视频数据与压缩：详解

人眼的暂存视觉是电影的基本原理,每秒播放24幅以上的图像,我们看起来是连续的。如果每秒播放24幅连续的数字图像,就是数字视频。

每幅图像称为帧。帧显示的速率以帧/秒(FPS)为单位进行测量。如果一个图像具有W宽度和H 高度的像素,则表示该帧的大小是W×H。

例如,持续1小时(3 600秒)的视频,具有24位的颜色深度,每帧像素为640×480以及按25帧/秒的速率(每秒播放25幅图像)播放。那么,该视频具有以下属性:

每个帧的像素(pixels per frame)=640×480=307 200

每帧的比特位(bits per frame)=307 200×24=7 372 800=7.37 Mbit

比特的速率(bit rate(BR))=7.37×25=184.25 Mbits/s

视频文件尺寸(video size(VS))=184 Mbit/s×3 600 s=662 400 Mbit=82 800 MB=82.8 GB

这样的视频文件太大了,必须使用视频压缩算法,减少冗余并更紧凑地存储信息。

视频压缩的基本原理是,前后两张图像的差别是很小的,例如,图7-8中的足球和球员相关部分是变化的主要部分,其他部分变化较小。

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图7-8 视频压缩的基本原理

视频压缩格式和编解码器可以利用空间和时间冗余。时间上相邻的帧(帧间编码)或空间相邻的像素(帧内编码)都可以压缩视频。帧间压缩(时间增量编码)能很好地压缩视频——(重新)使用来自序列中的一个或多个较早或较晚帧的数据来描述当前帧。帧间压缩可以是无损压缩或有损压缩。

压缩算法可以折中相似区域的颜色来减少空间,类似于JPEG 图像压缩中使用的方式。视频质量、压缩和解压缩的成本以及系统要求之间要折中考虑。

MPEG-2是MPEG(Moving Picture Experts Group,运动图像专家组)组织制定的视频和音频有损压缩标准之一,正式名称为“基于数字存储媒体运动图像和语音的压缩标准”。与MPEG-1标准相比,MPEG-2标准具有更高的图像质量、更多的图像格式和传输码率的图像压缩标准。MPEG-2 在传输和系统方面做了更加详细的规定和进一步的完善。MPEG-2是针对标准清晰度电视在各种应用下的压缩方案,传输速率从3 Mbit/s～100 Mbit/s。

MPEG-2的编码图像被分为三类,分别称为I帧、P帧和B帧。

(1)I帧图像,或称帧内(Intra)图像,称为参考图像,相当于一个固定图像,且独立于其他的图像类型。每个图像组群由此类型的图像开始。采用帧内压缩编码技术减少空间冗余,不用参照其他图像。

(2)P帧图像,或称预测(Predicted)图像,通过参照前面靠近它的I帧或P帧图像预测得到。P帧图像减少了空间和时间冗余信息,相比I帧图像可以有更大的压缩码率。

(3)B帧图像,或称双向预测图像,根据临近的前几帧、本帧、后几帧的I帧或者P帧图像预测得到,仅记录本帧与前后帧的不同之处。比I帧和P帧图像可以有更大的压缩码率。