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(lèi)量化統(tǒng)計(jì)編碼預(yù)測(cè)編碼變換編碼多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼的國(guó)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(lèi),多媒體信息傳送面臨的最大難題是海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳送電視信號(hào)數(shù)字化后的數(shù)據(jù)量問(wèn)題，數(shù)據(jù)壓縮是解決問(wèn)題的重要途徑。,多媒體數(shù)據(jù)壓縮的可能性,空間冗余時(shí)間冗余結(jié)構(gòu)冗余知識(shí)冗余 視覺(jué)冗余 圖像區(qū)域的相同性冗余紋理的統(tǒng)計(jì)冗余,多媒體數(shù)據(jù)壓縮方法的分

2、類(lèi),按壓縮方法分:(根據(jù)質(zhì)量)(1) 有損壓縮(2) 無(wú)損壓縮,,按壓縮方法分:(1) 脈沖編碼調(diào)制(2) 預(yù)測(cè)編碼(3) 變換編碼(4) 統(tǒng)計(jì)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(gè)強(qiáng)有力的措施。 量化處理總是把一批輸入，量化到一個(gè)輸出級(jí)上，所以量化處理是多對(duì)一的處理過(guò)程，是個(gè)不可逆過(guò)程，量化處理中有信息丟失。,標(biāo)量量化器的設(shè)計(jì),量化器的設(shè)計(jì)要求 （1）給定量化分層級(jí)數(shù)，滿足

3、量化誤差最小。（2）限定量化誤差，確定分層級(jí)數(shù)，滿足以盡量小的平均比特?cái)?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(gè)量化器進(jìn)行量化，每個(gè)采樣的量化都和其他采樣無(wú)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(gè)數(shù)構(gòu)成一個(gè)K維矢量，然后以矢量為單元，逐個(gè)矢量進(jìn)行量化，稱(chēng)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(jì)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(gè)相等可能事件中選出一個(gè)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(jìn)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(zhǎng)編碼定理:最佳編碼定理 在變字長(zhǎng)編碼中，對(duì)于出現(xiàn)概率大的信息符號(hào)，編以短字長(zhǎng)的碼,對(duì)于出現(xiàn)概率小的信息符號(hào)編以長(zhǎng)字長(zhǎng)的碼，如果碼字長(zhǎng)度嚴(yán)格按照符號(hào)概率的大小的相反順序排列，則平均碼字長(zhǎng)一定小于按任何其他符號(hào)順序排列方式得到的碼字長(zhǎng)度。,哈夫曼編碼步驟,（1）信

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

6、形成一個(gè)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(shí)數(shù)0和1之間的一個(gè)間隔。信息越長(zhǎng)編碼表示它的間隙就越小，表示這一間隙所須二進(jìn)位就越多，大概率符號(hào)出現(xiàn)的概率越大對(duì)應(yīng)于區(qū)間愈寬，可用長(zhǎng)度較短的碼字表示；小概率符號(hào)出現(xiàn)的概率越小對(duì)應(yīng)于區(qū)間愈窄，需要長(zhǎng)度較長(zhǎng)的碼字表示。,,算術(shù)編碼的特點(diǎn)：(1)不需要碼表；(2)當(dāng)信源概率比較接近時(shí)，建議使用算術(shù)編碼。(3)JPEG成員對(duì)多幅圖進(jìn)行算術(shù)編碼效率可以提高

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

8、j-1）+a2f（i-1，j-1）+a3f（i-1，j）,自適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼,1.自適應(yīng)預(yù)測(cè)?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(cè)編碼,1.條件補(bǔ)充法：若幀間各對(duì)應(yīng)像素的亮度差超過(guò)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(bǔ)充法和內(nèi)插法相結(jié)合叫條件次取樣法

9、。,,2.運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù) 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法是跟蹤畫(huà)面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況對(duì)其加以補(bǔ)償之后再進(jìn)行幀間預(yù)測(cè)。,預(yù)測(cè)編碼方法的特點(diǎn),算法簡(jiǎn)單，速度快，易于硬件實(shí)現(xiàn)編碼壓縮比不太高誤碼易于擴(kuò)散，抗干擾能力差,,4.5.1 變換編碼,變換編碼是進(jìn)行一種函數(shù)變換，映射變換從信號(hào)域變換到另一個(gè)信號(hào)域。,,K-L變換它是以統(tǒng)計(jì)特性為基礎(chǔ)的，也稱(chēng)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(diǎn)：計(jì)算過(guò)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(guó)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(zhuān)家小組 ：主要制定靜態(tài)圖像幀內(nèi)壓縮編碼,,要求：1.達(dá)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(lèi)的連續(xù)色調(diào)的圖像3.計(jì)算的復(fù)雜性是可控制的4.算法,,順序編碼累進(jìn)編碼無(wú)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(cè)編碼D

11、PCM的無(wú)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(jìn)行：1）把DC碼和AC行程碼轉(zhuǎn)換成中間符號(hào)序列。2）對(duì)這些符號(hào)序列賦以變長(zhǎng)的碼字。,,(1)中間格式由兩個(gè)符號(hào)組成符號(hào)1，行程，尺寸符號(hào)2，幅值(2)可變長(zhǎng)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(zhǎng)為最高位為

12、1)。負(fù)數(shù)為該數(shù)絕對(duì)值的反碼,且高位為“0” (碼長(zhǎng)同其絕對(duì)值碼長(zhǎng)一致)。在由程序?qū)崿F(xiàn)時(shí),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(shí)域冗余量的減少（2）空域冗余量的減少,,MPEG-2的特點(diǎn)：（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(hào)進(jìn)行壓縮編碼。,練習(xí)與測(cè)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(huì)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(huì)減少信息量（6）熵壓縮法是有損壓縮法（7）熵壓縮法可以無(wú)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(shí)現(xiàn)技術(shù)。理解：量化的原理和量化器的設(shè)計(jì)、MPEG-1的原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。了解：其它的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)等。,練習(xí)與測(cè)試,多媒體數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)壓縮編碼方法可分為兩大類(lèi)： ① ， ② 。,,①無(wú)損壓縮法 ②有損壓縮法,