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
• 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

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，t_top=t_bot。
• 隔行图像：一帧图像的两场在不同时间得到， t_top≠t_bot。

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