MPEG-2压缩编码技术原理应用(五)

MPEG-2压缩编码技术原理应用(五)

当前位置： 行业资讯 > 技术文章 > 最新技术 > 滚动技术 > 正文

[图文]MPEG-2压缩编码技术原理应用(五)

hc360慧聪网广电行业频道 2004-06-07 11:21:39

北京广播学院电视工程系 教授 郭斌

3.MPEG-2视频压缩基础

码率压缩要从视觉对象、视觉生理、视觉心理3个方

面入手，研究符合于人类视觉规律的视觉模型。由于视

觉心理是1个很复杂的问题，难以得到其规律。因此，

码率压缩只能在利用图像信号的统计特性和人类眼睛的

视觉特性的基础上来进行。

1) 利用图像信号的统计特性进行压缩

同一帧电视图像中相邻像素之间的幅度值相近，即同一行上的相邻像素之间幅值相近，相邻行之间同样位置上的像素幅值相近，体现了电视图像的空间冗余度；相邻两帧电视图像同一位置上像素幅度值相近，体现了电视图像的时间（动态）冗余度，如图14所示。另外，每个像素所用bits数的多少表示了比特结构，多用的比特数为冗余量，体现了静态（比特结构）冗余度。

MPEG-2压缩编码技术原理应用(五)

因此，为了清楚地了解空间冗余度、时间冗余度和静态冗余度三者之间的关系，可以通过图15所示的电视图像信息的三维表示来说明。需要指出的是采用运动补偿（MC）去除时间冗余度要进行160亿次的算术运算；采用离散余弦变换（DCT）和游程长度编码（RLC）去除空间冗余度要进行20亿次的算术运算；采用可变长度编码（VLC）去除静态（比特结构）冗余度要象“Morse Code”那样进行比特匹配。MPEG压

缩算法如图16所示。为了减少计算量，最佳算法的探讨及其标准化是很重要的。

MPEG-2压缩编码技术原理应用(五)

2) 利用人眼的视觉特性进行压缩

人眼对构成图像的不同频率成分、物体的不同运动程度等具有不同的敏感度，这是由人眼的视觉特性所决定的，如人的眼睛含有对亮度敏感的柱状细胞1.8亿个，含有对色彩敏感的椎状细胞0.08亿个，由于柱状细胞的数量远大于椎状细胞，所以眼睛对亮度的敏感程度要大于对色彩的敏感程度。据此，可控制图像适合于人眼的视觉特性，从而达到压缩图像数据量的目的。例如，人眼对低频信号的敏感程度大于对高频信号的敏感程度，可用较少的bit数来表示高频信号；人眼对静态物体的敏感程度大于对动态物体的敏感程度，可减少表示动态物体的bit数；人眼对亮度信号的敏感程度大于对色度信号的敏感程度，可在行、帧方向缩减表示色度信号的bit数；人眼对图像中心信息的敏感程度大于对图像边缘信息的敏感程度，可对边缘信息少分配bit数；人眼对图像水平向及垂直向信息敏感于倾斜向信息，可减少表示倾斜向信息高频成分的bit数等。在实际工作中，由于眼睛对亮度、色度敏感程度不一样，故可将其分开处理。

为此，将单元分量RGB改变为YUV(或YCrCb)全分量。在编码时强调亮度信息，可去掉一些色度信息，如4:4:4变为4:2:2，码率由270Mbps降低到180Mbps。

由上述可见，电视系统存在着冗余信息，在传输图像信息之前，只要将这些冗余信息去除，就可以实现适度的压缩。由于去除这些冗余信息对图像质量无影响，故称其为“无损压缩”。如，从视频信号中去除同步信息。无损压缩的压缩比不高，压缩能力有限。为了提高压缩比，MPEG标准采用了对图像质量有损伤的“有损压缩”技术。

4. MPEG-2视频编码方式

为了提高压缩比及图像质量，MPEG-2视频编码采用运动补偿预测（时间预测+内插）消除时间冗余和不随时间变化的图像细节；采用二维DCT（图像像素+量化传输系数）分解相邻像素，消除观众不可见、不重要的图像细节；采用熵值编码（已量化参数+编码参数的熵），使bit数减少到理论上的最小值。对以上3种压缩技术，作如下说明：

1）运动补偿预测

MPEG-2压缩编码技术原理应用(五)

[图文]MPEG-2压缩编码技术原理应用(五)_滚动技术_最新技术_技术文章_行业资讯_hc360慧聪网广电行业频道

MPEG-2压缩编码技术原理应用(五)

[图文]MPEG-2压缩编码技术原理应用(五)_滚动技术_最新技术_技术文章_行业资讯_hc360慧聪网广电行业频道

式（1）表明要匹配的宏块已经匹配，并得到水平及垂直位移为（k , l）的运动矢量的运动数据。通过匹配不仅将传输的差值减到最小，而且补偿了匹配对象在图像中的位移，这就是运动补偿。为了改善预测效果，可以采用场预测。由于在电视图像连续帧之间有较大程度的共同性，即时间冗余度，多数图像之间差值极小，尤其是在大多数时间传输小范围内的值时，采用运动补偿预测可使码率明显降低。在接收端的解码器中以同样的运动补偿预测重现预测值，重现预测值加上差值就得到像素的原幅值。图 19是基本MPEG视频编码器框图，图中虚线左边为运动补偿预测编码所需要的基本功能器件。其中固定存储器存储n-1帧的复原数据，将其与n帧数据一同送入运动补偿参数估值器，估值后就可以得到运动矢量的数据。用运动矢量数据和n-1帧的复原数据去控制用于块匹配的可变存储器，将n帧的当前像素值预测出来。这里，预测是按帧差仅有1帧进行的，实际上MPEG-1和MPEG-2可以当前帧之前若干帧的某一帧为基准进行预测。值就得到像素的原幅值。图 19是基本MPEG视频编码器框图，图中虚线左边为运动补偿预测编码所需要的基本功能器件。其中固定存储器存储n-1帧的复原数据，将其与n帧数据一同送入运动补偿参数估值器，估值后就可以得到运动矢量的数据。用运动矢量数据和n-1帧的复原数据去控制用于块匹配的可变存储器，将n帧的当前像素值预测出来。这里，预测是按帧差仅有1帧进行的，实际上MPEG-1和MPEG-2可以当前帧之前

若干帧的某一帧为基准进行预测。

需要说明的是：MPEG定义了基于帧、基于场及双场的图像预测，也定义了16×8的运动补偿。

MPEG-2压缩编码技术原理应用(五)

[图文]MPEG-2压缩编码技术原理应用(五)_滚动技术_最新技术_技术文章_行业资讯_hc360慧聪网广电行业频道

MPEG-2压缩编码技术原理应用(五)

[图文]MPEG-2压缩编码技术原理应用(五)_滚动技术_最新技术_技术文章_行业资讯_hc360慧聪网广电行业频道