第三章 视频压缩编码的基本原理和方法-上课用-有删减
4、视频压缩编码
如果信息丢失的级别 , 可以表示为原始或输入图 像与压缩后又解压缩输出的图像的函数，这个函数 就被称为客观保真度标准。一般表示为：
e(x,y) = f(x,y) - f(x,y)
f(x,y)是输入图像， f(x,y) 是压缩后解压缩的图像， e(x,y)是误差函数
6.1.2 图像压缩基本概念:保真度标准
• LZW编码
文件头信息 屏幕描述 全局调色板 图像描述 局部调色板
– 压缩率（压缩比）：
CR = n1 / n2 其中，n1是压缩前的数据量，n2是压缩后的数据量
– 相对数据冗余：
RD = 1 – 1/CR 例：CR=20; RD = 19/20
6.1.1 图像压缩基本概念:数据冗余
• 三种数据冗余：
– 编码冗余 – 像素冗余 – 视觉心理冗余
6.1.1 图像压缩基本概念:数据冗余
(1) 在压缩过程中动态地形成一个字符序列表(字典) (2) (a) 每当压缩扫描图像发现一个字典中没有的字符 序列，就把该字符序列存到字典中 (b) 并用字典的地址（编码）作为这个字符序列的 代码，替换原图像中的字符序列 (c) 下次再碰到相同的字符序列，就用字典的地址 代替字符序列
6.2.1 无损压缩:基于字典的压缩
• 编码冗余：
如果一个图像的灰度级编码，使用了多于 实际需要的编码符号，就称该图像包含了编码 冗余。
例：如果用8位表示该图像的像素，我们 就说该图像存在着编码冗余，因为该图像 的像素只有两个灰度，用一位即可表示。
6.1.1 图像压缩基本概念:数据冗余
• 像素冗余：
由于任何给定的像素值，原理上都可以 通过它的邻居预测到，单个像素携带的信息 相对是小的。 对于一个图像，很多单个像素对视觉的 贡献是冗余的。这是建立在对邻居值预测的 基础上。 例：原图像数据：234 223 231 238 235 压缩后数据：234 -11 8 7 -3
视频编码的工作原理
视频编码的工作原理在现代社会中，视频编码技术起到了至关重要的作用。
它使得我们可以轻松地在各种媒体平台上观看高质量的视频内容。
本文将介绍视频编码的工作原理。
一、视频编码的定义及背景视频编码是一种将数字视频信号转换为压缩格式的技术。
它通过减少视频数据的冗余来实现对视频的高效压缩，从而节省存储空间和传输带宽。
视频编码技术的发展得益于计算机技术和通信技术的不断进步。
二、视频编码的基本原理1. 采样和量化在视频编码的过程中，输入视频信号首先会经过采样和量化两个步骤。
采样是指将连续的模拟视频信号转换为离散的数字视频信号，而量化则是将离散的视频样本映射到离散的数值范围内。
2. 变换和编码接下来，视频信号会通过变换和编码两个步骤来进一步压缩。
变换是指将视频信号在时域和频域之间进行转换，常用的变换方法包括离散余弦变换(DCT)和小波变换。
编码则是将变换后的视频信号进行熵编码，通常使用的是基于H.264或HEVC标准的编码方法。
3. 压缩和解压缩编码完成后，视频信号会被压缩为较小的文件大小。
这样，视频就可以通过网络进行传输或存储在设备中。
接收方在接收到压缩的视频文件后，需要进行解压缩才能还原为原始的视频信号。
解压缩过程与压缩过程相反，包括解码和恢复两个步骤。
三、常见的视频编码标准视频编码标准是用于指导视频编码的技术规范。
以下是几种常见的视频编码标准：1. MPEG-2MPEG-2是一种广泛应用于数字电视、DVD和广播等领域的视频编码标准。
它采用了基于块的编码方法，通过利用时间和空间上的冗余进行压缩。
2. H.264/AVCH.264/AVC是目前广泛应用于互联网视频和蓝光光盘等领域的视频编码标准。
它采用了更先进的编码算法，可以提供更高的压缩比和更好的视频质量。
3. HEVCHEVC是高效视频编码(High Efficiency Video Coding)的缩写，也被称为H.265。
它是目前最先进的视频编码标准，能够实现更高的压缩率和更好的视频质量，适用于4K和8K超高清视频。
视频编码的基本原理
按照编码方法分类：
1.考虑到图像信源的统计特性，采用的预测编码、变换编码、 矢量化编码、子带－小波编码以及神经网络编码方法等； 2.考虑到视觉特性，采用的基于方向滤波的图像编码方法、 基于图像轮廓/纹理的编码方法； 3.考虑到图像传递的景物特征，采用的分形编码，基于模 块的编码。
从信息论的角度上 分类：
1.冗余度压缩方法。也称无损压缩，信息保持编码或者熵编 码. 2.信息量压缩方法。也叫有损压缩、失真度编码或者熵压缩编 码
视频信号的编码过程
视频信号的采样 运动估计与预测 变换域编码 量化和编码
视频信号的解码过程
视频信号的解码过程是编码的逆过程，主要包括 运动补偿、逆变换、逆量化和可变长解码。
视频压缩的性能评价标准
主观标准
CCIR推荐的典型分级标准 妨碍尺度
5．丝毫看不出图像质量变坏 4．能看出图像质量变化，但 不妨碍观看 3．清楚看出图像质量变坏， 对观看有妨碍 2．对观看有妨碍 1．非常严重妨碍观看
质量尺度
5．非常好 4．好 3．一般 2．差 1．非常差
压缩编码的视频压缩的性能评价标准
客观标准
1. 2. 3.
压缩比——压缩前信源数据量与压缩后输出数据量 之比 ； 信噪比——直接反映压缩造成的信号失真度大小， 记为SNR ； 图像连续性——通常可以用每秒播放的图像的帧数 来衡量。按照人类视觉暂留特性，30以上的帧速率 已经达到极好的连续性。
JPEG基本系统的压缩评价 码率（比特/象素） 0.25~0.50 0.50~0.75 0.75~1.5 1.5~2.0 图像质量及应用 中等至好，满足某些应用 好至很好，满足多数应用 及其好，满足大多数应用 与原始图像几乎一样
视频编码技术-PPT
1.视频信号的数字化 2.视频文件格式 3.视频压缩编码原理 4.视频压缩标准
学习目标
掌握视频数字化方法 了解视频文件格式 掌握视频压缩编码原理（预测编码、变换编
码、统计编码原理）
理解视频压缩标准（ MPEG标准 ）
3.1 视频信号的数字化
1.视频相关的基本概念
所谓视频（video frequency ），连续的图像变化每秒 超过24帧（frame）画面以上时，根据视觉暂留原理，人 眼无法辨别单幅的静态画面，看上去是平滑连续的视觉效 果，这样连续的画面叫做视频。即视频是由一系列单独的 静止图像组成，其单位用帧或格来表示；
（1）本地影像视频格式
－MOV格式，美国Apple公司开发的一种视频格式，默认 的播放器是苹果的QuickTime Player。具有较高的压缩比率 和较完美的视频清晰度等特点，但其最大的特点还是跨平 台性，即不仅能支持Mac OS，同样也能支持Windows系列。
Avid Media composer非线性编辑软件支持该格式。
同步信号
)
地(色度)
S-Video四芯插头（座）
地(亮度)
2.视频的采集及数字化
视频采集卡的接口
莲花接头
2.视频的采集及数字化
视频采集卡的接口 IEEE1394接口
IEEE1394是一种外部串行总线标准，800Mbps的 高速。1394接口具有把一个输入信息源传来的数据向 多个输出机器广播的功能，特别适用于家庭视听的连接。 由于该接口具有等时间的传送功能，确保视听AV设备 重播声音和图像数据质量，具有好的重播效果。
人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂 的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，而能继续保 留其影像0.1-0.4秒左右，这种现象被称为视觉暂留现象。
视频压缩基本原理PPT课件
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
72 92 95 98 112 100 103 99
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结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End
感谢聆听
运动序列流的组成
图像组
典型的图像类型的显示次序
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
图像顺序
9 8 10 6 5 7 3 2 4 1
编码顺序
FRAME 01 FRAME 02 FRAME 03 FRAME 04 FRAME 05 FRAME 06 FRAME 07
2020/11/21
FRAME 01 FRAME 02 FRAME 03 FRAME 04 FRAME 05 FRAME 06 FRAME 07
y=0 x=0 14 13 16 24 40 57 69 56
14 17 22 29 51 87 80 62
C(0)=1/21√8 2 22 37 C(5v6 )=6C8 (h1)0=9 1/2103[v,h77≠0]
24 35 55 64 81 104 113 92 49 64 78 87 103 121 120 101 72 92 95 98 112 100 103 99
视频压缩原理框图
P 帧
视频压缩原理框图
0.5X
+
B
帧
视频压缩原理框图
本章结束，谢谢收看！
2、视频压缩基本原理
图像（帧）
视频编码器工作原理
视频编码器工作原理视频编码器是一种用于将视频信号转换为数字编码格式的设备，它的工作原理是通过对视频信号进行压缩和编码，以减小文件大小并提高传输效率。
在视频编码器的工作过程中，有几个关键的步骤和技术需要了解。
首先，视频编码器会对视频信号进行采样和量化。
采样是指将连续的视频信号转换为离散的数字信号，而量化则是将这些数字信号转换为离散的数字值。
这两个步骤可以减小视频文件的大小，同时保持足够的图像质量。
接下来，视频编码器会使用一种压缩算法对视频信号进行压缩。
压缩算法可以通过去除视频信号中的冗余信息和不可见细节来减小文件大小。
常见的压缩算法包括JPEG、MPEG和H.264等，它们可以根据视频内容的特点选择合适的压缩方式，以达到最佳的压缩效果。
在压缩之后，视频编码器会对视频信号进行编码。
编码是指将视频信号转换为特定的数字编码格式，以便在不同的设备和平台上进行播放和传输。
常见的视频编码格式包括AVC、HEVC和VP9等，它们可以根据不同的需求选择合适的编码方式，以达到最佳的视频质量和传输效率。
最后，视频编码器会对压缩和编码后的视频信号进行封装和打包。
封装是指将视频信号和音频信号合并为一个完整的多媒体文件，而打包则是将多媒体文件转换为特定的传输格式，以便在网络上进行传输和播放。
常见的封装和打包格式包括MP4、FLV和TS等，它们可以根据不同的传输方式选择合适的格式，以达到最佳的传输效果。
总的来说，视频编码器的工作原理是通过对视频信号进行采样和量化、压缩和编码、封装和打包等一系列步骤和技术，以实现视频文件的压缩、编码和传输。
通过了解视频编码器的工作原理，我们可以更好地理解视频文件的制作和传输过程，以及如何选择合适的编码格式和传输方式，以达到最佳的视频质量和传输效率。
视频压缩原理
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，AVC，AVS4. 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•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-2MPEG-4 Simple ProfileAVCAVSVC-1标准化组织：•ITU：International Telecommunications Union•VECG：Video Coding Experts Group•ISO：International Standards Organization•MPEG：Motion Picture Experts Group8. 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。
视频编码技术的原理与应用
视频编码技术的原理与应用随着互联网的普及，视频已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分。
从网络直播到线上课堂，我们可以随时随地通过视频来获取信息和教育资源。
而视频编码技术则是在这一过程中扮演了至关重要的角色，它可以将高清视频压缩至较小的文件大小，以方便传输与存储。
本文将探讨视频编码技术的原理与应用。
一、视频编码技术的基本概念在介绍视频编码技术之前，我们需要了解几个基本概念：视频帧率、分辨率和比特率。
视频帧率指的是在一秒钟内播放的视频帧数，常用的有24、25和30帧每秒。
分辨率则指的是视频画面的像素数，比如1080p分辨率表示视频画面有1920（像素宽度）x 1080（像素高度）的像素。
最后一个概念是比特率，它是在单位时间内传输的数据量，常用的单位是Mbps（兆比特每秒）。
二、常见的视频编码标准常见的视频编码标准包括H.264、MPEG-4和VP9等。
其中，H.264是目前最广泛使用的编码标准之一，支持高效的视频压缩和传输。
MPEG-4则是一种多媒体格式，支持视频、音频和图像等多种类型的数字媒体数据的存储和传输。
而VP9则是Google开发的一种开源视频编码器，可以提供更高效的视频压缩率和更高的视频画质。
三、视频编码技术的原理视频编码技术是通过分析视频数据的特征，将其压缩至尽可能小的文件大小，以便于传输和存储。
其中，最常用的压缩方式是通过移除视频数据中的冗余信息来达到压缩的效果。
冗余信息包括：空间冗余、时间冗余和视频编码类型冗余等。
空间冗余表现为视频画面中相邻像素之间的相似性，我们可以通过分组对这些像素进行数据压缩。
例如，在一些高清视频中，静止不动的背景会占用较大的空间，这就是我们可以利用空间冗余来压缩视频数据的情况。
时间冗余表现为视频连续帧之间的相似性，例如视频中的动作过程将在连续帧中反复出现。
我们可以使用编码技术来提取和比较连续帧之间的冗余信息，唯一表示新帧中发生变化的像素，通过传输不同帧之差，同样达到了压缩的目的。
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符号冗余也称编码表示冗余，又称信息熵冗余。信息 熵指一组数据携带的平均信息量。这里的信息量是指 从N个不相等可能事件中选出一个事件所需要的信息度 量，即在N个事件中辨识一个特定事件的过程中需要提 问的最少次数（=log2N比特）。将信息源所有可能事 件的信息量进行平均，得到的信息平均量称为信息熵。 符号冗余、空间冗余和时间冗余统称为统计冗余，因 为它们都取决于图像数据的统计特性。
视频压缩编码的基本原理和方法
视频压缩编码的必要性
数字化后的视频数据量十分巨大，不便于传输和存储。单 纯用扩大存储容量、增加通信信道带宽的办法是不现实的。 而数据压缩是个行之有效的方法，通过数据压缩手段把信 息的数据量压下来，以压缩编码的形式存储和传输，即紧 缩节约了存储空间，又提高了通信信道的传输效率。
时间冗余
这是序列图像表示中经常包含的冗余。序列图像（如电视 图像和运动图像）一般为位于时间轴区间内的一组连续画 面，其中的相邻帧往往包含相同的背景和运动物体，只不 过运动物体所在的空间位臵略有不同，所以后一帧的数据 与前一帧的数据有许多共同的地方。变化的只是其中某些 地方，这就形成了时间冗余。
符号冗余
结构冗余
数字化图像中的物体表面纹理等结构往往存在着冗余，这 种冗余称为结构冗余。当一幅图有很强的结构特性，纹理 和影像色调等与物体表面结构有一定的规则时，其结构冗 余很大。 有些图像的纹理区，像素值存在明显的分布模 式，例如，方格状的地板图案等。（已知分布模式，可以 通过某一过程生成图像。）
知识冗余
由图像的记录方式与人对图像的知识差异所产生的冗 余称为知识冗余。人对许多图像的理解与某些基础知 识有很大的相关性。例如，人脸的图像有固定的结构， 比如说嘴的上方有鼻子，鼻子的上方有眼睛等等，这 类规律性的结构可由先验知识和背景知识得到。但计 算机存储图像时还得把一个个像素信息存入，这就是 知识冗余。根据已有知识，对某些图像中所包含的物 体，可以构造其基本模型，并创建对应各种特征的图 像库，进而图像的存储只需要保存一些特征参数，从 而可以大大减少数据量。知识冗余是模型编码主要利 用的特性。
视频压缩编码的发展
香农（Shannon）的信息论，即以经典的 集合论为基础基于某种统计概率模型来 描述信源。 香农信息论的缺陷：一是没有考虑信息 接受者的主观特性；二是撇开了事件本 身的具体含义、重要程度和引起的后果 但是香农信息论具有高度的概括性和综 合性，因此得到广泛的应用。
MPEG,活动图像专家组
视觉冗余
事实表明，人类的视觉系统对于图像的敏感性是非均匀和 非线性的，它并不能感知图像的所有变化。然而，在记录 原始图像数据时，通常假定视觉系统是线性的和均匀的， 对视觉敏感和不敏感的部分同等对待，从而就产生了比理 想编码更多的数据。当ห้องสมุดไป่ตู้些变化不能被视觉所感知，则忽 略这些变化，我们仍认为图像是完好的。人类视觉系统的 一般分辨能力估计为26灰度等级，而一般图像的量化采用 28灰度等级，这样的冗余称为视觉冗余。通过对人类视觉 进行大量实验，发现了以下的视觉非均匀特性：
视觉冗余
视觉系统对图像的亮度和色彩度的敏感性相差很大。 随着亮度的增加，视觉系统对量化误差的敏感度降低。 这是由于人眼的辨别能力与物体周围的背景亮度成反 比。由此说明：在高亮度区，灰度值的量化可以更粗 糙一些。 人眼的视觉系统把图像的边缘和非边缘区域分开来处 理，这是将图像分成非边缘区域和边缘区域分别进行 编码的主要依据。 人类的视觉系统总是把视网膜上的图像分解成若干个 空间有向的频率通道后再进一步处理。
PAL 制式 NTSC制式
25帧/秒 30帧/秒
以PAL制25帧/秒为例，视频每秒钟的数据量
720 576 24 25/（1024 1024 8）=29.66MB
视频压缩编码的可能性
数据压缩不仅是必要的，而且也是可能的。因为在视 频数据中存在着极强的相关性，也就是说存在着很大 的冗余度 。冗余数据造成比特浪费，消除这些冗余 可以节约码字，也就是达到了数据压缩的目的。在一 般的图像和视频数据中，主要存在以下几种形式的冗 余：
活动图像专家组（MPEG，Moving Picture Experts Group）,一直致力于 活动图像及其伴音的数据压缩编码标准 化工作，制定了一系列视频和音频压缩 编码的国际标准。如MPEG-1、MPEG-2、 MPEG-4。
MPEG-1
MPEG-1的正式名称“用于数字存储媒体的1.5Mbit/s 以下的活动图像及相关音频编码”,它规定视频信息与 伴音信息经压缩之后的数据速率上限为1.5Mbps,从而 可以在CD-ROM、硬盘、可写光盘、数字音频磁带（DAT） 等介质上进行存储，也可以在局域网、ISDN上进行视 频与伴音信息的传输。MPEG-1视频编码算法是一种有 损压缩算法，它适用于多种视频输入格式并且应用范 围很广。经过MPEG-1标准压缩后，视频数据压缩率为 1/100-1/200，MPEG-1提供每秒30帧352×240分辨率的 图像，当使用合适的压缩技术时，具有接近家用视频 制式（VHS）录像带的质量。
数据冗余的种类
空间冗余 时间冗余 符号冗余 结构冗余 知识冗余 视觉冗余
空间冗余
这是静态图像存在的最主要的一种数据冗余。一幅图 像记录了画面上可见景物的颜色。同一景物表面上各 采样点的颜色之间往往存在着空间连贯性，但是基于 离散像素采样来表示物体颜色的方式通常没有利用景 物表面颜色的这种空间连贯性，从而产生了空间冗余。 规则物体和规则背景的表面物理特性都具有相关性， 也就是说某些区域中所有点的光强和色彩以及饱和度 都是相同的，因此数据有很大的空间冗余。
视频压缩编码
上述各种形式的冗余，是压缩图像与视频数据的出发 点。图像与视频压缩编码方法就是要尽可能地去除这 些冗余，以减少表示图像与视频所需的数据量 图像/视频压缩编码的目的，是在保证重建图像质量 一定的前提下，以尽量少的比特数来表征图像/视频 信息。
视频压缩编码的发展
压缩编码的理论基础是信息论。从信息 论的角度来看，压缩就是去除数据中的 冗余。即保留不确定的信息，去除确定 的信息（即可推知的信息），用一种更 接近信息本质的描述来代替原有冗余的 描述。