均方误差最小，但算法比较复杂，不利于图像编码的实时实现，而DCT变换由于存在快速的算法，性能十分逼近KL变换，从而得到广泛应用[2]。DCT变换就是在编