视频编解码学习之一:理论基础
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视频编解码学习之一:理论基础
第1章介绍
1. 为什么要进行视频压缩?
- 未经压缩的数字视频的数据量巨大
-
存储困难
- 一张DVD只能存储几秒钟的未压缩数字视频。
-
传输困难
- 1兆的带宽传输一秒的数字电视视频需要大约4分钟。
2. 为什么可以压缩
-
去除冗余信息
- 空间冗余:图像相邻像素之间有较强的相关性
- 时间冗余:视频序列的相邻图像之间内容相似
- 编码冗余:不同像素值出现的概率不同
- 视觉冗余:人的视觉系统对某些细节不敏感
- 知识冗余:规律性的结构可由先验知识和背景知识得到
3. 数据压缩分类
-
无损压缩(Lossless)
- 压缩前解压缩后图像完全一致X=X'
- 压缩比低(2:1~3:1)
- 例如:Winzip,JPEG-LS
-
有损压缩(Lossy)
- 压缩前解压缩后图像不一致X≠X'
- 压缩比高(10:1~20:1)
- 利用人的视觉系统的特性
- 例如:MPEG-2,H.264/AVC,AVS
4. 编解码器
-
编码器(Encoder)
- 压缩信号的设备或程序
-
解码器(Decoder)
- 解压缩信号的设备或程序
-
编解码器(Codec)
- 编解码器对
5. 压缩系统的组成
(1) 编码器中的关键技术
(2) 编解码中的关键技术
6. 编解码器实现
-
编解码器的实现平台:
-
超大规模集成电路VLSI
- ASIC, FPGA
- 数字信号处理器DSP
- 软件
-
超大规模集成电路VLSI
-
编解码器产品:
- 机顶盒
- 数字电视
- 摄像机
- 监控器
7. 视频编码标准
编码标准作用:
-
兼容:
- 不同厂家生产的编码器压缩的码流能够被不同厂家的解码器解码
-
高效:
- 标准编解码器可以进行批量生产,节约成本。
主流的视频编码标准:
- MPEG-2
- MPEG-4 Simple Profile
- H.264/AVC
- AVS
- VC-1
标准化组织:
-
ITU:International Telecommunications Union
- VECG:Video Coding Experts Group
-
ISO:International Standards Organization
- MPEG:Motion Picture Experts Group
8. 视频传输
- 视频传输:通过传输系统将压缩的视频码流从编码端传输到解码端
- 传输系统:互联网,地面无线广播,卫星
9. 视频传输面临的问题
-
传输系统不可靠
- 带宽限制
- 信号衰减
- 噪声干扰
- 传输延迟
-
视频传输出现的问题
- 不能解码出正确的视频
- 视频播放延迟
10. 视频传输差错控制
- 差错控制(Error Control)解决视频传输过程中由于数据丢失或延迟导致的问题
-
差错控制技术:
- 信道编码差错控制技术
- 编码器差错恢复
- 解码器差错隐藏
11. 视频传输的QoS参数
- 数据包的端到端的延迟
- 带宽:比特/秒
- 数据包的流失率
- 数据包的延迟时间的波动
第2章 数字视频
1.图像与视频
- 图像:是人对视觉感知的物质再现。
- 三维自然场景的对象包括:深度,纹理和亮度信息
- 二维图像:纹理和亮度信息
- 视频:连续的图像。
- 视频由多幅图像构成,包含对象的运动信息,又称为运动图像。
2. 数字视频
-
数字视频:自然场景空间和时间的数字采样表示。
-
空间采样
- 解析度(Resolution)
-
时间采样
- 帧率:帧/秒
-
空间采样
3. 空间采样
- 二维数字视频图像空间采样
4. 数字视频系统
-
采集
- 照相机,摄像机
-
处理
- 编解码器,传输设备
-
显示
- 显示器
5. 人类视觉系统HVS
-
HVS
- 眼睛
- 神经
- 大脑
-
HVS特点:
- 对高频信息不敏感
- 对高对比度更敏感
- 对亮度信息比色度信息更敏感
- 对运动的信息更敏感
6. 数字视频系统的设计应该考虑HVS的特点:
- 丢弃高频信息,只编码低频信息
- 提高边缘信息的主观质量
- 降低色度的解析度
- 对感兴趣区域(Region of Interesting,ROI)进行特殊处理
7. RGB色彩空间
- 三原色:红(R),绿(G),蓝(B)。
- 任何颜色都可以通过按一定比例混合三原色产生。
-
RGB色度空间
- 由RGB三原色组成
- 广泛用于BMP,TIFF,PPM等
- 每个色度成分通常用8bit表示[0,255]
8. YUV色彩空间
-
YUV色彩空间:
- Y:亮度分量
- UV:两个色度分量
- YUV更好的反映HVS特点
9. RGB转化到YUV空间
亮度分量Y与三原色有如下关系:
经过大量实验后ITU-R给出了, , ,
主流的编解码标准的压缩对象都是YUV图像
10. YUV图像分量采样
- YUV图像可以根据HVS的特点,对色度分量下采样,可以降低视频数据量。
- 根据亮度和色度分量的采样比率,YUV图像通常有以下几种格式:
11. 通用 的YUV图像格式
- 根据YUV图像的亮度分辨率定义图像格式
12. 帧和场图像
- 一帧图像包括两场——顶场,底场
13. 逐行与隔行图像
- 逐行图像:一帧图像的两场在同一时间得到,ttop=tbot。
- 隔行图像:一帧图像的两场在不同时间得到, ttop≠tbot。
14. 视频质量评价
- 有损视频压缩使编解码图像不同,需要一种手段来评价解码图像的质量。
-
质量评价:
- 客观质量评价
- 主观质量评价
- 基于视觉的视频质量客观评价
- 客观质量评价:通过数学方法测量图像质量评价的方式。
-
优点:
- 可量化
- 测量结果可重复
- 测量简单
-
缺点:
- 不完全符合人的主观感知
15. 客观评价的方法
常用的客观评价方法:
16. 主观评价方法
- 主观质量评价:用人的主观感知直接测量的方式。
-
优点:
- 符合人的主观感知
-
缺点:
- 不容易量化
- 受不确定因素影响,测量结果一般不可重复
- 测量代价高
常用主观评价方法
17. 基于视觉的视频质量客观评价方法
- 基于视觉的视频质量客观评价:将人的视觉特性用数学方法描述并用于视频质量评价的方式。
- 结合了主观质量评价和客观质量评价两方面优点。
- 常用方法:结构相似度(Structural SIMilarity,SSIM)方法。
- 将HVS的特征用数学模型表达出来。
- 未来重要的研究方向
第3章 信息论基础
1. 通信系统的组成
- 信源:产生消息
- 信道:传输消息
- 信宿:接收消息
2. 基本概念
-
通信中对信息的表达分为三个层次:信号,消息,信息。
- 信号:是信息的物理层表达,可测量,可描述,可显示。如电信号,光信号。
- 消息:是信息的载体,以文字,语言,图像等人类可以认知的形式表示。
- 信息:不确定的内容。
以上是关于视频编解码学习之一:理论基础的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章