h.2642favc视频编码标准的算法研究与优化

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1、空域冗余：一般一幅图像中经常存在着大量内容一致的区域的，在空间上存在着很大的相关性，例如图像的背景区域，对于该类冗余可以通过帧内预测、变换等技术进行消除。时域冗余：指视频序列在时域上存在极强的相关性，具体体现为连续图像间的内容变化不大。通常对视频序列而言，除非发生场景切换，否则相继帧在时间上都是连续的。在前后两帧中往往包含与当前帧相同的背景和对象。只是由于镜头的转动或对象的移动使得空间位置发生变化。对于该类冗余通常采取帧间预测的手段消除。统计冗余：指在对信息进行熵编码的过程中，若采用不同的编码方法，则编

2、码每个信源符号的平均比特数有时会大不相同，即编码码字间存在不同程度的冗余，因此编码效率有时也会相差甚远，如我们熟知的香农编码、哈夫曼码、游程编码等，对不同的信源所表现出来的性能也是不同的。结构冗余和知识冗余：图像的某些区域存在非常强的纹理结构，图像像素值有明显的分布模式，形成结构冗余。或者图像中包含的信息与某些先验知识有关，例如人的五官位置对于人脸而言就是一种先验知识，这种冗余构成知识冗余。心理视觉冗余：主要指人眼视觉系统对图像的对比度、色彩、空间、时间、以及频率等特性的分辨能力有一定的限度，因此在一定

3、程度上降低表示信号的精度，人眼察觉不到，从而能够降低数据量，达到压缩的目的。主要包括对比度敏感性、色彩敏感性、纹理敏感性、空间频率敏感性等几个方面，这些特性在降低数据采样速率、分级量化等技术中得到广泛应用。1.2.2视频数据压缩原理视频数据压缩的根由在于上述冗余能够得以削弱，为了消除视频数据的上述冗余，从上个世纪四、五十年代开始人们就进行了很多研究。对于视频数据中的空域冗余，正交变换能够将空域相关的数据转换成频域内不相关的变换系数来表示，同时正交变换还起到能量集中的作用，能够用若干个低频系数近似表示原来

4、的能量。因此变换与随后的量化相结合能够舍弃一些高频部分不重要的系数，从而达到压缩的目的。视频数据中的时域冗余可以用运动预测技术来消除，其基本思想是将连续的视频图像内容进行匹配，对匹配的内容进行做差预测，从而降低冗余，匹配既可以是基于帧的，也可以基于块的，甚至像素级的匹配。对于统计冗余，主要是通过熵编码技术的研究，通过其提高熵编码效率来降低统计冗余，如从哈夫曼变长码到算术编码。以上这些技术在发展过程中逐渐融合，形成了典型的基于变换/预测的混合编码框架，主要包括熵编码、变换编码与预测编码等关键技术。如图1-

5、1所示，对熵编码的研究早在40年代就开始了，并在60年代开始用于视频编码，80年代中期出现了二维变长编码（2DVLC）和算术编码。对于预测技术，50年代出现的DPCM技术最初只是用于空域预测，到七十年代开始用于时域预测编码，一直到80年代初期，DPCM才不再作为一个单独的视频编码方案，而是与自602年代末期发展起来的变换技术结合起来形成了初步的混合编码框架，80年代初期开始为MPEG标准采用，再后来DPCM预测编码方法发展为运动补偿预测，形成了传统的视频编码标准基本框架。技术发展总是无止境的，这些技术从

6、产生的那天起就不断地在提高、改进，运动预测部分后从单一的前向预测变为后向预测、双向预测、多参考帧预测、加权预测等，进行运动补偿预测的块大小从单一的16×16，演变为从16×16一直到4×4的可变块大小运动补偿；运动矢量的精确度也从整像素、半像素发展到现在的四分之一像素，甚至也不乏更高精度的研究如八分之一像素精度；在变换部分从原来的浮点DCT变换演变为整数变换；熵编码也从简单的二维变长编码，发展为三维变长编码，再到后来进一步利用上下文信息进行编码的适应性编码方案，在这些技术的发展过程中，形成了如今一系列用

7、于满足不同应用的视频编码标准，下一节将对这些标准的历程及技术细节进行介绍。图1-1视频编码技术发展史1.2.2视频编码标准介绍国际上有两个国际组织专门进行视频编码标准的制定工作，即ISO/IEC下的MPEG组织与ITU-T的VCEG组织。成立于1986年的运动图像专家组MPEG(MotionPictureExpertsGroup)专门负责制定多媒体领域内的相关标准，主要应用于存储、广播电视、因特网或无线网上的流媒体等。国际电信联盟ITU则主要制定面向实时视频通信领域的视频编码标准，如视频电话、视频会议等

8、应用。在国内于2002年6月成立的AVS工作组专门负责为国内多媒体工业界制定相应的数字音视频编码标准。如图1-2为到目前为止由国内外各组织已经制定的编码标准。MPEG组织在1992制定了面向VCD应用的MPEG-1标准（启动于1988年，是ITUH.261的一个超集），数据速率在1.5Mbps左右；1994年发布了面向DVD,数字视频广播等应用的MPEG-2标准(启动于1990年)，适用于1.5-60Mbps甚至更高码率；1998年制定了面