基于超分辨率重建的视频图像压缩方法的研究 第7页
的位移信息，便可预测出当前帧像，称为前向预测(FP)。根据某时刻的帧像及反
映位移信息的运动矢量，预测出某时刻以6，』的帧像，以便预测出iU一帧中没有显
露而现扯出现的信息，称为后向颅测(BP—Backward Prediction)。B帧是将前向
预测(FP)与后向预测(BP)同时使用并取其平均值后所产生的帧像，称为双向
预测帧或平均值预测帧。
前向预测(FP)
旺)帧内编码固旺cP)
昭)预测编码图口cP)
可随机存取
高编码效率
高压缩无误码
∞)双向颈测编码图。B】?CP)
原始输出帧顺序
原始视频帧  I。B：B，P。B，B。P：B。B，P。．B。。B。：I。：
玛输出顺序：
传送的顺序
  图2．3 MPEG一2帧间编码结构图
Fig．2．3 Inter coded picture of MPEG一2
    由图2．3可见，一个GOP由I帧为起始的一串IBP帧组成，GOP的长度是日，J
一个I帧到下一个I帧之i订的B帧之fBJ的问隔，如I．B州B PMB B。PiB…B I。中从I．
到B。就是GOP的长度。COP越长，MPE(；一2编码越有效，而数据流的编辑及组接越
困难。一般最多由12帧组成。基准帧重复频率的不同，可提供不同的输出码率。
GOP的结构随码率变化而不同，如码率大于40Mbps时，帧重复方式为只有I帧，
第2章视频图像压缩技术及超分辨率重建技术的概要
GOP最短，具有高效率的优点；码率15—40Nbps时，帧重复方式为IB，GO[’较短；
码率小于15Mr)ps时，帧重复方式为IBP或IBBF，，GOP较长、有延迟并影响存取速
度。总之，帧像质量随着码率lO一50Mk)ps的升高而提高，随着帧重复方式卜IB—IBBI’
使GOP变长而增长。尽管帧重复方式可以是IP、IB、IBP、IBBP，甚至是只有I
帧，但针对不同的应用及码率，有不同的GOP结构：新闻编采，码率18Mbps，采
用IB帧的GOP结构；节目分配，码率20Mbps，采用IBBP帧的GOP结构；存档，
码率30M[)ps，采用l【B帧的GOP结构：后期制作，码率50Mbps，采用I帧GOP结
构。图2．4表示了GOP与帧像质量的关系及应用，帧中编码规则是：I帧4：2：2@ML
MPE(；速率为40-50Mbps；IBIBIB序列速率为25—30Mbps；长GOPIBP序列速率为
12—18MbDs。
只有工帧格式    只有工B帧格式
  只有工BBP帧格式
c,oPN~．．．．．．．．．．．·
    图2．4 GO[，与图像质鼙的关系及应J{j
Fig．2．4 The relation between GOP and picture's quality
    系统对B帧像素不编码、不传送、不作为预测基准，仅在解码时，用双向预
测的插值法建立，如I 1与P4之问的B2、B3帧由Il和P4加权内插而建立。B帧
像素块数据中，仅携带着为每个像素块设置的“运动矢量”。
2．2．3 MPEG一2视频编码方式
    为了提高压缩比及图像质量，?vlPEG一2视频编码采用运动补偿预测(时间预测+
内插)消除时间冗余和不随时『白J变化的图像细节；采用二维DCT(图像像素+量化
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传输系数)分解相邻像素，消除观众不可见、不重要的图像细节；采用熵值编码
(己量化参数+编码参数的熵)，使比特数减少到理论上的最小值。
    (1)运动补偿预测
    将存储器中前一图像帧的重建图像中相应的块按编码器端求得的运动矢量进
行位移，这就是运动补偿过程。为了降低压缩视频信号的时『白J冗余度(Temporal
Reclundancy)，MPEG一2采用了运动补偿预测(M0tion C()mpe E1sated Prediction)。
    图2．5运动补偿过程
Fig．2．5 Motion compensation process
    运动补偿预测：假定通过画面以一定的提前时问平移，可以局部地预测当前
画面。这里的局部意味着在画面内的每个地方位移的幅度和方向可以是不相同的。
采用运动估值的结果进行运动补偿，以便尽可能地减小预测误差。运动估值包括
了从视频序列中提取运动信息的一套技术，该技术与所处理图像序列的特点决定
着运动补偿性能的优劣。与画面16×16像素宏块相关的运动矢量支持接收机解码
器中的运动补偿预测。所谓预测，实际上是由自，』一(n—1)图像帧导出当自，』(n)图像
帧所考虑像素的预测值，而后由运动矢量编码传输n帧的实际像素值与其预测值
之问的差值。例如，设宏块为M×N的矩形块，将图2．5中的n—l帧的宏块与n帧
自勺宏块进行比较。这实际上是一个如图2．5所示的进行宏块匹配的运动补偿过程，
即将n帧中16×16像素的宏块与n—l帧中限定搜索区(sR)内全部16×16像素
的宏块进行比较。若n．1帧图像亮度信号为六一。(f，／)，n帧图像亮度信号为．‘(i，／)，
第2章视频图像压缩技术及超分辨率重建技术的概要
其中(f，，)为n帧的M×N宏块的任意位置，并将n帧中的一个M×N的宏块看作是
从n—l帧中平移而来的，而且规定同一个宏块内的所有像素都具有同样的位移值
(K，1)。这样，通过在n—l帧限定搜索区(邮)内进行搜索，总n丁以搜索到某‘
宏块，使得该宏块与n帧中要匹配的宏块的差值的绝对值达到最小，并得到运动
矢量的运动数据，在n．I帧和运动数据的控制下，获得n帧的一个相应的预测值。
照此办理，直到n帧的M×N宏块的任意位置(f，／)的像素全部通过n．1帧的像素预
测出来。即n帧与n．1帧的相关函数F(K，1)的绝对值表示为：
    M  N
F(K，1)。min∑∑JZ(，，／)一Z一，(?+七，／+1)I(庀，1)∈翩    (2．1)
    f=l，=I
    式2．1表明要匹配的宏块已经匹配，并得到水平及垂直位移为(K，1)的运
动矢量的运动数据。通过匹配不仅将传输的差值减到最小，而且补偿了匹配对象
在图像中的位移，这就是运动补偿。出于在电视图像连续帧之『白J有较大程度的共
同性，即时问冗余度，多数图像之f白J差值极小，尤其是在大多数时『白J传输小范围
内的值时，采用运动补偿预测可使码率明显降低。在接收端的解码器中以同样的
运动补偿预测重现预测值，重现预测值加上差值就得到像素的原幅值。
    图2．6是基本MPEG视频编码器框图，图中虚线左边为运动补偿预测编码所需
要的基本功能器件。其中固定存储器存储n—l帧的复原数据，将其与n帧数据一
同送入运动补偿参数估值器，估值后就可以得到运动矢量的数据。用运动矢量数
据和n一1帧的复原数据去控制用于块匹配的可变存储器，将n帧的当前像素值预
测出来。这罩，预测是按帧差仅有l帧进行的，实际上MPEG—l和MPEG一2可以以
当前帧之前若干帧的某一帧为基准进行预测。

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