图像压缩编码过程和解压缩过程
1、编码过程
这里谈谈VCD所采用MPEG-1标准的编码过程。因为相邻帧画面相同或基本相同,将这种画面群的第1幅画面作为I画面,将它送入编码器。编码器首先将它割裂为许多片、宏块、区块等,将各区块分割为8×8=64点阵列,再进行Z字形描述和DCT变换,将64个亮度(或色度)取样数值变换为64个DCT系数,再对64个系数值分别进行相应的量化,经量化处理后再进行VLC处理,即得到了代表一个区块数据的最短的数码,至此,完成了该画面群第1帧的第1列图像中第1宏块的编码。依次类推,可得到第1帧画面的全部压缩数据编码。原为二维空间的一帧图像信息已经转变为一维空间的串行数据,这些数据被全部存储起来,成为继续进行数据处理的基础。至此,I画面数据处理完毕。
完成第1帧图像压缩编码后,接着输入第2帧图像。编码器按照相同的方法步骤对第2帧进行压缩编码,得到第2帧数据。此时,编码器不再将第2帧数据进行完整的存储和传送,而是将它与第1帧数据进行比较运算。若运算中发现,两帧间数据差别很小时,说明两帧图像差别不大,仅将其差值存入存储器,而舍掉其大部分重复数据。按照此方法再进行第3、第4帧编码,并进行比较运算,直到找到某一帧,差别较大且超过规定值时,再将此帧数据中与第1帧的差别(包括位移矢量和差值)部分存储起来,并将此帧数据排在第1帧(I帧)后面传送出去,该帧就是P画面。当传送I、P画面后,再传送3、4帧的差别数据,这些画面都是B画面。它们之间的差别不大,是处于I、P之间的画面。按照此程序和方法,可再选出许多组P和B画面。通常,每隔13~15帧后,再设置一个I画面,作为后续画面的参考基准。如遇到较新的场景,将出现一幅不相同的新画面,这幅新出现的画面也作为I画面。
图2.2.3是MPEG-1图像压缩编码器方框图。代表亮度Y和色度分量CB、CR的二进制数码
化信号,首先进入帧改组器(或称帧重排电路),将画面分割为片、宏块、区块。区块经过比较运算电路再进入DCT电路、量化器、VLC电路,取得已压缩数据。再将数据送到多路混合器和传输缓冲器。传输缓冲器用于暂存压缩数据,并按照控制指令的先后按时序输出数据。该缓冲器通过调整器(又称为量化自适应器)与量化器相连接。调整器可用来检测缓冲器的缓冲区的数据暂存程度,并根据暂存数据量自动调整量化步长。在编码器内设置有反馈通路,它主要包括反量化器(Q-1)、离散余弦逆变换(IDCT)、相加器以及IPB画面帧存储器等。反馈回路用于预测图像产生,进行画面分类处理(计算、区分并处理IPB画面),主要用于帧间数据压缩编码处理。还有,运动预测和补偿电路可用于运动补偿。
2、图像解压缩电路方框图
图像解压缩电路简称为解压电路、解码电路。VCD视盘机内,经过数字信号解调电路(CD-DSP)处理后,输出压缩编码视频数据流,需要经过视频解压缩电路进行数据解压缩,恢复为未压缩的视频信号。解码过程是编码的逆过程,图2.2.4是MPEG-1视频解压缩电路方框图,其电路结构比编码器稍简单一些。
来自CD-DSP电路的压缩编码信号送到输入缓冲器,然后进入去混合电路,将图像的编码模式标志,运动向量(位移矢量)和图像数据分离开,分别送往帧存储器和解压缩主通道电路。
主通道要处理I、P、B帧数据,这些数据已经按照图像编码系列的规定,以数据封包头标指出,这些数据分别暂存在缓冲存储器的存储区内,根据数据量大小暂存在容量不同的存储器区中。在微处理器控制下,先将I画面数据按序取出,送到VLC(可变长度码解调器),按照ROM存放的可变长度码对照表,逐一将编码时压缩的码位恢复为压缩前的DCT量化值,再将各区块分为64个数据的量化值逐位乘以反量化参数,这些参数位于ROM中存放的64位视觉心理模式量化表的相对位置,重新恢复为DCT频率系数,完成反量化过程。
经过反量化的数据,再送入IDCT(离散余弦逆变换)电路。这是另一次逆变换,也是通过查表法,将反量化值所代表的各频率余弦分量的幅值进行逆变换,重新恢复为DCT变换前的图像(Y、CB、CR)取样数据,从而取得代表图像压缩前的区块信息。4个区块的信息组成一个宏区块,若干个宏区块组成片,再由若干片组成完整画面的总数据,这就是I帧画面。这些繁重的相加工作都需要在加法器中进行。
恢复出来的I帧画面数据存入帧存储器。I画面与后续输入的P画面数据相加,可恢复出P画面,P画面也存入帧存储器。然后根据运动矢量和运动后图像差值(即B画面数据),与I、P画面存储数据在加法器中相加,并受编码模式信号的控制,以便决定I、P图像的成分多少,从而恢复出不同前后的B帧画面。经以上处理所得I、P、B各种画面数据都需要存入缓冲存储器,还要根据编码模式的指示及输出制式的帧频要求,按照I、B、B、P、B、B、P、B、B…B、I、B、B、P、B…的正常顺序进行重新编排,按照一定的速度从帧重排电路输出。输出的解压缩数据送到D/A转换器,转变为R、G、B三基色模拟信号。
通常,在解压缩电路还要辅设视频编码器和调制器。视频编码器可将三基色信号编码为NTSC/PAL制彩色电视信号,并加入同步、消隐、色同步和彩色副载波信号等,以视频模拟全电视信号形式输出。这种输出形式的信号需要输送到电视接收机的AV输入端口。但是,有些老式电视机没有设置AV输入端口,为了适应这种现象,输出的视频全电视信号需要再一次进行高频调制,利用调制器以某个特定频道的RF调幅形式输出电视信号。此时,VCD机需要设置RF输出端口,其输出信号可直接送到电视机的天线输入端口。
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