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1、第二章 多媒体数据压缩技术,& 2.1 信息表示与编码,一、为什么要对媒体信息进行数字化？提高稳定性、精确性适于计算机处理二、为什么要进行数据压缩？ 是计算机信息处理的基本要求因为编码数据中存在大量冗余,三、进行压缩的可能性一般来说，多媒体数据中存在以下种类的冗余：空间冗余时间冗余熵冗余结构冗余知识冗余视觉冗余其他冗余,1.空间冗余 同一幅图像中，规则物体和规则背景的表面物体特性具有相关性，例如：很多像素点完全一样活十分接近，这些都可以压缩。2.时间冗余时间冗余反映在视频帧序列中，相邻帧图像之间有较大的相关性。3.信息熵冗余所携带的信息量少于数据本身而反映出来的冗余。,4.视觉冗余人类的视觉系
2、统由于受生理特性的限制，对于图像场的注意是非均匀的。一般只能分辨26灰度等级，而一般都采用28灰度等级。5.听觉冗余人耳对不同频率的声音的敏感性是不同的，不能察觉所有频率的变化，对某些频率不必特别关注，因此存在听觉冗余。6.结构冗余数字化图像中物体表面纹理等结构往往存在着数据冗余。称结构冗余。,7.知识冗余由图像的记录方式与人对图像的知识之间的差别所产生的冗余称为知识冗余。例如：人脸的图像有固定的结构，鼻子位于脸的中线上，上方是眼睛，下方是嘴等。人具有这些规律性的知识，但计算机还是把图像一个一个像素的存起来。这就形成了知识冗余。,& 2.2 常用的数据压缩技术,一、概述1948年Oliver提
3、出脉冲编码调制（pulse code modulation；PCM）编码理论以来，我们已经有了多种多样的方法来压缩多媒体数据。数据压缩的概念将一个文件的数据容量减少,同时基本保持原有文件的信息内容.数据压缩的目的就是减少信息存储的空间,缩短信息传输的时间.,常用的压缩编码方法可以分为两大类：一类是无损压缩法（可逆编码），压缩比在2：15：1之间；另一类是有损压缩法（不可逆编码），压缩比可在几倍到上百倍之间调节。三个技术指标压缩比压缩/解压速度数据恢复效果,二、压缩方法原理简介无损压缩行程编码（游程编码）霍夫曼(Huffman)编码算术编码LZW编码有损压缩PCM(脉冲编码调制)预测编码变换编辑
4、插值算法混合压缩,霍夫曼（Huffman）编码原理 霍夫曼（Huffman）编码是1952年为文本文件而建立，是一种统计编码。属于无损压缩编码。 霍夫曼编码的码长是变化的，对于出现频率高的信息，编码的长度较短；而对于出现频率低的信息，编码长度较长。这样，处理全部信息的总码长一定小于实际信息的符号长度。 步骤进行： l）将信号源的符号按照出现概率递减的顺序排列。 2）将两个最小出现概率进行合并相加，得到的结果作为新符号的出现概率。 3）重复进行步骤1和2直到概率相加的结果等于1为止。 4）在合并运算时，概率大的符号用编码0表示，概率小的符号用编码1表示。 5）记录下概率为1处到当前信号源符号之间
5、的0，l序列，从而得到每个符号的编码。,例： 设信号源为 ss1, s2, s3, s4, s5 对应的概率为p0.25，0.22，0.20, 0.18，0.15。 画出编码树并给出各符号的码长.根据字符出现的概率来构造平均长度最短的异字头码字。 霍未曼编码通常采用两次扫描的办法，第一次扫描得到统计结果，第二次扫描进行编码。,霍夫曼编码具有一些明显的特点： 1) 编出来的码都是异字头码，保证了码的唯一可译性。 2) 由于编码长度可变。因此译码时间较长，使得霍夫曼编码的压缩与还原相当费时。 3) 编码长度不统一，硬件实现有难度。 4) 对不同信号源的编码效率不同，当信号源的符号概率为2的负幂次方
6、时，达到100的编码效率；若信号源符号的概率相等，则编码效率最低。 5) 由于0与1的指定是任意的，故由上述过程编出的最佳码不是唯一的，但其平均码长是一样的，故不影响编码效率与数据压缩性能。,三、数据压缩方法综合分析压缩率还原质量压缩和解压的速度对称（实时）非对称（非实时）软硬件开销,&2.3 静态图像压缩标准JPEG,一、JPEG算法概要 JPEG（Joint Photographic Experts Group） 是由 ISO和IEC两个组织机构联合组成的一个专家组，负责制定静态的数字图象数据压缩编码标准，这个专家组开发的算法称为JPEG算法。JPEG是一个适用范围很广的静态图象数据压缩标
7、准，既可用于灰度图象又可用于彩色图象。,JPEG专家组开发了两种基本的压缩算法：1、采用以预测技术为基础的DPCM无损压缩算法；（压缩比：2：14：1）2、采用以离散余弦变换DCT为基础的有损压缩算法。（压缩比：10：1100：1，在压缩比小于40:1的情况下，压缩后还原得到的图象与原始图象相比较，主观效果几乎一样。因此得到了广泛的应用。,JPEG压缩算法的特点：1、参数化解码器，可大范围调节压缩质量比。2、适应于任何连续色调图像3、硬件要求低4、四种工作模式：基于DPCM的无失真算法基于DCT的有失真算法顺序、累进、分层,二、基于DPCM的无失真编码,三、基于DCT的有失真压缩编码,基于DC
8、T的编码算法的主要计算步骤如下： 1、图像88子块，进行DCT变换。 2、对变换系数量化(Quantization)处理。 3、使用差分脉冲编码调制DPCM对直流系数(DC)进行编码。 4、使用Z字形 (Zigzag Scan)行程长度编码对交流系数(AC)进行编码。 5、熵编码(Entropy Coding)。,量化,量化是对经过DCT变换后的频率系数进行量化。量化的目的是在一定主观保真度图像质量的前提下，丢掉那些对视觉影响不大的信息。结果，减小非“0”系数的幅度以及增加“0”值系数的数目。量化是图象质量下降的最主要原因。,DC系数和AC系数的处理,熵编码,使用熵编码还可以对DCPM编码后的
9、直流DC系数和RLE编码后的交流AC系数作进一步的压缩。 使用霍夫曼编码器的理由是可以使用很简单的查表(lookup table)方法进行编码。压缩数据符号时，霍夫曼编码器对出现频度比较高的符号分配比较短的代码，而对出现频度较低的符号分配比较长的代码。这种可变长度的霍夫曼码表可以事先进行定义。,&2.4 运动图像压缩标准MPEG,一、MPEG标准简介 MPEG（Moving Picture Expert Group）成立于1988年的专家组，是ISO/IEC的工作组，负责开发影视图象、声音的处理、压缩、解压缩、编码和它们的组合标准。这个专家组开发标准称为MPEG标准。MPEG专家组有20多个国
10、家的300多位专家参加，一年开3次会议。,到目前为止，已经开发和正在开发的标准有： MPEG-1：低档数字电视压缩标准1.5Mbps MPEG-2：数字电视压缩标准10Mbps MPEG-3：已于1992年7月合并到HTDV工作组40Mbps MPEG-4：多媒体应用标准564 Kbps MPEG-7：多媒体内容描述接口标准,二、MPEG1数据压缩算法 MPEG-Video图象压缩技术基本思想可以归纳成两个要点： 在图象空间上采用JPEG压缩算法来去掉冗余信息（帧内DCT）。 在时间方向上采用基于块的移动补偿(Motion Compensation)算法来去掉冗余信息。,为了在保证图像质量基本
11、不降低而又能够获得高的压缩比，MPEG专家组定义了三种图象:帧内图象I(intra) 前向预测图象P(predicted ) 双向预测图象B(bidirectional),运动矢量的概念,MPEG-2标准类似于MPEG-1，但做了不少的扩充使它的应用范围更加广泛，例如可用于卫星广播电视和交互电视。MPEG-1是针对CD-ROM和数据速率为1.5Mb/s左右的其它应用而开发的，因此电视图象限制为非隔行扫描的图象。MPEG-2相对于MPEG-1改进最明显的地方是增加了描述隔行扫描电视图象的编码语句，例如168数据块的移动补偿。此外，预测方式、帧内的VLC(variable length code)表、DC系数的精度、非线性宏块(maCroblock)的量化等都做了改进。,数字化：把时间和幅度连续的信号转换成离散的数字信号,数字化：把时间和幅度连续的信号转换成离散的数字信号,连续时间的离散化通过采样(Sampling)，一般采用均匀采样(uniform sampling)连续幅度的离散化通过量化(Quantization)，可采用线性量化, 或非线性量化,
