GB T 15845.5-1995 视听用户终端技术要求 P×64kbit s视听业务的视频编解码器.pdf

1、中华人民共和国国家标准视听用户终端技术要求视听业务的视频编解码器发布实施国家技术监督局发布中华人民共和国国家标准视听用户终端技术要求视听业务的视频编解码器国家技术监督局批准实施本标准等效采用国际电报电话咨询委员会建议视听业务的视频编解码器年版采用说明本标准除编排格式按外其第章技术内容与建议完全等同主题内容与适用范围本标准规定了以速率工作的视听业务中活动图像的视频编码和解码的技术要求其中为本标准规定适用于使用信道的多种视听业务中的活动图像编码和解码引用标准视听用户终端技术要求视听用户终端业务中信道的帧结构基本用户网络接口演播室数字电视编码参数技术要求概述编解码器的方框图示于图图视频编解码器的方框

2、图视频输入和输出本标准规定的源编码器适用于公共中间格式见条图像上的编码输入和输出电视信号可以是复合信号或分量信号模拟信号或数字信号这些信号的标准以及公共中间格式的互相转换方法不在本标准中规定数字输入和输出视频编码器提供自行产生的数字比特流该比特流将与其他可能的信号组合按规定视频解码器完成反过程的工作取样频率图像以电视行速率整倍取样该取样时钟与数字网络的时钟是异步的源编码算法采用减少时间多余度的帧间预测和减少剩余信号的空间多余度的变换编码相结合的方法解码器具有运动补偿能力容许在编码器中选用运动补偿技术比特率本标准规定主要使用的视频比特率在之间传输的对称性编解码器可用于双向或单向的视觉通信误差控制

3、发送的比特流包含一个的前向纠错码解码器中的这部分是选用的多点工作含支持交换的多点工作所需要的特性源编码器源格式对于非隔行扫描的图像源编码器每秒工作近似帧频为图像频率的容差为图像按亮度和色差分量和进行编码这些分量和表征它们样值的码都遵循建议的规定黑白零色差峰值色差和这些值是标称值编码算法对的输入起作用两种图像扫描格式规定如下第一种格式亮度取样结构为正交排列的每行个像素垂直方向每幅图像为行两个色差分量中的每一个的取样结构是正交的每行个像素垂直方向每幅图像为行色差样点的配置应按图所示使该块的边界与亮度块边界一致这些像素和行所覆盖的图像区域的宽高比为并与本地标准的电视输入的有效部分相对应注每行的像素数

4、目对于分别以和取样或行视频信源的亮度和色差信号都是兼容的这些频率与建议的频率有一简单关系亮度样点色度样点块边沿图亮度和色度样点的配置第二种格式即四分之一其像素数和行数都是第一种格式的一半所有的编解码器都必须能用工作某些编解码器也能以工作编解码器要提供一种在传送的图像之间有至少或幅不传送图像而限制编码器的最大图像速率的方法它应以外部方法来选择这一最小图像间隔和或格式例如见视频源编码算法图是源编码器的一般形式主要单元为预测块变换和量化预测误差帧间模式或输入图像帧内模式被划分成个像素乘行的块这些块再被划分成发送的或不发送的两种接着再将个亮度块与个空间上与其相应的色块差组合形成一个如条中图所示的宏块模

5、式与是否发送某块的选择准则不在本标准中规定它们作为编码控制策略的一部分可以动态变化发送块被变换对得到的变换系数进行量化再实施变长编码变换量化具有运动补偿可变时延的图像存储器编码控制环路滤波器发送与否标志帧内帧间标志变换系数的量化下标量化器指示环路滤波器的通断运动矢量图源编码器预测预测是在图像间进行的可增添运动补偿条和空间滤波见条运动补偿运动补偿是编码器中的一个选件解码器对每一个宏块接收一个矢量这些运动矢量的水平和垂直分量都有不超过的整数值该矢量用于此宏块中的四个亮度块将宏块的运动矢量各分量值除以并舍去小数部分就得到两个色差分量的运动矢量运动矢量的水平或垂直分量的正值表明预测是由前面图像的像素形

6、成这些前面图像的像素在空间上是相对于要预测的像素右边或下边运动矢量的限制条件是运动矢量所参考的所有那些像素都在编码的图像区域中环路滤波器二维空间滤波器可以修正预测处理该滤波器只对要预测的方块中的像素起作用该滤波器可分离成一维的水平函数和一维的垂直函数两个一维滤波器都是非递归的其系数为在块的边沿处抽头中有一个会落到块的外面此时一维滤波器的系数应改为二维滤波器输出的全部计算结果四舍五入保持为比特的整数值在一个宏块中的全部个块都应根据宏块的类型见条将该滤波器以通断进行切换变换用一个可分离的的二维离散余弦变换首先对要发送的块进行处理反变换的输出限幅之后在间变化用比特表示反变换的转移函数为式中像素域的空

7、间坐标变换域坐标当否则当否则注在要交换的块中和分别是指像块的最左边和最上边的像素本标准不规定计算变换的计算方法但反变换应满足附录补充件中规定的容差要求量化内部直流系数的量化器是一个而其他系数的量化器共有个在一个宏块中除内部直流系数外全部其他系数都用同一个量化器判断电平未作规定内部直流系数是步长为无死区的线性量化的变换值其他个量化器中的每一个通常也都是线性的但其环绕零点有一中心死区步长为间的偶数值重构电平在条中确定注若量化步长过小则变换系数的整个动态范围不能体现重构图像的限幅为了防止变换系数幅度的量化失真在编码器和解码器环路内引起计算溢出必须插入限幅应对重构图像实施限幅这里指的重构图像是将预测值

8、和编码处理中不断修正的预测误差相加得到的该限幅器将使小于或大于的像素值分别定为和编码控制可以改变几种参数来控制编码视频数据的产生速率包括源编码器前处理量化器方块的有效块准则和时间亚取样在整个控制策略中这些量的比例关系应如何确定不属于本标准的范围若需要时间亚取样将以丢弃整帧图像来实现强制刷新由强制使用编码算法的帧内模式来实现本功能没有定义刷新图案为了控制反变换失配误差的积累每个宏块最多发出次应至少强制刷新一次视频复接编码器数据结构除非特别指明都是首先发送最高有效位即发送本标准的码表中的比特或最左边的比特除非特别指明所有未用的或空余的比特都置为空余的比特有待于规定其功能后方可使用视频复接安排视频复

9、接是按分层结构以层安排的由顶层到底层为图像块组宏块像块视频复接编码器的体系如图所示图视频复接编码器的体系图图像层每幅图像的数据由帧头和跟随其后的数据构成图像层结构示于图丢弃图像的帧头不发送图图像层结构图像起始码码字其值为时间参考数有种可能值其形成方法是将前面发送的帧头的值增加再加上自最近一次发送后而未发送的图像在数目仅用位最低有效位完成计算类型信息有关整个图像的信息为分裂屏幕指示非是文件摄像机指示非是凝固图像释放非是源格式为为和备用额外插入信息当置时该比特即告知后面还有可选用的数据段存在图像层备用信息若置成则其后跟比特其中比特是数据比特第比特是比特它指示后面是否还有比特结构如此继续下去的使用有

10、待进一步研究块组层每一帧图像都被划分成若干块组一个块组由或的图像区组成见图一个与的像素乘行以及空间上相应的和中每一个的像素乘行的区域有关每个的数据由头和后跟的宏块数据组成其结构示于图在图像起始码之间顺序传送每个块组编号一次即使在某块组中无宏块数据该块组编号也要传送块组编号如图所示图一幅图像中的安排图块组层结构块组起始码码字其值为块组编号指示块组位置的比特由图中块组编号数的二进制码表示块组编号和留在以后使用块组编号用于量化器信息固定长码字它在任何后续的取代前都指示本块组所用的量化器码字是值的自然二进制码见条为量化步长的一半范围从额外插入信息该比特置时即告知后面还有可选用的数据段块组层备用信息若置

11、那么其后的比特由比特数据和另一比特组成该比特指示后面是否还有比特组这样继续下去的使用待进一步研究注若将来的规范没有限制最后的数据比特便可能发生与起始码的混淆宏块层每一都被划分成个宏块如图所示一个宏块与的个像素乘行有关空间上相应于和中每一个像素乘行的区域图中宏块的安排宏块的数据由头和后跟的像块数据组成如图所示和的存在与否由指示图宏块层的结构宏块地址可变长用变长码字指示某一宏块在块组中的位置传送次序如图所示在一个中传送的第一个宏块其是绝对地址对后续的宏块其是此宏块和前一个传送宏块的绝对地址差的码表由表给出在该表中含有紧跟在头后面或已编码的宏块后面用作比特填充的码字该码字在译码器中应被丢弃起始码的也

12、示于表表宏块编址的可变长码表码字码字续表码字码字总是含在发送的宏块中若宏块所在图像的那部分没有信息则该宏块不发送类型信息可变长可变长码字给出了该宏块的有关信息及宏块中那些数据单元存在的信息宏块类型所含的单元及码字均列于表表的表预测帧内帧内帧间帧间帧间帧间帧间帧间帧间帧间注指该项在本宏块中存在将滤波器用于非运动补偿的宏块是可能的只要说明其类型是但为零矢量表示运动补偿预测表示环路滤波总是包含在发送的宏块中量化器只由指出是否存在比特的码字指明本宏块和本块组中的后续宏块在任何后续代替前所用的量化器码字与相同运动矢量数据可变长运动矢量数据在所有的运动补偿宏块中都有是由本宏块矢量减去前宏块矢量得到的用这种

13、方法计算时前面宏块矢量在下述三种情况下被认为是零对宏块和计算对所表示差值不为的宏块计算前面宏块的不是运动补偿的由两个可变长码字组成前面一个是水平分量后面一个是垂直分量可变长码字列于表表中的每个码字都代表两个差值只有其中一个差值才会产生一个落入允许范围的宏块矢量表的表码字表的表码字码字编码像块图案可变长由指示是否存在该码字给出一图案号该图案号指示该宏块中那些至少有一个变换系数要发送的块图案号由式给出式中若像块有系数存在则为否则为像块号由图给出的变长码字由表给出像块层宏块由个亮度像块和个色差像块两个色差和各个块组成见图图在一个宏块中的排序像块数据由变换系数码字和跟随其后的块终止标号组成如图所示块传

14、送次序见图图块层的结构变换系数当指示帧内时在一个宏块的全部块中都总是存在变换系数数据在其他情况下由和告之哪些块具有要传送的系数数据已量化的变换系数根据图所示的顺序依次传送宽增量高增量图变换系数的传送次序最普遍发生的连和后续值的组合用可变长码进行编码而其他组合都用一个字编码这字由换码和组成可变长编码有两个码表一个用于帧间帧间和帧间像块中的第一个传送第二个用于除帧内像块第一个传送以外的全部其它帧内像块中的第一个用的固定长编码码表列于表表的表码字若是块中第一个系数决不能用于帧内宏块不是块中第一个系数续表码字续表码字注最普遍发生的连和后续值的组合采用列于本表的可变长码块终止码也列入本表由于指出了那些无

15、系数数据的像块所以不能作为第一个系数出现可从第一个系数的表中取消最后一个比特表示电平的符号为正为负的其余组合用一个的字进行编码由和组成为固定长码码字为固定码长码字禁用禁用除了帧内的直流系数之外的全部系数的重构电平都在的范围内见表且由下面公式限幅后给出结果奇偶的范围从可由或传送除了之外重构电平关于电平的符号是对称的表重构电平对于帧内块第一个系数通常是步长为的无死区的线性量化的变换系数用表示所得到的值通常黑块值为白块为码和都是不用的的重构电平编成码见表最后一个非零系数后面的系数是不发出的所以总是系数要传送出的那些块中的最后一项表帧内模式系数的重构电平进行反变换的重构电平注相应于的译码值除了给出为外

16、其他都是关于多点应用的考虑提供以下一些信号以支持交换型的多点应用凝固图像请求使解码器将其显示的图像凝固直到收到图像凝固释放信号或者至少的暂停期终止该信号是通过外部方法如按传送的快速刷新请求使编码器以帧内模式编码下一帧图像编码时采用适当的编码参数以避免缓冲器溢出该信号的传送是通过外部方法如按进行的图像凝固释放是一个由编码器送出的信号编码器响应快速刷新请求发出此信号使解码器释放其图像凝固模式并以正常方式显示图像该信号由响应快速刷新请求的第一个已编码图像的帧头中的中的比特发出见条传输编码器比特速率传输时钟由外部提供例如用建议接口视频数据缓冲编码器必须控制其比特流以遵循附录补充件中规定的假想的参考解码

17、器的要求当以工作时对任何一帧图像编码产生的比特数不能超过当以工作时对任何一帧图像编码产生的比特数不能超过在上述两种情况下比特计数都包括图像起始及其他与该图像有关的由和填充码组成的数据比特计数不包括下面条述及的纠错帧比特填充指示器填充比特或纠错的校验比特在每一有效的时钟周期内必须提供视频数据这可由如下方法来保证在纠错帧块填入填充比特指示和全见图或者利用填充码见条或者两者都使用视频编码延迟应知道视频编码器的延迟以使本标准用于会话业务时才能确定音频时延补偿量这样便可以保持口型同步附录补充件推荐了一种方法用该方法可以确定延迟数值也可用其他的延迟测量法但必须将这些方法设计成与附录补充件方法得到同样的结果

18、传输次序图纠错帧视频编码信号的前向纠错纠错码发送比特流中含有一个的前向纠错码解码器中的使用是可选择的生成多项式例输入数据为时产生的纠错校验比特为纠错帧为了由解码器识别出视频数据和纠错校验信息必须要有一个纠错帧的同步码型它由帧构成的复帧组成每帧包括比特帧定位比特比特填充指示器比特编码数据或填充全和比特校验比特帧定位同步码型为帧安排见图所示校验比特是针对比特含填充指示器计算得到的填充指示器可由编码器将其置为这时只有跟其后的个填全的填充比特加上校验比特被送出而没有送出编码数据这样可以满足条的要求保证在每一个有效的时钟周期提供视频数据纠错帧的再锁定时间在认定达到帧锁定之前解码器应连续三次收到纠错定帧同

19、步码型比特所以解码器应设计使得当发生一次纠错定帧状态改变后在比特内重新建立帧锁定注这就表明在锁定期间视频数据中不能含有组冒仿的纠错帧定位同步码型附录逆变换精度规格补充件逆变换精度规格根据下面给出的随机数发生器型在范围内产生随机整数的像素数据值安排成的块就和情况的每一种都应产生块的数据组对每的像块完成可分离的正交的矩阵乘法使用至少比特浮点精度实现正向离散余弦变换式中像素域的空间坐标变换域坐标当否则当否则在每一像块中都将所得之个变换系数四舍五入为整数然后再将其限幅到的范围内这即为比特输入到逆变换的数据由步骤所产生的比特数据的每一个的块都要完成一次可分离的正交的矩阵乘法逆离散余弦变换使用至少比特的浮

20、点精度将得到的像素四舍五入为整数且将其限幅至范围内这些的像素块便是基准的输出数据由步骤产生的块在测试情况应用且将其输出限幅至范围内这些的像素块便为测试的输出数据对个输出像素中的每一个还有上面所产生的块数据组中的每个都测量基准数据和测试数据间误差的峰值均值及均方差对任一像素峰值误差幅度不应超过对任何一像素均方误差不应超过总的均方误差不应超过对任何一像素均值误差幅度不应超过总的均值误差幅度不应超过全部零输入必须产生全部零输出使用精确的与同样的数据值只是改变每个像素的符号再进行测量产生随机数的程序附录假想参考解码器补充件假想参考解码器定义如下和编码器都有同样的钟频以及同样的速率且同步工作的接收缓冲器

21、容量为其中由下式确定式中为连接中所用的最大视频比特率的缓冲器初始是空的以的间隔检查的缓冲器如果至少有一幅完全的编码图像是在该缓冲器中时则最先那幅图像的全部数据立即在缓冲器中被移掉如下面图中的在移掉上述数据的同时缓冲器的占有率必须小于这是编码器输出比特流的需要该输出比特流由已编码的图像数据和填充构成不包括条中所述的纠错成帧比特填充指示器填充比特或纠错校验信息图缓冲器占有率为满足这个要求第帧编码图像的比特数目必须满足下式式中时刻的占有率第编码图像从的缓冲器移掉的时刻时刻的视频比特率注时间是图像的整倍数附录编解码器延迟的测量方法补充件延迟测量方法视频编码器和视频解码器的延迟都随具体实现而改变该延迟还

22、与所用的图像格式及数据率有关本章专门规定一种方法对于一种特定的设计用该方法可以得出延迟的数值为使音频有一正确的延迟补偿需在典型的观测条件下从用户观测感知点去确定整个视频延迟图测量点点是视频编码器的输入点点是由视频终端即包括任意的信道定帧等往信道的输出点是解码器的视频输出持续时间大于的视频序列连接到上述图的视频编码器输入点该视频序列应有如下特点应包括与视频编码器预期目的相一致的典型的运动场景应能产生在使用的比特速率上的的最小编码图像速率在整个序列长度时间内应包含一个可见的识别标记该可见的识别标记应每个视频输入帧变化一次且放在该图像的由第一个表示的图像区内例如图像中的第一块在个视频帧间隔可由黑改变

23、到白识别标记应这样选择使得能在点检测出且对整个编码性能没有重大影响应将编码器和视频序列安排在它们的比特流中填充比特填充纠错填入比特占总比特的比例低于由测量出点处可见识别标记改变的时刻到点处可见识别标记改变的时刻即得到编码器的延迟同样再在点和点处测量便可得到解码器的延迟在序列长度和所得到的平均周期内应作几次测量所作的几次测量应能保证编码器和解码器分别的延迟时间得到的平均值的一致性对每一种图像格式的比特速率的组合在特定的编解码器设计的能力之内应能得到平均的结果注由于前后的时间处理在点和点处对于识别标记有过渡有必要建立一个中值附加说明本标准由中华人民共和国电子工业部提出本标准由电子工业部标准化研究所归口本标准由电子工业部西南通信研究所负责起草本标准主要起草人李晓明杜明钰