数字化后的视频和音频等媒体信息具有海量性

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1、数字化后的视频和音频等媒体信息具有海量性，与当前 计算机所提供的计算机存储资源和网络带宽之间有很大 差距，这样对多媒体信息的存储造成很大困难。因此，多媒体信息以压缩的形式进行存储和传播成为必 要，同时因为多媒体数据之间存在大量冗余现象，如空 间冗余、时间冗余、结构冗余、知识冗余、视觉冗余、 图像区域的相同性冗余和纹理统计冗余，使得多媒体数 据压缩成为可能。本章主要介绍了数据压缩的基本原理和方法，以及数据 压缩的编码原理和压缩标准。 第 7 章 多媒体压缩技术 7.1 数据压缩的基本原理和方法 根据多媒体不同的表现形式和不同场合以及质量方面的应 用需求，必须有针对性地进行设计。而各种压缩方法应该

2、符合一定范围内的性能指标，以满足 实际应用的领域的需要。 7.1.1 数据压缩压缩 方法的分类类 数据压缩压缩 技术术自从1948年提出以来，经过经过 50多年的发发展。 根据解码码后的数据与压缩压缩 之前的原始数据是否完全一致， 可以分为为无损压缩编码损压缩编码 和有损压缩编码损压缩编码 。无损压缩编码具有可恢复性和可逆性。该编码该编码 在压缩时压缩时 不丢丢失任何数据，即把所有的数据都作为为比特序列，解压压后的数据与原始数据完全一致。 有损压缩编码不具有可恢复性和可逆性，该编码在压缩时 舍弃冗余的数据，例如人眼较难较难 分辨的颜颜色或人耳难难以分辨的方 向源信号，实际实际 取决于初始信号的

3、类类型、信号的相关性以及语义语义 等 内容。这这些被舍去的信息值值是无法再找回的，所以还还原后的数据与 原始数据存在差异。 统计编码统计编码 ：属于无失真编码编码 。根据信源符号出现现概率的分 布特性进进行编码编码 ，让让概率大的信源符号用短码码字表示，让让 概率小的信源符号用长码长码 字表示，从而去除数据之间间的冗 余而达到压缩压缩 的目的。预测编码预测编码 ：根据离散信号之间间存在一定的相关性特点，利 用前面的一个或多个信号对对下一个信号进进行预测预测 ，然后对对实际值实际值 和预测值预测值 的差值进值进 行编码编码 。 如果所有的信源符号出现现的概率相同，则说则说 明 平均信息量最大，也

4、就不存在信源的冗余。根据数据压缩的原理可以分为：统计编码、预测编码、变换编码、分析-合成编码和其他 编码。 变换编码变换编码 ：属于有失真的编码编码 。变换编码变换编码 是将原始数据 从初始空间间或时间时间 域进进行数学变换变换 ，变换为变换为 更适合于压压 缩缩的抽象域。关键键的是要寻寻找一个最佳变换变换 ，使信息中最重要的部分 易于识别识别 。变换变换 本身是可逆的无损损的，为为了取得更好的效果，忽 略了一些编码编码 位数较长较长 的系数而成为为了有损编码损编码 。变换编码变换编码 一般经过经过变换变换 、变换变换 域采样样和量化三个步骤骤分析/合成编码编码 ：是基于某种模型的编码编码 方

5、法，这这些模型可以是声道模型、 语语音模型、人体模型等。通过过分析模型的具体特征，确定 与之匹配的编码编码 。 其他编码编码 方法常见见的有：混合编码编码 （Hybrid Coding）、矢量量化（Vector Quantize，VQ）、LZW算法等。还还有近年来新出现现的编码编码 方法：人工神经经元网络络（Artificial Neural Network ，ANN）算法、分形（Fractal）算法、小波（Wavelet）算法、基于对对象（Object-Based）的算法、基于模型（Model-Based）的算法等。 7.1.2 数据压缩压缩 的性能指标标 衡量一种数据压缩压缩 技术术的重要

6、性能指标标有压缩压缩 比、压缩压缩 速度、压缩质压缩质 量和计计算量。 压缩压缩 比 压缩压缩 比是指原始数据量和压缩压缩 后数据量的比值值。有损压缩损压缩 有很高的压缩压缩 比采用不同的压缩编码压缩编码 可得到不同的压缩压缩 比。无损压缩能实现的压 缩比，一般只有数倍，而且与被压缩的对象有关。文字、图像普遍 采用无损压缩。 例如，MPGE是一种包含音频频和图图像在内的压缩压缩 技术术，利用MPEG-1、 MPEG-2、MPEG-4三个方案，对音频的感知编码中，MPEG-1方案的音频压 缩比是1:4，MPEG-2方案的音频压缩比是1:61:8 ，MPEG-4方案的音频压 缩比是1:101:12

7、 。但是MPEG对图像的压缩算法，所提供的压缩比可以高 达200:1。利用JPEG也可以有多种图像的压缩比，甚至可以减小到原图像的 百分之一（压缩比100:1）。 压缩压缩 速度压缩压缩 速度指编码编码 或解码码的快慢程度。不同的应应用场场合， 对压缩对压缩 速度要求是不同的。对于一个压缩系统而言，有对 称压缩和非对称压缩之分。 所谓谓对对称压缩压缩 ，就是压缩压缩 和解压缩压缩 都需要实时进实时进 行的。 例如：电视电视 会议议的图图形传输传输 。 非对称压缩常常在解压缩方面要求是实时的，但压缩可 以不是实时的。 例如，多媒体CD-ROM的制作过程可以不是实时的，但 解压缩必须是实时的，否则

8、用户看到的就不是连续的图 像。 压缩质压缩质 量 压缩质压缩质 量是指压缩压缩 以后对对媒体的感知效果。有损压缩才可能影响人对媒体的感知效果。压缩质压缩质 量的好坏与压缩压缩 算法、数据内容和压缩压缩 比有密切的关系。 例如，使用JPEG编码时编码时 ，当压缩压缩 比为为20:1时时，能看到图图像稍微有点变变化，当压缩压缩 比大于20:1时时，一般图图像质质量开始变变坏。但使用MPEG编码时编码时 ，可以得到很好的数据压缩压缩 而依然保 持CD声音质质量的原样样。在较较高的压缩压缩 比下，也能获获得较较好的图图像质质量。 计计算量 图图像数据压缩压缩 需要进进行大量计计算，从目前的 技术术来看

9、，压缩压缩 的计计算量比解压缩计压缩计 算量要 大，例如动态图动态图 象的压缩编码计压缩编码计 算量约为约为 解压缩压缩 的计计算量的4倍。 7.2 统计编码统计编码 统计编码统计编码 属于一种无失真的编码编码 ，具体实现实现 的方法有 多种，包括行程编码编码 、 LZW编码编码 、Huffman编码编码 、算 术编码术编码 。本节节在介绍绍了统计编码统计编码 的基本思想之后，为为 读读者引见见LZW编码编码 、Huffman编码编码 、算术编码术编码 等几种实实现现方法。 统计编码又称熵编码。根据信息论的原理，我们可以找到 最佳的压缩编码方法，数据压缩的理论极限是信息熵。也 就是说，信息中可

10、能存在着冗余信息，要去除信息的冗余 部分，使编码后单位数据量等于其信息源的熵，就达到了 压缩极限。 信息论论指出，如果一个事件（例如收到一个信号）有n个 等可能性的结结局，那么结结局未出现现前的不确定程度H与n的自然对对数成正比，即有： H=Cln n (C为常数) 如果一个消息有10个可能的结果，不确定程度就是Cln10 。当人们收到这个消息后，就消除了这种“不确定”性。这 样，一个消息中所含有的信息量，就用表示有多少个不确 定程度的H来定义，申农（香农）把这个不确定程度 H 称 为信息熵。信息论认为信源中存在的冗余度来自于信源本身的相关性 和信源概率分布的不均匀性。熵编码要解决的问题，是如

11、 何利用信息熵理论减少数据在存储和传输中的冗余度。也 就是要找到去除信源的相关性和概率分布的不均匀性的方 法。 事件间间的统计统计 特性与熵熵有这样这样 的关系。事件发发生的概率越 小，则则其熵值熵值 越大，表示信息量越大，而发发生的概率越大 ，则则其熵值熵值 越小。统计编码统计编码 就是根据信源符号出现现概率的分布特性而进进行工 作的。统计编码统计编码 需要在信源符号和码码字之间间确定严严格的一 一对应对应 关系，以便准确无误误地在先原来信源，同时时使平均 码长码长 尽量小。统计编码对统计编码对 于出现现概率比较较高的数据分配 短码码，而对对那些出现现概率比较较低的数据则则分配长码长码 。该

12、该方 法使总总数据量降低，达到数据压缩压缩 的目的。常用的统计编码统计编码 有LZW编码编码 、Huffman编码编码 和算术编码术编码 。7.2.2 LZW编码编码 LZW（ Lempel Ziv Welch）压缩编码压缩编码 是一种压缩压缩 效率较较 高的无损损数据压缩压缩 技术术。1977年，两位以色列教授Lempel和Ziv提出了查找冗余 字符和用较短的符号标记替代冗余字符的概念，称为 Lempel-Ziv压缩技术。1985年，美国人Welch将Lempel -Ziv压缩技术从概念发展到实际运用阶段，因而被命名为 “Lempel Ziv Welch”压缩技术，简称“LZW”技术。LZW

13、 被广泛用于图像压缩领域。 LZW压缩压缩 基本原理 LZW压缩压缩 的基本原理是：LZW压缩压缩 把每一个第一次出现现的字 符串用一个数值值来编码编码 ，在还还原程序中再将这这个数值还值还成原来的字符串。 转换转换 表是在压缩压缩 或解压缩过压缩过 程中动态动态 生成的表，该转该转 换换表只在进进行压缩压缩 或解压缩过压缩过 程中需要，一旦压缩压缩 或 解压缩结压缩结 束，该该表将不再起任何作用。压缩过程生成的 转换表，记录了代码和数据的对应关系，并且只用于压 缩过程。在解压缩过程中，LZW压缩编码会生成另一个 用于解压缩的转换表，该表与压缩时产生的转换表完全 相同，数据以严格对应的无损方式

14、被还原。 例如用数值值0x100代替字符串“abccddeee”这样这样 每当出 现该现该 字符串时时，都用0x100代替。把数据流中复杂杂的数 据用简单简单 的代码码来表示，就起到了压缩压缩 的作用。并把 代码码和数据的对应对应 关系建立一个转换转换 表，又叫“字符 串表”或“编码对编码对 照表”。 LZW压缩压缩 的特点 LZW压缩压缩 技术术的处处理过过程比其他压缩过压缩过 程复杂杂，但过过程 完全可逆。对对于简单图简单图 像和平滑且噪音小的信号源具有 较较高的压缩压缩 比，并且有较较高的压缩压缩 和解压缩压缩 速度。对对 机器硬件条件要求不高。 LZW压缩压缩 技术术可压缩压缩 任何类

15、类型和格式的数据。对对于任意 宽宽度和像素位长长度的图图像，都具有稳稳定的压缩过压缩过 程。 常用于GIF格式的图图像压缩压缩 ，其平均压缩压缩 比在2：1以上 ，最高压缩压缩 比可达到3：1。LZW压缩压缩 技术还术还 可以被用于文本程序等数据压缩领压缩领 域 ，对对于数据流中连续连续 重复出现现的字节节和字串，LZW压压 缩缩技术术具有很高的压缩压缩 比。值值得注意的是，规则规则 数据具有可预测预测 性，即从一个 数据可预测预测 到下一个将可能是什么数据。但LZW压缩压缩 技术对术对 于可预测预测 性不大的数据具有较较好的处处理效果 7.2.3 Huffman编码编码 Huffman（哈夫

16、曼）编码是统计编码的一种，属于无损压 缩编码。该编码是在1952年为文本文件建立的，编码方法 简单且有效，因而得到广泛的应用。现在已经派生出很多变体。 Huffman编码编码 基本原理 Huffman编码编码 的基本原理是用较较短的代码码代替出现现概率较较 高的数据，用较长较长 的代码码代替出现现概率较较低的数据，所有 代码码都采用二进进制码码，其码码的长长度是可变变的，且每个数据的代码码各不相同。 例如，对对于原始数据序列A、B、C、E、D这这五个字母，假定对应对应 于每 个字母出现现的概率分别为别为 0.30、0.25、0.22、0.15、和0.08，则则可 以编码为编码为 A(00)、B(01)、C(10)、(D110)、 (D111)，压缩压缩 后为为 000110110111。由此产产生的全部信息的总码长总码长 将小于实际实际 信息的符 号长长度，从而达到压缩压缩 的目的。 整个编码过编码过 程实际实际 上建立二叉树树的过过程，所以编码时编码时 需要对对原始数据扫扫描两遍，第一遍扫扫描要精确地统计统计 出 原始数据中的每个值值出现现的频频率，第二遍是通过过合