第四章多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)

1、第四章 多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù),多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)的重要性和分類量化統(tǒng)計編碼預(yù)測編碼變換編碼多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼的國際標(biāo)準(zhǔn),,4.1.1 多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)的重要性和分類,多媒體信息傳送面臨的最大難題是海量數(shù)據(jù)存儲與傳送電視信號數(shù)字化后的數(shù)據(jù)量問題，數(shù)據(jù)壓縮是解決問題的重要途徑。,多媒體數(shù)據(jù)壓縮的可能性,空間冗余時間冗余結(jié)構(gòu)冗余知識冗余 視覺冗余 圖像區(qū)域的相同性冗余紋理的統(tǒng)計冗余,多媒體數(shù)據(jù)壓縮方法的分

2、類,按壓縮方法分:(根據(jù)質(zhì)量)(1) 有損壓縮(2) 無損壓縮,,按壓縮方法分:(1) 脈沖編碼調(diào)制(2) 預(yù)測編碼(3) 變換編碼(4) 統(tǒng)計編碼(5) 混合編碼,,量化,量化原理 量化處理是使數(shù)據(jù)比特率下降的一個強有力的措施。 量化處理總是把一批輸入，量化到一個輸出級上，所以量化處理是多對一的處理過程，是個不可逆過程，量化處理中有信息丟失。,標(biāo)量量化器的設(shè)計,量化器的設(shè)計要求 （1）給定量化分層級數(shù)，滿足

3、量化誤差最小。（2）限定量化誤差，確定分層級數(shù)，滿足以盡量小的平均比特數(shù)，表示量化輸出。,量化方法,標(biāo)量量化 ：一維量化，它使用一個量化器進行量化，每個采樣的量化都和其他采樣無關(guān)。分為：均勻量化、非均勻量化和自適應(yīng)量化。,,矢量量化 ：每組K個數(shù)構(gòu)成一個K維矢量，然后以矢量為單元，逐個矢量進行量化，稱矢量量化。 矢量量化編碼方法是有損編碼方法。,,4.3.1 統(tǒng)計編碼,信息量和信息熵的概念（1）信息：是用不確定性的量度定義的。

4、（2）信息量：從N個相等可能事件中選出一個事件所需要的信息度量或含量。（3）熵：如果將信源所有可能事件信息量進行平均就得到信息的熵(熵就是平均信息量)。,哈夫曼編碼,變字長編碼定理:最佳編碼定理 在變字長編碼中，對于出現(xiàn)概率大的信息符號，編以短字長的碼,對于出現(xiàn)概率小的信息符號編以長字長的碼，如果碼字長度嚴(yán)格按照符號概率的大小的相反順序排列，則平均碼字長一定小于按任何其他符號順序排列方式得到的碼字長度。,哈夫曼編碼步驟,（1）信

5、源符號按概率大小順序排列，按逆次序分配碼字的長度。（2）出現(xiàn)概率最小的兩個符號概率相加合成一個新概率。（3） 將合成概率看成一個新組合符號概率，重復(fù)上述做法，直到最后只剩下兩個符號概率為止。（4） 反過來逐步向前編碼，每層有兩個分支，分別賦予0和1，構(gòu)成Huffman碼字。,特點,Huffman 編碼構(gòu)造出的碼不唯一Huffman 編碼字長參差不齊Huffman編碼對不同信源的編碼效率是不同的對信源進行Huffman編碼后，

6、形成一個Huffman表,算術(shù)編碼,原理：算術(shù)編碼方法是將被編碼的信息表示成實數(shù)0和1之間的一個間隔。信息越長編碼表示它的間隙就越小，表示這一間隙所須二進位就越多，大概率符號出現(xiàn)的概率越大對應(yīng)于區(qū)間愈寬，可用長度較短的碼字表示；小概率符號出現(xiàn)的概率越小對應(yīng)于區(qū)間愈窄，需要長度較長的碼字表示。,,算術(shù)編碼的特點：(1)不需要碼表；(2)當(dāng)信源概率比較接近時，建議使用算術(shù)編碼。(3)JPEG成員對多幅圖進行算術(shù)編碼效率可以提高

7、5%。(4)JPEG擴展系統(tǒng)用算術(shù)編碼代替Huffman。(5)算術(shù)編碼的硬件實現(xiàn)比哈夫曼編碼要復(fù)雜些.,,4.4.1 預(yù)測編碼,預(yù)測編碼是根據(jù)某一種模型，利用以前的一個或幾個樣值，對當(dāng)前的樣本值進行預(yù)測，將樣本實際值和預(yù)測值之差進行編碼。,預(yù)測編碼方法分類,線性預(yù)測編碼 ?e（i，j）=f（i，j）- f（i，j）,,最佳線性預(yù)測?f（i，j）=a1f（i，

8、j-1）+a2f（i-1，j-1）+a3f（i-1，j）,自適應(yīng)預(yù)測編碼,1.自適應(yīng)預(yù)測?f（i，j）=m[a1f（i，j-1）+a2f（i-1，j-1）+a3f（i-1，j）］2.自適應(yīng)量化,幀間預(yù)測編碼,1.條件補充法：若幀間各對應(yīng)像素的亮度差超過閾值，則把這些像素存到緩存區(qū)中，并以恒定傳輸速度傳輸，而閾值以下的像素則不傳送，在接收端中用上一幀相應(yīng)的像素值代替。,,條件次取樣法 條件補充法和內(nèi)插法相結(jié)合叫條件次取樣法

9、。,,2.運動補償技術(shù) 運動補償方法是跟蹤畫面內(nèi)的運動情況對其加以補償之后再進行幀間預(yù)測。,預(yù)測編碼方法的特點,算法簡單，速度快，易于硬件實現(xiàn)編碼壓縮比不太高誤碼易于擴散，抗干擾能力差,,4.5.1 變換編碼,變換編碼是進行一種函數(shù)變換，映射變換從信號域變換到另一個信號域。,,K-L變換它是以統(tǒng)計特性為基礎(chǔ)的，也稱為特征向量變換。最優(yōu)的正交變換：特征向量矩陣向量指向數(shù)據(jù)變化最大的方向。缺點：計算過程復(fù)雜，變換速度慢。,

10、,離散余弦變換(DCT變換),,4.6.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼的國際標(biāo)準(zhǔn),JPEG標(biāo)準(zhǔn)H.261標(biāo)準(zhǔn)MPEG標(biāo)準(zhǔn),,聯(lián)合圖像專家小組 ：主要制定靜態(tài)圖像幀內(nèi)壓縮編碼,,要求：1.達到或接近當(dāng)前壓縮比與圖像保真度的技術(shù)水平2.能適用于任何種類的連續(xù)色調(diào)的圖像3.計算的復(fù)雜性是可控制的4.算法,,順序編碼累進編碼無失真編碼分層編碼,,兩種基本壓縮算法 (1)基于DCT變換有失真的壓縮算法。 (2)基于空間預(yù)測編碼D

11、PCM的無失真壓縮算法。,,1. 離散余弦變換(DCT)2．量化 均衡量化器 非均衡量化器 自適應(yīng)量化器 3.DC系數(shù)的編碼和AC系數(shù)的行編碼4.熵編碼,,分兩步進行：1）把DC碼和AC行程碼轉(zhuǎn)換成中間符號序列。2）對這些符號序列賦以變長的碼字。,,(1)中間格式由兩個符號組成符號1，行程，尺寸符號2，幅值(2)可變長熵變碼,,結(jié)論:零不需編碼。正數(shù)編碼為原碼,且高位為“1”(碼長為最高位為

12、1)。負(fù)數(shù)為該數(shù)絕對值的反碼,且高位為“0” (碼長同其絕對值碼長一致)。在由程序?qū)崿F(xiàn)時,負(fù)數(shù)的編碼只須“負(fù)數(shù)=負(fù)數(shù)-1”,然后直接取低位。,,H.261標(biāo)準(zhǔn),PΧ64kbps視頻編碼/解碼標(biāo)準(zhǔn),,MPEG壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn),MPEG-1：（1）時域冗余量的減少（2）空域冗余量的減少,,MPEG-2的特點：（1）解碼器支持MPEG-1和MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)（2）具有CD的音質(zhì)（3）允許在一定范圍內(nèi)改變壓縮比，壓縮比較高（4）能夠?qū)?/p>

13、分辨率可變的視頻信號進行壓縮編碼。,練習(xí)與測試,1.衡量數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)性能的重要指標(biāo)是（ ）（1）壓縮比 （2）算法復(fù)雜度（3）恢復(fù)效果 （4）標(biāo)準(zhǔn)化A.（1）（3） B.（1）（2）（3）C.（1）（3）（4） D.全部,答案：B,,2.判斷正誤（1）冗余壓縮法不會減少信息量，可以原樣恢復(fù)原始數(shù)據(jù)（2）冗余壓縮法減少冗余，不能原樣恢復(fù)原始數(shù)據(jù)（3）冗余壓縮法是有損壓縮法（4）冗余壓縮的壓縮比一般都比較小

14、,,（5）熵壓縮法會減少信息量（6）熵壓縮法是有損壓縮法（7）熵壓縮法可以無失真地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)（8）熵壓縮法的壓縮比一般都比較大,考核要求,掌握：數(shù)據(jù)壓縮編碼的方法、常用的壓縮編碼和算法、JPEG的原理和實現(xiàn)技術(shù)。理解：量化的原理和量化器的設(shè)計、MPEG-1的原理和實現(xiàn)技術(shù)。了解：其它的國際標(biāo)準(zhǔn)等。,練習(xí)與測試,多媒體數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)壓縮編碼方法可分為兩大類： ① ， ② 。,,①無損壓縮法 ②有損壓縮法,