数字电视原理第5章-信源编码标准课件.ppt
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1、1第第5章章 信源编码标准信源编码标准n掌握掌握MPEG-2 AAC的音频编解码原理的音频编解码原理n熟悉熟悉DRA多声道数字音频编解码的算法原理及关键技术多声道数字音频编解码的算法原理及关键技术n了解新一代环绕多声道音频编码格式了解新一代环绕多声道音频编码格式n理解理解MPEG-2、H.264/AVC标准中标准中“类类”和和“级级”的含义的含义n熟悉熟悉H.264/AVC标准的主要特点及性能标准的主要特点及性能n了解了解H.265/HEVC标准的主要特点及性能标准的主要特点及性能n了解我国具备自主知识产权的音视频编码标准(了解我国具备自主知识产权的音视频编码标准(AVS)的性)的性能及应用能
2、及应用本章学习目标本章学习目标第第5章章 信源编码标准信源编码标准n5.1 数字音视频编码标准概述数字音视频编码标准概述n5.2 高级音频编码(高级音频编码(AAC)算法)算法n5.3 DRA多声道数字音频编解码标准多声道数字音频编解码标准n5.4 新一代环绕多声道音频编码格式新一代环绕多声道音频编码格式n5.5 H.264/AVC视频编码标准视频编码标准n5.6 H.265/HEVC视频编码标准视频编码标准n5.7 AVS与与AVS+视频编码标准视频编码标准5.1 数字音视频编码标准概述数字音视频编码标准概述国际上数字音视频编码标准主要有两大系列。一个国际上数字音视频编码标准主要有两大系列。
3、一个系列由国际标准化组织(系列由国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会)和国际电工委员会(IEC)制定,另一个系列由国际电信联盟电信标准)制定,另一个系列由国际电信联盟电信标准部(部(ITU-T)制定。)制定。 ISO/IEC: JPEG,JPEG2000,MPEG-1/2/4/7 ITU-T: H.261/2/3/4制定这些标准的背景有所不同,面向的主要应用也制定这些标准的背景有所不同,面向的主要应用也有所区别,它们采用的技术有很多共同点,应用领有所区别,它们采用的技术有很多共同点,应用领域有所重叠。域有所重叠。两者合作制定标准:两者合作制定标准:H.262/MPEG-2/ 、H.264/
4、MPEG-4 AVC和和H.265/HEVCn制定视频编码标准的组织制定视频编码标准的组织国际电信联盟(国际电信联盟(ITU)ISO/IECnInternational Telecommunication Union (ITU) 其委员会包括:其委员会包括:nCCITT(Consultative Committee on International Telegraph and Telephone), 19561992nCCIR (Consultative Committee on International Radio),192719921992 重组重组nCCITT ITU-TnCCIR I
5、TU-R5.1 数字音视频编码标准概述数字音视频编码标准概述ITUITU-RITU-TITU-D(发展)SG1SG2Study Group 6 MultimediaWP1- Modemsand InterfaceV.34,V.25terWP2- Systems H.320-ISDN H.323-LAN H.324-POTS T.120-DATAWP3- Coding G.7xx-Audio H.26x-VideoITU 视频编码相关的研究小组视频编码相关的研究小组nISO/IECnIEC - International Electrotechnical Commissionn成立于成立于 19
6、06 年,致力于建立所有电工技术方面的国际标准年,致力于建立所有电工技术方面的国际标准n瑞士法律下的非盈利、私立机构瑞士法律下的非盈利、私立机构nISO - International Standardization Organizationn成立于成立于 1947年,年,“推动工业标准的国际协调和统一推动工业标准的国际协调和统一”n瑞士法律下的非盈利、私立机构瑞士法律下的非盈利、私立机构nISO/IEC 联合技术委员会(联合技术委员会(ISO/IEC Joint Technical Commmittee 1, JTC1)n联合致力于计算机相关的标准活动联合致力于计算机相关的标准活动n占占 I
7、SO 和和 IEC 总标准的总标准的 30%视频编码标准组织视频编码标准组织ISOJTC1IECSubcommittee 29AGWGAGMRAWG1WG12WG11SGSGSGJBIGJPEGMHEG5MHEG6需求Systems描述VideoAudioSNHCTests实现研究联络ISO/IEC 视频编码相关的研究小组视频编码相关的研究小组视频编码标准发展历程视频编码标准发展历程视频编码标准发展历程视频编码标准发展历程视频编码标准发展历程视频编码标准发展历程vISO/IEC-MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-4 AVC/H.264, HEVCvITU-T -H.26
8、1, H.262(MPEG-2), H.263, H.264, H.265v中国中国 AVS-AVS, AVS+ v下一代标准?下一代标准?-方向、技术?方向、技术? 年代 MPEG-1 1993 2001 1997 2005 MPEG-4 AVC/H.2641989 MPEG-2MPEG-42013AVS下一代标准20092017视频编码标准发展历程视频编码标准发展历程5.1.1 H.26x 系列标准系列标准nITU-T的视频编码专家组(的视频编码专家组(VCEG)制定了)制定了H.26x 标准标准 系列,主要针对实时视频通信领域的应用,如可视电话、系列,主要针对实时视频通信领域的应用,如可
9、视电话、会议电视等。会议电视等。nH.261:“速率为速率为p64kbit/s(p=1,2,30)视听)视听业务的视频编解码业务的视频编解码”,简称为,简称为p64kbit/s标准。标准。 nH.262: 同同MPEG-2的视频部分(的视频部分(ISO/IEC 13818-2)。)。nH.263:低码率视频编码标准。低码率视频编码标准。nH.264:等同于等同于MPEG-4 AVC (ISO/IEC 14496-10)。)。nH.265:等同于等同于MPEG HEVC (ISO/IEC 23008-2)。 ITU-T H.261n1988年制定,奠定了现代视频编码的基础:年制定,奠定了现代视频
10、编码的基础:n编码结构为:编码结构为:运动补偿预测运动补偿预测+DCT 编码编码+熵编码熵编码n关键技术关键技术包括包括 1616宏块运动补偿预测、宏块运动补偿预测、88 DCT、量、量化、环路滤波和变字长编码(化、环路滤波和变字长编码(VLC)等。)等。n这些关键技术后来被其它标准采用。这些关键技术后来被其它标准采用。nH.261v2 (1993年早期年早期) 增加了后向兼容的高清晰度图片模式增加了后向兼容的高清晰度图片模式(例如远程教学中的白板)例如远程教学中的白板)n图像格式:图像格式:CIF or QCIF,帧率,帧率 29.97fpsn数码率为数码率为 n64kbit/s (6419
11、20 kbit/s),典型为,典型为 384kbit/sn特性:特性:n低复杂、低时延低复杂、低时延n后向兼容的一个标准后向兼容的一个标准n被被 H.263 和和 H.264 超越超越H.261 图像格式图像格式ITU-R BT.601CIFQCIF720576352288176144基于基于 MC+DCT 混合视频编码器混合视频编码器反量化反量化IDCTMC预测器预测器DCT量化量化运动估计运动估计ME帧缓存器帧缓存器运动补偿预测运动补偿预测MC输入输入信号信号编码码流编码码流( (送信道送信道) )解码帧解码帧(送显示送显示)运动矢量和块模式数据运动矢量和块模式数据 (送信道送信道)先前解
12、码的帧先前解码的帧(虚框表示虚框表示解码器解码器)熵编码熵编码H.263 :低码率视频编码标准:低码率视频编码标准nITU-T H.263 (V1: 1995): 取代取代 H.261,成为视频会,成为视频会议、可视电话和议、可视电话和 Internet 视频流的压缩标准。视频流的压缩标准。nH.263 + (1997/1998年)年) & H.263 + + (2000年)年)n图像格式通常为图像格式通常为 CIF、QCIF or Sub-QCIF(12896), 帧率一般低于帧率一般低于 10fps。n数码率:任意,典型数码率:任意,典型 20kbps (对于(对于 PSTN)。)。n在所
13、有的数码率上对优于在所有的数码率上对优于 H.261,在一半数码率上与,在一半数码率上与 H.261 具有相同的质量具有相同的质量n是是 MPEG4 标准的压缩标准的压缩 Core。H.263 vs. H.261n改进的改进的运动补偿运动补偿H.261:整数像素精度,环路滤波器,每个:整数像素精度,环路滤波器,每个 MB 一个运动矢量一个运动矢量H.263:半像素精度半像素精度,无环路滤波器无环路滤波器,每个,每个 MB 一个运动矢量一个运动矢量n减少了减少了 Overheadn支持更多的图像格式支持更多的图像格式n附录附录中定义了选项中定义了选项无限制的运动矢量(附录无限制的运动矢量(附录
14、D)基于语法的算术编码(基于语法的算术编码(SAC)(附录)(附录 E)高级预测模式高级预测模式 (AP) (附录(附录 F)n重叠块运动补偿(重叠块运动补偿(Overlapped Block Motion Compensation, OBMC)n每个每个 MB 中中 1 或或 4 个运动矢量切换个运动矢量切换PB 帧图像(附录帧图像(附录 G)n在在 H.263+ 增加了更多选项增加了更多选项5.1.2 MPEG-x系列标准系列标准 MPEG (Moving Picture Experts Group)是是运动图像专家组运动图像专家组的的英文缩写。即英文缩写。即ISO/IEC JTC1/SC
15、29/WG11。这个专家组开发。这个专家组开发的标准通常称为的标准通常称为MPEG标准。标准。 n MPEG-1:针对:针对1.5 Mbit/s以下数码率的数字存储媒体应用的以下数码率的数字存储媒体应用的运动图像及其伴音编码,标准号运动图像及其伴音编码,标准号ISO/IEC 11172。n MPEG-2:运动图像及其伴音信息的通用编码,标准号:运动图像及其伴音信息的通用编码,标准号ISO/IEC 13818。n MPEG-4:视听对象编码,标准号:视听对象编码,标准号ISO/IEC 14496。n MPEG-7:多媒体内容描述接口,标准号:多媒体内容描述接口,标准号ISO/IEC 15938。
16、n MPEG-H Part 2 :同:同H.265,标准号,标准号ISO/IEC 23008-2。n MPEG-1是是针对针对1.5Mbit/s以下数据传输率的数字存以下数据传输率的数字存储媒介应用的运动图像及其伴音编码储媒介应用的运动图像及其伴音编码的国际标准。的国际标准。nMPEG-1的目标是将压缩后的视的目标是将压缩后的视/音频码流存入光盘音频码流存入光盘(如(如CD-ROM、VCD等),数据传输率为等),数据传输率为1.416 Mbit/s,其中,其中1.1 Mbit/s用于视频用于视频,128 kbit/s用于音用于音频频,其余的用于系统开销。,其余的用于系统开销。n MPEG-1是
17、一个开放的、统一的标准,在商业上获是一个开放的、统一的标准,在商业上获得了巨大的成功。尽管其图像质量仅相当于得了巨大的成功。尽管其图像质量仅相当于VHS视视频的质量,还不能满足广播级的要求,但已广泛应频的质量,还不能满足广播级的要求,但已广泛应用于用于VCD等家庭视听产品中。等家庭视听产品中。 5.1.2 MPEG-x系列标准系列标准n在制订在制订MPEG-1的过程中,广播电视的设备制造商立的过程中,广播电视的设备制造商立即意识到即意识到MPEG技术对提高卫星转发器和有线电视信技术对提高卫星转发器和有线电视信道效率的潜力。但数字电视广播不能满足于道效率的潜力。但数字电视广播不能满足于VHS的图
18、的图像质量,数码率也不必像像质量,数码率也不必像MPEG-1限制得那样低。于限制得那样低。于是是MPEG为数字电视广播的应用制订了为数字电视广播的应用制订了MPEG-2标准。标准。nMPEG-1是是MPEG-2的一个子集,任何的一个子集,任何MPEG-2的解的解码器要能够对码器要能够对MPEG-1的码流进行解码。的码流进行解码。nMPEG-2不是不是MPEG-1的简单升级,它在系统和传送的简单升级,它在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。方面作了更加详细的规定和进一步的完善。nMPEG-2的应用领域非常广泛的应用领域非常广泛,包括存储媒介中的,包括存储媒介中的DVD、广播电视中的数
19、字电视和、广播电视中的数字电视和HDTV、以及交互式、以及交互式的视频点播(的视频点播(VOD)等。)等。5.1.2 MPEG-x系列标准系列标准nMPEG-4 n视听对象编码视听对象编码(Coding of audio-visual objects)标准标准(ISO/IEC 14496),始于,始于1993年的多媒体应用标准年的多媒体应用标准n1998年年10月发布了版本月发布了版本1n1999年底完成了版本年底完成了版本2n2000年初正式成为国际标准年初正式成为国际标准n不断更新和完善不断更新和完善n目标是为通信、广播、存储和其他应用提供数据速率低而视目标是为通信、广播、存储和其他应用提
20、供数据速率低而视听质量高的数据编码方法和交互播放工具听质量高的数据编码方法和交互播放工具n吸收了吸收了MPEG-1、MPEG-2和其他相关标准的许多特性和其他相关标准的许多特性n引入了视听对象引入了视听对象(audio-visual objects,AVO)编码的概念编码的概念5.1.2 MPEG-x系列标准系列标准n扩充了编码类型,由自然对象扩展到合成对象扩充了编码类型,由自然对象扩展到合成对象n采用了合成对象与自然对象混合编码采用了合成对象与自然对象混合编码(Synthetic/Natural Hybrid Coding,SNHC)算法算法n引入了组合、合成和编排等重要概念,以实现引入了组
21、合、合成和编排等重要概念,以实现交互功能交互功能和和对象重用对象重用5.1.2 MPEG-x系列标准系列标准(a)(a)发送端发送端 (b) (b) 接收端接收端MPEG-4MPEG-4基于对象的系统模型基于对象的系统模型5.1.2 MPEG-x系列标准系列标准nAVS (Audio Video coding Standard)是我国具备自主知识产)是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标准,是权的第二代信源编码标准,是信息技术信息技术先进音视频编先进音视频编码码系列标准的简称。系列标准的简称。nAVS视频标准(视频标准(GBT 20090.2-2006)主要面向高清晰度和)主要面向高清晰度和
22、高质量数字电视广播、网络电视、高密度激光数字存储媒体高质量数字电视广播、网络电视、高密度激光数字存储媒体和其他相关应用,具有以下特点:和其他相关应用,具有以下特点:(1)性能高,)性能高,编码效率是编码效率是MPEG-2的的2倍以上,与倍以上,与H.264的编码的编码效率处于同一水平;效率处于同一水平;(2)复杂度低,)复杂度低,算法复杂度比算法复杂度比H.264明显低,软硬件实现成本明显低,软硬件实现成本都低于都低于H.264;(3)我国掌握主要知识产权,专利授权模式简单,费用低)我国掌握主要知识产权,专利授权模式简单,费用低。5.1.3 AVS和和AVS+标准标准熵编码反量化反变换运动补偿
23、预测控制数据量化后的变换系数运动数据帧内/帧间编码控制解码器运动估计变换/量化-0环滤波帧内预测5.1.3 AVS和和AVS+标准标准AVS视频编码标准工具集视频编码标准工具集n双向预测双向预测n隔行编码隔行编码n运动矢量预测运动矢量预测n子像素插值子像素插值n多参考帧预测多参考帧预测n可变块大小预测可变块大小预测n帧内预测帧内预测n变换和量化变换和量化n熵编码熵编码n环路滤波环路滤波n缓冲区管理缓冲区管理n其它其它n图像组头图像组头n防伪起始码防伪起始码n码流顺序码流顺序n时间参考索引时间参考索引AVS的的意义的的意义n直接产业化成果:直接产业化成果:未来未来10年我国需要的年我国需要的45
24、亿颗亿颗解码芯片,辐射超万亿的国民经济产业解码芯片,辐射超万亿的国民经济产业n构建完整的产业链:构建完整的产业链:技术技术专利专利标准标准芯片芯片系统系统制造制造业业运营业运营业文化产业文化产业n我国高清电视、直播卫星等音视频产业跨越发展我国高清电视、直播卫星等音视频产业跨越发展的难得契机的难得契机AVS产品形态产品形态n芯片芯片n高清高清/标清标清AVS解码芯片,国内需求量在未来十多年的解码芯片,国内需求量在未来十多年的时间内年均将达到时间内年均将达到4000多万片。多万片。n软件软件nAVS节目制作与管理系统,节目制作与管理系统,Linux和和Window平台上基平台上基于于AVS标准的流
25、媒体播出、点播、回放软件标准的流媒体播出、点播、回放软件n整机整机n机顶盒、播出服务器、编码器、高清激光视盘机、高机顶盒、播出服务器、编码器、高清激光视盘机、高清数字电视机顶盒和接收机、手机、便携式数码产品清数字电视机顶盒和接收机、手机、便携式数码产品等等n媒体运营产业媒体运营产业 AVS+视频标视频标准准nAVS工作组制定了工作组制定了AVS1-P2等视频编码标准,并于等视频编码标准,并于2006年颁年颁布为国标布为国标GB/T 20090.2-2006,之后于,之后于2012年在国标的基础年在国标的基础上升级为上升级为AVS+,形成了广电行业标准,形成了广电行业标准GY/T 257.1-2
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