《数字视频图像压缩》课件

数字视频图像压缩探讨数字视频图像压缩的基本原理和主要技术为后续深入学习打下基础,课程大纲课程概述课程内容课程目标本课程将全面介绍数字视频图像压缩的基本课程涵盖数字图像采样与量化、编码原理、通过本课程的学习学生将掌握数字图像和,概念、原理和技术包括无损和有损压缩方各种压缩标准以及视频编码技术等视频压缩的基本知识并了解行业发展趋,,法势数字图像的基本概念数字图像是由二维图像矩阵中的像素点组成的每个像素点都有明确的位置坐标和颜色值数字图像可以通过扫描、摄像等方式获得并可以进行存储、传输和,处理数字图像的基本特征包括分辨率、色深和颜色模型等图像采样与量化空间采样1将连续的图像划分为离散的像素网格色度采样2对红绿蓝三原色信号分别采样量化3将连续的像素值量化为有限离散的数值图像采样与量化是数字图像处理的基础通过将连续的图像划分为离散的像素网格并为每个像素赋予离散的数值实现了数字图像的表示,,,这是数字图像编码、压缩等后续处理的基础数字图像的描述和存储图像描述图像存储元数据颜色模型数字图像可以通过像素矩阵来常见的数字图像存储格式有除了像素数据数字图像还包常用的颜色模型包括、,RGB描述每个像素都有自己的位、、、括拍摄时间、设备参数、位置、等它们定义了,BMP JPEGPNG GIFCMYK HSV,置、亮度和颜色信息图像分等这些格式使用不同的压缩信息等元数据这些附加信息不同的颜色空间和表示方式辨率越高像素数量越多图像算法在保证图像质量的前提有助于管理和分类图像资源选择合适的颜色模型有助于优,,,细节就越丰富下尽可能减小文件大小化图像效果,图像编码基本原理数字化表示空间编码数字图像通过像素点采样和量化通过编码图像中像素点的亮度和将连续的模拟信号数字化处理颜色信息实现图像的数字表达信息压缩质量控制利用图像的冗余性和相关性进行在压缩过程中需要权衡图像质量,有效压缩以减少存储和传输需和数据大小以达到最佳效果,,求无损压缩编码技术编码效率提升广泛应用领域12无损压缩技术通过对数据进行无损压缩广泛应用于医疗影有效编码能够在不损失图像质像、模型、高分辨率图像等,3D量的情况下提高存储和传输效领域保证了关键数据的完整,率性算法多样性压缩比分析34常见的无损压缩算法包括熵编无损压缩的压缩比通常在2-4码、预测编码、变换编码等每倍之间具体取决于数据特性和,,种算法都有其适用场景所采用的编码算法有损压缩编码技术高压缩比质量损失通过一些有损的编码方式可以获得非有损压缩技术会带来一定的图像或视,常高的压缩比大大减小数字媒体的存频质量损失需要在压缩比和质量之间,,储空间和传输带宽需求进行折衡算法复杂度应用场景有损压缩算法通常比无损压缩算法更有损压缩主要应用于网络传输、存储加复杂需要更多的计算资源和处理时受限的场景以及一些对质量要求不太,,间高的应用中离散余弦变换DCT离散余弦变换是一种广泛应用于图像和视频压缩的数学变换DCT技术它能高效地将图像或视频帧在空间域上的信息转换到频率域上使得信息集中在较低频率的系数中,变换后的系数可以根据人眼对各频率成分的敏感程度进行有DCT选择性的量化从而实现有损压缩这种基于频率特性的压缩方式,极大地提高了图像和视频的压缩率图像压缩标准JPEG图像质量JPEG压缩基于离散余弦变换DCT技术,可以在保持良好视觉质量的同时实现高压缩比高压缩率通过有损压缩的方法,JPEG标准可以在50:1或更高的压缩比下仍保持较好的画质小文件尺寸JPEG压缩后的图像文件大小通常只有原始图像的几KB到几十KB,适合在互联网上传输视频压缩标准MPEG国际标准广泛应用是由国际标准化组织和国际电工委员会联合制定标准广泛应用于各种数字视频系统如、数字电视、网络MPEG ISOIEC MPEG,DVD的国际视频编码标准视频等编码效率高多种编码模式采用时域和空域预测及变换编码技术可实现高质量的视频压标准包括多种编码模式如、、等MPEG,MPEG,MPEG-1MPEG-2MPEG-4,缩满足不同应用需求视频压缩标准H.264/AVC编码高效性编码流程广泛应用是一种先进的视频压缩编码标采用运动补偿、离散余弦变广泛应用于光盘、H.264/AVC H.264/AVC H.264/AVC Blu-ray准相比前代标准具有更高的编码效率和图换、熵编码等技术通过帧间、帧内预测及广播、视频会议、手机视频等多个,,,HDTV像质量编码实现有效压缩领域满足不同应用需求,基于帧间压缩的视频编码预测编码1利用前后帧信息进行预测运动估计2获取目标区块在相邻帧中的位移运动补偿3利用运动信息对当前帧进行预测残差编码4编码预测错误信息以提高压缩率基于帧间压缩的视频编码技术利用相邻帧之间的相关性通过预测、运动估计和运动补偿等步骤减少帧间冗余信息从而提高视频压缩效率这一方,,,法可以显著降低视频数据量在保证质量的前提下大幅降低存储和传输成本,运动估计和补偿运动估计运动补偿运动估计是视频编码中的关键技术它用于预测当前帧中的物体运运动补偿是运动估计的延伸它根据运动矢量信息对当前帧进行预,,动情况通过对前一帧画面的分析可以确定当前帧中每一个宏块测生成一个预测帧将当前帧与预测帧的差值进行编码传输可以,,,的运动矢量从而提高编码效率大幅降低视频数据量,视频编码的基本单元宏块分区12视频编码的基本单元是宏块通常由个像素组成宏块宏块可以进一步划分为多个更小的分区以更细粒度地进行,16x16,用于执行空间和时间预测、变换编码和量化等步骤编码和处理这可以提高编码效率运动矢量编码顺序34运动矢量描述了当前宏块或分区相对于参考帧的移动情况视频帧通常按照的顺序编码帧为关键帧帧和帧通,I-P-B,I,P B用于时间预测过运动补偿实现高压缩率编码方式及其特点帧内编码帧间编码混合编码预测编码利用当前帧内的时间和空间冗利用帧与帧之间的时间冗余进结合帧内和帧间编码既利用利用前面编码的帧预测当前,余进行编码不需要参考其他行编码需要参考前后帧信当前帧内信息又利用前后帧帧减少需要编码的数据量,,,,帧编码效率较低但解码效息编码效率较高但解码效信息在编码效率和解码效率预测编码可以分为无损预测和,,,率高适用于交互性强的应率较低适用于单向传输的应之间进行权衡有损预测,,用用视频压缩编码标准系列标准系列标准1MPEG2H.26x、、、、MPEG-1MPEG-2MPEG-H.261H.263H.264/AVC等标准广泛应用于音视频压等标准专注于视频压缩编码4缩领域它们在编码效率、兼在视觉质量和编码效率上持续容性等方面有出色表现优化和改进系列标准标准3VP4HEVC、等开放免费的视频VP9AV1High-Efficiency Video压缩编码标准在图像质量和压是近年来最新,Coding HEVC缩效率上与主流标准竞争的主流视频压缩编码标准在高,分辨率下有出色表现视频压缩标准HEVC高效压缩广泛应用相较于可以实现高达的码率降低同时保持相同的被广泛应用于超高清视频、视频会议、云游戏等领HEVC H.26450%,HEVC4K/8K视频质量域编解码性能灵活配置采用了更复杂的编码技术不但压缩率更高编解码性能也有大提供了丰富的编码配置选项可以根据不同应用场景进行灵活HEVC,,HEVC,幅提升调整视频压缩标准VP9开放标准优化码率硬件支持是一种开放免费的视频压缩标准由谷能够在保持相同视频质量的情况下相虽然需要更复杂的编解码器但随着硬VP9,VP9,VP9,歌开发并在年发布旨在提供高质量的比显著降低左右的码率需件支持的不断增加其应用前景广阔2013,H.264/AVC25%,视频压缩性能求视频压缩标准AV1高压缩效率AV1采用先进的编码技术,提供了比现有标准更高的压缩率,能够在相同视频质量下占用更小的存储空间超高清画质AV1支持4K和8K等超高清分辨率,同时保持高保真的图像质量,满足未来视频应用的需求高编解码效率AV1拥有优化的编解码算法,在保证视频质量的同时,能够实现更高的编解码速度和低功耗视频图像质量评估主观评估客观评估感知评估由观众根据主观感受对视频质量进行打分和通过分析视频编码参数和图像信号特性采基于人类视觉系统的特性建立视觉感知模,,评价是最直观的评估方法用数学模型计算客观的质量分数型来预测视频画质更加准确贴近主观评,,估压缩算法的评价指标压缩比峰值信噪比12PSNR衡量压缩算法压缩效率的关键指标，反映了原始数据与压缩表示压缩后图像质量与原始图像的相似度，越高表示PSNR后数据的比例质量越好压缩复杂度编码效率34对应压缩算法的计算复杂度和运行时间开销，需要权衡压缩反映编码过程中的信息利用率，考察压缩算法的编码效率和性能和复杂度编码损失图像和视频压缩在应用中的挑战实时性要求高清化趋势高速流媒体视频和图像需要即时编解码对系统性能提出严格要求和超高清视频的兴起对压缩算法的效率和处理能力提出新挑,4K8K,战多设备兼容节能环保不同终端设备的显示分辨率和资源限制需要针对性的编码优化在提升压缩效率的同时减少压缩过程的算力消耗也非常重要,,相关技术发展趋势压缩标准更新换代硬件支持加速机器学习应用跨领域融合应用视频压缩标准正在不断更新处理器、和专用芯片的性利用深度学习等机器学习技图像视频压缩技术正在与计算,GPU从到再能越来越强大能够更好地支术可以进一步提高图像和视机视觉、虚拟现实等领域深度MPEG-2H.264/AVC,,,到和性能不断提持复杂的压缩算法提高编解频编码的性能如高质量图像融合拓展到更多应用场景如HEVC AV1,,,,,升这些新标准将继续推动图码效率这种硬件加速是压缩的超分辨率重建等这是未来自动驾驶、医疗影像等这种像和视频技术的发展技术进步的重要推动力压缩技术发展的一个重要趋跨界集成是发展方向之一势典型应用案例分享数字视频压缩技术已广泛应用于各行各业中如电视广播、视频会,议、视频监控等有效地提高了视频传输和存储的效率同时也应,,用于手机视频通话、在线视频会议、智能安防监控等领域满足了,用户对高质量视频服务的需求未来随着等新技术的发展高清视频、虚拟现实等应用将更加,5G,普及对视频压缩技术提出更高要求因此压缩标准的不断优化和,,新算法的开发将持续推动视频应用的创新与发展行业发展前景展望云计算技术云计算技术的不断进步将推动图像和视频压缩标准的发展提高处理效率和存储性能,人工智能应用人工智能技术在视频编码、图像分析等领域的应用将为图像视频压缩带来新的突破,5G网络普及网络的高带宽、低延迟特性将为高清视频传输提供基础促进图像视频压缩技术的发5G,展课程总结掌握压缩基础掌握压缩技术学习了数字图像和视频的基本概学习了无损压缩和有损压缩技术,念并了解图像采样、量化和编码以及主流的编码标准如、,JPEG的基本原理和MPEG H.264理解压缩的挑战实践应用能力了解了图像和视频压缩在应用中通过案例分享学会将所学知识应,面临的各种挑战以及未来的发展用到实际的图像和视频处理中,趋势问答交流课程结束后，我们将开放问答环节供学生提出任何与数字视频和图像压缩相关的疑问我们将耐心解答确保每一个学生都能充分理解课,,程内容并对此有更深入的认识通过互动沟通我们也希望了解学生的实际需求为日后的课程设计提供宝贵意见,,,同时我们鼓励学生积极参与讨论分享自己的思考和看法您的宝贵反馈将有助于我们不断改进教学方式提升整个课程的质量让我们携,,,手共创美好的学习体验!。