【毕业设计】数字视频信号源的编码器和解码器的研究 ㊣ 精品文档 值得下载

完全相同。

的总量化误差定义为输入信号与解码器输出的重建信号的差值。

即有由上式可知，在这种系统中，总量化误差只和差值信号的量化误差有关。

图说明了预测的原理。

课程设计说明书第页图预测原理由图可见，预测值跟踪输入信号抽样值变化。

的方框图如图中，它是典型的线性预测方式。

设原始信号序列为，其中是序列中现在的样值，而是的前个样值。

若选用的前个样值来预测，并用表示预测值，则数。

为预测系其中，为任意整数或加权系数，为预测阶数。

由上式可见，线性预测中，第个预测值是过去个样值的线性组合。

游程长度编码读出数据和表示数据的方式也是减少码率的个重要因素。

读出的方式可以有多种选择，如水平逐行读出垂直逐列读出之字型读出和交替读出等，其中之字型读出是最常用的种。

由于经变换以后，系数大多数集中在左上角，即低频分量区，因此之字型读出实际上是按二维频率的高低顺序读出系数的，这样来就为游程长度编码创造了条件。

所谓游程长度编码是指个码可同时表示码的值和前面几个零，这样就可以把之字型读出的优点显示出来了。

因为之字型读出在大多数情况下出现连零的机会比较多，尤其在最后，如果都是零，在读到最后个数后只要给出块课程设计说明书第页结束码，就可以结束输出，因此节省了很多码率。

游程长度指的是由字构成的数据流中各个字符连续重复出现而形成字符串的长度。

基本的游程编码就是在数据流中直接用三个字符来给出上述三种信息，其数据结构如图所示。

图基本游程长度编码数据结构表示有个字符串在此位置，代表构成串的字符，代表串的长度。

游程编码和哈夫曼编码等属于统计编码。

霍夫曼编码霍夫曼编码是可变字长编码的种。

于年提出种编码方法，该方法完全依据字符出现概率来构造异字头的平均长度最短的码字，有时称之为最佳编码，般就叫作编码。

下面引证个定理，该定理保证了按字符出现概率分配码长，可使平均码长最短。

定理在变字长编码中，如果码字长度严格按照对应符号出现的概率大小逆序排列，则其平均码字长度为最小。

现在通过个实例来说明上述定理的实现过程。

设将信源符号按出现的概率大小顺序排列为给概率最小的两个符号与分别指定为与，然后将它们的概率相加再与原来的组合并重新排序成新的原为课程设计说明书第页对与分别指定与后，再作概率相加并重新按概率排序得„直到最后得分别给以，为止，如图所示。

霍夫曼编码的具体方法先按出现的概率大小排队，把两个最小的概率相加，作为新的概率和剩余的概率重新排队，再把最小的两个概率相加，再重新排队，直到最后变成。

每次相加时都将和赋与相加的两个概率，读出时由该符号开始直走到最后的，将路线上所遇到的和按最低位到最高位的顺序排好，就是该符号的霍夫曼编码。

图霍夫曼编码过程例如所示从左至右，由至，其码字为按践线将所遇到的和按最低位到最高位的顺序排好，其码字为„用霍夫曼编码所得的平均比特率为码长出现概率上例为可以算出本例的信源熵为，二者已经是很接近了。

运动估计的运动补偿编码这是种帧间编码的方法，其原理是利用帧间的空间相关性，减小空间冗余度。

帧间编码为什么可以减小冗余度，这是因为两帧之间有很大的相似性。

如果将前后两帧相减移动物体作相应位移得到的误差作编码所需比特要比课程设计说明书第页帧内编码所需的比特少，帧间差集中在零附近，可以用短的码字传送。

实现帧间编码的方法是运动估计和运动补偿。

用图来说明这个过程。

图运动处理过程当前帧在过去帧的窗口中寻找匹配部分，从中找到运动矢量根据运动矢量，将过去帧位移，求得对当前帧的估计将这个估计和当前帧相减，求得估计的误差值将运动矢量和估计的误差值送到接收端去。

接收端根据收到的运动矢量将过去帧作位移也就是对当前帧的估计，再加上接收到的误差值，就是当前帧了。

图宏块在上帧搜索范围内寻找匹配图运动估计的全局搜索块匹配图运动估计的全局搜索块匹配实际上，在做运动估计和运动补偿时，是以的块称宏块逐个进行的，如图所示，这是将当前帧划分为课程设计说明书第页的块。

对每块在过去帧中范围为的范围内进行搜索，以求得最优匹配，从而得到运动矢量的估值，。

衡量匹配好坏的准则可以是均方误差最小准则。

搜索方法可以是全局搜索法，即对搜索范围内的每点都计算均方误差，选最小值即对应最优匹配，如图所示。

编码器原理的编码方式有三种编码方式帧内压缩编码方式，见图帧间压缩编码方式，见图帧内及帧间压缩编码方式，见图。

图帧内压缩编码方式压缩就是将视频信号中冗余减少的过程，首先必须识别每个视频场和帧中的冗余，这主要包括空间与时间上的冗余。

去除视频信号空间冗余可通过变换来完成，变换是个无信号损失的双向数学过程。

它将空间分布的变化程度转变成重现空间分布所需的频率带宽。

变换所得到的系数值既可以代表不断增加的更高的垂直和水平空间频率，也可以代表不同的水平和垂直空间频率组合。

视频信号经过变换后，较高的空间频率系数会变得非常细小，而据人眼的视觉特性，较高的空间频率系数可以少量的比特来表示，或者完全去高的空间频率系数可以少量的比特来表示，或者完全去掉而不影响图像质量。

在实际应用时为保持信号的可逆性和无损性，常常采用更多的比特来表示系数。

去除视频信号时间冗余，可使用有运动补偿的帧间预测来完成。

对于活动图像多数情况下只是其中的很少部分图像在运动，课程设计说明书第页即使有大范围的活动部分，前后帧尽管有很大区别，但移动物体本身大多数情况下是相同的。

因此只需要找到图像中部分运动了多少就可以在前帧找到相应图像的内容，这个查找过程称为运动估值，其表达方式是运动矢量而把前帧相应的运动部分补过来，得到其剩余的不同部分的过程称为运动补偿。

就这样，采用运动补偿可以有效地去除视频信号在时间方向的重复信息，达到压缩的目的。

为了达到减少数据的目的，将转换成，并且通过量化，将代表每个系数的比特数目减少。

般使用比特来代表系数，对于其他系数则采用较小的比特数目。

每个或每组宏块都有不同的量化刻度，对每个宏块采用不同的量化因数，使只含帧内压缩的能提供比同样图像质量的多出的压缩效果。

而相对于原来的系数的数据，量化表及被量化的系数数据量要小得多。

图帧间压缩编码方式在量化过程后，无损数据压缩是通过可变长度编码和游程长度编码实现的。

是在数据内寻找共同的图案或字符，采用较小数量的比特为经常出现的数值进行编码，而用较多数量的比特为较少出现的数值进行编码。

是用个字符代表串定数目的零。

总的目的只有个，减少数据量。

量化表控制是个决定如何量化系数的过程输出缓存可维持数据课程设计说明书第页流，并提供量化器的控制，从而限制或维持数据流在个定的水平。

在实实际应用中，当压缩数据被录像机记录时，需要提供个持续不变的比特率，以使机械部分以稳定的速率旋转扫描机构。

而对于硬盘记录来说，又需要个可变速的比特率。

通常，个可变速比特率是提供个持续不变质量水平的较好选择。

图帧内及帧间压缩编码方式帧间压缩般是在未压缩的图像上进行，是个无损过程。

在图中，在参考帧帧存中有副完全解析度，完整数据的前副图像。

在预测帧帧存中拥有个根据前帧和运动矢量所建立的预测的当前帧。

输出是预测的当前帧与实际当前帧相减后的差值。

若没有运动或其他变化，当前帧便可得到完美的预测，差分帧输出为极易压缩。

当前帧和后帧有点不同时，差分帧仍有少量数据需要压缩。

采用帧内压缩编码形成的图像称为帧，形成过程见图采用帧内及帧间压缩编码形成的图像称为帧和帧。

帧为前向预测帧，是以前个帧为预测帧进行编码的。

在帧和帧中间可以插入若干个帧，帧是从相邻的最近的帧或帧作双向预测进行编码的。

形成帧时参考帧帧存只要求存储帧图象，而形成帧时，参考帧帧存则需存储前后两帧图象。

由三种相互间有预测与生成关系的不同的帧数据，帧帧帧数据按课程设计说明书第页照不同的组合组成图像组，再加上序列起始码和序列头等数据组成图像序列或，再打包成再按的固定长度加上各种参数组成传送码流。

解码器主要功能是对输入的复合信号进行解码，输出分量信号。

解码器质量对整个处理系统的性能指标有非常重要的作用，并将影响最终的图像质量，在设计时常采用倍色度负载波对输入的模拟信号进行采样，用数字梳状滤波器完成亮色分离。

同时为了避免视频信源的抖动影响后面的压缩处理部分，在解码器与前处理模块之间有帧的帧存进行信号隔离。

前处理模块该模块原理如图所示。

主要功能给解码器和帧编码器提供像素接口控制信号，其参数受控制。

对解码器输出的视频信号进行必要的限幅，使其满足的要求并对和信号做扣心处理。

提供接口，可和数字视频设备直接相连。

在码流的目标码率较低时如低于，启动个阶的滤波器，对信号进行低通滤波，使其频带限制在左右，以降低解码恢复的图像中的块效应。

产生个锯齿波视频测试信号，在的控制下和输入信号进行切换。

另外，为了适应不同的码组长度可使用截短的码，例如和。

采用，即分组码符号长度为个，个信号符号，可检出个错，可纠正个错。

该码就是从码截短而得到的，实际上可以看成个符号中除个有具体的值外，剩余的个符号全部添零，可以用同样的电路进行编解码。

在格式中视音频数据的内码组为码，检错能力为，纠错能力为。

视频数据的外码组为，在内码组指出位置时能纠错。

音频的外码组为码，在内码组指出位置时中有不多于的都能得到纠正。

而的视频内码组为外码组为，声音的内码组为外码组为，课程设计说明书第页其外码组的纠错能力明显高于其它格式，加上磁迹宽度又比其它格式宽了许多，即使个中有两根磁迹丢失，误码校正仍可正常进行，其误码校正数据块的组成如图所示。

图前处理模块该模块视频编码器上文我们已从理论上对标准进行了系统的概述，下面就以个实例剖析下视频编码器的物理实现该编码器可完成的压缩，对制像素帧，帧图像进行实时恒定比特率传输模式处理整个编码系统如图所示。

图视频编码硬件原理图课程设计说明书第页解码器原理视频基本码流结构如图视频基本码流结构所示图视频基本码流结构在视频序列层中，序列头给了我们图像的尺寸宽高比帧频和比特率等数据，后面的序列扩展码给出了型级逐行隔行和色度格式等信息。

在图像组层中，头中给出了时间码和紧跟在帧后的图像的预测特性等信息。

在图层中，图像头中给出了时间参考信息图像编码类型和延时等信息。

图像头后面的图像扩展码给出了运动图像图像结构量化因子类型和可变长编码等信息。

在像条层中，像条头给出了像条垂直位置