(第3版多媒体技术基础第12章MPEG视像
多媒体技术基础(第3版) 第12章 MPEG视像
第12章MPEG视像目录12.4MPEG-2视像12.1视像数据的余12.4.1视像编码器和解码器12.2视像数据的速率12.4.2视像数据位流的结构12.2.1BT.601视像数据速率12.4.3视像质量可变编码12.2.2VCD视像的压缩比12.5 MPEG-4 Visual视像12.2.3DVD视像的压缩宿比12.5.1MPEG-4Visual简介12.3MPEG-1视像12.5.2视像对象的编码与解码12.3.1视像数据的压缩算法概要12.3.2顿内图像的压缩编码算法12.5.3可视对象的层次结构12.3.3预测图像P的压缩编码算法12.3.4双向预测图像B的压缩编码算法12.3.5顿图像的编排顺序12.3.6视像数据流的结构2/462025年10月26日第12章MPEG视像
2025年10月26日 第12章 MPEG视像 2/46 第12章 MPEG视像目录 12.1 视像数据的冗余 12.2 视像数据的速率 12.2.1 BT.601视像数据速率 12.2.2 VCD视像的压缩比 12.2.3 DVD视像的压缩比 12.3 MPEG-1视像 12.3.1 视像数据的压缩算法 12.3.2 帧内图像I的压缩编码算法 12.3.3 预测图像P的压缩编码算法 12.3.4 双向预测图像B的压缩编码算 法 12.3.5 帧图像的编排顺序 12.3.6 视像数据流的结构 12.4 MPEG-2视像 12.4.1 视像编码器和解码器 12.4.2 视像数据位流的结构 12.4.3 视像质量可变编码 12.5 MPEG-4 Visual视像 12.5.1 MPEG-4 Visual简介 12.5.2 视像对象的编码与解码 概要 12.5.3 可视对象的层次结构
第12章MPEG视像MPEG视像MPEG视像是指使用MPEG视像标准压缩宿和解压缩的电视图像现有的MPEG视像标准包括MPEG-1Video，MPEG-2Video,MPEG-4 Visual和MPEG-4AVC/H.264这些视像标准有许多共同之处，基本概念类似，数据压缩和编码方法基本相同，它们的核心技术都是采用以图像块作为基本单元的变换、量化、移动补偿、编码等技术，在保证图像质量的前提下获得尽可能高的压缩比本章将介绍MPEG视像标准[11压缩视像数据的基本原理和方法，对最近几年开发的MPEG-4AVC/H.264标准将在第13章中作较详细的介绍3/462025年10月26日第12章MPEG视像
2025年10月26日 第12章 MPEG视像 3/46 第12章 MPEG视像 MPEG视像 ➢ MPEG视像是指使用MPEG视像标准压缩和解压缩 的电视图像 ➢ 现有的MPEG视像标准包括MPEG-1 Video，MPEG- 2 Video，MPEG-4 Visual和MPEG-4 AVC / H.264。 这些视像标准有许多共同之处，基本概念类似，数 据压缩和编码方法基本相同，它们的核心技术都是 采用以图像块作为基本单元的变换、量化、移动补 偿、熵编码等技术，在保证图像质量的前提下获得 尽可能高的压缩比 ➢ 本章将介绍MPEG视像标准[1]压缩视像数据的基本 原理和方法，对最近几年开发的MPEG-4 AVC / H.264标准将在第13章中作较详细的介绍
12.13视像数据的见余视像数据存在的几余时间穴余(temporalredundancy)桌闾褐莽：蕉馨个时褐隔卡崇晕或基7-?苯箱局的续；桢弯帧芝简荐程夫量的案数据空间穴余(spatial redundancy)暑霜蕙类鑫；在兽像史望邻像素的值常A有箱战花笑的情况，可角较少数据裴达结构余(structural redundancy)图像自身构造的几余：若从宏观上来看一顿图像，有些图像存在相同或类似的结构，如用地板图案构成的图像视觉穴余(visionredundancy)与视觉系统有关的几余：对图像的亮度变化敏感而对颜色变花不敏感，对剧烈变化区敏感而对缓慢变花这域不敏感，对图像的亮度和颜色的分辨率都存在极限4/462025年10月26日第12章MPEG视像
2025年10月26日 第12章 MPEG视像 4/46 12.1 视像数据的冗余 ◼ 视像数据存在的冗余 ➢ 时间冗余(temporal redundancy) ◼ 与时间相关的冗余：在某个时间间隔上出现场景相同或基 本相同的连续帧时，帧与帧之间存在大量的冗余数据 ➢ 空间冗余(spatial redundancy) ◼ 与空间位置有关的冗余：在单帧图像中，相邻像素的值常 有相同或变化不大的情况，可用较少数据表达 ➢ 结构冗余(structural redundancy) ◼ 图像自身构造的冗余：若从宏观上来看一帧图像，有些图 像存在相同或类似的结构，如用地板图案构成的图像 ➢ 视觉冗余(vision redundancy) ◼ 与视觉系统有关的冗余：对图像的亮度变化敏感而对颜色 变化不敏感，对剧烈变化区域敏感而对缓慢变化区域不敏 感，对图像的亮度和颜色的分辨率都存在极限
12.13视像数据的余（续知识亢余（knowledgeredundancy）与知识有关的几余：在单顿图像中含有为人熟知的知识称为先验知识。例如，正面人实像肴箱对固定的结构，眼鼻字下方是嘴，嘴和鼻子均位手脸的史线晴下方是皇。这类颊律性的构往往丕会改变或变化不天，需用传统方式录制的视像数据中存在许多重复的数据■知识是某个感兴趣领域中的实事、概念和关系(6)数据亢余(dataredundancy)数据本身的几余：视像数据本身存的几余表12-1视像压缩利用的各种元余信息种类内容目前用的主要方法空间元余像素间的相关性变换编码，预测编码时间元余时间方向上的相关性帧间预测，移动补偿图像构造元余图像本身的构造轮廓编码，区域分割知识元余收发两端对人物的共有认识对象编码，知识编码视觉元余人的视觉特性非线性量化，位分配其他不确定性因素5/462025年10月26日第12章MPEG视像
2025年10月26日 第12章 MPEG视像 5/46 12.1 视像数据的冗余(续) ➢ 知识冗余(knowledge redundancy) ◼ 与知识有关的冗余：在单帧图像中含有为人熟知的知识， 称为先验知识。例如，正面人头像有相对固定的结构，眼 睛下方是鼻子，鼻子下方是嘴，嘴和鼻子均位于脸的中线 上。这类规律性的结构往往不会改变或变化不大，而用传 统方式录制的视像数据中存在许多重复的数据 ◼ 知识是某个感兴趣领域中的实事、概念和关系 ➢ (6) 数据冗余(data redundancy) ◼ 数据本身的冗余：视像数据本身存的冗余
12.2视像数据的速率12.2.1BT.601视像数据速率使用4:2:2采样格式，亮度信号Y的采样频率为13.5MHz色差信号Cr和Cb的采样频率为6.75MHz，每个样本的精度为10位，视像数据速率为(1)亮度(Y)858样本/行×525行/顿×30顿/秒×10位/样本~135兆位/秒(NTSC)864样本/行×625行/×25/秒×10位/样本~135兆位/秒(PAL)(2) Cr (R-Y)429样本/行×525行/帧×30帧/秒×10位/样本~68兆位/秒(NTSC)432样本/行×625行/×25顿/秒×10位/样本~68兆位/秒(PAL）(3) Cb (B-Y)429样本/行×525行/顿×30顿/秒×10位/样本~68兆位/秒(NTSC432样本/行×625行/顺×25/秒×10位/样本~68兆位/秒(PAL）总计：27兆样本/秒×10位/样本=270兆位/秒6/462025年10月26日第12章MPEG视像
2025年10月26日 第12章 MPEG视像 6/46 12.2 视像数据的速率 ◼ 12.2.1 BT.601视像数据速率 ➢ 使用4:2:2采样格式，亮度信号Y的采样频率为13.5 MHz， 色差信号Cr和Cb的采样频率为6.75 MHz，每个样本的精 度为10位，视像数据速率为 (1) 亮度(Y) 858样本/行×525行/帧×30帧/秒×10位/样本≈135兆位/秒(NTSC) 864样本/行×625行/帧×25帧/秒×10位/样本≈135兆位/秒(PAL) (2) Cr (R-Y) 429样本/行×525行/帧×30帧/秒×10位/样本≈68兆位/秒(NTSC) 432样本/行×625行/帧×25帧/秒×10位/样本≈68兆位/秒(PAL) (3) Cb (B-Y) 429样本/行×525行/帧×30帧/秒×10位/样本≈68兆位/秒(NTSC) 432样本/行×625行/帧×25帧/秒×10位/样本≈68兆位/秒(PAL) 总计：27兆样本/秒×10位/样本= 270兆位/秒
12.2 视像数据的速率(续1)实际上，在荧光屏上实际显示的有效图像的数据传输率并没有那么高，其中，(1)亮度(Y)720样本/行×480行/顺×30/秒×10位/样本=104兆位/秒(NTSC)720样本/行×576行/×25顿/秒×10位/样本=104兆位/秒(PAL)(2)色差(Cr ,Cb)2×360样本/行×480行/顺×30顿/秒×10位/样本=104兆位/秒(NTSC)2×360样本/行×576行/顺×25顿/秒×10位/样本=104兆位/秒(PAL)总计：～207兆位/秒(Mb/s)如果每个样本的采样精度由10位降为8位，彩色数字电视信号的数据传输率就降为166Mb/s7/462025年10月26日第12章MPEG视像
2025年10月26日 第12章 MPEG视像 7/46 12.2 视像数据的速率(续1) ➢ 实际上，在荧光屏上实际显示的有效图像的数据 传输率并没有那么高，其中， (1) 亮度(Y) 720样本/行×480行/帧×30帧/秒×10位/样本 104兆位/秒 (NTSC) 720样本/行×576行/帧×25帧/秒×10位/样本 104兆位/秒 (PAL) (2) 色差(Cr，Cb) 2×360样本/行×480行/帧×30帧/秒×10位/样本 104兆位 /秒(NTSC) 2×360样本/行×576行/帧×25帧/秒×10位/样本 104兆位 /秒(PAL) 总计：～ 207兆位/秒(Mb/s) ➢ 如果每个样本的采样精度由10位降为8位，彩色数 字电视信号的数据传输率就降为166 Mb/s
12.2视像数据的速率（续2）12.2.2VCD视像的压缩比，压缩比的概念，压缩比是数据压缩程度的一种度量方法，其值等于压缩前的数据大小与压缩后的数据大小之比。例如，把一幅原来为1MB的图像压缩成128KB，其压缩宿比就是1024×1024/128×1024=8:1。VCD盘要求的压缩比■使用Video-CD存储器早期的数据传输率为1.4112Mb/s，分配给电视信号的数据传输率为1.15Mb/s，这就意味着MPEG视像编码器输出的数据速率要达到1.15Mb/s，如果存储166Mb/s的数字电视信号就需要对它进行高度压缩，压缩比高达166/1.15~144:1。8/462025年10月26日第12章MPEG视像
2025年10月26日 第12章 MPEG视像 8/46 12.2 视像数据的速率(续2) ◼ 12.2.2 VCD视像的压缩比 ➢ 压缩比的概念 ◼ 压缩比是数据压缩程度的一种度量方法，其值等于压缩前 的数据大小与压缩后的数据大小之比。例如，把一幅原来 为1 MB的图像压缩成128 KB，其压缩比就是 1024×1024/128×1024 = 8∶1。 ➢ VCD盘要求的压缩比 ◼ 使用Video-CD存储器早期的数据传输率为1.4112 Mb/s，分 配给电视信号的数据传输率为1.15 Mb/s，这就意味着 MPEG视像编码器输出的数据速率要达到1.15 Mb/s ◼ 如果存储166 Mb/s的数字电视信号就需要对它进行高度压 缩，压缩比高达166/1.15 ≈ 144:1
12.2视像数据的速率(续3）NTSC和PAL的数据传输率MPEG-1视像压缩技术不能达到这样高的压缩宿比。为此首先把NTSC和PAL数字电视转换成公用中分辨率格式（CIF）的数字电视，子采样使用4:2:0或4:1:1时，这种格式就相当于家用录像系统(VHS)的质量，于是彩色数字电视的数据传输率就要减小到，352×240×30×8×1.5~30Mb/s（NTSC）352×288×25×8×1.5~30Mb/s(PAL)VCD视像的压缩宿比把这种彩色数字电视信号存储到CD盘上所需要的压缩比为30/1.15~26:1。这是MPEG-1技术能够获得的压缩比9/462025年10月26日第12章MPEG视像
2025年10月26日 第12章 MPEG视像 9/46 12.2 视像数据的速率(续3) ➢ NTSC和PAL的数据传输率 ◼ MPEG-1视像压缩技术不能达到这样高的压缩比。为此首 先把NTSC和PAL数字电视转换成公用中分辨率格式(CIF) 的数字电视，子采样使用4:2:0或4:1:1时，这种格式就相当 于家用录像系统(VHS)的质量，于是彩色数字电视的数据 传输率就要减小到， ◆ 352×240×30×8×1.5 ≈ 30 Mb/s (NTSC) ◆ 352×288×25×8×1.5 ≈ 30 Mb/s (PAL) ➢ VCD视像的压缩比 ◼ 把这种彩色数字电视信号存储到CD盘上所需要的压缩比 为30/1.15 ≈ 26:1。这是MPEG-1技术能够获得的压缩比
12.2视像数据的速率(续4)12.2.3DVD视像的压缩比>DVD盘要求的压缩比■DVD-Video存储器的数据传输率可达到10.08Mb/s以上一张4.7GB的单面单层DVD盘要存放133分钟的电视节目按照视像数据的平均数据传输率为4.1Mb/s来计算，压缩比就要求达到166/4.10=40:1NTSC和PAL的数据传输率如果视像的子采样使用4:2：0格式，每个样本的精度为8位视像数据传输率就减小到124Mb/s，即720×480×30×8×1.5=124Mb/s(NTSC）720×576×25×8×1.5=124Mb/s（PAL)，DVD视像的压缩宿比使用DVD-Vide0来存储720×480×30或720×576×25的数字视像所需要的压缩比为124/4.1~30:110/462025年10月26日第12章MPEG视像
2025年10月26日 第12章 MPEG视像 10/46 12.2 视像数据的速率(续4) ◼ 12.2.3 DVD视像的压缩比 ➢ DVD盘要求的压缩比 ◼ DVD-Video存储器的数据传输率可达到10.08 Mb/s以上， 一张4.7 GB的单面单层DVD盘要存放133分钟的电视节目， 按照视像数据的平均数据传输率为4.1 Mb/s来计算，压缩 比就要求达到166/4.10 ≈ 40:1 ➢ NTSC和PAL的数据传输率 ◼ 如果视像的子采样使用4:2:0格式，每个样本的精度为8位， 视像数据传输率就减小到124 Mb/s，即 ◆ 720×480×30×8×1.5 ≈ 124 Mb/s (NTSC) ◆ 720×576×25×8×1.5 ≈ 124 Mb/s (PAL) ➢ DVD视像的压缩比 ◼ 使用DVD-Video来存储720×480×30或720×576×25的数字 视像所需要的压缩比为124/4.1 ≈ 30:1