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第62题

知识点：数据压缩标准编码视频视频编码标准索引

关键词：视频帧间编码编码章/节：计算机应用

MPEG-1视频编码标准中定义了（62）种不同类型的视频帧，其中没有使用帧间编码能够直接作为索引点的是（63）。

A. 2

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MPEG-7是ISO制定的（）标准。

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以下关于哈夫曼编码的叙述中，正确的是（63）。


知识点讲解
· 数据压缩标准 · 编码 · 视频 · 视频编码标准 · 索引

数据压缩标准

常用的数据压缩标准如下：

（1）JPEG（Joint Photographic Experts Group，联合图像专家组）。这是采用基于DCT（Discrete Cosine Transform，离散余弦变换）和可变长编码的算法。它的关键技术是变换编码、量化、差分编码、哈夫曼编码和行程编码等。JPEG 2000作为JPEG标准的一个更新换代标准，它的目标是进一步改进目前压缩算法的性能，以适应低带宽、高噪声的环境，以及医疗图像、电子图书馆、传真、Internet上服务和保安等方面的应用。它与传统JPEG最大的不同，在于它放弃了JPEG所采用的以离散余弦变换为主的区块编码方式，而采用以离散小波转换为主的多解析编码方式。

（2）MPEG。MPEG（动态图像专家组）是ISO（International Standards Organization，国际标准化组织）制定和发布的视频、音频和数据的压缩标准。它的三大特点是兼容性好；压缩比高，可达200：1；数据的损失很小。MPEG采用预测和插补两种帧间编码技术。MPEG视频压缩算法中包含两种基本技术：一种是基于16×16子块的运动补偿技术，用来减少帧序列的时域冗余；另一种是基于DCT的压缩，用于减少帧序列的空域冗余，在帧内压缩及帧间预测中均使用了DCT变换。运动补偿算法是当前视频图像压缩技术中使用最普遍的方法之一。常用的MPEG标准如下表所示。

MPEG主要标准

（3）DVI（Digital Visual Interface，数字视频接口）。与MPEG-1相当，可达VHS（Video Home System，家用录像系统）水平，压缩后数据传输速率为1.5Mbps。为了扩大DVI的应用，Intel公司还推出了DVI算法的软件解码算法，可以将未压缩的数字视频文件压缩为原来的1/5～1/10。

（4）H.261。它主要是针对在ISDN上实现电信会议应用，特别是面对面的可视电话和视频会议而设计的。它的算法类似于MPEG（Moving Pictures Experts Group，动态图像专家组），但实时编码比MPEG占用CPU小，它在图像质量与运动幅度间采取了折中，即剧烈运动的图像要比相对静止的图像的质量差。它属于恒定码流可变质量编码。它采用CIF（Common Intermediate Format，通用中间格式）和QCIF（四分之一CIF）作为可视电话的视频格式。

（5）H.263。它主要是针对低带宽通信而设计的，它在低带宽下能够提供比H.261更好的图像效果。不仅支持CIF和QCIF，还支持SQCIF（八分之一CIF）、4CIF、16CIF。后来又推出了H.263，增加了在易误码、易丢包、异构网络下的传输效果，现在已基本代替了H.261。

编码

编码过程

在给定了软件设计规格说明书后，下一步的工作就是编写代码。一般来说，编码工作可以分为四个步骤：

（1）确定源程序的标准格式，制订编程规范。

（2）准备编程环境，包括软硬件平台的选择，包括操作系统、编程语言、集成开发环境等。

（3）编写代码。

（4）进行代码审查，以提高编码质量。为提高审查的效率，在代码审查前需要准备一份检查清单，并设定此次审查须找到的bug数量。在审查时，要检查软件规格说明书与编码内容是否一致；代码对硬件和操作系统资源的访问是否正确；中断控制模块是否正确等。

编码准则

在嵌入式系统中，由于资源有限，且实时性和可靠性要求较高，因此，在开发嵌入式软件时，要注意对执行时间、存储空间和开发／维护时间这三种资源的使用进行优化。也就是说，代码的执行速度要越快越好，系统占用的存储空间要越小越好，软件开发和维护的时间要越少越好。

具体来说，在编写代码时，需要做到以下几点：

.保持函数短小精悍。一个函数应该只实现一个功能，如果函数的代码过于复杂，将多个功能混杂在一起，就很难具备可靠性和可维护性。另外，要限制函数的长度，一般来说，一个函数的长度最好不要超过100行。

.封装代码。将数据以及对其进行操作的代码封装在一个实体中，其他代码不能直接访问这些数据。例如，全局变量必须在使用该变量的函数或模块内定义。对代码进行封装的结果就是消除了代码之间的依赖性，提高了对象的内聚性，使封装后的代码对其他行为的依赖性较小。

.消除冗余代码。例如，将一个变量赋给它自己，初始化或设置一个变量后却从不使用它，等等。研究表明，即使是无害的冗余也往往和程序的缺陷高度关联。

.减少实时代码。实时代码不但容易出错、编写成本较高，而且调试成本可能更高。如果可能，最好将对执行时间要求严格的代码转移到一个单独的任务或者程序段中。

.编写优雅流畅的代码。

.遵守代码编写标准并借助检查工具。用自动检验工具寻找缺陷比人工调试便宜，而且能捕捉到通过传统测试检查不到的各种问题。

编码技术

编程规范

在嵌入式软件开发过程中，遵守编程规范，养成良好的编程习惯，这是非常重要的，将直接影响到所编写代码的质量。

编程规范主要涉及的三方面内容：

.命名规则。从编译器的角度，一个合法的变量名由字母、数字和下画线三种字符组成，且第一个字符必须为字母或下画线。但是从程序员的角度，一个好的名字不仅要合法，还要载有足够的信息，做到“见名知意”，并且在语意清晰、不含歧义的前提下，尽可能地简短。

.编码格式。在程序布局时，要使用缩进规则，例如变量的定义和可执行语句要缩进一级，当函数的参数过长时，也要缩进。另外，括弧的使用要整齐配对，要善于使用空格和空行来美化代码。例如，在二元运算符与其运算对象之间，要留有空格；在变量定义和代码之间要留有空行；在不同功能的代码段之间也要用空行隔开。

.注释的书写。注释的典型内容包括：函数的功能描述；设计过程中的决策，如数据结构和算法的选择；错误的处理方式；复杂代码的设计思想等。在书写注释时要注意，注释的内容应该与相应的代码保持一致，同时要避免不必要的注释，过犹不及。

性能优化

由于嵌入式系统对实时性的要求较高，因此一般要求对代码的性能进行优化，使代码的执行速度越快越好。以算术运算为例，在编写代码时，需要仔细地选择和使用算术运算符。一般来说，整数的算术运算最快，其次是带有硬件支持的浮点运算，而用软件来实现的浮点运算是非常慢的。因此，在编码时要遵守以下准则：

.尽量使用整数（char、short、int和long）的加法和减法。

.如果没有硬件支持，尽量避免使用乘法。

.尽量避免使用除法。

.如果没有硬件支持，尽量避免使用浮点数。

下图是一个例子，其中两段代码的功能完全一样，都是对一个结构体数组的各个元素进行初始化，但采用两种不同的方法来实现。下图（a）采用数组下标的方法，在定位第i个数组元素时，需要将i乘以结构体元素的大小，再加上数组的起始地址。下图（b）采用的是指针访问的方法，先把指针fp初始化为数组的起始地址，然后每访问完一个数组元素，就把fp加1，指向下一个元素。在一个奔腾4的PC上，将这两段代码分别重复10 700次，右边这段代码需要1ms，而左边这段代码需要2.13ms。

算术运算性能优化的例子

视频

视频是动态的画面序列，这些画面以超过每秒24帧的速度播放，便可以使观察者产生平滑、连续的视觉效果。视频类似于我们熟知的电影和电视，有声有色。电影采用了每秒24幅画面的播放速度，电视采用了每秒25幅或30幅画面的播放速度。视频图像可来自于录像带、影碟、电视、摄像机等，这些模拟视频信号可通过视频采集卡转换成数字视频信号，以便计算机进行处理和存储。

视频编码标准

H.261

H.261是1990年国际电信联盟（ITU-T）制定的一个视频编码标准，属于视频编解码器，其设计目的是在带宽为64kb/s倍数的综合业务数字网（ISDN for Integrated Services Digital Network）上传输质量可接受的视频信号。编码程序设计的码率能够在40kb/s～2Mb/s工作，能够对CIF和QCIF分辨率的视频进行编码。1994年，H.261使用向后兼容的技巧加入了一个能够发送分辨率为704×576的静止图像的技术。

H.261是第一个实用的数字视频编码标准。H.261使用了混合编码框架，包括基于运动补偿的帧间预测、基于离散余弦变换的空域变换编码、量化、Zig-Zag扫描和熵编码。H.261编码时的基本操作单位称为宏块。H.261使用YCbCr颜色空间，并采用4:2:0色度抽样，每个宏块包括16×16的亮度抽样值和两个相应的8×8的色度抽样值。

H.263

H.263是ITU-T在1995年推出的视频编码标准，它在许多应用中被用于取代H.261。H.263的编码算法与H.261一样，但其做了一些改善和改变，以提高性能和纠错能力。

H.263标准在低码率下能够提供比H.261更好的图像效果，两者的区别如下。

①H.263的运动补偿使用半像素精度，而H.261则使用全像素精度和环路滤波。

②数据流层次结构的某些部分在H.263中是可选的，使得编解码可以配置成更低的数据率或更好的纠错能力。

③H.263包含四个可协商的选项以改善性能。

④H.263采用无限制的运动向量以及基于语法的算术编码。

⑤H.263采用事先预测及与MPEG中的P-B帧相同的帧预测方法。

⑥H.263支持5种分辨率，即除了支持H.261所支持的QCIF和CIF外，还支持SQCIF、4CIF和16CIF, SQCIF相当于QCIF一半的分辨率，而4CIF和16CIF的分辨率分别为CIF的4倍和16倍。

H.261和H.263所支持的视频格式以及图像分辨率如下表所示。

H.261和H.263支持的视频格式

MPEG标准（MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4）

MPEG是Moving Pictures Experts Group（动态图像专家组）的缩写，是一个致力于数字视频、音频技术发展及标准化的杰出组织，它是ISO（International Standard Organization）与IEC（International Electronic Committee）在1988年联合成立的。1992年11月，MPEG-1被批准，并于1993年被ISO接纳为国际标准；1994年11月，MPEG-2标准发布，并在1995年成为国际标准；MPEG-4标准则于1999年和2001年分别有了版本1和版本2。

MPEG-1标准

MPEG-1针对CIF标准分辨率（NTSC制为352×240，PAL制为352×288）的图像进行压缩，并在标准中规定了视／音频信息经过压缩后的数据码率最大为1.5Mb/s。MPEG-1可以实现在不同带宽的设备，如CD-ROM、Video-CD等数字媒体上进行存储，也可以在局域网、ISDN网上进行视／音频信息的传输。

MPEG-1视像（MPEG-1 Video）压缩视像数据的基本方法可以归纳为以下两点：在空间方向上，采用与JPEG类似的算法去掉空间冗余数据；在时间方向上，采用移动补偿（motion compensation）算法去掉时间冗余数据。为此，MPEG专家组开发了两项重要技术：定义了视像数据的结构和定义了三种类型的图像。

①视像的数据结构。

一个视像片段是由一系列静态图像（picture）组成的视像序列（sequence），而视像序列又可分成许多像组（Group Of Picture, GOP），像组中的每一帧图像分为许多像片（slice），每个像片由16行组成，把像片分成16行×16像素／行的宏块（macroblock, MB），宏块又可分成若干个8行×8像素／行的图块（block），如下图所示。当子采样格式为4:2:0时，一个宏块由4个亮度（Y）图块和两个色度图块（Cb和Cr）组成。

视像数据组织结构图

②三种类型的图像。

MPEG专家组定义了三种类型的图像，然后采用三种不同的算法分别对它们进行压缩。

. 帧内图像I（intra-picture）。简称I图像或I帧（I-picture或I-frame），包含内容完整的图像，用于为其他帧图像的编码和解码作参考，因此也称关键帧。

. 预测图像P（predicted picture）。简称P图像或P帧（P-picture或P-frame），指以在它之前出现的帧内图像I作参考图像的图像，对预测图像P进行编码就是对它们之间的差值进行编码。

. 双向预测图像B（bidirectionally-predictive picture）。也称双向插值图像B（bidirectionally-interpolated picture），简称B图像或B帧（B-picture或B-frame），以在它之前和之后的帧图像（I和P）作参考的图像，对B进行编码就是对帧内图像I和预测图像P的差值分别进行编码。

MPEG-2标准

MPEG-2标准是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定，编码率可达100Mb/s。MPEG-2不是MPEG-1的简单升级，它在系统和传送方面进行了更加详细的规定和进一步的完善。MPEG-2特别适用于广播级的数字电视的编码和传输，被认定为SDTV和HDTV的编码标准，同时也是DVD的编码标准。

MPEG-2视像标准在全面继承MPEG-1视像数据压缩算法基础上增添了许多新的语法结构和算法。为适应不同的应用，MPEG-2视像标准定义了多种视像质量可变的编码方式，可提供不同等级的视像服务质量，以适应不同应用，但同时也增加了编码和解码的复杂性，降低了压缩效率。

视像可变编码采用分层编码技术（layered coding），通常分成以下两种。

. 基层编码（base-layer coding）或称低层编码（lower-level coding）。编码、传输和解码可单独进行。

. 增强层编码（enhancement-layer coding）或称高层编码（upper-level coding）。编码、传输和解码要依赖基层或先前的增强层才能完成。

MPEG-2视像标准支持的可变编码方式主要包括以下几种。

. 信噪比可变（SNR scalability）编码。针对需要多种视像质量的应用，使用增强层编码以提供较高的信噪比。

. 空间分辨率可变（spatial scalability）编码。针对需要同时广播多种空间分辨率视像的应用，使用增强层编码以提供较高的空间分辨率。

. 时间分辨率可变（temporal scalability）编码。针对从远程通信到HDTV以及需要立体感视像的应用。

. 数据分割（data partitioning）编码。针对两个信道传输视像数据位流的应用，它将量化的DCT系数进行分割，编码后分别送到不同的信道。

MPEG-4标准

MPEG-4视像压缩编码技术试图提供的数据率小于64kb/s、64～384kb/s和0.384～4Mb/s的视像压缩编码技术，主要用于网上流、光盘、语音传送（视频电话）以及电视广播。

MPEG-4包含了MPEG-1及MPEG-2的绝大多数功能及其他格式的长处，并加入及扩充了对虚拟现实模型语言（Virtual Reality Modeling Language, VRML）的支持、面向对象的合成文件（包括音效、视频及VRML对象）以及数字版权管理（DRM）及其他交互功能。而MPEG-4比MPEG-2更先进的一个特点就是MPEG-4不再使用宏区块进行图像分析，而是以图像上的个体作为变化记录，因此尽管在图像的变化速度很快、码率不足时也不会出现方块画面。

索引

在数据库系统中，索引是一种可选结构，其目的是提高数据访问速度。利用索引可提高用户访问数据的速度，或直接从索引中独立检索数据。如果对索引的配置和使用进行了优化，那么索引能大大降低数据文件的I/O操作并提高系统性能。

但是在为一个表创建索引之后，Oracle将自动维护这个索引。当用户在表中插入、更新或删除记录时，系统将自动更新与该表相关的索引。一个表可以有任意数量的索引，但一个表的索引越多，用户在该表中插入、更新或删除记录时所造成的系统开销也越大。其原因是无论何时更新表，系统都必须更新与之相关的索引。

索引是建立在表的一个或多个字段之上的。索引的作用大小取决于该字段或字段集的选择性。所谓选择性，是指索引能降低数据集中的程度。如果表中与某个索引相关的字段值各不相同，那么该索引就有很好的选择性。一个选择性很差的索引的例子，是基于字段值仅为true/false的字段创建的索引，因为表中很多记录该字段的字段值都相同。一个索引可能只能帮助管理员降低检索的记录数，而不能惟一地确定一条记录。例如：如果为一个表的LastName字段创建了一个索引，现在用户需要搜索John Smith，那么这个索引将返回LastName字段值为Smith的所有记录，因而用户还不得不在返回的记录中搜索含John的记录。索引的选择性越好，就越有助于降低返回记录的数量，从而提高数据访问速度。下面介绍有效创建和使用索引的技巧和方法。

. 索引和降低系统处理的数据量。

索引的主要作用之一就是降低系统处理的数据量。对CPU使用和等待完成I/O操作的时间上，I/O操作引起的系统开销都是非常昂贵的。降低I/O操作可提高系统性能和处理能力。如果不使用索引，那么为了找到特定的数据，系统将不得不扫描表中的所有数据。

例如如下查询语句：

如果不使用索引，系统必须扫描整个emp表并检查表中每条记录的employee_id字段的值。如果emp表很大，那么这个操作可能意味着数量巨大的I/O读写和很长的处理时间。

如果为emp表的employee_id字段创建了索引，那么系统将遍历该索引并找到用户所查询记录的ID。找到记录ID之后，只需一条额外的I/O操作就能检索到用户所需的数据。

用于说明这个问题的最好例子，是只需查找一条记录的情况。在表的每条记录中，类似employee_id这样的字段的值可能在整个表中都是惟一的。这意味着查询结果值返回一条记录，这种查询的效率是非常高的。

在某些情况下，索引必须返回大量数据。如下面的例子：

这个查询语句很可能返回大量数据，因为索引操作返回了大量记录的ID，并且系统必须独立访问这些记录的ID，所以这种情况下，不使用索引可能比使用索引的效率更高，直接进行表扫描可能效率更高。不同情况下，采用哪种查寻方法更好，很大程度上取决于表的数据量和组织形式。

对于不同的数据，在某些情况下位图索引可能非常有用，而在另外一些情况下，使用位图索引可能没有任何好处。

. 索引和更新。

如果对表创建了索引，那么更新、插入和删除表中的记录都将导致额外的系统开销。在系统提交这些操作之前，系统将会更新所有与该表相关的索引。这可能需要花费很长时间，并额外增加一定的系统开销。

. 在字段选择性很低的情况下适用索引。

在某些情况下，表中的某些字段的选择性可能很低。开发人员没必要为所有表创建索引，实事上，在某些情况下索引引起的问题比解决的问题更多。在很多情况下，需要反复试验，才能确定一个索引是否有助于提高系统性能。

但是，位图索引能在字段选择性不高的情况下工作得很好。一个位图索引可以和其他位图索引联合使用，以降低系统检索的数据集。对于某些值为true/false、yes/no或其他小范围数据的字段，建立位图索引是非常合适的。请记住：位图索引所占用的空间，是随着与该索引相关的字段的不同值的数量的增加而增加的。

如果决定创建一个索引，那么确定为哪些字段创建索引是非常重要的。对于不同的表，可能会选择一个或多个字段创建索引。可使用如下方法来确定在哪些字段上创建索引：

①选择那些最常出现在where子句中的字段。经常被访问的字段最可能受益于索引。

②经常用于连接表的字段是创建索引的必然候选字段。

③必须注意索引导致的查询语句性能的提高与更新数据时性能的降低之间的平衡。

④经常被修改的字段不适合创建索引，其原因是，更新索引将增加系统开销。

在某些情况下，使用复合索引的效率可能比使用简单索引的效率更高。下面的一些例子说明了应当在何种情况下使用复合索引。

①某两个字段单独来看都不具有惟一性，但结合在一起却有惟一性，那么这种情况下，复合索引将工作得很好。例如：A字段和B字段都几乎没有惟一性值，但绝大多数情况下，字段A和B的某个特定组合却具有惟一性特点。那么在检索数据时，可在where子句重视and操作符来将这两个字段连接在一起。

②如果select语句中的所有值都位于复合索引中，那么Oracle将不会检索表，而直接从索引中返回数据。

③如果多个查询语句的where子句中作为查询条件的字段都不相同，但返回的记录相同，那么应当考虑利用这些字段创建一个复合索引。

在创建索引之后，开发人员应当定期利用SQL TRACE工具或EXPLAIN PLAN来察看用户查询是否充分利用了索引。很有必要花费一定精力来试验使用索引和未使用索引在效率上的差别，以判断索引所耗费资源是否物有所值。

应该删除那些不经常使用的索引。可使用alter index monitoring usage语句来跟踪索引的使用情况。还可以从系统表all_indexes、user_indexes和dba_indexes中查询用户访问索引的频率。

如果为一个不适合创建索引的字段或表创建了索引，那么这可能会导致系统能力的下降。而如果创建的索引合理，那么这将降低系统的I/O操作并加快访问速度，从而大大提高系统性能。

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