《多媒体技术》第5章

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1、第5章视频编码1提纲视频基本概念视频编码原理视频编码标准简介2视频基本概念数字视频是自然视觉图像在时间和空间上采样后的表现结果自然视觉图像在某个时间点上被采样，从而形成一帧或一场采样以某一固定间隔重复进行，从而获得运动视频图像1/25秒或1/30秒3视频基本概念视觉图像的表现精度需要用某种方法度量，以衡量一个视觉处理(通信)系统的性能主观评价标准非常耗时，并且对观察者的反映很敏感客观评价标准易于实现，但不能准确的匹配人的主观感觉4视频基本概念PSNR=6.24PSNR=5.985视频基本概念典型的自然视频

2、场景是由多个对象组成的，每个对象具有各自的形状、深度、纹理以及亮度等自然场景的颜色和亮度会随着场景缓慢变化(连续)典型的自然视频场景的特点分为空域和时域两类纹理变化，对象形状，颜色对象运动，亮度变化，摄像头移动，视角变化等6视频基本概念自然视觉图像在时域和空域上都是连续的采用数字形式表示自然视觉图像涉及到自然场景在空域和时域上的采样空域采样由视频图像平面上的一个矩形网格组成时域采样由时间轴上固定间隔的静态帧组成每个时空域上的采样点（像素）由一组表示亮度和色度的数字来描述7视频基本概念空域采样采样分辨率影响

3、采样图像视觉质量8视频基本概念更高的时域采样率（帧率）可以获得更平滑的视频场景，但是需要存储更多的采样点帧率低于10帧/秒有时用在低码率视频通信中运动会明显抖动，显得不够自然帧率在10～20帧/秒之间是低码率视频通信的典型值图像平滑，但具有快速运动的场景会出现抖动25～30帧/秒之间是电视图像的典型帧率9视频基本概念视频信号可以被采样成一系列完整的帧(逐行采样)，也可以采样成一系列交织的场(隔行采样)在交织视频序列中，在每个时域采样间隔上采样一帧图像中一半的数据(一场)一场包含一帧完整图像的所有奇数行或偶

4、数行10视频基本概念11视频基本概念常用的视频格式12视频编码原理视频压缩(编码)是将大数据量的原始视频序列精简为小数据量的比特流的过程对于一个分辨率为QCIF大小的彩色视频序列，每个分量采用8比特量化，在帧率为每秒30帧的情况下，数据量为9M比特/秒视频压缩时通过去除图像中的冗余来实现的冗余是指为了可信的重建原始数据而不需要的部分13视频编码原理视频数据中包含的大量统计冗余可以通过无损压缩有效的去除但无损压缩能够获得的压缩比很有限，最好的如JPEG-LS能够获得3-4倍的压缩有损压缩对于获得高压缩比是非

5、常必要的在不明显影响观察者视觉质量的条件下，消除更多的主观冗余，来获得压缩比的提高14视频编码原理大部分视频编码方法都利用时域和空域冗余进行压缩15视频编码原理视频编码器主要包含三个功能模块时域模型空域模型熵编码器16视频编码原理时域模型的输入是未压缩的视频序列，通过利用相邻视频帧之间的相似性减小时域冗余通过相邻帧对当前编码帧进行预测，并通过对预测误差进行补偿(运动补偿)来改善质量时域模型的输出是残差帧以及一系列模型参数，如用来描述如何进行补偿的运动矢量17视频编码原理空域模型的输入是残差帧，利用残差帧内

6、相邻像素间的相似性来减小空间冗余首先对残差值进行变换，用频域内的变换系数表示对变换系数进行量化，去除不重要的值，保留少数量的重要系数，为残差帧提供精简表示空域模型的输出是一系列量化后的变换系数18视频编码原理时域模型(运动矢量)和空域模型(系数)的参数通过熵编码器进行压缩去除了数据中的统计冗余，生成压缩码流19视频编码原理时域模型的目标是通过得到一个预测帧，并在当前帧中减去预测帧，来达到减少帧间冗余的目的预测越精确，输出的残差帧能量越小预测精度的提高可以通过在当前编码帧和参考帧之间进行运动补偿实现20视频

7、编码原理Kell在1929年提出通过只传输两帧之间变化的部分来减少数据量Intra和Skip局限：除了简单的重复外，不能提供更精确的预测以参考帧的内容为基础，进行微小的修改(调整)，可以获得更好的预测效果发展成为现在的混合视频编码框架21视频编码原理最简单的时域预测是用当前帧的前一帧作为预测22帧间预测编码FrameDifference是指活动图象序列的某一固定象素位置(m,n)上，当前帧的图象亮度值Xτ(m,n)与上一帧的亮度值Xτ-1(m,n)之差，即统计资料表明：①对于变化较为缓慢的256级灰度的黑

8、白图象序列帧间差值超过阈值3的象素大约不到4%；②对于变化较为剧烈的256级亮度值的彩色电视图象序列，帧间差值超过阈值6的象素数平均只有7.5%，而色度信号平均只有7.5%。这些是帧间压缩编码的依据。23帧间差值残差帧中的能量是由于帧间的对象运动造成的24条件帧间修补法ConditionalFrameReplenishmentCFR称条件帧间修补法，对第τ帧的当前象素Xτ(m,n)的预测值定义为其中X′τ-1(mn)为第τ-1