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- 鹤 姜
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1 多媒体技术 第三章多媒体数据压缩 3.4 视频数据的压缩标准
2 上节内容回顾 矢量量化 / 词典编码 / 伪彩色 空间 / 时间 / 视觉 / 知识 / 结构 / 熵冗余 DFT/DCT/DST/MDCT/STFT/Wavelet BMP/GIF/PNG/JPEG/JP2 JPEG 编码基本过程 Sampling/DCT/ quantization /DPCM/ZigZag/RLE/Huffman JPEG 编码中哪些算法有损 无损? 2
3 授课内容 第一部分多媒体的计算 第一章多媒体计算机系统 第二章媒体处理技术 第三章多媒体数据压缩 第二部分多媒体的存储 第四章多媒体数据的数字存储 第三部分多媒体信息的分析与处理 第五章多媒体信息分析与处理 第四部分多媒体网络应用 第六章实时多媒体通信 3
4 第三章多媒体数据压缩 3.1 无损数据压缩 3.2 音频数据的压缩标准 3.3 图像数据的压缩标准 3.4 视频数据的压缩标准 视频编解码简介 MPEG1 和 MPEG2 视频压缩 MPEG4 视频压缩 H H.265(HEVC) 4
5 视频编解码器 是指一个能够对数字视频进行压缩或者解压缩的程序或者设备 通常这种压缩属于有损数据压缩 历史上视频是以模拟形式存储在磁带上的 随着 CD 的出现, 音频信号以数字化方式进行存储, 视频信号也开始使用数字化格式 一个典型的数字视频编解码器的第一步是将从摄像机输入的视频从 RGB 色度空间转换到 YCbCr 色度空间, 而且通常还伴有色度抽样来生成 4:2:0 格式的视频 ( 有时候在隔行扫描的情况下会采用 4:2:2 的抽样方式 ) 5
6 视频编码器原理 JPEG e.g., DCT: spatial frequency common code words shorter symbols Huffman, arithmetic coding Frames of Digital Video Motion Estimation & Compensation Transform, Quantization, Zig- Zag Scan & Run- Length Encoding Symbol Encoder Bit Stream predict current frame from previous Quantization changes representation size for each symbol adjust rate/quality trade-off Run-length encoding: long runs of zeros run-length symbol MPEG, H.26x 6
7 History of video codecs 图像 JPEG, 1992 JPEG-LS(1998) JPEG 2000, 2000 JPEG XR, 2009 视频 H.261, 1988 MPEG-1, 1993 MPEG-2/H.262, 1996 H.263, 1996 MPEG-4, 1999 MPEG-4 AVC/H.264, 2003 HEVC, 2013 年 4 月 13 号 China AVS,
8 History of video codecs JPEG (Joint Photographic Expert Group, 1986) Joint committee between ISO/IEC JTC1 and ITU-T ISO/IEC Joint Technical Committee 1, Subcommittee 29, Working Group 1 (ISO/IEC JTC 1/SC 29/WG 1) - Coding of still pictures. MPEG (Moving Pictures Experts, 1988) ISO/IEC JTC1/SC29 WG11 Coding of moving pictures and audio (ISO/IEC Joint Technical Committee 1, Subcommittee 29, Working Group 11). JVT (Joint Video Team, 2001) Joint project between ITU-T SG16/Q.6 (Study Group 16 / Question 6) VCEG (Video Coding Experts Group) and ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 MPEG. JCT-VC (Joint Collaborative Team on Video Coding, 2010) A group of video coding experts from ITU-T Study Group 16 (VCEG) and ISO/IEC JTC 1/SC 29/WG 11 (MPEG) It was created to develop High Efficiency Video Coding. 8
9 History of video codecs ISO ITU-T H.261 H.263 H.263+ H H.263L H.262 H.264 MPEG 2 MPEG 4 MPEG 1 MPEG
10 History of video codecs Compression Ratio MPEG-4 AVC/ 03 MPEG-4/ 99 MPEG-2/ 95 HEVC/ MPEG-1/ Computation Intensity 10
11 经典视频编解码器区别 H.261 是第一个使用的数字视频压缩标准, 之后的所有的标准视频编解码器都是基于它设计的 MPEG-1 part2 主要使用在 VCD 上 比起 H.261 标准, MPEG-1 增加了对半像素运动补偿和双向运动预测帧 MPEG-2 part2 等同于 H.262, 比起 MPEG-1,MPEG-2 最大的改进在于增加了对隔行扫描视频的支持 H.263 主要用在视频会议 视频电话和网络视频上 性能上有了较大的提升 尤其是在低码率端 MPEG-4 part2 标准比起 MPEG-2 和第一版的 H.263, 它的压缩性能有所提高 引入 Object-oriented 的编码方法和一些提高压缩能力的技术, 包括一些 H.263 的技术和 1/4 像素的运动补偿 MPEG-4 part10 和 ITU-T H.264 是相同的标准, 有时候也被叫做 AVC 11
12 其他主流编解码器 DivX,XviD 和 3ivx 使用的都是 MPEG-4 part2 (*.avi, *.mp4, *.ogm, *.mkv ) WMV(Windows Media Video) 是微软公司的视频编解码器家族 WMV 可以被看作是 MPEG- 4 的一个增强版本 RealVideo 是由 RealNetworks 公司开发的视频编解码器 Sorenson 3 是由苹果公司的软件 QuickTime 使用的一种编解码器 Indeo Video 是由 Intel 所研发的编解码器 12
13 主流编解码器速率 Mobile videophone Videophone over PSTN ISDN videophone Video CD Digital TV HDTV kbit/s Mbit/s Very low bitrate Low bitrate Medium bitrate High bitrate MPEG-4 H.263 H.261 MPEG-1 MPEG-2 13
14 第三章多媒体数据压缩 3.1 无损数据压缩 3.2 音频数据的压缩标准 3.3 图像数据的压缩标准 3.4 视频数据的压缩标准 视频编解码简介 MPEG1 和 MPEG2 视频压缩 MPEG4 视频压缩 H H.265(HEVC) 14
15 MPEG 相关标准 MPEG-1: 在 VCD 中被采用, 其中 MPEG-1 Layer3 简称 MP3 MPEG-2: 广播质量的视频 音频和传输协议 被用于无线数码电视 -ATSC DVB 以及 ISDB 数字卫星电视 数字有线电视信号, 以及 DVD 视频光盘技术中 MPEG-3: 原本目标是为 HDTV 设计, 随后发现 MPEG-2 已足够 HDTV 应用, 故 MPEG-3 的研发便中止 MPEG-4:2003 年发布的视频压缩标准, 主要是扩展 MPEG-1 MPEG-2 等标准以支援视频 / 音频物件 (video/audio "objects") 的编码 3D 内容 低位元率编码 (low bitrate encoding) 和数码版权管理 MPEG-7:MPEG-7 并不是一个视频压缩标准, 它是一个多媒体内容的描述标准 MPEG-21: 目标是为未来多媒体的应用提供一个完整的平台 15
16 MPEG 视频压缩利用各种冗余 空间方向用 JPEG 算法来去掉冗余 时间方向用移动补偿 (motion compensation) 算法来去掉冗余信息 16
17 帧间冗余是最大的冗余 17
18 MPEG1 2 中的三种图象帧 MPEG 专家组定义了三种图像 : 帧内图像 I(intrapictures) 预测图像 P(predicted pictures) 插补 ( 双向预测 ) 图像 B(bidirectionally interpolated) 18
19 视频序列的组成 19
20 帧内图像 I 的压缩编码算法 20
21 MPEG 2 Interlace/Progressive 21
22 MPEG2 DCT Coefficients Scan Frame mode Field mode 22
23 预测图像 P 的压缩编码算法 预测图像 P 使用两种类型的参数来表示 : 一种参数是当前要编码的图像宏块与参考图像的宏块之间的差值, 另一种参数是宏块的移动矢量 23
24 差值法 假设宏块 MPI 是参考宏块 MRJ 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 24
25 移动矢量算法原理 25
26 块匹配法 块匹配法 (Block Matching Algorithm) 需要解决两个关键问题 : 匹配准则 绝对值最小 均方误差最小 平均绝对帧差最小 搜索算法 穷举式搜索 三步搜索法 二维对数搜索法 orthogonal search 对偶搜索法 26
27 最佳匹配的原则 绝对值 AE(absolute difference) 最小 均方误差 MSE(mean-square error) 最小 平均绝对帧差 MAD(mean of the absolute frame difference) 最小 27 dx 和 dy 分别是参考宏块 MRJ 的移动矢量 d(dx, dy) 在 X 和 Y 方向上的矢量 ), ( ), ( i j x d y j d i g j i f AE ), ( ), ( I J i j y x J I d j d i g j i f MSN 2 2 ), ( ), ( 1 I i J j x d y j d i g j i f J I MAD
28 穷举式搜索 (Exhaustive Search) Simplest algorithm computationally most expensive 28
29 三步搜索法 (three-step search) based on a coarse-tofine approach with logarithmic decreasing in step size as shown The initial step size is half of the maximum motion displacement 29
30 二维对数搜索法 (2D-logarithmic search) 初始化步长 [d/4], 搜索 5 个点 若最小失真在中央或在边界则减步长 如果步长为 1 则搜索 8 个相邻点 例子中显示了两条不同搜索路径 30
31 orthogonal search algorithm (OSA) consists of pairs of horizontal and vertical steps with a logarithmic decreasing in step size and its initial step size is d/2. The search paths Starting from the horizontal searching step, three checking points in the horizontal direction are searched. The minimum checking point then becomes the center of the vertical searching step which also consists of three checking points. Then the step size decreases by half and using the same searching strategy. 31
32 对偶搜索法 (conjugate search) 1. Search in x direction 2. Search in y direction 3. Search in diagonal direction 32
33 Motion Estimation Block Based Motion Estimation Mesh Based Motion Estimation Time-domain Algorithms Frequency-domain Algorithms Matching Algorithms Gradient Based Algorithms Blockmatching Featurematching Pelrecursive Blockrecursive Phasecorrelati on (DFT) Matching in (DCT) domain Matching in wavelet domain 33
34 插补图像 B 的压缩编码算法 34
35 MPEG Video 典型流结构 两幅 B 位于两个参考图像间 每 15 帧插入一幅 I 35
36 MPEG-2 的配置和等级 36
37 MPEG-2 等级 (Main Profile, Main Level) 指 , 4:2:0,15 Mb/s (Main Profile, High Level) 指 :2:0 80 Mb/s 37
38 MPEG2 中常用 38
39 第三章多媒体数据压缩 3.1 无损数据压缩 3.2 音频数据的压缩标准 3.3 图像数据的压缩标准 3.4 视频数据的压缩标准 视频编解码简介 MPEG1 和 MPEG2 视频压缩 MPEG4 视频压缩 H H.265(HEVC) 39
40 经典编码方法 第一代 预测编码思想 : 根据数据的统计特性得到预测值, 然后传输图像像素与其预测值的差值信号, 使传输的码率降低, 达到压缩的目的 变换编码思想 : 由于数字图像像素间存在高度相关性, 因此可以进行某种变换来消除这种相关性 例如二维 DCT 变换 统计编码思想 : 根据信息码字出现概率的分布特征而进行压缩编码, 寻找概率与码字长度间的最优匹配 常用的统计编码有游程编码 Huffman 编码和算术编码三种 40
41 经典编码方法局限性 第一代压缩编码方案把视频序列按时间先后分为一系列帧, 每一帧图像又分成宏块以进行运动补偿和编码, 这种编码方案存在以下缺陷 : 将图像固定地分成相同大小的块, 在高压缩比的情况下会出现严重的块效应 ( 马赛克效应 ) 不能对图像内容进行访问 编辑和回放等操作 未充分利用人类视觉系统 (HVS,Human Visual System) 的特性 41
42 第二代 编码方法 第一代 编码技术以信息论和数字信号处理技术为理论基础, 旨在去除图像数据中的线性相关性 压缩比不高, 约在 10 1 左右 而 第二代 编码技术不局限于信息论的框架, 要充分利用人的视觉生理 心理和图像信源的各种特征, 实现从 波形 编码到 模型 编码的转变, 以便获得更高压缩比 其压缩比多在 30 1 至 70 1 之间 第二代 编码方法充分利用计算机图形学 计算机视觉 人工智能与模式识别等相关学科 编码方法主要有 : 基于分形的编码 基于模型的编码 基于区域分割的编码和基于神经网络的编码等 从当前发展情况来看, 第二代 编码方法仍处于深入研究的阶段 42
43 过渡编码技术 近年来, 出现了一类充分利用人类视觉特性的 多分辨率编码 方法, 如子带编码 塔形编码和基于小波变换的编码 这类方法使用不同类型的一维或二维线性数字滤波器, 对视频 ( 图像 ) 进行整体的分解, 然后根据人类视觉特性对不同频段的数据进行粗细不同的量化处理, 以达到更好的压缩效果 这类方法原理上仍属于线性处理, 属于 波形 编码, 可归入经典编码方法, 但它们又充分利用了人类视觉系统的特性, 因此可以被看作是 第一代 编码技术向 第二代 编码技术过渡的桥梁 43
44 MPEG-4 视频编码核心思想 MPEG-1 MPEG-2 H.261 H.263 都是第一代压缩编码技术,MPEG- 4 代表了基于模型 / 对象的第二代压缩编码技术, 充分利用了人眼视觉特性, 抓住了图像信息传输的本质, 从轮廓 纹理思路出发, 支持基于视觉内容的交互功能, 这适应了多媒体信息的应用由播放型转向基于内容的访问 检索及制作的发展趋势 AV 对象 (AVO,Audio Visual Object) 是 MPEG-4 为支持基于内容编码而提出的重要概念 对象是指在一个场景中能够访问和操纵的实体, 对象的划分可根据其独特的纹理 运动 形状 模型和高层语义为依据 在 MPEG-4 中所见的视音频已不再是过去 MPEG-1 MPEG-2 中图像帧的概念, 而是一个个视听场景 (AV 场景 ), 这些不同的 AV 场景由不同的 AV 对象组成 44
45 Block based & Obeject based A B C D 原始图像 基于宏块的 引起宏块方式中预测错误 基于对象的 45
46 MPEG 4 Structure and Syntax 46
47 MPEG-4 Versions Version 1: IS Face animation. Version 2: IS Extensions for 3D mesh coding. Body animation. Versions 3,4,5: In the making Fine grain scalability, studio profile, Animation Framework Extensions (Oct 2002) 47
48 MPEG-4 由一系列的子标准组成 part1 (ISO/IEC ): 系统 : 描述视频和音频的同步以及混合方式 (multiplexing) part2(iso/iec ): 视频 : 定义了对视觉信息的编解码器 part3(iso/iec ): 音频 : 定义了一个对各种音频信号进行编码的编解码器的集合 part4(iso/iec ): 一致性 : 定义了对本标准其他的部分进行一致性测试的程序 part5(iso/iec ): 参考软件 part6(iso/iec ): 多媒体传输集成框架 part7(iso/iec ): 优化的参考软件 part8(iso/iec ): 在 IP 网络上传输 : 定义了在 IP 网络上传输 MPEG-4 内容的方式 part9(iso/iec ): 参考硬件 part10(iso/iec ):AVC,ITU-T H.264 part12(iso/iec ): 基于 ISO 的媒体文件格式 part13(iso/iec ): 知识产权管理和保护 part14(iso/iec ):MPEG-4 文件格式 part15(iso/iec ):AVC 文件格式 part16(iso/iec ): 动画框架扩展 part17(iso/iec ): 同步文本字幕格式 ( 尚未完成 ) part18(iso/iec ): 字体压缩和流式传输 ( 针对公开字体格式 ) part20(iso/iec ): 简单场景表示 ( 尚未完成 ) part21(iso/iec ): 用于描绘 (Rendering) 的 MPEG-J 拓展 ( 尚未完成 ) 48
49 Audio Object 49
50 MPEG-4 Video Object Instead of frames : Video Object Planes Shape Adaptive DCT A video frame VOP Alpha map SA DCT Background VOP VOP 50
51 MPEG-4 Structure 51
52 Video Object Example Object 3 Object 1 Object 2 Object 4 52
53 Another Example 53
54 Object-based Shape Coding 54
55 Face Animation Facial animation parameters (FAPs) define a face 66 base level FAPs, 68 FAPs total 55
56 MPEG-4 Visual Coding Tools Coding of Natural Video Shape Coding Motion Coding Texture Coding Coding of Synthetic Video Object Mesh Coding Face Animation Still Texture Coding Bitstream Issues Scalable Video Coding Robust Video Coding 56
57 MPEG4 Status Microsoft, RealVideo, QuickTime,... But only recentagular frame based H.264 = MPEG-4 part 10 (2003) Shape coding? Synthetic scene? 57
58 视频压缩技术的许可收费价格 58
59 第三章多媒体数据压缩 3.1 无损数据压缩 3.2 音频数据的压缩标准 3.3 图像数据的压缩标准 3.4 视频数据的压缩标准 视频编解码简介 MPEG1 和 MPEG2 视频压缩 MPEG4 视频压缩 H H.265(HEVC) 59
60 H.264/MPEG-4 AVC H.264 是 ITU-T 以 H.26x 系列为名称命名的标准之一, 同时 AVC 是 ISO/IEC MPEG 一方的称呼 这个标准通常被称之为 H.264/AVC ( 或者 AVC/H.264 或者 H.264/MPEG-4 AVC or MPEG- 4/H.264 AVC) 而明确的说明它两方面的开发者 该标准最早来自于 ITU-T 的称之为 H.26L 的项目的开发 H.26L 这个名称虽然不太常见, 但是一直被使用着 有时候该标准也被称之为 "JVT 编解码器 ", 这是由于该标准是由 JVT 组织并开发的 ( 作为两个机构合作开发同一个标准的事情并非空前, 之前的视频编码标准 MPEG-2 也是由 MPEG 和 ITU-T 两方合作开发的 -- 因此 MPEG-2 在 ITU-T 的命名规范中被称之为 H.262) URL 60
61 H.264 的地位 61
62 H.264 与 MPEG-2/MPEG-4 比较 62
63 视频质量 MPEG-4 H264 AVC AVS MPEG kbps 流达到录像带质量, 1 Mbps 流达到 DVD 质量 主观 可接受的质量 1 Mbps 2 Mbps 63
64 Basic Macroblock Coding Structure Input Video Signal Split into Macroblocks 16x16 pixels - Decoder Coder Control Transform/ Scal./Quant. Scaling & Inv. Transform Control Data Quant. Transf. coeffs Entropy Coding Intra/Inter Intra-frame Prediction Motion- Compensation De-blocking Filter Output Video Signal Motion Estimation Motion Data 64
65 创新点 Motion Compensation 1/4 象素精度的运动估计 7 种大小不同的块进行匹配 前向与后向多参考帧 Intra-frame Prediction 包括 9 种 4 4 亮度块的预测 4 种 亮度块的预测和 4 种色度块的预测 De-blocking Filter 优秀的运动补偿滤波器 Transform/Scal./Quant. Entropy Coding 65
66 Motion Compensation Accuracy Input Video Signal Split into Macroblocks 16x16 pixels - Decoder Coder Control Transform/ Scal./Quant. Scaling & Inv. Transform Control Data Quant. Transf. coeffs Entropy Coding Intra/Inter Intra-frame Prediction Motion- Compensation Motion Estimation De-blocking 16x16 16x8 8x16 8x8 Filter MB Types Output1 2 3 Video 8x8 Signal 8x4 4x8 4x4 8x Types Motion Data Motion vector accuracy 1/4 (6-tap filter) 66
67 宏块大小 可以对不同大小和形状的宏块进行运动估计和补偿, 从而提高了对运动矢量估计的精度 67
68 高精度的运动估计策略 ½-pel pixel grid values are interpolated using a separable 6-tap filter ¼-pel pixel grid values are interpolated using the average of two ½-pel pixels 68
69 Intra Prediction Input Video Signal Split into Macroblocks 16x16 pixels - Decoder Intra/Inter Coder Control Transform/ Scal./Quant. Intra-frame Prediction Motion- Compensation Motion Estimation Scaling & Inv. Transform De-blocking Filter Directional spatial prediction (9 types for luma, 1 chroma) Control Data Q A B C D E F G H I a Quant. b c d J Transf. e f g coeffs h K i j k l L m n o p M N O P Output Video Signal 4 Entropy Coding 0 e.g., Mode 3: diagonal down/right Motion prediction Data a, f, k, p are predicted by (A + 2Q + I + 2) >>
70 帧内预测的本质 JPEG 中每个宏块都进行编码 相邻宏块之间通常具有很强的相关性 ( 空间冗余 ) 后编码的宏块若和已编码过的宏块相似, 则只需要记录预测值和实际值之间的差值 对宏块的编码从左上角开始 70
71 Transform Coding Input Video Signal 4x4 Decoder Split into Block Integer Transform Macroblocks x16 pixels H Coder Control Transform/ Scal./Quant. Main Profile: Adaptive Block Size Transform (8x4,4x8,8x8) Repeated transform of DC coeffs for 8x8 chroma and 16x16 Intra Intra/Inter luma blocks Intra-frame Prediction Motion- Compensation Motion Estimation Scaling & Inv. Transform De-blocking Filter Control Data Quant. Transf. coeffs Output Video Signal Motion Data Entropy Coding 71
72 整数变换和量化 Transform H.264/MPEG-4 AVC 使用整数 DCT4X4 变换 ; 而 MPEG-2 和 MPEG-4 使用浮点 DCT8X8 变换 更小块减少了块效应和明显的人工痕迹 整数系数消除了在 MPEG-2 和 MPEG-4 中进行浮点系数运算时导致的精度损失 Quantization 量化使用了 52 级步长的量化器, 而 H.263 标准只有 31 级 量化步长以 12.5% 递增, 量化步长范围的扩大使得编码器能够更灵活 精确地进行控制, 在比特率和图像质量之间达到折中 72
73 Multiple Reference Frames - Decoder Coder Control Transform/ Quantizer Deq./Inv. Transform Control Data Quant. Transf. coeffs Intra/Inter 0 Motion- Compensated Predictor Motion Estimator Multiple Reference Motion Frames for Data Motion Compensation Entropy Coding 73
74 Residual Coding - Decoder Coder Control Transform/ Quantizer Residual coding is based on 4x4 blocks Integer Transform Deq./Inv. Transform Control Data Quant. Transf. coeffs Intra/Inter 0 Motion- Compensated Predictor Entropy Coding Motion Estimator Motion Data 74
75 去块效应滤波器 (Deblocking filter) 滤波的目的是消除由于相邻宏块有不同的运动估计类型 ( 比如运动估计和内部估计 ) 或者不同的量化参数导致的人工痕迹 在块边界这种情况下, 过滤的目的是消除可能由于变换 / 量化和来自于相邻块运动矢量的差别引起的人工痕迹 环路滤波通过一个内容自适应的非线性算法修改在宏块 / 块边界的同一边的两个像素 75
76 Entropy Coding Input Video Signal Split into Macroblocks 16x16 pixels - Decoder Coder Control Transform/ Scal./Quant. Inv. Scal. & Transform Control Data Quant. Transf. coeffs Entropy Coding Intra/Inter Intra-frame Prediction Motion- Compensation De-blocking Filter Output Video Signal Motion Estimation Motion Data 76
77 熵编码的改进 VLC(Variable Length Coding) Huffman Coding Golomb Coding CAVLC Context-Adaptive Variable Length Coding CABAC Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding 77
78 Context-Adaptive In H.264, all symbols are encoded in a context, and the probabilities of each symbol adapt to the context in which they are coded. 例如, 在英文中字母 u 出现的概率是 3%, 但是当前一个字母是 q 的时候, u 出现的概率几乎是 100% H.264 and AIC use several contexts. The probability of a DCT coefficient being 0 is greater for coefficients in the lower right corner of the 8x8 coefficient matrix as for coefficients in the upper left corner. CAVLC 与 CABAC 根据相临块的情况进行当前块的编码 CABAC 比 CAVLC 压缩效率高, 但要复杂一些 78
79 Golomb-Rice Coding 规则 : 商 +1+ 余数 首先将需要编码的正数除以给定参数 ( 例中为 4) 商表示 0 的个数 余数需要的位长由参数决定 (4 对应长度 2bit) 商和余数之间插入 1 作为停止位 79
80 exponential Golomb codes 规则 : 指数 +1+( 余数 +1) 首先将需要编码的正数表示为给定参数 ( 例中为 2) 的幂形式 : 如 0=2 0 +0, 1=2 0 +1, 2=2 0 +1, 3= 指数用来表示 0 的个数 余数 +1 表示为二进制数 指数和余数之间插入 1 作为停止位 80
81 编码原理回顾 对 H.264 来说, 整个运算量在各部分的分配如下 : 帧间预测和帧内预测占 60%~70%, 整数变换约占 10%, 纠错编码约占 20%, 环路滤波的 10% 81
82 小结 :H.264 优点 运动估计 ( 时间冗余 ) 1/4 象素精度的运动估计 7 种大小不同的块进行匹配 前向与后向多个参考帧 帧内预测 ( 空间冗余 ) 去除相临块之间的相关性 去块效应滤波器, 对块的边界进行滤波 空间域到频率域的变换 DCT->4 4 整数变换 52 级步长的量化器, 量化步长以 12.5% 递增 熵编码 CAVLC/CABAC 82
83 PSNR(Peak signal-to-noise ratio) SNR db ( 6.02N 1.76) db 通常用峰值信噪比来衡量编码后图像或视频的质量 Here, MAXI is the maximum pixel value of the image. When the pixels are represented using 8 bits per sample, this is 255. More generally, when samples are represented using linear PCM with B bits per sample, MAXI is 2B 1. 83
84 H.264 编码效果 Quality Y-PSNR [db] Foreman QCIF 10Hz JVT/H.264/AVC MPEG-4 MPEG-2 H Bit-rate [kbit/s] 84
85 H.264 编码效果 Quality Y-PSNR [db] Tempete CIF 30Hz JVT/H.264/AVC MPEG-4 MPEG-2 H Bit-rate [kbit/s] 85
86 Profile Level Bit Rate Frame Rate (Format) VC-1 Simple Low 96 Kbps 176 x 15 Hz (QCIF) Medium 384 Kbps 240 x 30 Hz 352 x 15 Hz (CIF) Main Low 2 Mbps 320 x 24 Hz (QVGA) Medium 10 Mbps 720 x 30 Hz (480p) 720 x 25 Hz (576p) High 20 Mbps 1920 x 30 Hz (1080p)* Advanced L0 2 Mbps 352 x 30 Hz (CIF) L1 10 Mbps 720 x 30 Hz (NTSC-SD) 720 x 25 Hz (PAL-SD) L2 20 Mbps 720 x 60 Hz (480p) 1280 x 30 Hz (720p) L3 45 Mbps 1920 x 24 Hz (1080p)* 1920 x 30 Hz (1080i) 1280 x 60 Hz (720p) L4 135 Mbps 1920 x 60 Hz (1080p)* 2048 x 24 Hz 86
87 第三章多媒体数据压缩 3.1 无损数据压缩 3.2 音频数据的压缩标准 3.3 图像数据的压缩标准 3.4 视频数据的压缩标准 视频编解码简介 MPEG1 和 MPEG2 视频压缩 MPEG4 视频压缩 H H.265(HEVC) 87
88 HEVC(H.265) 产生的背景 :4K 时代来临 UHDTV (Ultra high definition television) 依据 NHK 人类视觉系统测试制作的最佳观看距离与屏幕尺寸及分辨率关系图
89 HEVC(H.265) 产生的背景 :4K 时代来临 H.264 在处理巨幅画面时的问题 89 目标 : 在 H.264 标准 2~4 倍的复杂度基础上, 将压缩效率提升一倍以上 宏块个数的爆发式增长, 会导致用于编码宏块的预测模式 运动矢量 参考帧索引和量化级等宏块级参数信息所占用的码字过多, 用于编码残差部分的码字明显减少 由于分辨率的大大增加, 单个宏块所表示的图像内容的信息大大减少, 这将导致相邻的 4 x 4 或 8 x 8 块变换后的低频系数相似程度也大大提高, 导致出现大量的冗余 由于分辨率的大大增加, 表示同一个运动的运动矢量的幅值将大大增加,H.264 中采用一个运动矢量预测值, 对运动矢量差编码使用的是哥伦布指数编码, 该编码方式的特点是数值越小使用的比特数越少 因此, 随着运动矢量幅值的大幅增加,H.264 中用来对运动矢量进行预测以及编码的方法压缩率将逐渐降低 H.264 的一些关键算法如 CAVLC 和 CABAC 两种熵编码方法 deblock 滤波等都要求串行编码, 并行度比较低
90 在 H.264 十年之后 HEVC encoders can achieve equivalent subjective reproduction quality as encoders that conform to H.264/MPEG-4 AVC when using approximately 50% less bit rate on average. Comparison of the Coding Efficiency of Video Coding Standards Including High Efficiency Video Coding (HEVC) IEEE Transactions on Circuit and System for Video Technology, vol. 22, N0. 12, Dec 2012 Overall the complexity of HEVC decoders does not appear to be significantly different from that of H.264/AVC decoders. HEVC encoders are expected to be several times more complex than H.264/AVC encoders, and a subject of research in years to come. HEVC Complexity and Implementation Analysis IEEE Transactions on Circuit and System for Video Technology, vol. 22, N0. 12, Dec 2012
91 HEVC 的性能 MP: Main Profile HP: High Profile ASP: Advanced Simple Profile HLP: High Latency Profile Comparison of the Coding Efficiency of Video Coding Standards Including High Efficiency Video Coding (HEVC), 91 IEEE Transactions on Circuit and System for Video Technology, vol. 22, N0. 12, Dec 2012
92 H.264 编码器框架 Input Video Signal Split into Macroblocks 16x16 pixels - Decoder Coder Control Transform/ Scal./Quant. Scaling & Inv. Transform Control Data Quant. Transf. coeffs Entropy Coding Intra/Inter Intra-frame Prediction Motion- Compensation De-blocking Filter Output Video Signal Motion Estimation Motion Data
93 HEVC(H.265) 编码器框架 HEVC 的编码分层沿用了 H.261 以来的混合模式 灵活的编码结构 采样点自适应偏移 (Sample Adaptive Offset) Overview of the High Efficiency Video Coding (HEVC) Standard IEEE Transactions on Circuit and System for Video Technology, vol. 22, N0. 12, Dec 2012
94 灵活的编码块结构 Detail of 4k2k sequence Traffic showing the coding block (white) and nested transform block (red) structure resulting from recursive quadtree partitioning.
95 Quadtree-based coding structure 块的大小从 H.264 的 16x16 扩展到了 64x64 A treeblock can be further split into smaller blocks recursively, which leads to a quadtree based partition. As shown in Fig, N0 is a treeblock. It splits incrementally into N10 to N33 and generates a quadtree. Each leaf (e.g., N13, N20, N32) of the quadtree is referred to as a coding node, called a CU.
96 灵活的编码结构 CU PU TU 的清晰分离 In contrast to the fixed size macroblock structure of H.264/AVC, HEVC defines three different units according to their functionalities. 同时, 采用了更加灵活的编码结构来提高编码效率, 包括编码单元 (CU, Coding Unit) 预测单元 (PU, Predict Unit) 和变换单元 (TU, Transform Unit) 其中编码单元类似于 H.264/AVC 中的宏块的概念, 用于编码的过程, 预测单元是进行预测的基本单元, 变换单元是进行变换和量化的基本单元 这三个单元的分离, 使得变换 预测和编码各个处理环节更加灵活, 也有利于各环节的划分更加符合视频图像的纹理特征, 有利于各个单元更优化的完成各自的功能 Block Partitioning Structure in the HEVC Standard IEEE Transactions on Circuit and System for Video Technology, vol. 22, N0. 12, Dec 2012
97 Coding Tree Unit Picture Slice CTU CU A slice contains an integer multiple of CTU, which is an analogous term to the macroblock in H.264/AVC. Inside a slice, a raster scan method is used for processing the CTU. 四叉树结构 quadtree structure Block Partitioning Structure in the HEVC Standard IEEE Transactions on Circuit and System for Video Technology, vol. 22, N0. 12, Dec 2012
98 Prediction Unit 一个编码块 CU 可以分割 1 或 2 或 4 个预测块 PU 与 H.264 类似, 提供三种分割模式 Skip mode Intra mode Inter mode 但支持非对称的 PU 分割
99 Transform Unit 与 PU 类似一个 CU 可分割为 1 个或多个 TU H.264 支持 4 4 和 8 8 的 TU 帧间预测时只要有块小于 8 8 就全部采用 4 4 H.265 对于帧间编码, 变换块的大小根据运动补偿块的大小进行自适应的调整 对于帧内编码, 变换块的大小根据帧内预测残差的特性进行自适应的调整 RQT(Residual Quad-tree Transform) 99
100 CU 和 PU 的关系 一个 CU 可能同时包含有高细节 ( 高频 ) 部分和低细节 ( 低频 ) 部分, 因此 CU 直接用于变换处理不合适 H.265 中允许将 CU 分割为 TU,TU 和 PU 并不需要对齐 H.264 中 TU 大小为 4 4 或 8 8,TU 是小于 PU 的 CUs in red have RQT transform tree of depth 1 (i.e. each TU spans more than 1 PU). CUs in blue and green have RQT transform tree of depths 2 and 3 respectively.
101 AVS AVS 是由我国自主制定的音 / 视频编码技术标准, 主 要面向高清晰度电视 高密度光存储媒体等应用 AVS 标准以 AVC 框架为基础, 强调自主知识产权, 同时充分考虑了实现的复杂度 相对于 H.264, AVS 的主要特点有 : 的整数变换与 64 级量化 ; 2. 亮度和色度帧内预测都是以 8 8 块为单位, 亮度块采用 5 种预测模式, 色度块采用 4 种预测模式 ; 和 种块模式的运动补偿 ; 4. 在 1/4 象素运动估计方面, 采用不同的四抽头滤波器进行半象素插值和 1/4 象素插值 ; 5. P 帧可以利用最多 2 帧的前向参考帧, 而 B 帧采用前后各一个参考帧
102 小结 (1) 视频编解码器 MPEG 系列标准 MPEG1/2 中空间冗余和时间冗余的消除 MPEG4 中 Audio Visual Object H.264 采用的新技术 运动估计 / 帧内预测 / 去块效应滤波器 / 整数变换 / 熵编码 H.265 的改进 块的大小从 H.264 的 16x16 扩展到了 64x64 灵活的四叉树块编码结构
103 小结 (2) H.261/H.262/H.263/H.263+/H.263++/H.26L/H.264/H.265 MPEG1/MPEG2/MPEG4/MPEG7/MPEG21 DivX/WMV/RealVideo/Sorenson 3/Indeo Video I/P/B Frame Progressive/Interlace/Frame mode/field mode GOP/Picture/Slice/MacroBlock/Block Exhaustive/three-step/2Dlogarithmic/Orthogonal/conjugate Search AVO/Shape Coding/Face Animation Motion Compensation/Intra Prediction/Integer Transform/Deblocking filter/vlc/cavlc/cabac
104 Multimedia compression formats Video compression formats ISO/IEC: MPEG-1 MPEG-2 MPEG-4 MPEG-4/AVC ITU-T: H.261 H.262 H.263 H.264 SMPTE: VC-1 Others: VP7 RealVideo WMV Indeo MJPEG Theora Dirac Audio compression formats ISO/IEC MPEG: MPEG-1 Layer III (known as MP3) MPEG-1 Layer II AAC HE-AAC ITU-T: G.711 G.722 G G G.723 G G.726 G.729 G.729a Others: FLAC ilbc RealAudio WMA Speex Vorbis ATRAC3 AC3 AIFF Image compression formats ISO/IEC/ITU-T: JPEG JPEG 2000 JPEG-LS JBIG JBIG2 Others: GIF PNG TIFF PCX TGA BMP WMP ILBM Media container formats AU AVI ASF WAV MP4 Ogg Ogg Media Matroska QuickTime RealMedia 3GP
105
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