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首页H.264-AVC:新一代视频压缩编码标准详解
《新一代视频压缩编码标准——H.264/AVC毕厚杰主编》是一本专著,针对数字视频技术在通信和广播领域日益重要的应用场景进行深入探讨。自1984年CCITT发布首个视频编码国际标准以来,国际标准化组织如ITU-T已经推出了多个标准,如H.263和MPEG-4,但直到2003年H.264标准的公布,因其卓越的性能和高效率,被誉为视频编码领域的革新之作。H.264相较于之前的编码标准,能在同等画质下显著降低数据速率,或者在相同码率下提升信噪比,极大地推动了视频通信和数字电视广播的发展。 本书内容丰富,结构严谨,分为九章。第一章至第五章概述了数字视频和视频编码的基础知识,包括视频信息的特性以及编码的重要性,为后续学习H.264做好了理论准备。第六至第九章是核心内容,详细解析了H.264的特点、编码器和解码器的工作原理,以及编码解码的具体实现。其中,第七章深入剖析了H.264码流的语法和语义,帮助读者理解编码和解码的底层逻辑。 书中还特别关注了H.264在实际应用中的QoS(服务质量)问题,这对于理解视频编码的优化和传输中的挑战至关重要。本书定位为通信、广播电视专业高校本科教材,适合本科生、研究生以及视频技术领域的专业人士深入研究,无论是理论学习还是实践经验,都能从中受益匪浅。通过阅读这本书,读者不仅能掌握H.264技术,还能了解到视频压缩编码领域的最新进展和未来趋势。
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数为 200÷0.75≈260,约为模拟电视的 11 倍!
2.1.2 数字电视的 PCM 原理
将输入的模拟电视信号变成输出的数字电视信号需经过取样、量化、编码三个步骤,如图 2.2
所示,由 A/D 变换器完成这三个步骤。
图 2.2 PCM 原理
2.1.2.1 取样
所谓取样,就是在时间轴上把连续变化的模拟信号变为离散量的过程。图 2.3(a)的 u
a
(t)在
时间上是连续变化的,经取样后变换成图 2.3(c)的时间上离散的 u
d
(t)信号。
图 2.3 取样过程
根据取样定理:当输入的模拟信号上限频率为 f
c
,只要取样脉冲 u
s
(t)的重复频率 f
s
不低于 f
c
的两倍,总可以无失真地由取样后的离散信号恢复出原来的模拟信号,即不失真输出条件为:
f
s
≥2f
c
(2.1)
u
d
通过下式实现:
u
d
=u
a
×u
s
(2.2)
图 2.3(e)、(f)分别是 u
a
(t)和 u
s
(t)的频谱 F
a
(f)、F
s
(f)。于是图 2.3(c)u
d
(t)的频谱,
即图 2.3(g)的 F
d
(f),可由 F
a
(f)和 F
s
(f)卷积得到:
F
d
(f)=F
a
(f)*F
s
(f) (2.3)
由图 2.3(g)可知,当 2f
c
≤f
s
或满足取样定理时,则可恢复出原始的模拟信号,否则会发生频谱
重叠,即所谓的混叠效应,无法恢复出原始信号。
由于实际的低通滤波器(限制模拟信号的上限频率 f
c
)滤波特性不可能做成理想的陡峭的截止
特性,当低通滤波器的截止频率为 f
c
时,实际的取样频率 f
s
应取成:
f
s
=(2.2~2.5) f
c
(2.4)
对于电视信号,经分析可知其信号能量主要集中在行频 f
h
及其多次谐波 n f
h
附近。而在 f=(2n+1)
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f
h
/2 附近,信号能量很弱。当取样频率 f
s
取下式:
f
s
=(2n+1) f
h
/2 (2.5)
f
s
<2f
c
,即所谓的亚取样时,发生频谱混叠,但频谱以 f
h
/2 的间隔交错开,因此仍可通过设计得
当的梳状滤波器将所需信号的频谱分离出来。
这种亚取样可显著压缩数字电视的数字码率。
图 2.4 视频信号亚取样的频谱混叠
2.1.2.2 量化
取样后的脉冲信号在时间上是离散的,但在幅值上空间上仍是连续的,即其可能取的值有无限
多个,这就需要对它采用四舍五入的方法,将其可能的幅值数由无限多个变为有限个值。这种将信
号幅值由连续量变成离散量的过程称为量化。
图 2.5 为信号的量化过程。量化器的输入输出特性(图 2.5 (a))具有阶梯形状,图 2.5 (b) 为输
入模拟信号,图 2.5 (c)为其相应的量化后的输出信号。由于采取四舍五入的方法,输出信号不同于
原模拟信号,产生了失真,即所谓的“量化噪声”。
如果模拟信号的动态范围(最大值)为 A,量化级数为 M,量化节距或量化步长为 Q,则
M=A/Q (2.6)
这种量化称为均匀量化,量化节距为恒定值 Q。
2.1.2.3 PCM 编码
对于量化后的信号,通常用“0”和“1”表示,即用二进制码表示。这时的编码称为脉冲编码调制
——PCM 编码。模拟电视信号经取样、量化、编码(PCM 编码)后得到的二进制序列,即数字电
视信号。
每个取样信号用 8 位二进制码表示,可能取的量化值为 M=2
8
=256。一般讲,当用 n 位二进制
码表示时,有
M=2
n
(2.7)
n愈大,则 M 愈大,Q 愈小,即量化噪声愈小,数字信号愈接近模拟信号。
2.1.2.4 A/D 与 D/A 变换
上述取样、量化、编码过程均由 A/D 变换器完成。反之,数字信号的解码、反量化、恢复成模
拟信号的逆过程则由 D/A 变换器完成,见图 2.5 所示。
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87926415/bg12.jpg)
图 2.5 D-A 变换
2.2 数字电视信号
2.2.1 电视信号的时间和空间取样
2.2.1.1 时间取样
电视信号的取样有两种:空间取样和时间取样。运动图像可由每秒若干帧静止图像构成,我国
采用的 PAL 制彩色电视规定每秒 25 帧,美日等采用的 NTSC 制彩色电视则为每秒 30 帧。这种取样
方式即时间取样。如果是会议电视、可视电话等运动量不大的视频信号,帧频也可取 15~20 帧/秒,
但低于 15 帧/秒的视频质量不高。
图 2.6 帧、场结构
隔行扫描帧图像由两场组成,每场由若干行组成,奇数行和偶数行各构成一场,它们分别为顶
场和底场,如图 2.6 所示。帧场的邻近行相关性并不相同。帧的邻近行空间相关性强,时间相关性
弱,因为某行的邻近行(下一行)要一场扫描完才能被扫描,在压缩静止图像或运动量不大的图像
时采用帧编码方式。场的邻近行时间相关性强,空间相关性差,因为场的一行扫描完毕,接着对场
中下一行扫描。因此对运动量大的图像常采用场编码方式。实际的视频图像有快有慢,有粗有细,
应根据这个标准自适应选择帧/场编码方式。
2.2.1.2 空间取样
在同一电视信号帧中,同一行由若干取样点构成,这些取样点称为像素,这种取样就属于空间
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87926415/bg13.jpg)
取样。其前提是假定一帧图像是静止的,每个像素点处于同一时刻及不同的空间位置上。
例如国际上标准电视格式为 720×576 像素,即每帧由 576 行,每行由 720 个像素构成;美国的
GA 制规定了两种扫描格式,即 720×1280 像素和 1080×1920 像素。
现存在三种彩色电视制式,不同的国家采用不同的制式,为了实现国际上的不同彩色电视制式
国家之间视频通信,往往采用一种中间公共格式(CIF),如表 2.1 所示。
表 2.1 视频帧格式
格式 亮度清晰度
亚 QCIF 96×128
QCIF 144×176
CIF 288×352
4CIF 576×720
2.2.2 彩色空间
黑白图像的每个像素只需一个幅值表示其亮度即可;而彩色图像的每个像素至少需要 3 个值表
示表示其亮度和色度。所谓色度空间即表示彩色图像的亮度与色度的方法。
2.2.2.1 RGB
众所周知,任何彩色图像可由不同比例的红色、绿色和蓝色组合而成,即三基色原理。这种表
示彩色图像的方法即 RGB 彩色空间。
彩色显象管(CRT)和液晶显示器件(LCD)可显示彩色图像,彩色摄像机中的电荷耦合器件
(CCD)等传感器可产生彩色电视图像,都是根据 RGB 原理获得的。
2.2.2.2 YC
b
C
r
(YUV)
人类视觉系统(HDV)对亮度比彩色更敏感,因此可以把亮度信息从彩色信息分离处来,并使
之具有更高的清晰度,彩色信息的清晰度较低些,可显著压缩带宽,实现视频压缩的一部分,人的
感觉却没有不同。
如果亮度分量用 Y 表示,色度用 Cb,Cr 表示,则由大量实验得出:
Y=0.299R+0587G+0.114B
Cb=0564(B-Y)
Cr=0.713(R-Y) (2.8)
反之,可由下式得到相应的 R、G、B:
R=Y+1.402Cr
G=Y-0.344Cb-0.714Cr
B=Y+1.772Cb (2.9)
2.2.3 彩色电视取样格式
有三种不同的彩色电视取样格式,如图 2.7 所示。
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87926415/bg14.jpg)
图 2.7 彩色电视取样格式(逐行)
(1)4:4:4,Y,Cb 和 Cr 具有同样的水平和垂直清晰度,在每一像素位置,都有 Y,Cb 和 Cr
分量,即不论水平方向还是垂直方向,每 4 个亮度像素相应的有 4 个 Cb 和 4 个 Cr 色度像素。
(2)4:2:2,这时彩色分量和亮度分量具有同样的垂直清晰度,但水平清晰度彩色分量是亮度分
量的一半。水平方向上,每 4 个亮度像素具有 2 个 Cb 和 2 个 Cr。在 CCIR601 标准中,这是分量彩
色电视的标准格式。
(3)4:2:0,在水平和垂直清晰度方面,Cb 和 Cr 都是 Y 的一半。这个名词是历史上一直称呼
的,似乎不合乎逻辑。
4:2:0 的彩电取样格式广泛应用于数字电视、会议电视、DVD 等。因为三种格式中,4:2:0 的彩
色分量最少,对人彩色感觉而言与其它两种类似,最适合数字压缩。
2.2.4 数字电视信号的编码参数
现在介绍电视信号的量化值和取样频率值,即未压缩前数字信号的编码参数。
2.2.4.1 量化值 Qp
量化值(量化节距)取得太大,视频图像显得粗糙;取得太小,视频图像质量好,但带宽浪费
过大。一般认为,每个取样值采用 8 个比特表示,即 256 个灰度级,是比较合理的。在会议电视的
视频通信中,随着网络带宽的变化,Qp 可进行自动调整。
2.2.4.2 取样频率
CCIR601 建议的电视国际标准为:对每幅画面 625/50(625 行,每秒 50 场)的电视系统和 525/60
(525 行,每秒 60 场)的电视系统取样频率都为:
f
s
=13.5MHz (亮度信号,即 Y 信号)
f
s
=6.75MHz (色差信号,即 Cb、Cr 信号)
彩色电视采用 4:2:2 格式时(垂直方向 Cb、Cr 和 Y 具有同等清晰度,水平方向 Cb、Cr 只是 Y
一半),Y 和 Cb、Cr 取样频率如上,则电视信号总数码率为:
13.5×8+2×6.75×8=216Mbps
当会议电视采用 CIF 格式时,帧频为 25 帧/秒,总码率为:
352×288×25×8=20.28Mbps
对于高级窄屏幕的 HDTV(1250×1440),取 4:2:0 格式,亮度 f
s
=54MHz,色度 f
s
=27MHz,总
码率为:
54×8+27×8÷4=486Mbps
对于高级宽屏幕的 HDTV(1250×1920),取 4:2:0 格式,亮度 f
s
=72MHz,色度 f
s
=36MHz,总
码率为:
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