《多媒体技术基础》课程教学课件（PPT讲稿）第12章 MPEG视像

多媒体技术基础(第3版) 第12章 MPEG视像

2025年10月26日 第12章 MPEG视像 2/46 第12章 MPEG视像目录 12.1 视像数据的冗余 12.2 视像数据的速率 12.2.1 BT.601视像数据速率 12.2.2 VCD视像的压缩比 12.2.3 DVD视像的压缩比 12.3 MPEG-1视像 12.3.1 视像数据的压缩算法 12.3.2 帧内图像I的压缩编码算法 12.3.3 预测图像P的压缩编码算法 12.3.4 双向预测图像B的压缩编码算 法 12.3.5 帧图像的编排顺序 12.3.6 视像数据流的结构 12.4 MPEG-2视像 12.4.1 视像编码器和解码器 12.4.2 视像数据位流的结构 12.4.3 视像质量可变编码 12.5 MPEG-4 Visual视像 12.5.1 MPEG-4 Visual简介 12.5.2 视像对象的编码与解码 概要 12.5.3 可视对象的层次结构

2025年10月26日 第12章 MPEG视像 3/46 第12章 MPEG视像 MPEG视像 ➢ MPEG视像是指使用MPEG视像标准压缩和解压缩 的电视图像 ➢ 现有的MPEG视像标准包括MPEG-1 Video，MPEG- 2 Video，MPEG-4 Visual和MPEG-4 AVC / H.264。 这些视像标准有许多共同之处，基本概念类似，数 据压缩和编码方法基本相同，它们的核心技术都是 采用以图像块作为基本单元的变换、量化、移动补 偿、熵编码等技术，在保证图像质量的前提下获得 尽可能高的压缩比 ➢ 本章将介绍MPEG视像标准[1]压缩视像数据的基本 原理和方法，对最近几年开发的MPEG-4 AVC / H.264标准将在第13章中作较详细的介绍

2025年10月26日 第12章 MPEG视像 4/46 12.1 视像数据的冗余 ◼ 视像数据存在的冗余 ➢ 时间冗余(temporal redundancy) ◼ 与时间相关的冗余：在某个时间间隔上出现场景相同或基 本相同的连续帧时，帧与帧之间存在大量的冗余数据 ➢ 空间冗余(spatial redundancy) ◼ 与空间位置有关的冗余：在单帧图像中，相邻像素的值常 有相同或变化不大的情况，可用较少数据表达 ➢ 结构冗余(structural redundancy) ◼ 图像自身构造的冗余：若从宏观上来看一帧图像，有些图 像存在相同或类似的结构，如用地板图案构成的图像 ➢ 视觉冗余(vision redundancy) ◼ 与视觉系统有关的冗余：对图像的亮度变化敏感而对颜色 变化不敏感，对剧烈变化区域敏感而对缓慢变化区域不敏 感，对图像的亮度和颜色的分辨率都存在极限

2025年10月26日 第12章 MPEG视像 5/46 12.1 视像数据的冗余(续) ➢ 知识冗余(knowledge redundancy) ◼ 与知识有关的冗余：在单帧图像中含有为人熟知的知识， 称为先验知识。例如，正面人头像有相对固定的结构，眼 睛下方是鼻子，鼻子下方是嘴，嘴和鼻子均位于脸的中线 上。这类规律性的结构往往不会改变或变化不大，而用传 统方式录制的视像数据中存在许多重复的数据 ◼ 知识是某个感兴趣领域中的实事、概念和关系 ➢ (6) 数据冗余(data redundancy) ◼ 数据本身的冗余：视像数据本身存的冗余

2025年10月26日 第12章 MPEG视像 6/46 12.2 视像数据的速率 ◼ 12.2.1 BT.601视像数据速率 ➢ 使用4:2:2采样格式，亮度信号Y的采样频率为13.5 MHz， 色差信号Cr和Cb的采样频率为6.75 MHz，每个样本的精 度为10位，视像数据速率为 (1) 亮度(Y) 858样本/行×525行/帧×30帧/秒×10位/样本≈135兆位/秒(NTSC) 864样本/行×625行/帧×25帧/秒×10位/样本≈135兆位/秒(PAL) (2) Cr (R-Y) 429样本/行×525行/帧×30帧/秒×10位/样本≈68兆位/秒(NTSC) 432样本/行×625行/帧×25帧/秒×10位/样本≈68兆位/秒(PAL) (3) Cb (B-Y) 429样本/行×525行/帧×30帧/秒×10位/样本≈68兆位/秒(NTSC) 432样本/行×625行/帧×25帧/秒×10位/样本≈68兆位/秒(PAL) 总计：27兆样本/秒×10位/样本= 270兆位/秒

2025年10月26日 第12章 MPEG视像 7/46 12.2 视像数据的速率(续1) ➢ 实际上，在荧光屏上实际显示的有效图像的数据 传输率并没有那么高，其中， (1) 亮度(Y) 720样本/行×480行/帧×30帧/秒×10位/样本 104兆位/秒 (NTSC) 720样本/行×576行/帧×25帧/秒×10位/样本 104兆位/秒 (PAL) (2) 色差(Cr，Cb) 2×360样本/行×480行/帧×30帧/秒×10位/样本 104兆位 /秒(NTSC) 2×360样本/行×576行/帧×25帧/秒×10位/样本 104兆位 /秒(PAL) 总计：～ 207兆位/秒(Mb/s) ➢ 如果每个样本的采样精度由10位降为8位，彩色数 字电视信号的数据传输率就降为166 Mb/s

2025年10月26日 第12章 MPEG视像 8/46 12.2 视像数据的速率(续2) ◼ 12.2.2 VCD视像的压缩比 ➢ 压缩比的概念 ◼ 压缩比是数据压缩程度的一种度量方法，其值等于压缩前 的数据大小与压缩后的数据大小之比。例如，把一幅原来 为1 MB的图像压缩成128 KB，其压缩比就是 1024×1024/128×1024 = 8∶1。 ➢ VCD盘要求的压缩比 ◼ 使用Video-CD存储器早期的数据传输率为1.4112 Mb/s，分 配给电视信号的数据传输率为1.15 Mb/s，这就意味着 MPEG视像编码器输出的数据速率要达到1.15 Mb/s ◼ 如果存储166 Mb/s的数字电视信号就需要对它进行高度压 缩，压缩比高达166/1.15 ≈ 144:1

2025年10月26日 第12章 MPEG视像 9/46 12.2 视像数据的速率(续3) ➢ NTSC和PAL的数据传输率 ◼ MPEG-1视像压缩技术不能达到这样高的压缩比。为此首 先把NTSC和PAL数字电视转换成公用中分辨率格式(CIF) 的数字电视，子采样使用4:2:0或4:1:1时，这种格式就相当 于家用录像系统(VHS)的质量，于是彩色数字电视的数据 传输率就要减小到， ◆ 352×240×30×8×1.5 ≈ 30 Mb/s (NTSC) ◆ 352×288×25×8×1.5 ≈ 30 Mb/s (PAL) ➢ VCD视像的压缩比 ◼ 把这种彩色数字电视信号存储到CD盘上所需要的压缩比 为30/1.15 ≈ 26:1。这是MPEG-1技术能够获得的压缩比

2025年10月26日 第12章 MPEG视像 10/46 12.2 视像数据的速率(续4) ◼ 12.2.3 DVD视像的压缩比 ➢ DVD盘要求的压缩比 ◼ DVD-Video存储器的数据传输率可达到10.08 Mb/s以上， 一张4.7 GB的单面单层DVD盘要存放133分钟的电视节目， 按照视像数据的平均数据传输率为4.1 Mb/s来计算，压缩 比就要求达到166/4.10 ≈ 40:1 ➢ NTSC和PAL的数据传输率 ◼ 如果视像的子采样使用4:2:0格式，每个样本的精度为8位， 视像数据传输率就减小到124 Mb/s，即 ◆ 720×480×30×8×1.5 ≈ 124 Mb/s (NTSC) ◆ 720×576×25×8×1.5 ≈ 124 Mb/s (PAL) ➢ DVD视像的压缩比 ◼ 使用DVD-Video来存储720×480×30或720×576×25的数字 视像所需要的压缩比为124/4.1 ≈ 30:1