视频压缩技术

摘 要：在现代通信中,视频图像传输已成为重要内容之一.采用合适的视频图像压缩技术,减少传输数据量,是提高通信速度的重要手段.本文主要论述了视频压缩技术中常用的编码方法及H.26x、MPEG-x等视频压缩编码标准.

关 键 词 ：视频压缩；编码技术；H.26x；MPEG-x

中图分类号：TN919.81

1.视频压缩的目的

视频监控系统随着人类进入信息时代而得到了迅猛发展.为了在有限存储空间内存放更多的数据,提升通信干线传输的效率,缩短传输的时间,并且便于计算机进行实时处理视频数据信息,提高播放画面质量,视频压缩技术有了快速的发展.

2.视频压缩技术

最为经典的视频压缩编码技术是：预测编码、变换编码、统计编码.

（1）预测编码的基本原理是先得到预测值,这个值是根据数据的统计特性获得,接着传输预测值与图像像素差值信号,降低传输码率,最终实现压缩.（2）变换编码的基本原理是通过某种变换来消除数字图像像素间存在的高度相关性.变换编码利用离散余弦变换（DCT）和小波变换（Welet）在先将空域图像变换到频域,获得一组变换系数,再通过量化、编码来达到压缩目的.（3）统计编码对视频数据进行压缩是由信息码字出现的概率分布特性决定的,关键要寻求码字长度与这种概率之间的最优化的匹配关系.此种编码分为定长码和变长码（VLC）两种,多数是针对无记忆信源.变长码字编码算法主要采用哈弗曼编码和算术编码.随着编码技术的进一步发展,逐步形成了基于DCT变换和运动补偿相结合的新模式,如H.26x、MPEG-x.这些标准有着相似的编码原理,将图像看成是二维波形,运动图像时间域上的冗余利用DCT变换进行消除,以此达到压缩数据的目的[1].

3.视频图像压缩编码标准

目前监控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4（SP/ASP）、H.264/C等几种视频编码技术.采用不同的压缩技术,将很大程度影响清晰度、存储量（带宽）、稳定性还有等要素[2].

3.1 H.26x系列标准

一般状况下,H.26x标准主要针对在特定的位速率下传输的视频数据,追求视频信息的压缩效率.它主要适用范围是可视化电视与会议电视.

H.261标准实现数字图像的实时传输,它综合了网络技术和综合数字压缩技术可以在P*64kbit/s（P取1～30）码率的综合业务数字网（ISDN）上实时地传输图像和声音数据信息.

H.263标准是一种甚低码率视频压缩编码标准,其码率一般低于64kbit/s.H.263标准主要利用公共开关网络（PSTN）传输,也适用于移动通信等无线业务.H.263不像H.261采用全像素预测和环路滤波器,取而代之的是半像素精度预测,并采用先进的PB帧模式进行预测,利用基于语法的算术编码代替霍夫曼编码,这些改进使得压缩比提高的情况下进一步改进图像质量.

H.264标准加强了对各种信道的适应能力,是DPCM加变换编码的混合编码模式,其基本系统是开放的.该标准应用范围较广,适用于、不同速率、不同解析度不同传输存储场合.H.264的码流结构网络适应性强,增加了差错恢复能力,能够很好地适应IP和无线网络的应用.H.264在同一重建图像质量情况中,码率比H.263节约50%左右.如此高的编码效率主要依赖于其多模式、高精度的位移估计、同一的VLC符号编码、编码语法进行分层等特点,但是它的计算复杂度是H.263的3倍,解码复杂度约为H.263的2倍.

H.26L作为面向电视、电视会议的新一代编码方式,与H.263的原有方式相比它可获得两倍以上的编码功能,也就是仅用一半的编码码字就能得到同样清晰的画面[3].

3.2 MPEG-x系列标准

普遍认可、最为权威的还得是MPEG技术.MPEG标准中的数字视频压缩：首先将模拟视频转换为数字视频后按时序分组,然后每个图像组（GOP：group ofpictures）选定一个基准图像利用运动估计减少图像间的时间冗余,最后将基准图像和运动估计误差进行离散余弦变换（DCT：discrete cosin tranorm）、系数量化和熵编码（VLC&RLC：variablelength coding and run length coding）以消除空间冗余[4].

MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7、MPEG-21是由MPEG的成员开发,以适用于不同带宽和数字影像质量的要求的版本.

MPEG-1标准用于传输数据传输率为1.5Mbps的数字存储媒体运动图像及其伴音的编码.该标准由五个组成部分,其中一、二、三部分说明如何根据规定对视频及音频进行复合编码,第四部分检验部分,检验或编码器的输出比特流是否和前面三个部分所规定的内容相符合,第五部为实现部分,利用C语言来实现编码与解码过程.

MPEG-2标准又叫信息技术――电视图像和伴音信息的通用编码,其标准号为ISO/IEC13818.随着标准数字电视和高清数字电视的发展,该标准有针对性的详细规定了压缩方案和系统层,以及专门规定了多路节目的复分接方式,并且兼顾了与ATM信元的适配问题.编码率的范围是3Mbit/s～100Mbit/s.MPEG-2标准适用范围较广,尤其被认定为SDTV和HDTV的编码标准,非常适用于广播级的数字电视的编码和传送.

MPEG-4标准,标准号为ISO/IEC14496.MPEG-4将多种多媒体应用（数字电视、影音合成等交互式绘图应用、WWW、资料撷取与分散等交互式多媒体）集成于一个完整的框架里,目的是为了提供标准的算法及工具,应用在这些多媒体通信及其应用环境中.这样可以建立起统一的数据格式,方便多媒体存储、检索、传输等应用领域多普遍采用. MPEG-7标准为各种多媒体信息提供一种标准化的描述,这些描述与内容有关,支持多种音频和视频的描述,包含了更多的多媒体数据类型,所以MPEG-7又称为多媒体内容描述接口,是用于描述多种类型的多媒体信息的描述符的标准集合.例如视觉信息,可对形状、颜色、体积、纹理、运动、草图、空间关系及变形等.MPEG-7标准范围由以下几个方面构成,分别为描述子、描述结构、描述定义语言以及编码描述方法[5].特征表示法即为描述子,用其定义特征的语法及语义.描述结构即用来描述成员之间的结构和语义.MPEG-7标准具体由MPEG-7系统、MPEG-7描述定义语言、MPEG-7音频、MPEG-7视频、MPEG-7属性实体和多媒体描述结构、MPEG-7参考软件、MPEG-7一致性这七个部分构成.

MPEG-21标准又称之为多媒体框架,其标准号是ISO/IEC21000.MPEG-21标准通过结合不同的标准、协议、技术,让用户可以通过有效地利用现有的各式网络和设备,相当于透明地使用网络上的多媒体资源,也就是构建一个开放的框架,致力于多媒体传输和消费.MPEG-21标准提供的这种透明有效的视频音频通信环境,结合了MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4标准,是建立在这些标准的基础之上,将现有标准统一到一起.它由数字项声明（Digital Item Declaration）,数字项识别和描述,内容处理和使用,知识产权管理和保护,终端和网络,内容表示,事件报告等七个部分组成.支持以下功能：内容创建,内容生产,内容分配,内容的消费和使用,内容的分组,知识产权管理和保护,内容识别和描述,用户权限,终端和网络资源提取,内容表示和事件报告等.这样可以更为方便有效的对用户视频、音频进行处理,让用户不再为格式的不兼容、媒体数据类型、编等诸如此类的东西所干扰.