帧间预测编码
i帧和p帧的关系
i帧和p帧的关系在视频编码中，i帧和p帧是两种常用的帧类型。
它们之间存在着密切的关系，相互配合，共同构成了视频的完整画面。
本文将就i帧和p帧的关系展开探讨。
一、i帧和p帧的定义和特点i帧（intra frame）即帧内编码帧，也被称为关键帧。
它是视频序列中的某一帧，它的压缩仅依靠自身的数据进行，与其他帧之间没有关联。
i帧是视频的起始帧，也是解码器恢复视频的起点。
每个i 帧都是一个完整的画面，包含了丰富的空间信息，因此它的文件大小通常较大。
p帧（predictive frame）即帧间预测编码帧。
它是根据前一帧（一般为i帧或p帧）进行差异编码，通过预测和补偿来实现数据的压缩。
p帧只存储了发生变化的像素信息，因此文件大小相对较小。
p帧通过参考前一帧的像素信息来进行解码，从而恢复出完整的画面。
二、i帧和p帧的关系i帧和p帧是视频编码中的两个重要概念，它们之间存在着密切的关系。
在视频序列中，通常会以i帧为起点，后续的p帧通过对前一帧的预测和补偿来实现数据的压缩。
具体而言，p帧通过对前一帧进行运动估计和运动补偿，找出两帧之间的差异，并只存储这些差异。
这样一来，视频序列中的连续帧之间的差异就被有效地减小了，从而实现了更高效的压缩。
在解码时，解码器首先解码i帧，然后根据i帧的信息进行p帧的解码。
由于p帧仅存储了差异信息，因此解码时需要结合参考帧进行像素的恢复。
解码器会根据前一帧的像素信息和p帧的差异信息进行像素的重构，从而还原出完整的画面。
通过不断地参考前一帧的信息，p帧可以实现对整个视频序列的高效压缩和解码。
三、i帧和p帧的应用i帧和p帧的应用广泛存在于各种视频编码标准中，如H.264、H.265等。
在实际应用中，编码器会根据视频的特点和要求，合理地选择i帧和p帧的间隔和数量，以实现更好的压缩效果和视频质量。
通常情况下，i帧的间隔较长，而p帧的间隔较短，以保证视频的连续性和流畅性。
i帧和p帧的应用也在实时视频传输中具有重要意义。
HEVC帧内预测编码
HEVC帧内预测编码（一）帧内预测编码原理1、HEVC的基本编码框架如图2.1所示,其核心编码模块包括:帧内/间预测、变换和量化、炮编码、环内滤波等等。
编码器控制模块根据视频顿中不同图像块的局部特性,选择该图像块所釆用的编码模式。
（1）对帧内预测编码的块进行频域或空域预测；（2）对帧间预测编码的块进行运动补偿预测；（3）预测的残差再通过变换和量化处理形成残差系数,最后通过熵编码器生成最终的码流。
HEVC的基本编码框架图1、基本概念（1）编码是以尺寸为]6 x 16的宏块(MB)为单位进行的。
一个宏块由一个尺寸为16 X 16的亮度像素块和两个尺寸为8x8的色度像素块Cb和Cr组成。
根据预测模式的不同,一个宏块可以划分为多个子块进行预测。
（2）编码单元（CU）：每个CU包含着与之相关联的预测单元（PU）和变换单元（TU）。
3、帧内预测模式（1）帧内预测是指通过当前帖中已编码块的重构图像预测当前块。
HEVC—共定义了35种帧内预测模式。
HEVC帧内预测模式（2）参考像素的选择设当前块的左上角第一个像素为坐标原点,(x,y)为坐标值,,R x y 表示参考像素,P(x,y)表示当前块的预测像素。
（3）模式选择利用拉格朗日率失真优化模型（RDO ）：J =D +R λ⋅选择最合适的帧内预测模式。
（4）模式编码（a ）建立一个帧内预测候选列表candModeList,表中有三种候选预测模式，用于存储相邻PU 的预测模式；（b ）candModeList 建立完成后，可利用该列表对当前PU 模式信息进行编码。
4、帧内预测过程理论上，HEVC 的帧内预测可以分为三个步骤：1、判断当前TU 相邻参考像素是否可用，获取相邻参考像素；2、对参考像素进行滤波；3、根据滤波后的参考像素以及预测模式，计算当前TU 的预测像素值。
在代码实现中，这几部分分别对应，如以下的流程图所示：（二）源代码：1、fillReferenceSamples 函数它主要功能是在真正进行帧内预测之前，使用重建后的Yuv 图像对当前PU 的相邻样点进行赋值，为接下来进行的角度预测提供参考样点值。
H.264编码技术简介.
H.264编码技术简介摘要：本文介绍了H.264编码基本概况，技术特点，并与其他标准进行了比较。
简单介绍了H.264视频编码标准的几个关键技术，并针对目前H.264在监控领域的应用做了讲解。
目录摘要： (1)一．引言 (2)二. H.264视频编码基本概况 (2)2.1 什么是H.264编码？ (2)2.2 720P H.264高清成市场主流 (2)2.3 H.264 视频编码标准状况 (2)2.4 H.264 视频编码技术先进性 (3)2.5 H.264的核心竞争力是什么？ (5)2.6 Main Profile (6)三、H.264与其他标准的比较 (6)3.1H.264与其他标准的比较 (6)3.2 H.264的技术特点 (8)3.2.1 分层设计 (8)3.2.2 高精度、多模式运动设计 (8)3.2.3 帧内预测功能 (8)3.2.4 4×4块的整数变换 (8)3.2.5 统一的VLC (8)3.3 H.264的主要特点 (9)四、关键技术 (10)五、H.264在监控的应用 (12)5.1 TOYA SDVR 7IV 系统简介 (12)5.2 TOYA SDVR 7IV 系统主要特点 (12)5.3 主要技术规格 (13)5.4 系统功能 (13)5.5 TOYA SDVR 7IV系统应用 (13)六、H.264的总体优缺点 (14)七、小结 (15)八、参考文献 (16)一．引言随着社会的不断进步和多媒体信息技术的发展，人们对信息的需求越来越丰富，方便、快捷、灵活地通过语音、数据、图像与视频等方式进行多媒体通信已成不可或缺的工具。
其中视觉信息给人们直观、生动的形象，因此图像与视频的传输更受到广泛的关注。
然而，视频数据具有庞大的数据量，以普通的25帧每秒，CIF格式（分辨率为352×288）的视频图像为例，一秒钟的原始视频数据速率高达3.8M字节。
不对视频信号进行压缩根本无法实时传输如此庞大的数据量，因此，视频压缩技术成为研究热点。
高性能视频编码帧间预测的单元划分优化算法
高性能视频编码帧间预测的单元划分优化算法单娜娜;周巍;段哲民;魏恒璐【摘要】新一代的高性能视频编码(HEVC)通过应用各种先进技术来大幅提高视频编码的性能,然而,这些方法也大大增加了整个编码过程,尤其是预测编码阶段的计算复杂度.该文提出一种应用于高性能视频编码帧间预测的快速单元划分算法.该算法基于HEVC灵活的四叉树结构,根据被编码单元的运动特性来确定所编码信息的阈值,并以此作为单元划分的提前终止条件,从而减少了不必要的单元划分操作和率失真代价的相关计算,达到节省编码时间和降低编码复杂度的目的.实验结果表明,在峰值信噪比(PSNR)损失仅为0.0418 dB的情况下,所提算法可以平均降低46.1％的编码时间.【期刊名称】《电子与信息学报》【年(卷),期】2016(038)005【总页数】8页(P1194-1201)【关键词】高性能视频编码;编码单元;帧间预测;率失真代价【作者】单娜娜;周巍;段哲民;魏恒璐【作者单位】西北工业大学电子信息学院西安 710072;西北工业大学电子信息学院西安 710072;西北工业大学电子信息学院西安 710072;西北工业大学电子信息学院西安 710072【正文语种】中文【中图分类】TN919.811 引言新一代视频编码标准，即高性能视频编码(High Efficiency Video Coding, HEVC)标准，是由VCEG(Video Coding Experts Group)和MPEG(Moving Picture ExpertsGroup)联合成立的视频编码联合组(Joint Collaborative Team on Video Coding, JCT-VC)开发制定的[1]。
HEVC目前已经基本实现了在相同的质量下，压缩率比H.264/AVC提高一倍的目标，但是如何进一步提升编码效率和降低编码复杂度仍然是该领域内极具挑战性的热点问题。
在针对提高编码单元(CU)划分效率的有关问题上，人们进行了大量的研究，文献[2]提出了借助图像梯度信息提前选择CU深度范围的快速选择算法。
视频编码帧介绍
视频编码之I帧率、P帧、B帧1. 视频传输原理视频是利用人眼视觉暂留的原理，通过播放一系列的图片，使人眼产生运动的感觉。
单纯传输视频画面，视频量非常大，对现有的网络和存储来说是不可接受的。
为了能够使视频便于传输和存储，人们发现视频有大量重复的信息，如果将重复信息在发送端去掉，在接收端恢复出来，这样就大大减少了视频数据的文件，因此有 了H.264视频压缩标准。
在H.264压缩标准中I帧、P帧、B帧用于表示传输的视频画面。
1、I帧I帧又称帧内编码帧，是一种自带全部信息的独立帧，无需参考其他图像便可独立进行解码，可以简单理解为一张静态画面。
视频序列中的第一个帧始终都是I帧，因为它是关键帧。
2、P帧P帧又称帧间预测编码帧，需要参考前面的I帧才能进行编码。
表示的是当前帧画面与前一帧（前一帧可能是I帧也可能是P帧）的差别。
解码时需要用之 前缓存的画面叠加上本帧定义的差别，生成最终画面。
与I 帧相比，P帧通常占用更少的数据位，但不足是，由于P帧对前面的P和I参考帧有着复杂的依耐性，因 此对传输错误非常敏感。
3、B帧B帧又称双向预测编码帧，也就是B帧记录的是本帧与前后帧的差别。
也就是说要解码B帧，不仅要取得之前的缓存画面，还要解码之后的画面，通过前后画面的与本帧数据的叠加取得最终的画面。
B帧压缩率高，但是对解码性能要求较高。
总结：I帧只需考虑本帧；P帧记录的是与前一帧的差别；B帧记录的是前一帧及后一帧的差别,能节约更多的空间,视频文件小了,但相对来说解码的时候就比较麻烦。
因为在解码时,不仅要用之前缓存的画面,而且要知道下一个I或者P的画面,对于不支持B帧解码的播放器容易卡顿。
视频监控系统中预览的视频画面是实时的，对画面的流畅性要求较高。
采用I帧、P帧进行视频传输可以提高网络的适应能力，且能降低解码成本所以现阶段的视频解码都只采用I帧和P帧进行传输。
海康摄像机编码，I帧间隔是50，含49个P帧。
AVC(H264)是1995年自MPEG-2视频压缩标准发布以后的最新
H.264/MPEG-4 AVC（H.264）是 1995 年自 MPEG-2 视频压缩标准发布以后的最新、最有 前途的视频压缩标准。
H.264 是由 ITU-T 和 ISO/IEC 的联合开发组共同开发的最新国际视频 编码标准。
通过该标准，在同等图象质量下的压缩效率比以前的标准提高了 2 倍以上，因此， H.264 被普遍认为是最有影响力的行业标准。
一、H.264 的发展历史 H.264 在 1997 年 ITU 的视频编码专家组（Video Coding Experts Group）提出时被称 为 H.26L， ITU 与 ISO 合作研究后被称为 MPEG4 Part10 在 （MPEG4 AVC） H.264 或 （JVT） 。
H.264 的高级技术背景 H.264 标准的主要目标是：与其它现有的视频编码标准相比，在相同的带宽下提供更加优秀的 图象质量。
而，H.264 与以前的国际标准如 H.263 和 MPEG-4 相比，最大的优势体现在以下四个方面： 1． 将每个视频帧分离成由像素组成的块，因此视频帧的编码处理的过程可以达到块的级别。
2． 采用空间冗余的方法，对视频帧的一些原始块进行空间预测、转换、优化和熵编码（可变 长编码）。
3． 对连续帧的不同块采用临时存放的方法，这样，只需对连续帧中有改变的部分进行编码。
该算法采用运动预测和运动补偿来完成。
对某些特定的块， 在一个或多个已经进行了编码的帧执 行搜索来决定块的运动向量，并由此在后面的编码和解码中预测主块。
4． 采用剩余空间冗余技术，对视频帧里的残留块进行编码。
例如：对于源块和相应预测块的 不同，再次采用转换、优化和熵编码。
H.264 的特征和高级优势 H.264 是国际标准化组织（ISO）和国际电信联盟（ITU）共同提出的继 MPEG4 之后的新一代 数字视频压缩格式， 它即保留了以往压缩技术的优点和精华又具有其他压缩技术无法比拟的许多 优点。
帧间预测编码中的运动估计算法研究
于相邻 帧 的预 测 帧 。再 对 当前 帧 和预 测 帧 之 间 的 差值 信 息以及 ，成 预 测 帧 的运 动绍算 法 之 前 ， 需 要 确 定 算 法 的 匹 配 准 还
ｒ ｈ ｉ Ｓ ａｃ ） ｉ ｍ ｃ ｅ ｒｈ ｔ
ｒｌｔｎＦｎｔｎ 等 。其 中 ＭＡ 因为 计 算 步 骤 简 ｅ ｉ ｕｃｉ ） ａｏ ｏ Ｄ 单， 不涉及 乘 法运算 ， 且具有 很 高 的计算 效率 ， 并 同 时其 结果 的精度 也适 用 于大 多数 应用场 合 ， 因此 被 广泛 采用 。ＭＡ Ｄ的计算 方 法是 对 像 素块 中的每 个 点取 绝对 差值 ， 再计 算其 总 和而得 到两 个像 素块 的
码和传输 ， 在解码端根据解码后 的差值信息和 已被 恢 复 的相邻 帧 重 构被 编 码 帧 而 实现 的。对 被 编 码
收到本文 时间 ： ０ ２ ７年 ３月 １ 日 ０ ９
则， 只有在匹配准则下最符合的像素块才会被认为
是最佳 匹配 块 。
作者简介 ： 手磊 ， ， 士研 究生 ， 男 硕 研究方 向： 字视 频压缩 编码 技术。葛镜 ， ， 数 男 硕士研 究生 ， 研究方 向 ： 数字 视频传 输技术 。熊 曼 子， ， 士研究生 ， 男 硕 研究方 向： 数字视频 压缩 编码技术 。
有空问相关性 ， 对相邻一定范 围内的每个像素点都
做一 次 匹配点 搜索 计 算 是 非 常 繁琐 而 且 根 本 没有 必要 的 。因此 ， 像素 矩阵 块被 用来 做帧 间预测 编码 的最 小计算 处理 单元 。根 据不 同 的应 用对 象 、 运算
除视频序列中相关帧之间的时域冗余信息 ， 以达到 压缩数据 ， 方便存储和传输的目的。 到 目前 为 止 ， 已经提 出 了多种 帧间预测 编码 算
图像编码中的预测编码原理与应用(六)
图像编码是一项关键的技术，它旨在通过压缩图像数据来减少存储空间和传输带宽。
预测编码是图像编码中一种常见的方法，它利用了图像中像素值的相关性以减少冗余信息。
一、预测编码原理预测编码原理借鉴了信号处理中的预测模型。
它基于一个简单的观察：图像中相邻像素之间的值往往具有某种相关性。
预测编码的目标是预测当前像素的值，并只需传输预测误差，从而实现数据的压缩。
为了实现预测编码，需要选择合适的预测模型。
根据像素值的相关性，常用的预测模型有平均预测、差值预测和线性预测。
平均预测模型假设当前像素的值等于其相邻像素值的平均值。
差值预测模型假设当前像素的值等于前一个像素值加上一个预测误差。
线性预测模型则根据相邻像素值的线性组合来预测当前像素的值。
根据预测模型，预测编码的过程可以分为两个步骤：预测和编码。
预测阶段利用预测模型来预测当前像素的值，得到预测像素。
编码阶段计算预测误差，并将其转换成二进制码流。
二、预测编码的应用预测编码广泛应用于图像和视频压缩领域。
以下为几个预测编码在实际应用中的例子：1. 标准图像压缩算法在图像压缩算法中，预测编码通常与离散余弦变换（DCT）结合使用。
这种结合可以在压缩图像时保留更多的细节信息。
经典的JPEG图像压缩算法就采用了这种技术。
2. 视频编码对于视频编码，预测编码被广泛应用于帧间编码中。
帧间编码利用了视频中相邻帧之间的时空相关性。
其中，运动预测是一种常见的预测模型，它利用了相邻帧之间的运动信息来预测当前帧。
3. 图像传输在图像传输中，预测编码可以减少传输带宽。
通过只传输预测误差，可以大大减少传输数据的量。
这在远程监控、视频会议等场景中特别有用。
4. 医学图像处理对于医学图像处理，预测编码可用于减少图像的存储需求。
例如，医学影像中的CT扫描图像常常非常大。
通过预测编码，可以将图像数据压缩到可以接受的范围，同时保持图像质量。
总结：预测编码是图像编码中的一种重要方法，它通过利用图像中像素值的相关性来减少数据冗余。
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差位置同前，如 。
（3）步长除以2，并 搜索围绕次最小误差 的9个（3*3）点 如。
三步搜索法(TTS)
此搜索过程是一个由粗到细的 过程，每一步搜索9个点，用MSE 度量，找到最小搜索步长减半再 搜索，共25个点。
交叉搜索法（CSA）
基本思想还是对数搜索， 不同之处在于4个搜索位置是 号 而不是接+，但在最后一 次可接也可接+搜索。
第K帧
M N
f(m+i,n+j)
第K-Ns帧
计算两帧中子块的相关函数
当NCCF相关函数最大时，i,j就被定为子块 的水平和垂直的偏移值，但此式计算量大。
常用MSE最小
取MAD最小时的i,j值就是水平和垂直的 偏移量。
搜索方法
穷尽搜索法 二维对数法（TDL） 三步搜索法（TTS） 交叉搜索法（CSA)
(2). 象素递归法
Sk（x,y）=Sk-1(x-dx，y-dy) 若K帧中x,y点，由K-1帧中位于 (x-dx,y-dy) 处的点运动过来的，则两 个的点灰度相同。
迭代修正公式
(3)傅立叶变换法
根据傅立叶变换 计算出来相位变化来 确定图象的位移。
程序实现举例
对于数字图象
L.Roberts 梯度检测边缘
近几年运动补偿技术(Motion Compensation)十分活跃。在H.261， MPEG标准编码中都用到这个技术。
运动估计有下述三种方法：
(1). 块匹配法（Block Matching Algorithm BMA） 以象素块为准进行运动估计。
(2). 象素递归法 （Pixel Recursive Algorithm PRA）以象素为准进行递归的运动估计。
3.条件次取样法
条件补充法和内插法相结合叫条件次 取样法。
具体做法：在时间轴采用次取样(两个 取一 个就是次取样)对于未取样的当前场的 某点可以采用隔场的四邻点亮度的均值， 作为该点亮度的预测值。
条件补充：S0=1/4(SA+SB+SC+SD)内 插预测值与实际值之差小于阈值后就不传。
4.运动ห้องสมุดไป่ตู้偿
穷尽搜索法
每一点都算MAD
取MAD最小值，新得到的i,j就是水平 和垂直的偏移量。
X
取MAD最小值，新得到的i,j 就是水平和垂直的偏移量。
二维对数法(TDL)
此算法用MSE均方误差作为匹配 准则，并在搜索窗口中用沿着最小误 差方向执行对数二维搜索过程。
步长除以2，沿着最小误差方向。
（1）5个初始点如图 所示 取MSE为最 小点,如 。 （2）下一步搜索三个 新位置，如 最小误
4.4.3 帧间预测编码
对于序列图象，把几帧的图象存起 来(大规模集成电路技术的发展) 使用帧 间相关性进一步消除图象信号的冗余度， 提高压缩比。
几种帧间压缩方法
✓ 1. 帧间预测 ✓ 2. 条件补充法 ✓ 3. 条件次取样法 ✓ 4. 运动补偿
1.帧间预测，采用 DPCM
(Ymn)N和(Ymn)N-1 变化很小。 统计结果表明：广播电视节目只有10%以内的 象素有变化。 Y有2%的变化； UV有千分之十以内的变化。
^
Xmn-Xmn=emn 只传差值
2.条件补充法
Mounts，Pease等人提出条件象素补充法 规定：若帧间各对应象素的亮度差超过阈值， 则把这些象素存到缓存区中，并以恒定传输速 度传输，而阈值以下的象素则不传送，在接收 端中用上一帧相应的象素代替。
据统计，在可视电话中用条件补充法传送 的象素只占全部象素的6%左右。
(3). 傅立叶变换法。
(1). 块匹配法
将图象分成M*N个矩形块。
在（M+2Wx）*（N+2Wy）范围内进行搜索
以求得最优匹配，从而求得运动矢量估值（dx，
dy）。
M+2Wx
M
N M*N块
Wx
Wy
Wy Wx
N+2Wy
匹配算法
归一化相关函数 均方误差 帧间绝对差
NCCF MSE MAD
M N
f(m,n)