GBT 18119-2000.pdf

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1、i c s 3 3 M 1 6 0 4 0 . 2 0 (r i g 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准 G B / T 1 8 1 1 9 -2 0 0 0 e q v I T U - T H . 2 6 3 : 1 9 9 6 低比特率通信的视频编码 V i d e o c o d i n g f o r l o w b i t r a t e c o m mu n i c a t i o n 2 0 0 0 一 0 6 一 0 7 发布2 0 0 0 一 1 0 一 0 1 实施 国 家 质叠 技 术 监 督 局发布 GB/ T 1 8 1 1 9 -2 0 0 0 目次 前言

2、I I TU 前言 “ I 1范围 二 ” ” ” “ ” 1 2 引用标准 ” ” 1 3 主要指标 ” ” ” ” “ . ” 1 3 、 1 视频输人与输出 ” “ 2 3 . 2 数字输人与输出 ” ” ” ” 二 二 二 二 二 二2 3 . 3 抽样频率 ” ，. ” ，. ” ” “ 2 3 . 4 信源编码算法 ” “ ， 2 3 . 5 比特率 2 3 . 6 缓冲器 2 3 . 7 传输 的对称性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 . 8 误码处理方式 ” 二 二3 3 . 9 多点操作 ， 3 4 信源编码器 ， 3 4 . 1 信源格式 ” ” 3 4 . 2 视频信源编码算法 “ “ ， 二 . “4 4 . 3 编码控制 ” ” 6 4 . 4 强制更新 。 6 4 . 5 起始码的字节组合 ” 6 5 语 法和语义: “ ” ” ”“ “ “ 6 5 . 1 图像层 8 5 . 2 块组层 “ “ “ ” 9 5

4、 . 3 宏块层 ” ” ， 1 0 5 . 4 块 层 “ ” “ 1 4 6 解码 过程 “ ， 1 6 6 . 1 运动补偿 ” ” ” 1 6 6 . 2 系数解码 “ ，. ” ，. ” “ 1 9 6 . 3 块的重建 ” 1 9 附录A( 标准的附录) 反变换精度的技术规范 “ 2 1 附 录B ( 标 准 的 附 录)假 想 参 考 解 码器 . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 附录C( 标准的附录) 多点的考虑 2 3 附 录D ( 标 准的 附 录 )不限 制 运 动 矢 量 模 式 “ . . . . . . . . . . . . .

5、 . . . . . . . . 2 4 附录E( 标准的附录) 语义基算术编码模式 . 2 5 附 录 F ( 标 准 的 附 录)高 级 预 测 模 式 。 ” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 附录G ( 标准的附录) P B 帧模式 . . . . . . . . . 3 2 附录H( 标准的附录) 编码信号的前向纠错 ” 3 4 GB / T 1 8 1 1 9 -2 0 0 0 前言 本标准是等效采用国际电信联盟 I TU - T H . 2 6 3 : 1 9 9 6 低比特率通信的视频编码 建议制定的， 其 中考虑到我 国通信

6、网及具体应用业务情况， 作适当改动， 更适合于我国国情。标准中的章节依据 GB / T 1 . 1 -1 9 9 3的规定作适当改动。 原文中有关“ 基于语法的算术编码模式” 改为“ 语义基算术编码模式” 更适于国内应用。 GB / T 1 8 1 1 9 -2 0 0 0 ( 低比特率通信的视频编码 包括 8 个附录。 本标准的附录A, B , C, D, E , F , G, H为标准的附录。 本标准由中华人民共和国信息产业部提出。 本标准由信息产业部电信研究院归口。 本标准起草单位: 信息产业部电信传输研究所。 本标准主要起草人: 黄东霖、 杨淑京、 辛伟。 G B / T 1 8 1

7、1 9 -2 0 0 0 I T U前言 I T U电信标准化部1f 7 ( I TU - T) 是国际电信联盟的一个常设机构， I T U- T负责研究技术、 操作和资 费问题， 并且为了实现全世界的电信标准化， 对上述问题发布建议。 每 4 年召开一次的世界电信标准化会议( WT S C) 确定 I T U- T研究组的研究课题， 并根据这些课题 形成建议 。 I TU- T建议 H. 2 6 3由 I TU- T1 5研究组 ( 1 9 9 6年 5月) 修订， 并 由 WTS C批准 。 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准 低 比特率通信的视频编码 GB / T 1 8 1 1

8、 9 -2 0 0 0 e q v I T U - T H . 2 6 3 : 1 9 9 6 Vi d e o c o d i n g f o r l o w b i t r a t e c o mmu n i c a t i o n 1 范 围 本标准定义一种以低比特率压缩视听业务的运动图像分量的编码表示法。视频信源编码算法的基 本结构基于I T U- T H. 2 6 1 。并增加四个通用的编码选项以提高性能 2 引用标准 下列标准所包含的条文， 通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时， 所示版本均 为有效。所有标准都会被修订， 使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的

9、可能性。 I T U- T建议 H . 2 2 3 ( 1 9 9 5 ) 低比特率多媒体通信的复用协议 I T U- T建议H. 2 4 2 ( 1 9 9 3 ) 使用直至 2 Mb p s 的数字信道在视听终端间建立通信的系统 I T U- T建议 H . 2 4 5 ( 1 9 9 5 ) 多媒体通信的控制协议 I T U - T建议H . 2 6 1 ( 1 9 9 3 ) P X6 4 k b p s 视听业务的视频编解码器 I T U- T建议 H . 2 6 2 ( 1 9 9 5 ) 运动图像和相关视听的通用编码( I S O/ I E C 1 3 8 1 8 - 2 ) I

10、 T U - T建议H . 3 2 0 ( 1 9 9 3 ) 窄带I S D N可视电话系统和终端设备 I T U- T建议 H . 3 2 4 ( 1 9 9 5 ) 低比特率多媒体通信的终端 3主要指标 编解码器框图见图 1 0 外 部控制 比 特 流 a )视频编码器 视频信 b ) 视 频 解 码 器 图 1 视频编解码器方框图 国家质f技术监督局 2 0 0 0 - 0 6 - 0 7 批准 2 0 0 0 一 1 0 一 0 1 实施 1 GB/ T 1 8 1 1 9-2 0 0 0 3 门视频 输人与输 出 为了使 6 2 5行和 5 2 5 行两种电视标准的地区内和地区间的

11、视听业务问题能以一个建议予以解决， 信源编码器对基于通用中间格式( C I F ) 的图像进行。本标准不涉及输人和输出电视信号的标准及完成 来 自或进入信源编码格式的必要转换方法。 输入和输出电视信号可能是复合的或分量的， 模拟的或数字 的。 3 . 2数字输 人与输出 视频编码器输出一个完整的数字比特流， 可以包含其他多种方便工作的信号( 例如H. 2 2 3建议中 的规 定) 。视频 解码器完成相反 的过 程 3 . 3 抽样频率 采用视频行速率的整数倍对图像抽样。该抽样时钟与数字网络时钟不同步 3 . 4 信源编码算法 采用画面之间预测和对剩余信号的变换编码这两者的混合方法。使用画面之间

12、的预测是为了压缩 其时域冗余量， 使用变换编码是为了降低图像的空域冗余量。解码器具有运动补偿的能力， 编码器可以 根据用户的选择结合这种技术。与 H . 2 6 1中采用全像素精度和环形滤波器不同， H. 2 6 3 采用半像素精 度的运动补偿。 发送信号用变长编码。 除了H. 2 6 3 核心编码算法外， 在以下节中描述了4 个通用的编码 选项。所有选项可同时或独自出现。 3 . 4 . 1 不限制运动矢量模式 本选项模式中， 允许运动矢量出现在画面外。边缘像素可用于预测“ 不存在” 像素。本模式中， 若有 通过画面边缘的运动发生， 则可看到画面质量的明显改善， 尤其是较小画面格式( 见附录

13、D ) 。 而且， 本模 式扩展了运动矢量范围， 因此可用较大的运动矢量。本模式特别适用于摄像机运动的情况。 3 . 4 . 2 语义基算术编码模式 本选项模式中， 用算术编码代替可变长编码。其信噪比与重建画面一样， 但产生的比特数大大减少 了( 参见附录E) 3 . 4 . 3 高级预测模式 本选项模式中， P画面的亮度部分用重叠运动补偿( OB MC )见附录F ) o画面的一些宏块中， 用 4 个 8 X8矢量代替一个 1 6 X1 6 矢量。由编码器决定采用何种类型矢量0 4个矢量增加了所用比特数， 但 预测效果得以改进。使用本模式使质量有了可观的改进， 尤其是主观质量， 因为OB M

14、C会减少方块效 应 3 . 4 . 4 P B帧模式 P B帧包括两个画面， 作为一个单元进行编码。 P B帧的命名来自于H. 2 6 2中画面类型， 分为 P画面 和B画面。因此， P B帧包括一个 P画面和一个 B画面， P画面由前一已解码的 P画面预测获得, B画面 由前一已解码的P画面和当前解码的P画面共同预测获得。 称为 B画面是因为部分B画面可由过去和 将来的画面双向预测。本编码选项中， 可大大提高帧速率而不过多增加比特率( 见附录G) o 1 5比特率 传输时钟由外部提供 视频比特率可变。 视频比特率的限制不由本建议给出， 而由终端或网络给出。 3 . 6 缓冲器 为了符合附录B

15、定义的假想参考解码器的要求， 由编码器控制其输出比特率。在每一有效时钟周 期都提供视频数据。这一点可由MC B P C填充比特来保证( 见表 4和表 5 ) ， 或若采用前向纠错， 则由前 向纠错填充帧来保证( 见附录 H ) , 对任一画面编码所产生的比特数不能多于在 1 0 2 4比特单元内测定的参数 B P P m a x Kb所定义的 最大值 B P P ma x K b参数所允许的最小值根据比特流中协商的最大信源格式决定( 见表1 )编码器可使 用大于表 1 所定义的 B P P m a x K b值， 此值由外部方式协商， 例如: H. 2 4 5 建议。 3 . 7传输的对称 性

16、 G B / T 1 8 1 1 9 -2 0 0 0 本编解码器可以用于单向或双向可视通信。 表 1 每一信源画面格式的B P P ma x K b 信 源 格 式 B PPm a x Kb S Q CI F6 4 QC I F 6 4 CI F2 5 6 4 CI F5 1 2 1 6 C I F1 0 2 4 3 . 8 误 码处理方式 误码处理方式由外部方式提供， ( 例如: H. 2 2 3 建议) ， 若不由外部方式提供( 例如H. 2 2 1 建议) ， 则 采用附录 H 中所 描述的可选纠错 编码和定帧 。 解码器能以 I N TR A模式给编码器发送下帧图像的一个或多个 G

17、OB命令， 其中含有编码参数， 这 样可避免缓冲器溢出。解码器也可发送一个非空G OB头的命令。此信号的传输方式由外部方式决定 ( 例如: H. 2 4 5建议) 。 I9 多点操作 附录c中包含支持交换型多点操作所需的各种性能。 4信源编 码器 4 门信 源格式 信源编码器工作于每秒出现 3 0 0 0 0 / 1 0 0 1 ( 大约 2 9 . 9 7 ) 次的非隔行扫描的画面中， 每画面频率的容 差为士5 0 p p m, 画面按一个亮度和两个色差分量进行编码( Y, C B和 C R ) 。这些分量和代表其抽样值的代码都与 C C I R建议 6 0 1 所规定的相同。 黑电平=1

18、6 白电平=2 3 5 零色差=1 2 8 峰值色差=1 6 和 2 4 0 这些值都为标称值， 编码算法对 1到 2 5 4的输人值进行计算。 有 5 个标准画面格式: S Q C I F , Q C I F , C I F , 4 C I F和 1 6 C I F 。每一画面格式中， 亮度抽样结构为每行 d x个像素， 垂直方向每画面d y行。 两个色差分量的抽样为每行d x / 2 个像素， 垂直方向每画面d y / 2 行。 每一画面格式都由表 1 给出其 d x . d y , d x / 2 , d y / 2的值。 对于每一画面格式， 色差抽样是固定的， 其块边界与图2 所示的亮

19、度块边界一致。每一画面格式中 像素比例一致， 且与 H. 2 6 1 建议QC I F和C I F的定义一致， 为( 4 / 3 ) X ( 2 8 8 / 3 2 5 ) 。除子QC I F画面格式 外， 所有标准画面格式覆盖的画面区域宽高比为 4: 3所有解码器可工作于S QC I F和Q C I F画面格式， 一些解码器也可工作于C I F , 4 C I F和 1 6 C I F, 编码器可工作于S QC I F和Q C I F中的一种画面格式。 由编 码器决定采用何种格式， 但不能两种同时使用。一些编码器也可工作于C I F, 4 C I F , 1 6 C I F 。由外部方式 决

20、定具体使用何种画面格式， 例如: H. 2 4 5 建议。对于可能出现的画面格式和视频编码算法的完整描述 参考有关终端描述， 例如 : H. 3 2 4建议。 G s / T 1 8 1 1 9 -2 0 0 0 表 2 每一画面格式中每行像素数和行数 画 面 格 式亮度的像素数( d x )亮度的行数( d y )色差的像素数( d x / 2 )色差的行数( d y / 2 ) S QC I F 1 2 89 66 44 8 QC I F 1 7 61 4 4887 2 CI F3 5 22 8 81 7 61 4 4 4 CI F7 045 7 63 5 22 8 8 1 6 CI F1

21、 4 0 81 1 5 27 0 45 7 6 X X : X X X X 0: 0 0 X X : X X X X X XXX X X 0 0 0 X X X X X X X X : X X X X 0 0 0 X X X X X X X亮度 抽样 0色差抽样 块边缘 图 2 亮度和色差抽样的位置 注:对C I F而言， 每行像素数与5 2 5行或 6 2 5行信源的亮度和色差信号的有效部分的抽样兼容， 亮度和色差信号有 效部分分别以6 . 7 5 MH :和3 . 3 7 5 MH z进行抽样。这些频率与C C I R建议 6 0 1的频率间有个简单对应关系。 编码器应该有办法限制其最大画

22、面速率， 致使两个发送画面间有一个最少数目的非发送画面， 这个 最少数目由外部方式决定( 例如: H. 2 4 5建议) e P B帧模式中， 为了计算非发送画面的最小数量， 将 P B 帧单元的P画面和 B画面作为两个独立画面。 4 . 2视频信 源编码算法 信源编码器的一般形式见图 3 。主要环节是预测、 块变换、 量化。 4 . 2 . 1 G O B、 宏块和块 每一画面都可分为块组( G OB ) 。由画面格式决定一个块组包含KX1 6 行， ( S QC I F , Q C I F和C I F 中K =1 , 4 C I F中K = 2 , 1 6 C I F中K=4 ) , S

23、QC I F中每帧GO B数为 6 , QC I F中G OB为 9 , C I F , 4 C I F , 1 6 C I F中为 1 8 , GO B的计算是由G O B的垂直扫描实现的， 从最上 G O B( oG O B W号) 开始， 结束于最下G OB , 例如: C I F画面格式的G OB排列见图4 。 每个GO B数据包括G OB头( 可为空) ， 其后有宏块数据。 每个 G O B中的GO B数据以逐次增加 G O B号的顺序来发送 每一 G O B可分为若干个宏块。 每一宏块 Y分量为1 6 X1 6 ， 在空域相应的C B和C R为 8 X8 像素。 而且， 如图5所示

24、， 每一宏块包含有4个亮度块， 在空域对应有 2 个色差块， 每一亮度或色差块对应的 Y, C B或C R为8 X8 。 对于S Q C I F, QC I F和C I F而言， 一个 G O B包含有一个宏块组， 对于 4 C I F而言包 含 2 个宏块组， 对于1 6 C I F而言包含 4 个宏块组。 G B / T 1 8 1 1 9 -2 0 0 0 到视颇复用编解码器 瑟 赞 T一变换; Q-量化; P 一具有运动补偿可变延迟的画面存储r C C -编码控制; p -I NT R A/ I NT E R标志; t -发送或不发送标志次2 一量化器指示; 4 一变换系数的最化标志;

25、 v -运动矢量 图 3信源编码器 宏块的计算是通过从左到右的水平扫描来实现的， 起始于上一宏块， 结束于下一宏块。每个宏块按 增长宏块号的顺序发送宏块数据。每个块按增长块号的顺序发送数据( 见图 5 ) , 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 图 4 C I F画面中 GOB的排列 田 口 口 Y C B C R 图 5 宏块中块的排列 本标准不涉及模式选择的原则和发送块的原则， 这些内容随着编码控制策略的改变而改变。 对发送 的块进行变换， 产生的系数被量化和滴编码。 4 . 2 . 2预测 预测为帧间预测， 并且加人了运动

26、补偿( 见 4 . 2 . 3 ) 。提供预测的编码模式叫I N T E R; 若不提供预 测， 则为 I N TR A, I NT R A编码模式由画面级( I 帧是I N T R A， 而P顿是 I NT E R) 来标明， 或由P帧中的 宏块级标明。在可选的 P B帧模式中， B帧总为 INTE R模式。B帧有一部分是双向预测( 参见附录G) G B / T 1 8 1 1 9 -2 0 0 0 4 . 2 . 3 运动补偿 解码器中每个宏块可接受一个矢量， 或者采用高级预测模式时， 每个宏块可有一个或4个矢量( 参 见附录F ) 。若用 P B帧模式， 则每个宏块发送一个附加的d e

27、l t a矢量， 以调整B宏块预测的运动矢量。 运动矢量的水平和垂直分量可为整数或半整数值。 在缺省预测模式时， 范围限制在 -1 6 , 1 5 . 5 D ( 对 于B帧的前向和后向矢量分量而言有效) 。而在不限制矢量模式时， 矢量分量的最大范围为 -3 1 . 5 , 3 1 . 5 D ， 这种限制下， 若预测模式范围在 -1 5 . 5 , 1 6 之间， 则每一运动矢量分量的预测值中仅能得到一 个范围在 -1 6 , 1 5 . 5 之间的值。 若预测范围在 -1 5 . 5 , 1 6 之外， 则可得到范围在 -3 1 . 5 , 3 1 . 5 之间， 与预测值加零值标号相同的

28、所有值( 见附录 D ) 水平或垂直运动矢量分量为正表明预测是由空间位置中位于被预测像素的右边或下边的前一参考 画面中的像素形成的。 运动矢量的限制条件是所参考的所有像素都位于编码画面区， 除了采用不限制运动矢量模式和/ 或 高级预测模式之外( 见附录 D和附录F ) . 4 . 2 . 4量 化 I N T RA块第一个系数的量化器数目为1 ， 其余的量化器数目为 3 1 。在同一宏块内， 除第一个I N - T R A块外， 所有系数都用同一量化器。判决电平不作规定。I NT R A块第一个系数通常称为直流值， 其 统一的量化步长为 8 。其余 3 1 个量化器中每一个使用等间隔的重建电平

29、， 围绕零有中心死区， 步长为2 到 6 2 的偶数值。具体见 6 . 2 . 注:量化步长较小时， 不能表示变换系数的全动态范围 4 . 3编码控制 为了控制所编码视频数据的产生速率， 采用了不同的几个参数。这些参数包括信源编码器的前处 理、 量化器、 块重要性判决和时域子抽样。本标准不涉及总体控制策略中对这些方法的提议。 一旦引用， 通过丢弃整帧图像来进行时域子抽样。 解码器可标识视频信号时域和空域分辨率之间某种交替方式的性能。编码器可在呼叫时标出其缺 省的交替方式， 并指示是否可响应解码器的请求， 以改变交替方式。 此种信号的传输方法由外部控制( 例 如 : H. 2 4 5建议 ) 。

30、 4 . 4 强制更新 此功能以强制使用编码算法的I N T R A模式来实现。 更新模式不作规定。 为了控制反变换失配误差 的累积， 当发送 P帧中宏块的系数时， 每一宏块最多发送 1 3 2 次就以I N T R A模式编码一次。 4 . 5 起始码的字节组合 通过在起始码前插人少于8个零比特的填充码， 可得到起始码的字节组合， 起始码的第一比特是字 节的第一比特( 最高有效位) 。若最高有效位的位置是从 H. 2 6 3比特流中第一比特开始， 有整数倍的8 比特， 则起始码是字节组合。所有画面起始码都为字节组合， G O B和E O S码可能为字节组合。 注 1 某一画面所用比特数可变，

31、 但为 8的倍数 2 H. 3 2 4需要H. 2 6 3编码器来安排以逻辑信息单元开始的起始码， 并将其通过适配层( AL_ S D UO 语法和语义 视频复用被分为 * 图像层 二 块组层 并 宏块层 * 块层 语法 结构见图 6 4层水平 结构 ， 从上 到下分别为 : 其缩略语和语义 的定 义下一节给 出。 GB / T 1 8 1 1 9 -2 0 0 0 口r蛆认决国 忆卜侧闷口C艺 目国阅的d 田掣斑嗜名境袭妇冤粥9圃 1国d 卜之VnO困二 工“卜 注伏 盏 卜之试口口目d卜卜d aF 迎岌 明瑙俐 迎钱瑙 匕伏岛 迎翅团 G B / T 1 8 1 1 9 -2 0 0 0 除非特别说明， 否则最高有效位首先发送， 为 1比特， 并位于本标准码表的最左比特。除非特别说 明， 否则所有未用比特或空闲比特置为“ 1 “ 。除非I