运动补偿模块是以输入的整像素的运动矢量为基础,进行半像素的运动估计,并得到相应的平均绝对差值(AMD)。以MAD为标准进行运动补偿方式的选择,选定运动补偿方式后以宏块为单位进行运动补偿,并将选定的运动补偿方式、运行矢量、补偿后的图像差值信号送到后面的混合编码模块。
混合编码模块的作用,除对输入补偿后的图像数据、运动矢量、同步信号及其他格式和控制信号等做DCT处理并进行量化外,还将得到的系数做逆量化和IDCT处理,将重建数据存入帧存中。得到的系数还要进行激程编码,然后进行HufFMan编码,得到的数据与其他控制住处形成MPEG-2码流向后一级输出。
在以十字划分方案的高清晰度电视视频编码器的基础上,由四路MPEG-2MP@ML码流到一路MPEG-2MP@High1440码流的合成技术是十分关键的。要符合MPEG-2标准的码流,就必须保留或修改四路码流的信头信息,合并slice层的数据。
为便于slice的合成,将一个SDTV标准清晰度画面(有效像素720×576)的子画面划分为36个slice,这样最后合成的1440×1152大小的HDTV画面将含36×4=144个slice,每行两个slice。
如果用1、2、3、4分别表示图1-4中的左上、右上、左下、右下位置的子编码器,则在一帧时间内,应首先依次读取子编码器1、2、3、4输出的码流中slice层以上的信头信息,修改子码流中的信头数据,使之成为MP@High1440码流的信头数据,然后输出到HDTV级的传输缓存中,而丢弃码流1、2、3中的这些信头信息。接着依次将码流1和码流2在同一垂直位置上的slice层数据进行拼接输出,直到读完和拼接完码流1和码流2中的一帧码字。然后对码流3和码流4进行拼接,直到完成一个HDTV帧的码流拼接。如此特环,周而复始。
在十字划分方案的高清晰度电视视频编码中,由于采用了SDTV专用视频编码器,所以在HDTV画面的十字边界不能作过界的运动补偿(MC),否则会造成十字边界处宏声的预测误差增大,从而有可能引起十字边界附近宏块重建质量下降,造成十字交叉处图像质量不易被接受。在高清晰度电视功能样机的研究中,四个视频子编码器采用的是IBM公司的MPEG-2专用视频压缩编码芯片,由于受到专用芯片本身的限制,量化级Q的控制无法做到宏块级,所以目前只能在GOP一级进行码率分配,通过保持解码后重建子图间图像质量的均衡,尽可能地减少由十字划分所带来的可能出现的十字叉效应,即十字边界处图像质量的损失。
3.图像压缩码的国际标准
近几年来,随着超大规模集成电路的不断发展,多媒体技术逐渐深入到人们的生活中,并引起越来越多的关注。多媒体的各项应用都离不开高效的图像压缩算法。在视频领域,也正在进行从模拟到数字的转换,从VCD、DVD到HDTV。视频数字化后,由于其数据量很大,不适合存储和实时传输,所以要对其进行压缩编码。为了使图像压缩编码有一个国际标准,ITU和ISO从80年代末期开始了图像压缩的标准化工作,并相继制定了H.261,H.263,MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4,JPEG等若干标准,基本上适应了中高码率信道上图像存储、传输的要求。这一系列国际标准的推出极大地促进了视频压缩编码实时实现技术的研究和发展,最终使数字视频技术进入了实用阶段。
(1)H.261编码标准:H.261是一种高集成度全数字化视频编解标准,于1990年7月由可视电话编码专家组提出,建议为ITU-TH.261,全称为“Video codec for audiovisual servicesat 64-1920kbps”。它具有覆盖整个ISDN(综合业务数字网)基群信道的功能,适合于有会话业务的活动图像压缩编码,广泛应用于会议电视睡可视电话。它是1948年以来电视图像压缩编码领域40年研究的结晶,其基础和核心是混合编码技术,即带有运动补偿的帧间预测编码+变换编码+量化+可变长编码。其视频压缩编码算未能原理如图1-7所示。
H.261建议要求输入CIF或QCIF格式的图像,CIF格式的空间分辨率为352像素×288行,QCIF格式的空间分辨率为176像素×144行。
H.261建议采用层次化数据结构,将图像数据划分为四个层次:图像层(P)、块组层(GOB)、宏块层(MB)和块层(BIOCK)。
H.261建议的参考模型8(RM8)提出了传输缓存器占有率与反馈的量化系数之间的线性关系描述,并据此来控制传输缓存器输入码流的速率,即传输缓存器由空到满时,量化系数线性地由小变大。但是,由于其采用线性的方法控制一个非线性动态的视频编码器传输缓存器,至使传输缓存器无法工作在最佳状态。这是H.261建议的一个主要缺陷。
目前,基于H.261的数字视频编码系统VP/H261已经研制成功。它可以在线切换CIF和QCIF图像格式、在线切换传输码率。在CIF图像格式下,传输码率不低于384kbps时,能以25帧/s的帧率实时编解码活动图像,图像质量令人满意;在QCIF图像格式下,传输码率不低于128kbps时,能以25帧/s的帧率实时编解码活动图像,图像质量较姨;传输码率为64kbps时,能以8-15帧/s的帧率实时编解码活动图像。
(2)H.263编码标准:H.263是一种极低码率窄带电信信道视频编码建议。它是由国际电信联盟标准组(ITU-T)于1995年提出的关于码率低于64kbps的窄带电信信道视频编码标准草案,并于1996年进一步得到完善。
H.263 是已有图像压缩标准的总结和提高,它的压缩算法采取的是基于波形编码的技术,即DCT/MPC的混合编码技术,基本上是H.261的扩展与改进。
H.263信源编码器处理的是逐行扫描、帧频为29.97Hz的活动图像,帧频容限为±5×10-5.图像信号分成亮度分量和两个色差分量(Y,U和V)编码,色信号格式为Y:U:V=4:2:0。
H.263采用的图像格式共有5种:
1.CIF图像格式:亮度分量,像素数/行为352,行数/帧为288;色度分量,像素数/行为176,行数/帧为144;
2.QCIF图像格式:亮度分量,像素数/行为176,行数/帧为144;色度分量,像素数/行为88,行数/帧为72。
3.SUb-QCIF图像格式:亮度分量,像素数/行为128,行数/帧为96;色度分量,像素数/行为64,行数/帧为48。
4.4CIF图像格式:亮度分量,像素数/行为704,行数/帧为576;色度分量,像素数/行数352,行数/帧为288。
5.16CIF图像格式:亮度分量,像素数/行为1408,行数/帧为1152;色度分量,像素数/行为704,行数/帧为576。
在这5种格式中,每行的像素数与525行或625行信源的亮度和色差信号行下程部分分别以6.75MHz和3。375Mhz取样时的样点数兼容。其画面的幅形比均为4:3。
在H.263规定中,所有的解码器必须能工作在QCIF和SUb-QCIF两种格式,而编码器必须能工作在QCIF和SUb-QCIF两者之中的一种格式。
H.263标准中规定视频信源编码原理,主要由运动补偿预测、离散余弦变换、量化、熵编码和编码控制几部分组成。如图1-8所示。
被编码的每一帧图像划分成很多宏块,一个宏块包含了4个亮度块和两个空间上相应的色差块。每个亮度块或色差块相当于8像素×8行的Y、CB和CRO在QCIF格式中,一帧图像99个宏块,宏块的编号按逐行水平扫描顺序排列。数据传输时,按编号逐个宏块输出。
H.263的视频编码流是十分复杂的,它由图像、块组、宏块、块共四层从高到低分层构成。
(3)JPEG编码标准:JPEG标准,即ISO/IEC1091-1标准。它是对静态图像制订的,但也可用于对连续运动图像进行压缩,压缩时将连续图像的每一个帧视为一幅静止图像进行压缩,若压缩器/解压器速度足够快,还可以实时处理视频信号,构成以JPEG为基础 的实时视频存储/回放系统。
JPEG标准压缩后的视频图像数据量大大减小,对同样的硬盘可以存储更长时间图像,因而在现代数字视频编辑、处理中大量运用了该种编码标准。在因特网上只允许用两种图像格式,JPEG就是其中之一。
JPEG标准提供了4种压缩算法:
1.基线有损压压缩算法。该种算法在DCT离散弦变换的基础上建立的。其压缩运算过程是:
a.以8×8像素块为单位,对图像数据进行离散余弦变换,将数据转换到频率域,得到64个DCT矩阵。
b.对DCT系统进行排序、量化,使数据得到第一次压缩。
c.采用了可变长编码技术,对量化后的DCT系数进行编码。其特点是,对出现概率最的码字分配以较短的码长,对出现概率低的码字分配以长的码长,这样编码后的数据将大大少于编码前的数据,从而达到数据压缩的目的。
2.扩展有损压缩算法,
3.无损压缩算法。
4.分层压缩算法。
JPEG标准可以用于对不同像素结构、不同色度空间、不同扫描方式图像进行压缩,但在不同应用领域对图像压缩的要求也不同,采用的量化表及可长编码技术也不同。为了便于在不同系统间压缩数据文件的交换处理,JPEG标准中定义了几种标记段及相应标记。如在JPEG基线系统中定义的一些标记为:
1.图像开始标记SOI,它主要用于表示JPEG数据文件的开始,是JPEG文件的第一个标记,也是JPEG文件的第一个字。SOI只有标记没有段体。
2.帧开始段SOFO,它主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的量化表及其块数。
3.扫描开始段SOS,它也主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的可长编码技术。
4.图像结束标记EOI,它紧随压缩数据
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