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MPEG4编码方法详解
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2007-11-10
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详细介绍MPEG4编码方法的资料,对于理解MPEG4编码非常有用,供初级和中级技术人员做参考
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第9章 MPEG编码方法
在第6章中已经介绍了视频的数字化和MPEG与H系列的国际编码标准。本章将具体介
绍MPEG-1/2和MPEG-4的视频压缩算法,以及它们的伴音编码方法。
9.1 MPEG-1&2的视频压缩算法
MPEG-1和MPEG-2采用的是相同的视频压缩方法,帧内采用的是JPEG静态图像编码
帧间则采用运动补偿算法。
9.1.1 简介
可以利用视频数据所存在的各种冗余,来对其进行压缩。视频本身在时间上和空间上
都含有许多冗余信息,图像自身的构造也有冗余性。此外,利用人的视觉特性也可对图像
进行压缩,这叫做视觉冗余。 参见表9-1。
表9-1 视频压缩可利用的各种冗余信息
种类 内容 目前用的主要方法
统计
特性
空间冗余 像素间的相关性 变换编码,预测编码
时间冗余 时间方向上的相关性 帧间预测,移动补偿
图像构造冗余 图像本身的构造 轮廓编码,区域分割
知识冗余 收发两端对事物的共有认识 基于知识的编码
视觉冗余 人的视觉特性 非线性量化,位分配
其他 不确定性因素
MPEG-1/2的视频压缩所采用的技术有两种:① 在空间上(帧内),图像数据压缩采
用JPEG压缩算法来去掉冗余信息。② 在时间方向上(帧间),视频数据压缩采用运动补
偿(motion compensation)算法来去掉冗余信息。
为了在保证图像质量基本不降低的同时,又能够获得高的压缩比,MPEG专家组为视
频的帧系列定义了三种图像:帧内图像I(Intra),预测图像P(Predicted)和双向插值图
像B(Bidirectionally interpolated),它们典型的排列如图9-1所示。在MPEG-1/2的视频编
码中,对这三种图像将分别采用了三种不同的算法来进行压缩。
多媒体技术与应用教程
图9-1 MPEG定义的三种视频图像
9.1.2 I帧压缩算法
帧内图像I的解码,不需要参照任何过去的或后来的其他图像帧,其压缩编码采用类
似JPEG压缩算法,它的框图如图9-2所示。如果视频是用RGB空间表示的,则首先要把它
转换成YCrCb空间表示的图像。每个图像平面分成8×8的图块,对每个图块进行离散余弦
变换DCT。DCT变换后经过量化的交流分量系数按照Z字形排序,然后再使用无损压缩技
术进行编码。DCT变换后经过量化的直流分量系数用差分脉冲编码DPCM,交流分量系数
用行程长度编码RLE,然后再用霍夫曼或算术编码。
图9-2 帧内图像I的压缩编码算法框图
9.1.3 P帧压缩算法
MPEG视频编码,对P帧图像采用的是,以宏块为单位的前向预测压缩算法。
1.算法概述
预测图像的编码是以图像宏块(macroblock)为基本编码单元,一个宏块定义为I×J像素
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第 9 章 MPEG 编码方法
的图像块,一般取为16×16。预测图像P用两种类型的参数来表示:一种是当前要编码的图
像宏块与参考图像的宏块之间的差值,另一种是宏块的移动矢量(motion vector运动向
量)。移动矢量的概念可用图9-3表示。
图9-3 移动矢量的概念
假设编码图像宏块M
PI
是参考图像宏块M
RJ
的最佳匹配块,它们的差值就是这两个宏块
中相应像素值之差。对所求得的差值进行彩色空间转换,并作4:1:1的子采样得到Y,Cr和
Cb分量值,然后仿照JPEG压缩算法对差值进行编码(对计算出的移动矢量也要进行霍夫
曼编码)。求解图像宏块差值的方法如图9-4所示。
图9-4 预测图像P的压缩编码算法框图
求解移动矢量的方法见图9-5。在求两个宏块差值之前,需要找出编码图像中的预测
图像编码宏块M
PI
相对于参考图像中的参考宏块M
RJ
所移动的距离和方向,这就是移动矢量
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多媒体技术与应用教程
图9-5 移动矢量的算法框图
要使预测图像更精确,就要求找到与参考宏块M
RJ
最佳匹配的预测图像编码宏块
M
P I
。 所 谓最 佳 匹 配 是 指这 两个 宏 块 之 间 的 差 值 最 小 。 通 常 以绝 对 值 A E ( a b s o l u t e
difference)最小作为匹配判据:
有些学者提出了以均方误差MSE(mean-square error)最小作为匹配判据:
也 有 些 学 者 提 出 以 平 均 绝 对 帧 差 M A D ( m e a n o f t h e a b s o l u t e f r a m e d i f f e r e n c e )
最小作为匹配判据:
其中,d
x
和d
y
分别是参考宏块M
RJ
的移动矢量d (d
x
, d
y
)在X和Y方向上的矢量。
从以上分析可知,对预测图像的编码,实际上就是寻找最佳匹配图像宏块,找到最佳
宏块之后就找到了(最佳)移动矢量d (d
x
, d
y
),从而可进一步计算出对应图像宏块的差值
参数。
2.最佳宏块搜索法
为减少寻找最佳匹配宏块的搜索次数,已经开发出了许多简化算法用来加快搜索过程
注意,编码时采用哪种具体的搜索方法,不会影响到解码过程,而只会影响编码时的速度
和解码后的图像质量。
下面介绍三种常用的最佳宏块搜索法。
二维对数搜索法
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第 9 章 MPEG 编码方法
二维对数搜索法(2D-logarithmic search)采用的匹配判据是MSE为最小,它的搜索策略
是沿着最小失真方向搜索。具体搜索方法如图9-6所示,图中的标有数字i的小方框表示第
i步的搜索点、箭头表示搜索移动的方向和大小。
图9-6 二维对数搜索法
在搜索时,每移动一次就检查上下左右和中央这5个搜索点。如果最小失真在中央或
在图像边界,就减少搜索点之间的距离。在这个例子中,步骤1,2,…,5得到的近似移
动矢量d为(i,j-2)、(i,j-4)、(i+2,j-4)、(i+2,j-6)和(i+2,j-6),最后得到的移动矢量为
d(i+2,j-6)。
三步搜索法
三步搜索法(three-step search)与二维对数搜索法很接近。不过在开始搜索时,搜索点
离(i,j)这个中心点有3个像素远,每一步测试周围的8个搜索点,然后减小搜索点的距离,
三步完成,如图9-7所示。在这个例子中,点(i+3,j-3)作为第一个近似的移动矢量;第二
步,搜索点在(i+3,j-3)附近,找到的点假定为(i+3,j-5);第三步给出了最后的移动矢量为
d(i+2,j-6)。本例采用MAD作为匹配判据。
图9-7 三步搜索法
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资源评论
- 王龙18892013-06-14方便自己在不懂的时候 翻阅 不错
- 青天喵喵2017-12-28很好很强大
- 李向荣2011-10-09可以备用,需要的时候可以查阅。
- kerner_zhang2015-03-14看过,可以补充MPEG4知识
lucaskey
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