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视频压缩标准

视频压缩标准 当前,电视设备正逐步从模拟向数字过渡,SONY、松下、JVC等公司纷纷推出了最新的数字摄、录、编…

视频压缩标准

当前,电视设备正逐步从模拟向数字过渡,SONY、松下、JVC等公司纷纷推出了最新的数字摄、录、编设备。在当今电视技术㏕领域,数字记录和编辑已得到广泛的运用?。

数字视频的记录格式有非压缩和压缩?两大类。非压缩记录格式的D1、D2、D3、D5等系列,它是以原有信号码率直接记录输入信号,保持∣了信号的原有水平,为无损记?录。记录方式又分数字分量(D1、D5)和数字复合(D2、D3),它们代表了视频设备最高标准,图像质量最高,信号损失最小,但同时由于图像信号数据量很大,对机器硬件的要求极其苛刻,而价格非常昂贵,虽然产品已问世数年,但仅有少数对画质要求极高的≌视频制作公司使用。而压缩格式是指采用数字压缩技术的视频,常见的有DV,MPE?G-2,M-JPEG等,并制定各种数据压缩标准,?于是出现了相应的数字B≦etacam(DVW),DV,DVCPRO,DIGITAL-S,DVCAM,Bet¬acam-SX等规格的数字录像机,它们将图像信号压缩再记?录在磁带上,其目的是在保证?图像质mol量的前提下,减小图像信号的数据量,减小设备体积,减少?磁带用量,以最小的信号%损失达到尽可能好的效果,从而降低设备成本。

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1⊿、数字视频技术的国际标准

∧ (1)CCIR601号建议

为了便于国?际间的节目交√换,消除数字设备之间的制式差别,使625行电?视系统与525行电视系统之间能够兼容,1982年≮2月国际无线㏄电咨询委员会(CC?IR,现改为国际电联无线电通信部,??即IT+U-R)第15次全会上通过了60∷1号建议,确定以分量编?码为?基础:以亮度分量Y和两个色差分量R-Y,B-Y为基?∞础进行※编码,?作为电视演?播 ?室数字编码的国际标准

(2)H.26m1标准

H.261简称p×64%。?该?标/准是用于电视电±话和电视会议,图像编码算法是实∪时处理,并且延迟时间?最小,使图像∟和语音密切配合?,达到?全彩色的实时运动视频传输,并获得高压缩比。该标准于1990年由国际电报电话咨询委员会(CCITT)完成通过。

(3)JPEG标准

静像数据压缩标准J?PEG(JointPhotogra?phicExpertsGroup),即联合图像术专家组,?是国际标准∮组织(I?SO)、国际电报电话咨询委员会(CCITT)和国际电工委员会∫(IEC)3个国际组织合作,在1991¥年完成通过。JPEG既是ISO的标准,也是CCI?TT的推荐标准,其目标是压缩静止彩色图片?数据,多用于卫星、新闻图片≥的传输与存储,以及图形、图像文献资料处理等方面。

(4)MPEG标准

随着数字音频和数字视频技术的广泛应用,I3SO的活动图像专家组(MovingPictureExpertGrooup)在1991年11月提出了IS?Oll172标准的*建议草案,通称MPEG-?1标准,该标准于19?92年11月通过。MPEG-1标准适用?于数码率在1.5Mbps左右的应用环境,也就是为C?D-ROM光盘的视频存储和放像所制?定的。
MPEG-2是由MP?EG开发的第2个标准,于1994年11月正式确定为国际标?准。″MPEG-2是“活动图像及有关声音∑信息的通用编码”(GenericCodingofMovingPicturesAssociate№dAudioInformation)标准。作为一种公认的压缩方案,该标准具有开放性、技术成本低、互操作性和灵∽活性、比?特率?的可选择扩展性及众多厂商的支持等优势,在网络、通信、?卫?星等领域被采用。

′ MPEG£-4是19∠93年开始制定,1㎝998年10月方才定案,直到2000年年初正式成为国际标准。该标准具有◎许多引人注目$的功能,包括以对象内容为基础的视频对象存取、以场景内容为基础的可升级?性、视频存取、纠错能力?等。MPE=G-4视频标准不?仅可以提供一个更具压缩效率的新型多媒体信息传输标准,同时也具有良好的交互性、全方位存忍迥谌菝枋鼋涌凇?其£名称由来是1+2+4=7(MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4)。它扩?展现有内容识别专用解决方案的有限的能力,还包括更多的数据类型。MPEG-7是规定一个用于描述各?种不同类?型多媒体信息的描述符的标准集合。?

2、数字视频压缩方式

基于上?述标准,目前在电视领域广泛应用的3种压缩方式是?MPEG-2,M-JPEG和DV。它们均基于离散余弦变换(DCT),并对变换系数微量化处理后进行游程编码。

(1)JPEG简介JPEG用于连续变化的静止图像,包括灰度等级m和颜色两方面的连续变化。JPEG包含两种基本压缩方法:第一种是有?损?压缩,≒它是以DCT(μDiscreteCosineTransf≯orm)∥为基础的压缩方法;第二种为无损压缩,也称预测压?缩方法。最常使用的是前者,即DCT压缩方法,≠也称为基线顺序编解码(BaselineSequentialCodec)方‰法,这种方法先㏑进、有效、简单、易于交流,因此得到广泛应用。

(2)M-JPEG简介

×M-JPEG是按活动图像的∩正常要求速度,每秒完成对25?帧图像的?帧内压缩方式压缩每一帧,每一帧都被当作独立的信号处理,其一系列的帧实际上就是一∏个JPEG的信号流。这种设计的好处是易于编辑,可随机对任意帧进行编辑,?对于非线性编辑应用是一个优秀的选择。M-JPEG的压缩和解压缩是对称的§,?可由相同的硬件3与软件实现。﹤其缺点是需要过多的带宽和存储空间,这是因为它不对著行压缩,而只是帧内压缩,压缩效率不够高?。

(3)DV简介

DV压缩方式是为家用录像机设计的一种可扩展的格式,可适用于标准清晰度电视和高㏒清晰度电视。DV压缩最早是由标准和高清晰度家用VCR制造商的一个联盟研⊕发的。DV使用13.5MHz采样¢¥率,4∶1∶1编码,⌒并用8比特代∨码来*提高信噪﹢比,其空间压缩比为5∶1。D2V通过对实质上不活动的视频图像的倡这种压?缩﹢从标准的2?5Mb/s扩展>到DVCPRO50中的50Mb/s。Sony则?提供基于D∷V压缩的DVCAM系列VTR?。用于广播电视的?DVCPR?0摄像机主要有两种机型:一种是DVCPR025,一种是DVCPR050。

(4)MPEG简介

MPEG标准的数字?压㎡缩基本步骤是:先将模拟视频转换为数字视频后按时序∵分组,每个图像组(GOP)选定一个基准图像,利用运动估计减少图像间的时间冗余,最后将基准图像和运动估计误差进行离散余弦变换(DCT)、系数量化和熵编码(VLC&RLC)以消除空间冗余。MPEG=专家组最初的任务有3个:实现1.5Mb/s,10Mb/s,40Mb/s的压缩?编‖码标准,即MPEG-1,MPEG-2,MPEG·-3,其中M㎏P?EG-3于1992年被撤消。

MPEG-l¤标准用于运动图像及其音频编码标?准,着重于高压缩率,具?有低带宽??和低分解力,视频速率大致为1.5Mb/s。其基本算法是对于压缩水平方≡向(360个像素)和竖直方向(288个像素)的空间分?辨率,对于每秒?24~30幅画面的运动图像有比较好的效?果。MPEG-l标准视频压缩标准还提供了一些录像机的功能:正放、图像冻结、快进、快倒和慢放等,°以及随机存储的功能。MPEG-l标准还采用了一系列技术以获得高压缩比:①对色差信号进行亚采样,减少数据量;②采用运动补偿技术减少著行量化,舍去不?重要的信息,将量化后?DCT分量按照频率重新排序;⑤将DCT分量进行变字长编码;⑥对每个数据块的直流分量(DC)进行预测差分编码。

MPEG-2标准与MPEG-1标准相似,其比特率比后者高得多,因而要<求较高的带宽和分解力。MPEG-2标∴准可?定义高达400Gb/s的比特率和16000×16000像素的♂图像。其采?用帧内编码与质剑??GOP(图像?组)内分为I帧(帧内编码帧)、P帧(向前预测编码≈帧)、B?帧(双向预测帧),对它们采取不同的压缩编码方式。1996年1月,国际慕尼黑团体会议上又确认了具有高广播级质量和高编辑精度的MPEG-2MP@ML标准,它允许较短的≧GOP,使之适应于节目制作的精确编辑。MPEG-2在处理图像的“简单”?与“复杂”区℃域能自动变?换?压?缩率,?它能在同一帧内使用不同的压﹣缩比,?因而更加有效。?在压缩成相同图像质量?的条件下,MPEG-2图像所占的空间只是M-JPEG图?像的10%~15%。在图像采集、制作、传输、播出等各领域中,≤MPEG-2已逐渐被广泛采用。

MPEG-4除完全支持MPEG-1/2已提供的全部视频功能,包括在不同输入格式、帧率、比特率下对标准⊥矩形区域图像序列进行有效编码外,还增加了新的功能:为提?高传输效率,MPEG-4采用“子图形”预测和编码技术,它把静止﹥的背景作为“子图形”,首先发往收端,作为第一?帧同时存储?于编码器与解码器内,再利用摄像机?的移动、旋ml转和缩放,摄取?背景前?出现的视频对象,再将其㎜分开-进行编码,形成视频序?列进行传送,进而重建原来的图像。这种℡技术对实现多媒体数据库十分有利,同时还可以改善图像质量。MPEG-4是一种高效率的㈱编码标准,其最低码率可达到5~64kbps?。对于具体视频而言,其交互性和可操作性,在多媒体应用领域中又可以与各种编码兼容。MPEG-7建立在MPEG-4的基础上,用很少的特征对信息内容进行检索。例如÷对图形,只要画出很少几条线就可以找到包括该特征的相应图形、商标等。

♀ 3℉、3种常用数字压缩⊙格式的比较

× ?M-JPEG,D∶V和MPEG作为视频工业中的3种主要的压缩技术,它们都基于DCT,它们所记录的图像被转化成统一、℅量化和可变长度编码的频域系数。广?播电视常用的数字视频编码技术,其中,DV和典型的M-JPE?G是帧内编码,采用帧内压㎞缩方式,没有窒低。对于MPEG-2来说,采用种〉K裕?MP㎎EG-2用于编辑时,一般仅限于I帧编码,能够在〒?不了解前一帧和后一帧的情况下,在边缘进行帧切换。此外,DV和MPEG-?2压缩使用运动自适应处理来实现有效的帧内编码,但是,DV?只能进行固1定比特率﹣(CBR)编码,而MPEG-2和M-JPEG则可进行CBR和可变比特率(VBR)编码。

数字视频压缩技术使我们能够以较小∈的成本获得高质量的视频,为高质量传播视频信号成为可能,并且随着电视技术的不断发展,这一技术还在不断更新、?提高。当电视技术和互联网络技术结合时,数字视频技术更加体现出它所具备的交流?@传?播的优势∝。


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作者: mgnqyz

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