《图像信息原理教学课件》动态图像压缩标准

动态图像压缩标准动态图像压缩技术是现代数字视频技术的重要组成部分，广泛应用于视频会议、网络视频、数字电视等领域本课件将介绍几种常见的动态图像压缩标准，包括系列标准、MPEG标准、标准等H.264/AVC H.265/HEVC图像信息原理概述图像信息概述图像信息表示图像信息处理图像信息是人类感知世界的重要信息来源，图像信息通常以数字形式表示，称为数字图图像信息处理包括图像压缩、增强、复原、它包含了丰富的视觉信息，如颜色、形状、像，其每个像素点用一个数值表示，并以矩分析、识别等，应用于数字图像的各种应用纹理等阵形式存储领域静态图像压缩标准JPEG PNG标准是目前应用最广泛的静态标准在图像质量和压缩效率方面JPEG PNG图像压缩标准都比更出色JPEGGIF TIFF标准适合于压缩带有大量重复色彩标准用于存储高质量图像，常用GIF TIFF的图像于专业摄影和出版领域压缩标准原理和应用JPEG（）是一种常用的静态图像压缩标准，广泛应用于数字摄影、图像编辑和网络传输等领域JPEG JointPhotographic ExpertsGroup图像采样1将图像分解为像素，并按照一定规则进行采样颜色空间转换2将颜色空间转换为颜色空间RGB YCbCr离散余弦变换3将图像数据进行变换，将空间域信号转换为频率域信号量化4对变换后的系数进行量化，舍弃部分细节信息熵编码5使用霍夫曼编码或算术编码对量化后的系数进行压缩压缩算法利用了人类视觉系统对不同频率信息的敏感度差异，对图像进行有损压缩，在保证图像质量的前提下，大幅降低了存储空间和传输带宽JPEG动态图像压缩标准的发展历程年代19801早期研究阶段，出现首个标准数字视频交互-DVI年代19902标准诞生，用于视频和低分辨率视频MPEG-1CD为数字电视广播和提供了更高的质量MPEG-2DVD年代20003和分辨率标准扩展应用到移动设备和互联网视频MPEG-4标准出现，显著提高了压缩效率，支持高H.264/AVC年代至今2010分辨率视频4标准进一步提升压缩效率，支持超高清H.265/HEVC视频多种新型标准不断涌现，满足未来视频服务需求标准MPEG-1早期标准关键技术

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2.12是第一个广泛采用的包括运动补偿、离散余弦变换MPEG-1动态图像压缩标准，于、量化和熵编码1991年发布应用领域局限性

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4.34主要用于视频光盘和由于压缩效率较低，VCD MPEG-1音频光盘中的视频和音在现代应用中逐渐被更新的标CD频数据压缩准取代标准MPEG-2主要应用关键特性广泛应用于数字电视支持更高分辨率、更MPEG-2MPEG-2广播、播放器、视频会议等高的帧率和更好的音质，可以满DVD领域足更高质量的视频需求技术优势在视频压缩效率和抗噪能力方面都有所提升，使其成为当时最MPEG-2先进的动态图像压缩标准之一标准MPEG-4标准的特点MPEG-4MPEG-4标准，也称为高级音频视频编码支持多种视频格式，包括标准定义、高清晰度和超高MPEG-4“”Advanced AudioSD HD清晰度Video CodingUHD该标准于年发布，它扩展了和，提供更标准还包括音频压缩功能，提供高品质声音体验1998MPEG-1MPEG-2MPEG-4广泛的应用，包括多媒体内容的交互式操作标准H.264/AVC关键特性引入了许多技术创新，例如更复杂的运动补偿、更H.264/AVC有效的熵编码和自适应量化这些创新使得能够以比以往任何时候都更低的比特H.264/AVC率实现更高的视频质量高效视频编码是一种高效的视频压缩标准，它在视频质量和压缩H.264/AVC比之间取得了良好的平衡被广泛应用于各种视频应用中，包括广播电视、互H.264/AVC联网视频和移动设备标准H.265/HEVC更高压缩效率支持更高分辨率更灵活的应用场景更低的功耗与相比，标准支持更高分标准适用于多种标准的更高压缩H.264H.265/HEVC H.265/HEVC H.265/HEVC编码标准拥有更辨率的视频编码，例如、应用场景，包括广播电视、互效率，可以有效降低视频传输H.265/HEVC4K高的压缩效率，可以在相同视甚至更高，满足了日益增长联网视频、移动设备和视频会和存储的功耗，尤其是在移动8K频质量的情况下，显著降低码的超高清视频需求议等设备上更明显率动态图像压缩的关键技术帧内编码帧间编码

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2.12帧内编码利用空间冗余，压缩帧间编码利用时间冗余，压缩单个图像，提高压缩效率前后帧之间的相似性，提高压缩效率运动补偿编码变换编码

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4.34运动补偿编码利用图像运动信变换编码将图像信号转换为频息，减少运动区域的冗余信息域系数，进行压缩和量化，提，提高压缩效率高压缩效率帧内编码独立编码空间冗余压缩帧内编码只依赖于当前帧的像素数据，无需参考其他帧的信息帧内编码利用图像的空间相关性，对图像进行压缩编码，以减少数据冗余压缩效率较低图像质量较好帧内编码的压缩效率较低，因为没有利用时间冗余，只利用了帧内编码的图像质量较高，因为没有引入运动补偿，避免了运空间冗余动估计和补偿的误差帧间编码利用时间冗余减少数据量运动补偿编码帧间编码利用视频帧之间的高度相关性，仅通过预测和差值编码，帧间编码有效地降低为了更准确地预测当前帧，帧间编码引入运传输当前帧与前一帧或参考帧的差异信息了视频数据的冗余，从而实现更高的压缩比动补偿技术，以更好地补偿画面中的运动变化运动补偿编码减少冗余预测图像

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2.12利用相邻帧之间图像内容的相根据前一帧的图像信息，预测似性，减少重复信息的传输当前帧的图像内容，降低编码量补偿差异提高效率

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4.34将预测图像与实际图像的差异显著降低压缩后的视频数据量进行编码，只传输差异信息，提高视频压缩效率离散余弦变换技术应用是大多数动态图像压缩标准的核心技术之一它允许丢弃高DCT频系数，因为人类视觉系统对这些系数不太敏感原理离散余弦变换将图像信号从空间域转换为频率域它将图DCT像分解成不同的频率成分，以便更好地压缩数据量化技术量化技术量化矩阵量化误差量化技术是指将连续的模拟信号转换为离散量化矩阵用于控制量化过程的精度，不同的量化过程会引入量化误差，量化误差的大小的数字信号的过程在图像压缩中，量化技量化矩阵会产生不同的压缩效果会影响图像压缩的质量术用于减少图像数据量熵编码技术减少冗余概率分布常用算法熵编码是一种数据压缩技术，通过去除数据熵编码利用数据中不同符号出现的概率来构常用的熵编码算法包括霍夫曼编码、算术编中的冗余信息来提高压缩率建编码表，以更短的码字表示出现概率高的码和游程长度编码符号动态图像压缩标准的应用领域视频会议数字电视广播实时视频会议需要高效的压缩技术，降低带宽占用，确保流畅的视数字电视广播需要高压缩比，将高清视频信号压缩成更小的文件，频传输以便通过有限的带宽进行传输互联网视频服务移动多媒体应用网络视频服务需要高效的压缩技术，以便在各种网络环境下提供高移动设备的存储空间和带宽有限，因此需要高效的压缩技术，以支质量的视频体验持移动多媒体应用的流畅播放视频会议实时互动高效协作跨地域沟通视频会议允许远程用户实时互动，包括音频通过视频会议，团队成员可以随时随地进行视频会议克服了地域限制，使全球团队成员、视频和屏幕共享项目讨论和决策能够进行高效的沟通和协作数字电视广播高画质信号稳定丰富频道数字电视广播采用先进的压缩技术，提供高数字电视广播信号抗干扰能力强，即使在恶数字电视广播可以提供更多频道选择，涵盖画质的视频和音频信号，为观众带来更逼真劣的信号环境下也能保持稳定的传输质量新闻、娱乐、体育、教育等多个领域，满足的观影体验不同观众的喜好互联网视频服务动态图像压缩技术在互联网视频服务中发挥着至关重要的作用，因为它允许以较小的文件大小有效地传输视频这使得用户能够以高质量观看视频，即使在带宽有限的情况下也是如此互联网视频服务平台已成为人们获取视频内容的主要来源例如，，，和等平台YouTube NetflixAmazon PrimeVideo提供各种类型的视频，包括电影，电视剧，音乐，新闻和体育赛事移动多媒体应用智能手机平板电脑

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2.12动态图像压缩标准使视频通话、在线视频播放等成为可能流畅地播放高清视频，提供更身临其境的娱乐体验便携式媒体播放器电子书阅读器

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4.34高压缩比允许存储更多视频内容，满足用户对移动娱乐的需一些电子书阅读器支持视频播放，动态图像压缩标准优化视求频播放效率动态图像压缩标准的发展趋势更高压缩比随着技术的发展，人们追求更高的压缩效率，以减少存储和传输带宽的消耗更好的视觉质量在提升压缩比的同时，也要保证输出视频的质量，保持清晰度和细节更低的功耗移动设备和便携式设备的普及，推动了低功耗编码技术的发展更高的实时性实时视频应用，例如视频会议和直播，对压缩编码的实时性提出了更高的要求更高压缩比数据冗余数据压缩算法消除图像数据中的冗余信息，例利用更先进的压缩算法，例如如像素之间的相关性，可以实现更高的H.265/HEVC压缩比感知冗余利用人眼对不同频率信息的敏感度差异，进行有针对性的压缩更好的视觉质量更高的分辨率更广泛的色域更高的分辨率可以提供更清晰的更广泛的色域可以呈现更多颜色图像细节，使图像更逼真，使图像更生动、更自然更精细的细节更高的对比度更精细的细节可以保留图像中的更高的对比度可以使图像更加鲜更多信息，使图像更细腻、更逼明，增强图像的视觉冲击力真更低的功耗低功耗芯片移动设备数据中心动态图像压缩技术可以减少数据量，从而降移动设备通常依赖电池供电，使用低功耗的数据中心需要消耗大量能量，使用高压缩比低功耗例如，数字电视广播中，使用高效动态图像压缩算法可以延长电池续航时间的动态图像压缩技术可以降低视频编码和解的压缩标准可以延长电池寿命码的功耗，从而节约能源更高的实时性低延迟高帧率

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2.12实时视频流传输要求低延迟，更高的帧率可以带来更流畅的以确保流畅的观影体验运动画面，增强用户体验适应性

3.3动态图像压缩标准需要适应不同网络带宽和设备性能，提供高质量的视频体验未来展望动态图像压缩技术一直在不断发展，未来将更加注重高效率、高质量、低功耗和高实时性新的编码标准将继续出现，以满足不断增长的视频应用需求。