MPEG编码方法

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1、•29•第9章MPEG编码方法第9章MPEG编码方法在第6章中已经介绍了视频的数字化和MPEG与H系列的国际编码标准。本章将具体介绍MPEG-1/2和MPEG-4的视频压缩算法，以及它们的伴音编码方法。9.1MPEG-1&2的视频压缩算法MPEG-1和MPEG-2采用的是相同的视频压缩方法，帧内采用的是JPEG静态图像编码，帧间则采用运动补偿算法。9.1.1简介可以利用视频数据所存在的各种冗余，来对其进行压缩。视频本身在时间上和空间上都含有许多冗余信息，图像自身的构造也有冗余性。此外，利用人的视觉特性也可对图像进行压缩，这叫做视

2、觉冗余。参见表9-1。表9-1视频压缩可利用的各种冗余信息种类内容目前用的主要方法统计特性空间冗余像素间的相关性变换编码，预测编码时间冗余时间方向上的相关性帧间预测，移动补偿图像构造冗余图像本身的构造轮廓编码，区域分割知识冗余收发两端对事物的共有认识基于知识的编码视觉冗余人的视觉特性非线性量化，位分配其他不确定性因素MPEG-1/2的视频压缩所采用的技术有两种：①在空间上（帧内），图像数据压缩采用JPEG压缩算法来去掉冗余信息。②在时间方向上（帧间），视频数据压缩采用运动补偿(motioncompensation)算法来去掉冗余

3、信息。为了在保证图像质量基本不降低的同时，又能够获得高的压缩比，MPEG专家组为视频的帧系列定义了三种图像：帧内图像I（Intra），预测图像P（Predicted）和双向插值图像B（Bidirectionallyinterpolated），它们典型的排列如图9-1所示。在MPEG-1/2的视频编码中，对这三种图像将分别采用了三种不同的算法来进行压缩。•29•第9章MPEG编码方法图9-1MPEG定义的三种视频图像9.1.2I帧压缩算法帧内图像I的解码，不需要参照任何过去的或后来的其他图像帧，其压缩编码采用类似JPEG压缩算法，

4、它的框图如图9-2所示。如果视频是用RGB空间表示的，则首先要把它转换成YCrCb空间表示的图像。每个图像平面分成8×8的图块，对每个图块进行离散余弦变换DCT。DCT变换后经过量化的交流分量系数按照Z字形排序，然后再使用无损压缩技术进行编码。DCT变换后经过量化的直流分量系数用差分脉冲编码DPCM，交流分量系数用行程长度编码RLE，然后再用霍夫曼或算术编码。图9-2帧内图像I的压缩编码算法框图9.1.3P帧压缩算法MPEG视频编码，对P帧图像采用的是，以宏块为单位的前向预测压缩算法。1．算法概述•29•第9章MPEG编码方法预

5、测图像的编码是以图像宏块(macroblock)为基本编码单元，一个宏块定义为I×J像素的图像块，一般取为16×16。预测图像P用两种类型的参数来表示：一种是当前要编码的图像宏块与参考图像的宏块之间的差值，另一种是宏块的移动矢量（motionvector运动向量）。移动矢量的概念可用图9-3表示。图9-3移动矢量的概念假设编码图像宏块MPI是参考图像宏块MRJ的最佳匹配块，它们的差值就是这两个宏块中相应像素值之差。对所求得的差值进行彩色空间转换，并作4:1:1的子采样得到Y，Cr和Cb分量值，然后仿照JPEG压缩算法对差值进行编

6、码（对计算出的移动矢量也要进行霍夫曼编码）。求解图像宏块差值的方法如图9-4所示。图9-4预测图像P的压缩编码算法框图求解移动矢量的方法见图9-5。在求两个宏块差值之前，需要找出编码图像中的预测图像编码宏块MPI相对于参考图像中的参考宏块MRJ所移动的距离和方向，这就是移动矢量。•29•第9章MPEG编码方法图9-5移动矢量的算法框图要使预测图像更精确，就要求找到与参考宏块MRJ最佳匹配的预测图像编码宏块MPI。所谓最佳匹配是指这两个宏块之间的差值最小。通常以绝对值AE(absolutedifference)最小作为匹配判据：有

7、些学者提出了以均方误差MSE(mean-squareerror)最小作为匹配判据：也有些学者提出以平均绝对帧差MAD(meanoftheabsoluteframedifference)最小作为匹配判据：　其中，dx和dy分别是参考宏块MRJ的移动矢量d(dx,dy)在X和Y方向上的矢量。从以上分析可知，对预测图像的编码，实际上就是寻找最佳匹配图像宏块，找到最佳宏块之后就找到了（最佳）移动矢量d(dx,dy)，从而可进一步计算出对应图像宏块的差值参数。2．最佳宏块搜索法为减少寻找最佳匹配宏块的搜索次数，已经开发出了许多简化算法用来

8、加快搜索过程。注意，编码时采用哪种具体的搜索方法，不会影响到解码过程，而只会影响编码时的速度和解码后的图像质量。下面介绍三种常用的最佳宏块搜索法。l二维对数搜索法二维对数搜索法(2D-logarithmicsearch)采用的匹配判据是MSE为最小，•29•第9