数字通信技术03-3解析课件.ppt
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- 数字通信 技术 03 解析 课件
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1、Institute of Communications EngineeringInstitute of Communications EngineeringInstitute of Communications Engineering3.4 图像压缩编码标准图像压缩编码标准3图像压缩编码标准图像压缩编码标准 图像压缩编码标准的种类,如图像压缩编码标准的种类,如JPEGJPEG、MPEGMPEG、H.26x H.26x 等标准,熟悉实现这些标准所采用的算法等标准,熟悉实现这些标准所采用的算法以及应用以及应用 掌握图像压缩编码标准的种类,如掌握图像压缩编码标准的种类,如JPEGJPEG、MPEGM
2、PEG、H.26x H.26x 等标准,熟悉实现这些标准所采用等标准,熟悉实现这些标准所采用的算法以及应用的算法以及应用 4引言引言图像编码标准的分类图像编码标准的分类静止图像编码标准静止图像编码标准JPEGJPEG2000活动图像编码标准活动图像编码标准H.26X:H.261、H.263、H.264MPEG:MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7Institute of Communications Engineering3.4.1 静止图像压缩标准静止图像压缩标准6一、一、JPEGJPEG研究小组研究小组1986年,国际标准化组织ISO和国际电报电话咨询委员会CCITT共同
3、成立了联合图像专家组(Joint Photographic Experts Group),对静止图像压缩编码的标准进行了研究。建议形成建议形成JPEG小组于1988年提出建议书,1992年成为静止图像压缩编码的国际标准。JPEG是一个达到数字演播室标准的图像压缩编码标准,其亮度信号与色度信号均按照ITUR601的规定取样后划分为8x8子块进行编码处理。7一、一、JPEGJPECJPEC标准主要涉及连续色调(灰度和彩色)静止标准主要涉及连续色调(灰度和彩色)静止图像的压缩编码。共提供了四种工作模式:图像的压缩编码。共提供了四种工作模式:顺序模式(基准模式):依扫描顺序,从左到右、从上到下,一次完
4、成对图像的DCT变换和编码;渐进模式:多次扫描完成编码,第一次扫描是对前一次的细化;分层渐进模式:将原始图像用不同的空间分辨率表示,每一种分辨率对应于一个扫描。无损模式:只作简单的预测,不引入量化,压缩率比较低。8一、一、JPEG9ForwardDiscreteCosineTransformQuantizerEntropyEncoderTable SpecificationTable SpecificationEntropyDecoderDequantizerInverseDCTTable SpecificationTable SpecificationSourceImage DataReco
5、nstructedImage DataCompressedImage DataCompressedImage Data8x8 blocks一、一、JPEG基准模式的基准模式的JPEG编解码框图编解码框图10一、一、JPEG基准模式编码过程:基准模式编码过程:1.1.输入信号经输入信号经DCTDCT变换后,按固定的亮度与色度量化矩阵进变换后,按固定的亮度与色度量化矩阵进行非线性量化。行非线性量化。2.2.对量化后相邻图像块的对量化后相邻图像块的DCTDCT直流系数单独进行直流系数单独进行DPCMDPCM编码。编码。3.3.对余下的对余下的6363个交流系数进行游程编码。个交流系数进行游程编码。4
6、.4.对对DPCMDPCM编码后的直流系数和游程编码后的交流系数再进编码后的直流系数和游程编码后的交流系数再进行行HuffmanHuffman编码或算术编码。编码或算术编码。5.5.送缓存器输出。送缓存器输出。11一、一、JPEGJPECJPEC算法的算法的平均压缩比为平均压缩比为15:115:1,当压缩比大于,当压缩比大于5050时将会出时将会出现方块效应。现方块效应。为提高恢复图像的质量,尤其是低码率时的质量,并根据为提高恢复图像的质量,尤其是低码率时的质量,并根据图像质量、视觉感受和分辨率来达到渐进传输、对码流进图像质量、视觉感受和分辨率来达到渐进传输、对码流进行随机存取和处理、开放结构
7、、向下兼容等要求,行随机存取和处理、开放结构、向下兼容等要求,19991999年年3 3月形成了月形成了JPEC2000JPEC2000工作草案,并于工作草案,并于20002000年正式颁布,升年正式颁布,升级并取代了级并取代了JPECJPEC标准。标准。12二、二、JPEG2000正式名称:正式名称:ISO 15444特点特点采用以小波变换为主的多分辨率编码方式,放弃了JPEG所采用的以DCT为主的分块编码方式;将彩色静态画面采用的JPEG编码方式与2值图像采用的JBIG编码方式统一起来,成为对应各种图像的通用编码方式彩色静态图像彩色静态图像(JPEG)二值图像(二值图像(JBIG)高压缩率
8、图像高压缩率图像(JPEGLS)JPEG2000小波变换小波变换13二、二、JPEG2000DWT熵编码器量化器压缩数据流存储或传输原始图像数据量化表码表IDWT熵解码器逆量化器恢复图像数据量化表码表压缩数据流JPEC2000编译码原理图编译码原理图14compressione 100:1compressione 100:1二、二、JPEG2000JPEG2000性能性能15二、二、JPEG2000JPEG2000新特性新特性渐进传输无损压缩和有损压缩感兴趣区域压缩高压缩率连续色调和二值压缩码流的随机访问和处理容错性开放的框架结构基于内容的描述WEB图像简单化16二、二、JPEG2000 渐进
9、传输渐进传输17二、二、JPEG2000 无损压缩和有损压缩无损压缩和有损压缩 JPEG2000JPEG2000提供无损和有损两种压缩方式,无损压缩在许提供无损和有损两种压缩方式,无损压缩在许多领域是必须的,例如医学图像中有时有损压缩是不能忍多领域是必须的,例如医学图像中有时有损压缩是不能忍受的,再如图像档案中为了保存重要的信息有较高的图像受的,再如图像档案中为了保存重要的信息有较高的图像质量是必然的要求。同时质量是必然的要求。同时JPEG2000JPEG2000提供的是嵌入式码流,提供的是嵌入式码流,允许从有损到无损的渐进解压,这也是小波变换过程中分允许从有损到无损的渐进解压,这也是小波变换
10、过程中分解与重构的特点。解与重构的特点。18二、二、JPEG2000 感兴趣区域压缩感兴趣区域压缩对感兴趣区域指定压缩质量对感兴趣区域指定压缩质量19二、二、JPEG2000 高压缩率高压缩率20二、二、JPEG2000 高压缩率高压缩率Institute of Communications Engineering3.4.2 运动图像压缩标准运动图像压缩标准22一、图像尺寸的规定一、图像尺寸的规定CCIR601CCIR601建议建议PAL:625行/50场 720像素576行NTSC:525行/60场720像素480行 为了符合为了符合H.261H.261建议或建议或MPEG-1MPEG-1建
11、议要求的码率建议要求的码率 亮度:720576/480360288/240色差:360576/480180144/120 为了能分割为为了能分割为16161616子块子块亮度352288色差176144 即为即为H.261H.261建议规定的建议规定的“公用中间格式公用中间格式”(Common IntermediaCommon Intermedia Format Format)23一、图像尺寸的规定一、图像尺寸的规定视频编码图像格式一览表视频编码图像格式一览表采用的采用的标准标准CCIR601CCIR601ISO/MPEG-1ISO/MPEG-1H.261H.261参数参数PLANTSCSIF
12、CIFQCIF每秒帧数每秒帧数2530253029.97每帧每帧行数行数Y Y576480288240288144CrCr28824014412014472CbCb28824014412014472每行每行像素像素数数Y Y720360352176CrCr36018017688CbCb36018017688SIFSIF:Source Input FormatSource Input Format,CIFCIF:Common IntermediaCommon Intermedia Format Format,QCIFQCIF:Quarter CIFQuarter CIF24二、二、H.261简介
13、:简介:H.261是第一个视频图像压缩标准;H.261又称为P64,分别对应视频电话(p=1,2)与电话会议(p5);H.261支持QCIF(p=1,2)和CIF这两种图像格式。H.261的编码方法包括:的编码方法包括:DCT变换;可控步长线性量化;变长编码及预测编码。25视频序列视频序列图像图像宏块组宏块组宏块宏块块块 8X8H.261数据结构图数据结构图二、二、H.261H.261数据结构数据结构26二、二、H.261图像头图像头GOB数据数据-GOB数据数据图像层GOB头头MB数据数据-MB数据数据块组层MB头头块数据块数据-块数据块数据宏块层DCT系数系数-DCT系数系数块层MPEG视
14、频部分数据结构图视频部分数据结构图27二、二、H.261H.261图像序列的组成结构如下:图像序列的组成结构如下:图像层(Picture Layer,P):由图像头和GOB数据组成;块组层(Group of Block Layer,GOB):由一个GOB头和MB数据组成;宏块层(Macro Block Layer,MB):由一个MB头和B数据组成;块层(Block Layer,B):包括一个块的DCT系数(包括亮度和色度),后接一个固定长度的结束码(End Of Block,EOB)。28GOB1GOB2GOB3GOB4GOB6GOB5GOB8GOB10GOB9GOB7GOB11GOB1235
15、2点288行一幅图像(P)123456789111012131415161718192022212324252627282930313332一个块组(GOB)Y0Y1Y3Y2CRCB一个宏块(MB)25262728293031323334353637383940414243444546474812345678910111213141516171819202122232449505152535455565758596061626364一个块(B)二、二、H.261CIF格式格式 QCIFQCIF的的GOBGOB数是数是CIFCIF的的1/41/4,即,即3 3个个GOBGOB。其它结构与其它结构
16、与CIFCIF相同。相同。29DCT量化量化反量化反量化反反DCT循环循环滤波滤波运动运动补偿补偿帧存帧存运动运动估计估计变步长编码变步长编码视频输入视频输入编码输出编码输出二、二、H.261H.261压缩编码原理图压缩编码原理图30三三、H.263H.263传输速率低于64K,适用于低比特率条件下对运动图像进行压缩编码。结构与H.261类似,包括帧间预测(含运动估计和运动补偿)、DCT变换和变长熵编码。不同点是:H.263的运动补偿采用的是半像素精度,而H.261采用的是全像素精度和一个环路滤波器。H.263增加了支持的图像格式,编码器必须支持sub-QCIF和QCIF中的一个,是否支持其他
17、格式由用户自己决定。其它格式包括:CIF、4CIF、16CIF。31三、三、H.263H.263的可选模式的可选模式 1 1、非限制运动矢量模式,能够反映较快的图像运动。、非限制运动矢量模式,能够反映较快的图像运动。2 2、先进预测模式。这种模式能提高帧间预测的准确性,、先进预测模式。这种模式能提高帧间预测的准确性,可以在比特率不变的情况下降低方块效应,提高图像的主可以在比特率不变的情况下降低方块效应,提高图像的主观质量。观质量。3 3、算术编码模式。用算术编码方法代替缺省模式下的可、算术编码模式。用算术编码方法代替缺省模式下的可变长编码方法来实现熵编码,在不损失信噪比的前提下可变长编码方法来
18、实现熵编码,在不损失信噪比的前提下可以把输出比特率降低以把输出比特率降低5%5%左右。左右。4 4、PBPB帧模式。该模式在不明显增加比特率的同时,把图帧模式。该模式在不明显增加比特率的同时,把图像的帧速率提高一倍。像的帧速率提高一倍。32四、四、H.264H.264在较低带宽上提供高质量图像传输是H.264的应用亮点。采用的新技术:统一的VLC符号编码,高精度、多模式的位移估计,基于44块的整数变换、分层的编码语法等。压缩编码算法:DPCM加变换编码的混合编码模式。33四、四、H.264H.264H.264具有以下几个方面的特点具有以下几个方面的特点 帧间预测帧间预测 帧间预测用于降低图像的
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