图像视频压缩的国际标准与特点.docx
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图像视频压缩的国际标准与特点
图像/视频压缩国际标准与特点
通过近一个月对专业概论课程的学习,我对图像与视频的压缩有了初步的了解。
以下是我结合老师课程内容与课外资料整理的图像/视频压缩国际标准与特点相关报告:
一、JPEG（JointPhotographicExpertGroup）
（一）全称JointPhotographicExpertsGroup《联合图像专家小组》,是一个在国际标准组织（ISO）下从事静态图像压缩标准制定的委员会。
它制定出了第一套国标静态图像压缩标准:
ISO10918-1。
JPEG是ISO/IEC联合图像专家组制定的静止图像压缩标准,是适用于连续色调（包括灰度和彩色）静止图像压缩算法的国际标准。
JPEG格式是目前网络上最流行的图像格式,是可以把文件压缩到最小的格式,即使采用细节几乎无损的10级质量保存时,压缩比也可达5:
1。
以BMP格式保存时得到4.28MB图像文件,在采用JPG格式保存时,其文件仅为178KB,压缩比达到24:
1。
经过多次比较,采用第8级压缩为存储空间与图像质量兼得的最佳方式。
JPEG格式又可分为标准JPEG、渐进式JPEG及JPEG2000三种格式:
1.标准JPEG格式:
此类型图档在网页下载时只能由上而下依序显示图片,直到图片资料全部下载完毕,才能看到全貌。
2.渐进式JPEG格式:
渐进式JPG为标准JPG的改良格式,可以在网页下载时,先呈现出图片的粗略外观后,再慢慢地呈现出完整的内容,而且存成渐进式JPG格式的档案比存成标准JPG格式的档案要来得小,所以如果要在网页上使用图片,可以多用这种格式。
JPEC算法共有4种运行模式,其中一种是基于空间预测（DPCM）的无损压缩算法,另外3种是基于DCT的有损压缩算法。
（二）特点分析:
优点:
摄影作品或写实作品支持高级压缩。
利用可变的压缩比可以控制文件大小。
支持交错（对于渐近式JPEG文件）。
广泛支持Internet标准。
缺点:
有损耗压缩会使原始图片数据质量下降。
当编辑和重新保存JPEG文件时,JPEG会混合原始图片数据的质量下降。
这种下降是累积性的。
JPEG不适用于所含颜色很少、具有大块颜色相近的区域或亮度差异十分明显的较简单的图片。
二、JPEG-2000
（一）与以往的JPEG标准相比,JPEG-2000压缩率比JPEG高约30%,它有许多原先的标准所不可比拟的优点。
JPEG-2000与传统JPEG最大的不同,在于它放弃了JPEG所采用的以DCT变换为主的分块编码方式,而改为以小波变换为主的多分辨率编码方式。
首先,JPEG-2000能实现无损压缩（losslesscompression）。
在实际应用中,有一些重要的图像,如卫星遥感图像、医学图像、文物照片等,通常需要进行无损压缩。
对图像进行无损编码的经典方法——预测法已经发展成熟,并作为一个标准写入了JPEG-2000中。
JPEG-2000还有一个很好的优点就是误码鲁棒性（robustnesstobiterror）好。
因此使用JPEG-2000的系统稳定性好,运行平稳,抗干扰性好,易于操作。
JPEG-2000能实现渐进运输（progressivetransmission）,这是JPEG-2000的一个极其重要的特征。
它可以先传输图像的轮廓,然后逐步传输数据,不断提高图像质量,以满足用户的需要,这在网络传输中具有非常重大的意义。
使用JPEG-2000下载一个图片,用户可先看到这个图片的轮廓或缩影,然后再决定是否下载。
而且,下载时可以根据用户需要和带宽来决定下载图像
质量的好坏,从而控制数据量的大小。
JPEG-2000另一个极其重要的优点就是感兴趣区（ROI,RegionOfInterest）特性。
用户在处理的图像中可以指定感兴趣区,对这些区域进行压缩时可以指定特定的压缩质量,或在恢复时指定特定的解压缩要求,这给人们带来了极大的方便。
在有些情况下,图像中只有一小块区域对用户是有用的,对这些区域采用高压缩比。
在保证不丢失重要信息的同时,又能有效地压缩数据量,这就是感兴趣区的编码方案所采取的压缩策略。
基于感兴趣区压缩方法的优点,在于它结合了接收方对压缩的主观要求,实现了交互式压缩。
（二）特点分析:
JPEG2000的压缩优越性跟它的先进的编码技术是密切相关的。
大体说来分为六个方面:
1、JPEG2000可以方便地实现渐进式传输。
也就是说,它先传输图像的大体轮廓,然后逐步传输其他数据,不断地提高图像质量。
这样图象就由朦胧到清晰显示出来,从而节约、充分利用有限的带宽。
而传统的JPEG无法做到这一点,只能是从上到下逐行显示。
2、JPEG2000既支持有损压缩,也支持无损压缩方式。
因此JPEG2000在保存不可以丢失原始信息,而又强调较小的图象文档尺寸的情况下能扮演很重要的角色。
3、JPEG2000支持所谓的“感兴趣区域”特性,你可以任意指定图像上你感兴趣区域的压缩质量,还可以选择指定的部份先解压缩。
这样我们就可以很方便的突出重点了。
这在大大降低图象尺寸方面起到很大作用。
4、实际上,JPEG2000作为JPEG家族的继承者,就不能不追求很高的压缩比。
在具有和传统JPEG类似质量的前提下,JPEG2000的压缩率比JPEG高20%-40%左右。
5、JPEG2000在颜色处理上,具有更优秀的内涵。
与JPEG相比,JPEG2000同样可以用来处理多达256个通道的信息。
而JPEG仅局限于RGB数据。
也就是说,JPEG2000可以用单一的文件格式来描述另外一种色彩模式,比如CMYK模式。
6、JPEG2000能使基于WEB方式多用途图象简单化。
因为缩略图与它链接的图象并不是同一个图象,需要另外制作与存储。
而JPEG2000只需要一个图象就可以了。
用户可以自由地放缩、平移、剪切该图象而能得到他们所需要的分辨率与细节。
三、MPEG-1
国际标准化组织ISO/IEC的运动图像专家组MPEG（MovingPictureExpertGroup）一直致力于运动图像及其伴音编码标准化工作,并制定了一系列关于一般活动图像的国际标准。
1993年制定的MPEG-1标准是针对15Mbit/s速率的数字存储媒体运动图像及其伴音编码制定的国际标准,该标准的制定使得基于CD-ROM的数字视频以及MP3等产品成为可能。
MPEG-1的带宽最多为15Mbit/s,其中11Mbit/s用于视频,128Kbit/s用于音频,其余带宽用于MPEG系统本身。
为了追求高的压缩效率,去除图像序列的时间冗余度,同时满足多媒体等应用所必须的随机存取要求,MPEG-1视频把图像编码分成I帧、P帧、B帧和D帧共4种类型。
MPEG-1采用运动补偿支除图像序列时间轴上的冗余度,可使对P帧和B帧图像的压缩倍数比I帧提高很多。
（二）特点分析:
随机访问,灵活的帧率、可变的图像尺寸、定义了I-帧、P-帧和B-帧、运动补偿可跨越多个帧、半像素精度的运动向量、量化矩阵、GOF结构、slice结构、技术细节、输入视频格式。
特性:
编码简单,用于数字盒式录音磁带,2声道,VCD中使用的音频压缩方案就是MPEG-1层Ⅰ。
优点:
压缩方式相对时域压缩技术而言要复杂得多,同时编码效率、声音质量也大幅提高,编码延时相应增加。
可以达到“完全透明”的声音质量（EBU音质标准）
缺点:
频宽要求较高
四、MPEG-2
MPEG组织1995年推出的MPEG-2标准是在MPEG-1标准基础上的进一步扩展和改进,主要是针对数字视频广播、高清晰度电视和数字视盘等制定的4~9Mbit/s运动图像及其伴音的编码标准,MPEG-2是数字电视机顶盒与DVD等产品的基础。
MPEG-2系统要求必须与MPEG-l系统向下兼容,因此其语法的最大特点在于兼容性好并可扩展。
MPEG-2的目标与MPEG-1相同,仍然是提高压缩比,改善音频、视频质量,采用的核心技术还是分块DCT和帧间运动补偿预测技术。
MPEG-2视频允许数据速率高达100Mbit/s,支持隔行扫描视频格式和许多高级性能。
考虑到视频信号隔行扫描的特点,MPEG-2专门设置了“按帧编码”和“按场编码”两种模式,并相应地对运动补偿和DCT方法进行了扩展,从而显著提高了压缩编码的效率。
考虑到标准的通用性,增大了重要的参数值,允许有更大的画面格式、比特率和运动矢量长度。
（二）特点分析:
MPEG-2视频是一系列的系统,每一个系统具有安排好的共性和兼容程度。
它允许对四种源格式或者级别进行编码,从简单清晰度（CIF格式）到完全的高清晰度电视HDTV（HighDefinitionTelevision）。
除了源格式的这种灵活性外,MPEG-2还规定了分辨率从低到高的4级5类共11种单独的技术规范,同一种类不同级别间的图像分辨率和编码速率相差甚远。
表2给出了MPEG-2允许的级别和类的组合。
MPEG-2的另一特点是,其可提供一个较广的范围改变压缩比,以适应不同画面质量,存储容量,以及带宽的要求。
对于最终用户来说,由于现存电视机分辨率限制,MPEG-2所带来的高清晰度画面质量（如DVD画面）在电视上效果并不明显,到是其音频特性（如加重低音,多伴音声道等）更引人注目。
五、MPEG-4
1992年11月,MPEG专家组决定开发新的适应于极低码率的音频/视频（AV,Audio-Visual）编码的国际标准,即MPEG-4。
对于学术界来说,极低码率（即小于64Kbit/s）是视频编码标准的最后一个比特率范围。
MPEG-4专家组深入分析了电视（television）、计算机（computer）、通信（communication）以及其交叉融合的发展趋势后,认为MPEG-4应该提供用于通信的新方式,其核心是基于内容content-based）的AV信息存储、处理与操作,支持交互性、高压缩比以及通用存储性等功能。
同时在其结构上应具有适应性与可扩展性,以适应硬、软件技术的不断发展,便于及时融合新的技术。
相对于MPEG的前两个压缩标准,MPEG-4已不再是一个单纯的视频音频编解码标准,它将内容与交互性作为核心,从而为多媒体提供了一个更为广阔的平台。
（二）特点分析:
1.基于内容的交互性
MPEG-4提供了基于内容的多媒体数据访问工具,如索引、超级链接、上传、下载、删除等。
利用这些工具,用户可以方便地从多媒体数据库中有选择地获取自己所需的与对象有关的内容,并提供了内容的操作和位流编辑功能。
MPEG-4提供了高效的自然或合成的多媒体数据编码方法。
2.高效的压缩性
MPEG-4基于更高的编码效率。
同已有的或即将形成的其它标准相比,在相同的比特率下,它基于更高的视觉听觉质量,这就使得在低带宽的信道上传送视频、音频成为可能。
同时MPEG-4还能对同时发生的数据流进行编码。
一个场景的多视角或多声道数据流可以高效、同步地合成为最终数据流。
3.通用的访问性
MPEG-4提供了易出错环境的鲁棒性,来保证其在许多无线和有线网络以及存储介质中的应用,此外,MPEG-4还支持基于内容的的可分级性,即把内容、质量、复杂性分成许多小块来满足不同用户的不同需求,支持具有不同带宽,不同存储容量的传输信道和接收端。
六、H.261
H.261是1990年ITU-T制定的一个视频编码标准,属于视频编解码器。
其设计的目的是能够在带宽为64kbps的倍数的综合业务数字网（ISDNforIntegratedServicesDigitalNetwork）上传输质量可接受的视频信号。
编码程序设计的码率是能够在40kbps到2Mbps之间工作,能够对CIF和QCIF分辨率的视频进行编码,即亮度分辨率分别是352x288和176x144,色度采用4:
2:
0采样,分辨率分别是176x144和88x72。
在1994年的时候,H.261使用向后兼容的技巧加入了一个能够发送分辨率为704x576的静止图像的技术。
H.261是第一个实用的数字视频编码标准。
H.261使用了混合编码框架,包括了基于运动补偿的帧间预测,基于离散余弦变换的空域变换编码,量化,zig-zag扫描和熵编码。
H.261编码时基本的操作单位称为宏块。
H.261使用YCbCr颜色空间,并采用4:
2:
0色度抽样,每个宏块包括16x16的亮度抽样值和两个相应的8x8的色度抽样值。
H.261标准大体上分为两种编码模式:
帧内模式和帧间模式。
对于缓和运动的人头肩像,帧间编码模式将占主导位置;而对画面切换频繁或运动剧烈的序列图像,则帧间编码模式要频繁地向帧内编码模式切换。
（二）特点分析:
H.261实际的编码算法类似于MPEG算法,但不能与后者兼容。
H.261在实时编码时比MPEG所占用的CPU运算量少得多,此算法为了优化带宽占用量,引进了在图像质量与运动幅度之间的平衡折中机制,也就是说,剧烈运动的图像比相对静止的图像质量要差。
因此这种方法是属于恒定码流可变质量编码而非恒定质量可变码流编码。
七、H.263
1995年,ITU-T总结当时国际上视频图像编码的最新进展,针对低比特率视频应用制定了H.263标准,该标准被公认为是以像素为基础的采用第一代编码技术的混合编码方案所能达到的最佳结果。
随后几年中,ITU-T又对其进行了多次补充,以提高编码效率,增强编码功能。
H
263系列标准特别适合于PSTN网络、无线网络与因特网等环境下的视频传输。
H.263已被几种可视电话采纳为终端标准。
H263信源编码算法的核心仍然是H261标准中采用的DPCM/DCT混和编码算法,原理也和H261十分相似。
（二）特点分析:
H.263标准在低码率下能够提供比H.261更好的图像效果,两者的区别有:
1、H.263的运动补偿使用半像素精度,而H.261则用全像素精度和环路滤波;
2、数据流层次结构的某些部分在H.263中是可选的,使得编解码可以配置成更低的数据率或更好的纠错能力;
3、H.263包含四个可协商的选项以改善性能;
4、H.263采用无限制的运动向量以及基于语法的算术编码;
5、采用事先预测和与MPEG中的P-B帧一样的帧预测方法;
6、H.263支持5种分辨率,即除了支持H.261中所支持的QCIF和CIF外,还支持SQCIF、4CIF和16CIF,SQCIF相当于QCIF一半的分辨率,而4CIF和16CIF分别为CIF的4倍和16倍。
八、新一代视频编码标准H.26L
H.26L作为面向电视电话、电视会议的新一代编码方式,最初是由mJ组织的视频编码专家组（VCEG,Videoc0dirIgpensGroup）于1997年提出的。
直到2001年底,鉴于H.26L的实验模型的性能明显优于现有的MPF~4的软件模型,ISO/IEC的MPEG组织也加入了1TU—T的VCEG的组织,组成了联合视频小组（J、,1',JointVideoTeam）共同完成H.26L的制定工作。
肌组织的目标就是建立一个单独的视频编码标准,即一个新的n1J.T标准（1ikelvH.264）,同时也作为MPEG-4家族的一部分H.26L的标准草案已经于2OO2年5月制定完成。
（二）特点分析:
1.节省了大于5O%的码率同H.263v2（H.263+）或MPEG-4相比,在大多数的码率下,获得相同最佳效果的情况下,能够平均节省大于50%的码率:
2.高质量的视频画面H.26L能够在所有的码率（包括低码率）条件下提供高质量的视频图像;
3.自适应的延时特性H.26L可以工作于低延时模式下,用于实时的通讯应用（如视频会议）,也能用于没有延时限制的应用,如视频存储,视频流服务器等;
4.错误恢复功能H.26L提供了解决网络传输包丢失问题的工具,适用于在高误码率传输的无线网络中传输视频数据;
5.有利的网络传输功能H.26L的语法在概念上分为视频编码层（VCL,VideoCodingLayer）和网络应用层（NAL,NetworkAdaptationLayer）。
VCL层包含了代表视频图像内容的核心压缩编码部分,而NAL包含了用于特定网络传输的信息包传输过程。
因此,H.26L能够更好地适应网络数据封装和信息优先权控制。
九、MPEG-7
MPEG-7是为“多媒体内容描述接口”,是用于信息表示的,PEG-7是“基于语义的表示”。
MPEG-7定义了一个描述符标准集,用于描述各种类型的多媒体信息,与之相应的描述方案可以用于规范多媒体描述符的生成和不同描述符之间的有机联系。
在此基础上,MPEG-7定义了一种描述定义语言（DDL,DescriptionDefinitionLanguage）用于指定和生成描述方案,即希望提出新的视频、音频信息表示方式,它既不同于基于波形和基于压缩的表示方式（如MPEG-1和MPEG-2）,又
不同于基于对象的表示方式（MPEG-4）。
MPEG-7可以描述的多媒体对象范围极其广泛,其核心部分DDL语言将充分吸收现有的各种媒体描述语言的特点,以达到对多媒体数据的普遍适应性。
最后,MPEG-7将提供内容的描述而不是内容本身,它将不能替代已有的MPEG标准（MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4）,仅仅是已有3个标准的补充。
（二）特点分析:
MPEG-7将扩展现有标识内容的专用方案及有限的能力,包含更多的多媒体数据类型。
MPEG-7将标准化一种语言来说明描述模式,即“描述定义语言”。
带有MPEG-7数据的AV资料可以包含静止图像、图形、3D模型、音频、语音、视频,以及这些元素如何在多媒体表现中组合的信息。
这些通用数据类型的特例可以包含面部表情和个人化特性。
MPEG-7的功能与其他MPEG标准互为补充。
MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4是内容本身的表示,而MPEG-7是有关内容的信息,是数据的数据（dataaboutdata）。
参考网站、文献:
1.《计算机应用与软件》第21卷第2期（2004年2月）新一代视频编码国际标准的研究
计文平郭宝龙丁贵广
（西安电子科技大学机电工程学院西安71{D71）
2.图像压缩的算法及其国际标准:
3.XX百科:
JPEG2000:
#2
JPEG:
视频压缩:
MPEG-1:
#3
MPEG-2:
#1_2
MPEG-4:
MPEG-7:
4.丁贵广、郭宝龙,“多媒体数据压缩标准化的现状与发展”,《计算机
工程与应用》,2002,38,PP.104~107.
5.曾昭平、马仲华.“H.26L中变换编码和量化的原理与分析”,《通信
学报》,2O02,23
（2）:
PP.102~106
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