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1、第七章 多媒体数据压缩技术,数据压缩技术概述 JPEG压缩概述 MPEG压缩概述 数据压缩编码的应用,数据压缩技术概述,数据压缩技术的发展,数据压缩技术的发展 数据压缩技术的应用 图像、视频、音频信号的压缩编码； 文件存储和分布式系统； 数据的安全和保密； 通过处理压缩数据以开发快速算法。 3.多媒体信息的常用数据压缩方式 音频压缩 静态图像压缩 动态视频压缩,数据压缩的基本概念,冗余：指信息所存在的各种性质的多余度。通常图像数据、语音数据的冗余很大。 信息量与数据量的关系可由下式给出： I = D - du 式中，I、D、du分别为信息量、数据量与冗余量。 2.数据冗余的类别： 空间冗余 2
2、) 时间冗余 3) 统计冗余 4) 结构冗余 5) 信息熵冗余 6)视觉冗余 7)知识冗余 8)其它冗余 3.信息的数据量和压缩的必要性； 4.数据压缩优劣的评估,数据压缩方法的分类,数据压缩处理一般是由两个过程组成的： 一是编码过程，即将原始数据经过编码进行压缩，以便于存储与传输； 二是解码过程，此过程对编码数据进行解码，还原为可以使用的数据。 数据压缩的方法可划分为两类：可逆编码方法和不可逆编码方法； 从数据压缩的后与原来信息的对比可划分为无损压缩和有损压缩两类。,信息、数据与编码,1. 信息和熵的概念 2. 信息与数据的关系 “信息”与“数据”的概念是不相同的，数据是信息的载体，数据是用
3、来记录和传送信息的。在一个通信系统的信息传递过程中，真正有用的不是数据本身，而是数据所携带的信息。 3. 传输多媒体信息的数据率和带宽,多媒体声频信息中四种等级的声频数据率（未经压缩）如表7.1所示： 表7. 1 数字声频的数据率,JPEG压缩概述,JPEG静态图像的压缩标准,编码方法 基本原理,无失真预测编码,图7-6 无失真预测编码器方框图,失真预测采用三邻域采样值，由a、b、c预测x，如图7-7所示,图7-7 三邻域预测方法,基于DCT的有失真压缩编码,1. 离散余弦变换 (DCT),图7-8 基于DCT编码的压缩和解码过程 （a）压缩编码过程 (b) 解码过程,2. DCT系数的量化处
4、理,在JPEG中采用线性均匀量化器，量化定义为64个DCT系数除以量化步长，四舍五入取整，表达式如下： FQ (u, v) = Integer Round F (u, v ) / ( Q (u, v ) 其中，Q (u, v) 为量化步长，它是量化表的元素，,反量化表达式如下：,3. DC系数的编码和AC系数的行程编码,MPEG压缩概述,MPEG压缩技术是由ISO组织的Motion Picture Expert Group委员会于1988年提出的，因此简称为MPEG。,MPEG压缩的依据主要是NTSC视频每秒钟需播放30帧画面，而两帧相邻画面之间的物体移动变化并不会太大。,视频图像压缩的基本原
5、理,经光电转换后的视频信号，已是将红(R)、绿(G)、蓝(B)三种色光所产生之电流数字化的结果，例如将红(R)、绿(G)、蓝(B)三个色光的强度从0到最强，各自分成255 (2 8=256)个色阶，即各用8位(bit)来表示每一种色光的强度，那么将红(R)、绿(G)、蓝(B)再合成后就会有2 24种排列组合(即约1677万色的组合)，这个组合几乎可将自然界的所有颜色以数字化方式有效表达。如果我们将颜色以(R，G，B)三个座标来表示，则白色为(255，255，255)、黑色为(0，0，0)，而纯红色为(255，0，0)、纯绿色为(0，255，0)、纯蓝色为(0，0，255)。,数据压缩编码的应用
6、,压缩和解压缩的保真及速度,1.无损压缩和有损压缩,数据压缩处理由两个过程组成：一是编码过程，即将原始数据经过编码进行压缩，以便于存储与传输；二是解码过程，此过程对编码数据进行解码，还原为可以使用的数据。 数据压缩通常是根据解码后的数据与原始数据是否完全一致来分类的，根据编码过程中的否丢失信息量可分为两大类：一类是无失真型，又称无损型(Lossless)数据压缩，采用可逆编码方法；另一类是有失真型，又称有损型(Loss)数据压缩，采用不可逆编码方法。,(1)可逆编码方法,可逆编码 (reversible coding或information preserving coding) 属于信息非丢失
7、型编码，实现无损压缩。这种方法的解码图像与原始图像严格相同，压缩是完全可恢复的或没有偏差的。,图7.15 使用LZW方式无损压缩的效果,图7.16 使用Photostyler进行无损压缩的设定,(2) 不可逆编码,不可逆编码方法(Non_reversible coding)就是有损失压缩。其压缩后是不可逆的。还原的图形和原始图形相比存在一定的误差，但只要压缩比选择恰当，对于不必要精确地再现原图像，对丢失一些信息不致引起误解，只要求视觉效果可接受 。,使用PhotoStacker压缩工具，选择Progressive DCT压缩方式的有损压缩效果如图7.17所示。,图7.17 Progressiv
8、e DCT压缩方式压缩等级为50的选项,Progressive DCT压缩方式，压缩等级为50和100的效果对比如图7.18所示。,图7.18 Progressive DCT方式压缩等级为50和100的效果对比,选择Sequential DCT压缩方式的有损压缩的效果对比如图7.19所示。,图7.19 Sequential DCT有损压缩的压缩等级为50时的效果对比,Sequential DCT压缩方式，有损压缩的压缩等级为80和100时的效果对比如图7.20所示。,图7.20 Sequential DCT有损压缩的压缩等级为80和100时的效果对比,2. 对称压缩和非对称压缩 压缩和解压缩的
9、速度是压缩系统的两项单独的性能度量。 对称压缩 在有些应用中，压缩和解压缩都需要实时进行，这称为对称压缩，如电视会议的图像传输。 非对称压缩 在有些应用中，压缩可以用非实时压缩，而只要求解压缩是实时的，这种压缩称为非对称的压缩，例如，多媒体CD-ROM视频节目的制作，制作时采用非实时压缩，播放时要求解压缩是实时的。,常用的数据压缩编码方式,1.预测编码 预测编码(predictive coding)是一种对统计冗余进行压缩的方法。预测编码的基本方法是根据某一模型利用以往的样本值对于新样本值进行预测，然后将样本的实际值与其预测值相减得到一个误差值，对这一误差值进行编码。,2. 变换编码 变换编码
10、也是一种针对统计冗余进行压缩的方法，它的思路是把一组数据转换成另一种表示形式，这种表示形式有利于某一特定目标。变换可以反向进行，即反变换，以恢复原来的数据,3.统计编码,统计编码包括行程编码 (Run Length Coding)、算术编码、LZW编码、Huffman编码等，属于无失真编码。它是根据信息出现概率的分布特性进行的压缩编码。方法是：识别一个给定的流中出现概率最高的比特或者字节模式，且用比原始比特更少的比特数对其编码。,哈夫曼编码的原理,哈夫曼(Huffman)于1952年提出对统计独立信源能够达到最小平均码长的编码方法，也即最佳码。它完全依据字符出现概率来构造，各码字长度严格按照所
11、对应符号出现概率的大小逆序排列。最佳性可从理论上证明。这种码具有即时性和唯一可译性。,1.Huffman编码的基本方法,Huffman编码方法就是把信源符号按概率大小顺序排列，并设法按逆次序分配码字的长度。在分配码字长度时，首先将出现概率最小的两个符号的概率相加，合成一个概率；第二步把这个合成概率看成是一个新组合符号的概率，重复上述做法，直到最后只剩下两个符号的概率为止。,2. Huffman编码的特点,(1)Huffman方法构造出来的码不是唯一的； (2)Huffman编码码字字长太参差不齐，因此，硬件实现起来不大方便。 (3)Huffman编码对不同的信源其编码效率是不同的； (4) 对
12、信源进行Huffman编码后，形成了一个Huffman编码表。解码时，必须参照这个Huffman编码表才能正确译码。,3. Huffman编码算法的举例,Huffman编码的方法是概率大的赋予短码，概率小的用长码。操作步骤如下： (1) 信元的符号按概率的大小进行排列，按逆次序分配码字的长度。 (2) 分配码字长度时，首先将出现概率最小的的两个符号的概率相加，合成一个新的 数值。 (3) 把合成的数值看成是一个新的组合符号的概率，重复上述操作，直到剩下最后两个符号。 完成上述步骤后，再返回向前给予编码，每层有两个分支，分别赋予0和1 (大的赋0或小的赋0均可，但同一过程中赋值的方法必须一致)。
13、,下例是一组统计概率数据，为了进行Huffman编码，先把这组数据由大到小排列，再按上述方法处理,如图7.21所示： a1 的概率为： 0.20 把 a6与 a7 相加 0.10 + 0.01= 0.11 a2 的概率为： 0.19 把 a5与 0.11 相加 0.15 + 0.11= 0.26 a3 的概率为： 0.18 把 a3与 a4相加 0.18 + 0.17= 0.35 a4 的概率为： 0.17 把 a1与 a2 相加 0.20 + 0.19= 0.39 a5 的概率为： 0.15 a6 的概率为： 0.10 a7 的概率为： 0.01,信元符号 概率 a1 0.20 a2 0.19 a3 0.18 a4 0.17 a5 0.15 a6 0.10 a7 0.01,码字 码长 01 2 00 2 111 3 110 3 101 3 1001 4 1000 4,图7.21 哈夫曼编码的步骤,思考与练习： 如何理解数据压缩的必要性和可行性？ 数据压缩有哪些类型，有什么特点，适用于什么场合？ 什么叫对称压缩，什么叫非对称压缩？举出应用例子。 什么叫无损压缩，什么叫有损压缩？举出应用例子。,
